現(xiàn)代有軌電車噪聲機理及減振降噪技術

（1．中國中車長春軌道客車股份有限公司科技管理部，130062，長春；2．中國中車長春軌道客車股份有限公司檢修研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，教授級高級工程師）

現(xiàn)代有軌電車噪聲機理及減振降噪技術

徐連萍1邵俊捷2

（1．中國中車長春軌道客車股份有限公司科技管理部，130062，長春；2．中國中車長春軌道客車股份有限公司檢修研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，教授級高級工程師）

簡述了我國現(xiàn)階段現(xiàn)代有軌電車的噪聲限值要求，以測試數(shù)據(jù)給出了典型現(xiàn)代有軌電車的噪聲水平現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了現(xiàn)代有軌電車的聲源分布和噪聲產(chǎn)生機理。針對現(xiàn)代有軌電車噪聲特性及其產(chǎn)生機理，提出了車內外噪聲控制的關鍵技術。研究結果表明：輪軌噪聲是現(xiàn)代有軌電車的主導聲源，通過彈性車輪和嵌入式軌道結構實現(xiàn)輪軌噪聲聲源控制，通過風擋隔聲控制和結構傳聲路徑控制實現(xiàn)車內噪聲控制是有軌電車減振降噪的關鍵技術所在。

現(xiàn)代有軌電車；輪軌噪聲；減振降噪；空氣傳聲；結構傳聲

First－author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

隨著我國現(xiàn)代有軌電車的迅速發(fā)展，車輛運行時的振動與噪聲受到了越來越廣泛的關注，減振降噪已成為體現(xiàn)其綜合性能的關鍵技術。本文簡要概述了我國現(xiàn)階段現(xiàn)代有軌電車的噪聲水平和噪聲限值要求，系統(tǒng)分析了現(xiàn)代有軌電車的聲源分布和噪聲機理，綜述了現(xiàn)代有軌電車低噪聲設計和減振降噪控制技術。

1 噪聲限值要求及現(xiàn)狀

我國典型線路上現(xiàn)代有軌電車噪聲技術指標要求為：如果采用ISO 3095—2013標準，在距軌道中心線7．5m遠處測試的車外靜置噪聲不超過70dBA，速度小于70km／h勻速運行下車外運行噪聲不超過78dBA；如果采用ISO 3381—2011標準，速度小于70 km／h勻速運行下車外運行噪聲不超過78dB（A）。

針對我國典型線路上現(xiàn)代有軌電車現(xiàn)狀，按照ISO 3381—2011標準，在有砟和無砟兩種最為典型的線路區(qū)段，測試了70km／h勻速運行情況下的車內噪聲。測試結果如圖1所示。測試結果表明，車內噪聲超出了該標準的限值要求范圍，這主要源于車內外噪聲共同作用的結果。

圖1 現(xiàn)代有軌電車70km／h勻速運行情況下車內噪聲測試結果

2 噪聲主要聲源及產(chǎn)生機理

2．1 車外噪聲源

現(xiàn)代有軌電車車外噪聲主要分布在輪軌、冷卻風機、輔助設備及牽引電機等4個典型區(qū)域，其中3種試驗速度下最顯著聲源分布均在輪軌區(qū)域。為了進一步區(qū)分4種主要聲源對車外噪聲的貢獻，在車外聲源識別結果的基礎上，給出了4種聲源與電車速度變化的關系，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)代有軌電車車外主要聲源隨速度變化關系圖

傳統(tǒng)的軌道交通通常采用左右對稱結構的鋼軌（如圖3a）所示），現(xiàn)代有軌電車更傾向于采用左右非對稱的槽型軌（如圖3b）所示）。左右非對稱的軌道橫截面可能會增加鋼軌的扭轉振動響應，進而通過彎扭耦合增加鋼軌腹板的橫向振動響應；而槽型軌的軌槽結構，會增大頂面的有效輻射面積，可能也會增加鋼軌結構的振動聲輻射。從而兩方面都可能使非對稱槽型軌的輪軌噪聲增大，但是到目前為止，針對槽型軌的輪軌噪聲分析還較少。

