臥鋪動車組隔聲降噪優化設計技術

（中車長春軌道客車股份有限公司設備研發部，130062，長春∥高級工程師）

臥鋪動車組隔聲降噪優化設計技術

畢 凱

（中車長春軌道客車股份有限公司設備研發部，130062，長春∥高級工程師）

闡述了控制臥鋪動車組振動、噪聲的必要性，提出了控制臥鋪動車組振動噪聲的基本對策，論述了臥鋪動車組降噪優化設計技術，包括聲源和振源的控制優化、車體結構隔聲設計、內裝結構避振設計、車內聲學模態設計等技術。

動車組；隔聲降噪；優化設計

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

伴隨著我國列車速度的提高，鐵路車輛的振動和噪聲問題越來越突出，如不采取有效措施，既會降低乘客的舒適度，又會降低車輛各種零部件的壽命。

長交路臥鋪動車組在夜間持續運行，需要保持持續運行時無明顯突發噪聲，并盡可能降低車內噪聲，才能為乘客提供良好的旅行休息環境。因此，臥鋪動車組減振降噪設計是當前鐵路現代化必須解決的首要問題之一，具有重要的現實意義。

1 動車組噪聲源及控制

1．1 車內噪聲產生機理

動車組車輛噪聲問題的研究，首要任務是了解車輛噪聲的聲源分布、源強大小及其頻譜特性，并結合車輛結構、動力學和聲學特性，明確各聲源的產生和傳播機理。動車組車外噪聲主要包括輪軌噪聲、氣動噪聲、弓網噪聲和高架結構二次輻射噪聲4大類。動車組車內聲場環境非常復雜，聲源眾多，大致可分為3種類型：直達聲、透射聲和振動輻射聲，如圖1所示。

圖1 動車組車內噪聲產生機理

直達聲是從噪聲源發出，以空氣為媒介，從車窗或車門的縫隙和排風口直接傳播到車內的聲音；透射聲是指客室外的各種聲源，先經空氣介質傳播，繼而透過車輛材料傳到車內的聲音；振動輻射聲為各種振動激勵源通過車輛結構將振動能量傳遞至車廂，進而激發車廂結構振動產生聲輻射。由于直達聲和透射聲都是通過空氣傳播，而振動輻射聲是通過結構傳播，因而動車組車內噪聲來源可歸為空氣傳播聲和結構傳播聲兩種。

輪軌噪聲、弓網噪聲、氣動噪聲和輔助設備噪聲等動車組車外噪聲都是動車組車內噪聲的主要來源，這些聲源大多數既可以通過空氣途徑傳播，也可通過結構途徑傳播。盡管對不同的車輛結構和車輛聲學特性而言，這些聲源對車內噪聲的貢獻值是不一樣的，但是，根據國外研究經驗，在研究動車組車內噪聲來源時，必須考慮下列可能是顯著的噪聲來源：①輪軌滾動噪聲；②軌枕通過頻率和車輪缺陷導致的參數激振；③動車組弓網噪聲以及空腔、轉向架區域、車間連接處等的氣動噪聲；④車輛表面的湍流邊界層噪聲；⑤動力單元、空調系統、進排氣裝置等輔助設備發出的噪聲。

1．2 車內噪聲控制

中藥成分復雜，要闡明某種成分與相應藥效活性的關系較為困難，而中藥譜效學能夠將中藥指紋圖譜和藥效學結合起來，既能標示出中藥含有的多種成分，又能很好地揭示成分與藥效的關系[11-13]。因此，中藥譜效學常用于闡明中藥中各成分對藥效的貢獻程度，其主要方法包括多元線性回歸分析法、偏最小二乘回歸分析法等[14]。本研究采用最小偏二乘回歸分析法，根據紫荊葉提取物對酪氨酸酶活性的抑制作用，考察其特征圖譜所代表的不同成分對該抑制作用的貢獻程度，以期為篩選具有酪氨酸酶活性抑制作用的天然美白原料提供理論基礎和試驗依據。

針對動車組車內噪聲產生機理，以及噪聲的傳播規律，動車組車內噪聲控制方法可以用圖2來表示。

如圖2所示，動車組車內噪聲控制，首先要確定車內噪聲的目標值，如時速250km臥鋪動車組車內噪聲設計要求客室端部包間噪聲不大于68dB（A），客室中部包間噪聲不大于65dB（A）；其次通過仿真計算（線路試驗）獲得車內主要噪聲源，并分析主要噪聲源特性，包括頻譜特性和源強分布等；然后根據噪聲源類型和傳播方式的不同進行相應的低噪聲設計，包括直達聲低噪聲設計、透射聲低噪聲設計以及振動聲輻射低噪聲設計等。通過以上低噪聲設計，并預測評價車內噪聲水平，進而確定最終車內噪聲控制方案。

