高速列車VIP客室噪聲機理分析

高陽　吳健

（中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

在軌道交通快速發展的同時，隨著人們生活水平的提高、環保意識的加強以及噪聲防治相關法律的強制實施，軌道交通列車車內噪聲問題日益突出，受到了社會上的廣泛關注［1-3］。高強度、持續不斷的客室內噪聲給司乘人員的身體帶來疲勞感和壓迫感，容易讓人脾氣暴躁、情緒波動，嚴重時甚至可能會給聽力帶來損傷，目前已成為高速列車噪聲控制研究的重點［4-6］。

為了獲得VIP客室內噪聲聲壓級分布特性和頻譜特性，本文對我國某現役高速動車組VIP客室在典型運行速度下的噪聲特性進行了測試，分析VIP客室內噪聲形成機理，為后續高速動車組VIP客室減振降噪工作提供科學依據和指導。

1　測試方案

列車在勻速運行時，在VIP客室第1、2排座椅正前方距地板面1.2 m高處設置6個傳聲器測點（前排左、前排中、前排右、后排左、后排中、后排右）。測點的位置分布如圖1所示。為獲取測試車輛VIP客室內噪聲的源強分布特性，在VIP客室第1排座椅后方、第2排座椅前方中間位置布置聲源識別球形陣列。為了了解VIP客室噪聲來源機理，在車體和轉向架區域布置了聲學和振動測點（見圖2）。

圖1　VIP客室傳聲器測點布置

2　聲源特性分析

圖2　VIP客室聲源識別測點布置

圖3給出了VIP客室分別位于頭車或尾車兩種情況下的客室內聲壓級總值。從圖中可以看出，VIP客室位于頭車時其聲壓級總值較其位于尾車時增大約5 dB。其主要原因在于頭車受到氣動噪聲影響更為顯著。因此，欲降低頭車VIP客室的噪聲，需對高速列車的車頭采取低噪聲設計，降低車頭區域氣動噪聲。

圖3　VIP客室聲壓級總值比較

為了進一步分析車內噪聲特性，圖4給出了尾車VIP客室內噪聲的1/3倍頻程頻譜。在1/3倍頻程頻譜圖中，定義頻率聲壓級最大值以下10 dB范圍內的頻率區域為噪聲顯著頻段。由圖4可知，VIP客室內噪聲的顯著頻帶為63～2 000 Hz。

圖5給出尾車VIP客室噪聲頻譜各1/3倍頻程的能量分布。結合圖4可知，125 Hz頻段對于尾車VIP客室內的噪聲起主導作用，與此同時，500 Hz和630 Hz頻段的噪聲能量對于尾車VIP客室內的聲學環境存在較大影響。為了降低尾車VIP客室噪聲，需從噪聲機理入手，分析125 Hz、500 Hz以及630 Hz頻段噪聲來源。

3　噪聲機理分析

圖6給出125 Hz、500 Hz和630 Hz頻段尾車VIP客室A計權聲源識別聲壓云圖。圖中下方區域是地板，上方為車頂板，兩側是左、右側墻。從圖中可以看出，125 Hz頻段噪聲主要來自于地板方向，500 Hz和630 Hz兩個頻段的噪聲主要來自于側窗上方的頂板區域。

圖4　VIP客室內噪聲1/3倍頻程頻譜

圖5　VIP客室內噪聲能量分布

圖7給出了尾車VIP客室內噪聲的快速傅里葉變換（FFT）頻譜以及車外車頂區域氣動噪聲、側墻氣動噪聲、轉向架區域噪聲信號和輪軌振動信號的FFT頻譜。從圖中可以看出，尾車VIP客室內125 Hz三分之一倍頻程頻段內的126 Hz處、500 Hz三分之一倍頻程頻段內的540 Hz處以及630 Hz段內的569 Hz處等頻率存在顯著峰值。

從圖7中可以看出，輪軌振動和轉向架區域噪聲在126 Hz、540 Hz及569 Hz處均存在較為明顯峰值，車頂和側墻區域在這些頻率處并未發現顯著峰值。

由于上述頻譜曲線和頻率峰值是在列車勻速運行情況下得到的，自身無法判斷是否與列車運行速度相關，因此，可通過噪聲和振動的時頻特性來進一步分析。圖8給出了尾車VIP客室、車頂氣動噪聲、輪軌區域噪聲以及輪軌振動信號的時頻特性云圖。

由圖8可見，在尾車VIP客室噪聲峰值頻率126 Hz處，VIP客室內噪聲、轉向架區域噪聲和輪軌振動信號具有顯著階次特征，對應4.45階為車輛系

圖6　VIP客室A計權聲源識別聲壓云圖

圖7　尾車VIP客室噪聲FFT頻譜

統過枕跨頻率。結合VIP客室聲源識別結果和車外聲學和振動測點的測試結果可知，輪軌噪聲通過空氣路徑，透過車體地板在車內形成聲源貢獻。

在500 Hz和630 Hz頻段，對應速度變化的540 Hz和569 Hz等峰值頻率，其與車輪19～24階和24.4階階次激勵頻率密切相關。結合車內聲源識別和車外聲學和振動測點的測試結果，分析判斷其產生機理為車輪19～24階非圓激勵，形成轉向架區域顯著的轉向架區域輪軌振動和聲學激勵。這些激勵作用到外地板上，進而通過結構傳遞路徑傳遞給側墻和車窗內飾結構，引起該部位內飾結構顯著振動聲輻射，從而形成顯著聲源貢獻。

圖8　VIP客室時頻特性云圖

4　結論

（1）VIP客室位于頭車時其聲壓級總值較其位于尾車時增大約5 dB，其主要原因在于頭車受到車頭區域氣動噪聲影響更為顯著。因此，欲降低頭車VIP客室的噪聲，需對高速列車的車頭采取低噪聲設計，降低車頭區域氣動噪聲。

（2）在125 Hz頻段，對應階次特性顯著的峰值頻率126 Hz，也是4.45階車輛系統過枕跨頻率。輪軌噪聲通過空氣路徑，透過車體地板在車內形成尾車VIP客室在該頻段處的聲源貢獻。

（3）在500 Hz和630 Hz頻段，對應隨速度變化的540 Hz和569 Hz等峰值頻率，其與車輪19～24階和24.4階階次激勵頻率密切相關。其產生機理為車輪19～24階非圓激勵，形成轉向架區域顯著的轉向架區域輪軌振動和聲學激勵。這些激勵作用到外地板上，進而通過結構傳遞路徑傳遞給側墻和車窗內飾結構，引起該部位內飾結構顯著振動聲輻射，從而形成顯著聲源貢獻。

［1］何賓.高速列車車外噪聲分布特征及車輪阻尼控制措施初步探討［D］.成都：西南交通大學，2011.

［2］何遠鵬，焦洪林，趙悅，等.嵌入式軌道彈性材料特性對鋼軌振動與聲輻射的影響［J］.噪聲與振動控制，2015，35（3）：51.

［3］韓光旭.高速列車車輪非圓化對振動噪聲的影響及演變規律研究［D］.成都：西南交通大學，2015.

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［6］伏蓉，張捷.高速列車車體輕量化層狀復合結構隔聲設計［J］.噪聲與振動控制，2016，36（1）：48.