圖3 鋼軌橫截面對比

2．2 車內噪聲源

如圖1所示的測試結果表明，影響車內噪聲主要來自3個方面：①軌道類型導致的鋼軌粗糙度差異；②軌道衰減率（線路結構阻尼特性）；③軌道結構的吸聲特性差異。①和③兩種因素各自導致的有砟軌道比無砟軌道噪聲增加都不會大于1dBA［2］，但有砟軌道的車內噪聲明顯小于無砟軌道的車內噪聲，其最大的可能因素還是由于有砟軌道的整體阻尼特性要比無砟軌道的更為優(yōu)越，導致其具備更好的軌道衰減率，從而使列車運行在有砟軌道上有更好的低噪聲性能。

3 車外噪聲控制關鍵技術

輪軌噪聲是現(xiàn)代有軌電車噪聲的主導聲源，控制輪軌噪聲是現(xiàn)代有軌電車車外噪聲控制的首選。

3．1 彈性車輪的設計

現(xiàn)代有軌電車絕大多數(shù)采用彈性車輪結構，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)代有軌電車彈性車輪

通過彈性結構，將輪輞和幅板這兩個車輪聲輻射最顯著的區(qū)域進行振動解耦。同時，彈性結構采用高阻尼特性材料（例如橡膠環(huán)）可以更好地抑制輪軌噪聲。

要想達到理想的振動解耦效果，隔離層彈性結構的剛度越小越好；而要獲取理想的阻尼效果，隔離層彈性結構的剛度則越大越好。因此，如何確定隔離層彈性結構的剛度，是彈性車輪低噪聲設計的關鍵所在。

3．2 彈性體的選材

出于共享路權考慮，通常將現(xiàn)代有軌電車的鋼軌嵌入到高分子材料構成的彈性體中，如圖5所示。高分子材料彈性體具有高阻尼特性，理論上可以很好地提高軌道結構的整體阻尼特性，從而對輪軌噪聲抑制起到積極作用。

但是，嵌入式軌道結構并非一定比傳統(tǒng)軌道結構具有更好的減振降噪性能，分析其原因主要為［3］：①彈性體自由表面可能會與鋼軌一起振動，甚至某些特定頻率會放大鋼軌的振動，從而使得參與聲輻射的振動表面積遠遠大于軌頭表面積，使輪軌噪聲中來自于軌道結構的噪聲增大；②由于鋼軌嵌入到彈性體中，其包裹作用會改變傳統(tǒng)鋼軌的偶極子聲輻射特性，變?yōu)槁曒椛湫矢@著的單極子。因此，彈性體的選材，尤其是剛度和阻尼特性的優(yōu)化匹配，是起到良好減振降噪作用的關鍵所在。

圖5 現(xiàn)代有軌電車嵌入式軌道結構

3．3 旋轉結構的設計

冷卻風機、牽引電機和輔助設備的噪聲產(chǎn)生機理均與旋轉結構的振動噪聲密切相關。旋轉結構的振動噪聲控制工程實例如下［3］：①采用徑流風機替代傳統(tǒng)的軸流風機，如圖6所示。在600r／min和1 100 r／min轉速情況下，可實現(xiàn)降噪8．4dB和11．4dB。②改變氣流流進葉片的方向，讓新風（冷空氣）流經(jīng)葉片（壓風方式）替代傳統(tǒng)舊風（熱空氣）流經(jīng)葉片（抽風方式）。③增加葉片數(shù)量，優(yōu)化葉片形狀，在保證供風的前提下，盡可能降低風機轉速。通過措施②和③，再加上對風機結構內外包裹吸聲材料，就算仍然采用軸流風機結構，也可實現(xiàn)7dB的顯著降噪效果。