圖2 動車組車內噪聲控制

1．3 車內噪聲限值

對于臥鋪動車組車內噪聲問題而言，國內尚無對應的國家標準。以時速250km臥鋪動車組為例，車內噪聲限值主要參考GB／T 12816—2006《鐵道客車內部噪聲限值及測量方法》、《CRH系列動車組噪聲等評價指標暫行規定》（鐵總科技［2014］210號）等標準或規定。臥鋪動車組車內噪聲限值如表1所示。

2 整車低噪聲設計

根據表1所示，臥鋪動車組車內噪聲測評點主要是端部包間、中部包間及司機室，因此，臥鋪動車組整車低噪聲設計應當首先確保以上測評點位置的噪聲符合限值要求。在此基礎上，研究進一步降低車內噪聲整體水平的改進設計。

表1 臥鋪動車組車內噪聲限值dB（A）

2．1 關鍵區域低噪聲設計

車廂端部區域通常是動車組車內噪聲最惡劣的地方。現有座車動車組線路試驗結果表明，當動車組以250km／h速度運行時，客室端部噪聲可達到75～80dB（A）。結合臥鋪動車組車輛結構特性（見圖3）可知，車廂端部包間基本直接位于轉向架上方，受到轉向架區域包括輪軌噪聲在內的聲源直接作用，其中相對于二位端包間，一位端包間更為靠近車廂端部，臨近風擋和塞拉門，其聲學環境更加惡劣。因此，車廂端部包間的低噪聲設計，在控制該區域輪軌噪聲和氣動噪聲等聲源的基礎上，還要考慮優化改進風擋、塞拉門等結構的密封隔聲性能，地板、側墻、端墻、頂板等的隔聲減振性能，以及包廂間壁的隔聲、隔振動聲輻射性能。

2．1．1 受電弓下方包間

圖3 臥鋪動車組中間車結構特性

弓網噪聲作為動車組車輛的主要噪聲源之一，直接影響受電弓下方區域的車內噪聲水平。現有座車動車組線路試驗結果表明，受電弓下方的車內噪聲明顯高于車內其他部分的噪聲，差值為1～3dB（A）。隨著車輛運行速度的提高，弓網噪聲往往變得更強且更為復雜。受電弓車的車外弓網區域存在明顯的聲源，其聲強基本和輪軌區域噪聲相當，因此，受電弓區域的空氣傳聲對車內噪聲具有顯著貢獻。結合臥鋪動車組車輛結構特性（見圖4）可知，受電弓位于端部包間的上方，這進一步加劇了受電弓下方的端部包間噪聲水平。受電弓區域車內噪聲的控制，應該首先降低弓網噪聲源和受電弓區域的振動能量傳遞，其次要提高平頂、側墻等的隔聲、隔振性能。

圖4 臥鋪動車組帶受電弓車結構特性

2．1．2 空調機組下方包間

空調機組對車內噪聲的影響可分為兩部分，一是空調機組的工作噪聲，二是空調機組的氣動噪聲。空調機組的工作噪聲主要對靜置狀態下的車內、車外噪聲起主要作用，而空調機組的氣動噪聲則會對運行狀態下的車內、車外噪聲產生重要影響。結合臥鋪動車組車輛結構特性（見圖3）可知，空調機組下方包間低噪聲設計，一方面要控制空調機組的工作噪聲，另一方面還要關注空調機組的氣動噪聲優化，同時考慮提高空調機組區域頂板、側墻的隔聲減振性能。

2．1．3 車下設備上方包間

牽引變壓器、牽引變流器、輔助變流器等車下設備對車內噪聲的影響主要是其工作狀態下產生的振動能量向車內傳遞。現有座車動車組線路試驗結果表明，車下設備的顯著噪聲、振動能量可以經由地板向車內傳遞，并引起側墻、頂板以及內裝結構的振動噪聲響應。車下設備上方包間低噪聲設計，一方面要控制輔助設備的工作噪聲，另一方面還要關注輔助設備和車體連接結構的隔振和減振性能，同時也要考慮提高輔助設備區域地板和側墻的隔聲減振性能。

2．2 隔聲降噪優化設計

臥鋪動車組整車低噪聲設計需要從聲源控制和傳遞路徑優化兩方面著手。聲源控制包括空氣聲源和結構振動兩種聲源的控制，傳遞路徑優化包括空氣傳聲和結構傳聲兩種路徑的優化。

2．2．1 聲源和振源的控制優化

圖5給出了轉向架區域噪聲減小3dB（A）和轉向架區域噪聲減小5dB（A）之后的車內噪聲與轉向架區域噪聲未采取任何措施時的車內噪聲對比。由圖5可見，轉向架區域噪聲減小3dB（A）之后，客室端部噪聲降低了約1dB（A）；轉向架區域噪聲減小5dB（A）之后，客室端部噪聲降低了約2 dB（A）。