圖6 典型冷卻風機結構

4 車內噪聲控制關鍵技術

4．1 風擋隔音控制

針對空氣傳聲路徑，采用“等隔聲設計原理”，以避免存在隔聲性能較差的部件，避免形成“短板效應”。

利用無指向聲源系統(tǒng)在車內產(chǎn)生混響場噪聲激勵、在車內外采用聲強掃描聲功率測試方法，對裝備狀態(tài)下的有現(xiàn)代軌電車的車窗、車體和風擋結構進行隔聲特性測試，結果如圖7所示。

圖7 現(xiàn)代有軌電車裝備狀態(tài)下隔聲特性

測試結果表明，風擋記權隔聲量僅有15．6dB，遠遠低于其他區(qū)域的車身結構。由此可知，車內噪聲大部分來自于車間貫通道，因此，對風擋結構的隔聲性能提升能有效控制車內噪聲。

另外，為實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，現(xiàn)代有軌電車大多數(shù)采用輕量化結構，在實現(xiàn)輕量化目標時，為使其振動和噪聲性能不受影響，型材結構的要求為（見圖8）：當選擇的筋板厚度為1．5mm時，單位面積型材結構的質量為20．7kg，其計權隔聲量為32．3dB；而當筋板厚度增加1．0mm和2．0mm后，其面密度分別變?yōu)?4．4kg／m2和28．1kg／m2，質量增加的同時計權隔聲量反而降低至31．5dB。由此可見，開展輕量化車體結構的隔聲特性和振動聲輻射特性多目標優(yōu)化設計，對現(xiàn)代有軌電車車內噪聲控制非常關鍵，因此，完全可以通過結構、參數(shù)和選材等的優(yōu)化，實現(xiàn)減重和降噪雙重優(yōu)化目標。

圖8 現(xiàn)代有軌電車型材結構隔聲優(yōu)化

4．2 結構傳聲控制

相對空氣傳聲路徑而言，結構傳聲路徑對車內噪聲的影響很少被人關注。目前，現(xiàn)代有軌電車都配備兩系懸掛系統(tǒng)，尤其是二系懸掛大多數(shù)都采用了空氣彈簧，來自輪軌系統(tǒng)的振動激勵在20Hz以上的高頻部分均會被懸掛系統(tǒng)很好地隔離掉，不會傳遞到車體乃至車廂內部。有文獻指出［3］：懸掛系統(tǒng)的聲學相關振動傳遞特性（結構傳聲特性）往往容易被忽視，導致輪軌系統(tǒng)振動經(jīng)結構傳播影響車內噪聲。

現(xiàn)代有軌電車典型結構傳聲路徑如圖9所示。由圖9可見，輪軌振動激勵通過“軸箱－構架－車體”結構傳聲路徑對車內噪聲形成了顯著影響。

圖9 現(xiàn)代有軌電車結構傳聲路徑

5 結論與展望

5．1 結論

（1）在車體、轉向架、弓網(wǎng)受流裝置等噪聲主要來源上，采用復合材料、仿生學技術，以降低中低頻噪聲。

（2）在噪聲傳播路徑上采用具有彈性和阻尼性較好的降噪、吸聲材料和消聲結構阻隔噪聲傳遞。如在轉向架上部和側面安裝吸聲裙板，在車輪上安裝調諧吸振器等。

（3）對車體及車下吊裝設備進行模態(tài)分析。合理設計各類設備的安裝位置，通過實驗選擇合適的支撐剛度，避免車體振動導致設備產(chǎn)生中低頻共振，加劇車體振動。

（4）“等隔聲設計”原則和結構傳聲路徑控制是降低車內噪聲的關鍵技術，其中風擋的隔聲和防側滾扭桿結構傳聲控制是研究重點。

（5）通過以上4方面的被動降噪措施能有效降低車輛的噪聲水平，但要取得進一步的降噪效果需要利用新興的“有源消聲”技術，從噪聲源本身著手，通過電子線路產(chǎn)生與車輛現(xiàn)有噪聲相等的反向聲波，將噪聲中和，從而達到降噪的效果。目前，中車長春軌道客車股份有限公司已經(jīng)在車輛前端部開展相關的技術研究。