因此，對于臥鋪動車組整車低噪聲設計而言，控制車輛顯著的空氣聲源，如輪軌噪聲、氣動噪聲、弓網噪聲等，以及控制車輛顯著的結構振動，如轉向架區域振動、弓網區域振動、輔助設備區域振動等，對于降低車內噪聲水平具有重要意義。

圖5 轉向架區域噪聲控制對比

2．2．2 車體結構隔聲設計

對于空氣傳聲而言，提高車體結構的隔聲水平是降低車內噪聲的有效方法。對臥鋪動車組車內噪聲進行仿真計算，計算結果表明，當車體結構的隔聲水平提高之后車內噪聲降低了2～3dB（A）。因此，對于臥鋪動車組整車低噪聲設計而言，提高車體結構的隔聲水平具有重要作用，特別是車輛的聲源暴露處和車體結構隔聲薄弱處，如轉向架區域地板、受電弓平頂、端部側墻、頂板、端墻等關鍵位置的隔聲優化設計尤為重要。

2．2．3 內裝結構避振設計

臥鋪動車組車內有大量的包間結構，包間間壁的振動聲輻射對車內噪聲的影響也不容忽視。車輛的振動與噪聲激勵傳遞至車內，引起車內結構的振動并輻射噪聲，進而產生一系列車內噪聲問題。因此，對于臥鋪動車組整車低噪聲設計而言，需要對車內包間間壁進行聲學結構特性設計。一方面要使間壁的共振頻率避開車輛結構的主要固有激勵頻率，另一方面要研究降低間壁的振動聲輻射水平。

2．2．4 車內包間聲學模態設計

與結構模態類似，空腔存在聲學模態，特別當車身結構模態與車內空腔聲學模態對應的固有頻率相近時，會形成車內空腔聲學共振響應。車內空腔聲場分布會以某一固有聲學振型來表現，在橫向或縱向的波峰和波谷處形成較顯著的聲壓差值，可使人產生某些區域噪聲異常強烈的主觀感覺。現有動車組運營過程中曾出現過一例端部異響問題，即和車內聲學模態分布相關。圖6給出了該動車組車內聲學模態計算結果。

由圖6可見，車內聲學模態的分布在111Hz附近均表現為橫向兩端大、中間小的規律。當動車組以250km／h速度運行時，受到過枕跨參數激振頻率（111Hz）的激勵，加之車輛系統本身在100 Hz附近存在固有模態密集區，所以會引起車輛系統共振；同時，在111Hz附近存在多個車內空腔聲學模態，并且聲壓的分布規律表現為車內橫向兩側大、中間小的狀態。車內的聲振耦合最終導致了客室端部的異響問題，因此，對于臥鋪動車組整車低噪聲設計而言，獲得包間、走廊的聲學模態分布特性，避免車內產生顯著的聲固耦合效應十分關鍵。

圖6 車內聲學模態特性

3 結語

動車組振動和噪聲控制是一個系統工程，它與車體輕量化設計、空氣動力學、氣密性研究、輪軌摩擦、線路質量、振動及隔聲、減振材料的選擇、車下動力設備等息息相關。設計時單從某一方面考慮不能有效降低車內外振動和噪聲水平，必須綜合考慮各方面因素的影響。只有將聲學設計融入動車組結構及部件設計的每一方面，才能取得控制動車組振動和噪聲的良好效果。

［1］ 中國鐵路總公司。CRH5E型臥鋪動車組暫行技術條件：科技裝函［2015］146號［S］．北京：中國鐵路總公司，2015．

［2］ 中國鐵路總公司．CRH系列動車組噪聲等評價指標暫行規定：鐵總科技［2014］210號［S］．北京：中國鐵路總公司，2014．

Application of Sound Insulation and Noise Reduction Technology in EMU Sleeper Train

BI Kai

The necessity of controlling vibration and noise of EMU sleeper train is expounded，the basic countermeasures to control the vibration and noise of EMU sleeper train are put forward．Then，the technology of the acoustic optimization design for EMU is discussed，including the optimal control of noise and vibration sources，the sound insulation design of the carbody structure and the interior structure，the acoustic modal design of the compartment and so on．

electric multiple unit（EMU）；sound insulation and noise reduction；optimal design

U270．2

10．16037／j．1007－869x．2017．02．016

2016－09－10）