5．2 發(fā)展趨勢展望

目前，國內現(xiàn)代有軌電車在實際運營過程中的噪聲控制還不能達到國家相關標準，需要探討和解決的問題還很多。因此，在線路設計、車輛優(yōu)化升級以及不同線路環(huán)境下的噪聲控制等方面還需作深入研究。

（1）減振降噪方案的設計需要超前于實際工程。將策略研究放在補救結構設計缺失的階段，不僅造成時間和人力成本的浪費，補救措施還可能對現(xiàn)代有軌電車線路周邊環(huán)境造成不利影響。因此，在車輛設計的前期應該對車體振動及輪軌耦合關系進行仿真分析，獲取相關預測數(shù)據(jù)并在早期設計過程中加以應用。

（2）完善噪聲預測計算模型。通過噪聲預測模型可在車輛設計階段對新材料的隔聲特性、整車噪聲分布特點進行預測，建立車輛噪聲評估分析系統(tǒng)，提高噪聲問題解決效率。

（3）新材料適用性研究。現(xiàn)代有軌電車車輛設計既要滿足輕量化要求又要實現(xiàn)優(yōu)良的隔音效果，可將其他行業(yè)領域內（如航空和建筑）的新材料研究和應用成果轉化到現(xiàn)代有軌電車降噪設計和結構優(yōu)化上。

（4）探究列車內外部噪聲源定位技術。在深化研究噪聲機理及噪聲單元的聲貢獻基礎上加強噪聲主動控制，針對車外不同的工況建立與之相適應的噪聲控制實現(xiàn)方法，針對車內環(huán)境開發(fā)智能減振降噪材料，搭建多通道的有源消聲系統(tǒng)。

（5）建立以噪聲源分布、級別、頻率、振動級等為指標的綜合舒適度評估方法。詳細研究現(xiàn)代有軌電車噪聲振動與乘客舒適體驗的關系，確定各影響因素對乘客舒適度的干擾貢獻權重。依據(jù)評估體系制定更深入的噪聲控制指標，對現(xiàn)有的控制標準體系加以完善。

［1］ FILLOL C，F(xiàn)RID A．Report on source ranking on state of the art－Validation platforms and final priorities for research effort［J／OL］．（2016－02－12）［2016－08－05］http：∥www．silence－ip．org／site／fileadmin／SP＿E／Deliverable＿ED2＿＿1＿．pdf．

［2］ 湯普森（David Thomson）．鐵路噪聲與振動：機理、模型和控制方法［M］．中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，譯．北京：科學出版社，2013．

［3］ Frid A，F(xiàn)ehse K．Improved design of a diesel engine cooling system［EB／OL］．（2016－02－12）［2016－08－05］http：∥www．silence－ip．org／site／fileadmin／SP＿E／Deliverable＿ED17．pdf．

Mechanism of Modern Tram Noise and Vibration Reduction Technology

XU Lianping，SHAO Junjie

The noise limits of modern tram in China are briefly introduced，the noise level of a typical modern tram is given by the test data．On this basis，the sound source distribution and the mechanism of modern tram noise are analyzed systematically．According to the characteristics and the mechanism of modern tram noise，the key control technologies of vehicle interior and exterior noise are put forward．The research shows that the wheel／rail noise is the dominant sound source of modern tram，and the key control technology of wheel／rail vibration and noise is to adopt resilient wheel and embedded rail track，increase the sound insulation of windshield，decrease the structure－borne sound transmission through adopting antilik and anti－side roll torsional bar．This research serves as a good reference for low noise tram design and noise reduction．

modern tram；wheel／rail noise；vibration and noise reduction；air－borne sound；structure－borne sound

U270．1＋6；U482．1

10．16037／j．1007－869x．2017．02．026

2016－09－25）