淺析司機室噪聲控制方法

杜俊廷 岳凱 施宗楠

摘 ? 要：目前機車在設計時可采用的隔音降噪措施很多，但在實際應用中，由于結構設計、制造、工藝等多方面的原因，機車司機室內的噪聲仍得不到有效控制。本文對機車司機室噪聲的產生原理及控制方式進行了分析和研究，重點介紹了隔聲和吸聲結構的設計要點以及一種司機室噪聲檢測的新方法，并對不同結構的復合降噪材料在隔聲和吸聲性能上的差異進行了比較，為司機室降噪設計提供了依據。

關鍵詞：機車 ?司機室 ?隔聲結構 ?吸聲結構

中圖分類號：U260.38 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0052-02

Abstract： At present， there are many sound insulation and noise reduction measures in locomotive design， but in practical application， due to structural design， manufacturing， technology and other reasons， the noise in locomotive driver's cab can not be effectively controlled. This paper analyses and studies the generation principle and control method of cab noise of locomotive， and mainly introduces the design essentials of sound insulation and sound absorption structure and a new method of cab noise detection， and compares the differences of sound insulation and sound absorption performance of composite noise reduction materials with different structures， so as to reduce cab noise. The design provides a basis.

Key Words： Locomotive; Cab; Sound insulation structure; Sound absorption structure

機車的噪聲是影響司乘人員安全的因素之一。為了提升司乘人員的安全性與舒適性，在機車車體結構特別是司機室內都進行了附加的聲學處理，如密封、吸聲、隔聲處理等，以改善司機室的操作環境[1]。目前，機車司機室與內部裝修結構較為復雜，在技術設計的同時對噪聲進行仿真計算十分困難，通常的做法是在機車試制后進行實車測試，再根據測試結果對司機室結構進行加強，或者對后續生產車型的設計進行更改。機車司機室的結構復雜，噪聲限制嚴格，這種頭痛醫頭腳痛醫腳的模式，對于機車司機室噪聲的控制還是不夠完善。

本文從理論、材料性能、檢測方法三個方面進行了研究，旨在為機車司機室的降噪設計提供指導。

1 ?司機室振動和噪聲的理論研究

司機室噪聲分為兩大類型：一是由機車機械室內設備運轉產生的噪聲以及機車外部噪聲通過縫隙與墻壁進入室內的空氣噪聲;另一個大類型是由于機車車體蒙皮振動而產生的結構噪聲。結構噪聲是由車輪與軌道摩擦所產生的噪聲、空氣動力學噪聲、受電弓噪聲等傳入機車車體結構從而引起車體自身振動而產生的。空氣噪聲可以由降低機車機械室設備運轉噪聲，提高機車車體的隔聲、吸聲性能來控制;結構振動噪聲一般具有低頻特性，可以由增加降噪材料和隔聲結構來控制，例如在司機室內表面采用雙層復合板，中間填充隔聲降噪材料。

司機室噪聲控制的模式主要是被動控制，即阻斷噪聲傳播途徑。因此處理方法主要是從司機室車體鋼結構的密封、吸聲，以及隔聲方面來進行控制。

1.1 司機室的密封

司機室內壁的縫隙與過線孔令噪聲能夠直接傳入。孔洞或縫隙面積越大，對墻體的隔聲量影響越大[2]。因此，須對機車司機室的密封性進行提升，將所有沒有實際作用的縫隙堵塞，對因線路管路穿墻而產生的孔洞進行密封處理。在實際生產操作中，對機車司機室車體各方向蒙皮銜接處等密封要求高的區域的焊縫均需采用滿焊，對由于空間結構限制不能采用滿焊的區使用密封膠對縫隙進行密封。對于穿過墻壁的線纜用過線環、膨脹材料進行密封。

1.1.1 車外密封

司機室前窗玻璃與窗框之間的縫隙采用密封膠進行連接與密封，以便使司機室前窗玻璃與窗框之間平滑過渡且保證具有良好的密封性能。避免使用凸出玻璃的密封橡膠條，使玻璃與窗框因過渡不平滑且密封不嚴而產生繞流，形成形成空氣動力學噪聲。

1.1.2 車內密封

司機室門的隔聲性能，主要取決于門與門框之間的密封程度。門密封副的好壞取決于門與門框的平面度、門與門框的剛度、密封條的材料、截面形狀、鉸鏈的結構等[3]。為了提高司機室門的隔聲性能，在門框以及門扇結構上，宜采用高強度的整體邊框設計，以保證門框與門扇的平面度。

1.2 司機室的吸聲

1.2.1 吸聲材料

吸聲性能一般由吸聲材料吸收掉的聲能與入射聲能的比值即吸聲系數α來表示。吸聲系數范圍在0～1之間，若材料將聲音完全反射α=0，完全吸收則α=1。吸聲系數不僅與吸聲材料自身的尺寸、結構特性有關，還與吸聲材料在司機室內的布置，噪聲入射的角度、頻率有關。目前機車司機室常用的吸聲材料有玻璃棉、泡沫塑料等多孔性材料。多孔材料的吸聲原理是當聲波入射時引起多孔材料空洞內空氣與細小纖維的波動，通過將聲能轉化為熱能而消耗掉。由于多孔性材料的孔隙尺寸與高頻聲波的波長相近，因而對高頻聲吸聲效果好，而對低頻聲吸聲效果較差。

1.2.2 吸聲結構

為了彌補多孔性材料在低頻吸聲能力方面的不足，在實用中通常采用各種吸聲結構來進行吸聲處理，以獲得較好的低頻吸聲效果。吸聲結構分為薄板吸聲、共振吸聲、穿孔板吸聲、微穿孔板吸聲結構等多種。

多孔性吸聲材料大多是松散的，不能直接布置在司機室內壁。實際應用中用透氣的玻璃布、纖維布等包起來放入結構框架內，然后再加一層護面穿孔板。護面穿孔板可以是纖維板、鋼板、鋁板或鍍鋅鐵絲網等。

如果把鋼板、鋁板等以一定的孔徑和穿孔率打上孔，并在板后設置空氣層，這樣就構成了穿孔板共振吸聲結構。穿孔板共振吸聲結構的最高吸聲系數出現在共振頻率處，其共振頻率可由下式計算：

式中：c為當地音速，P為穿孔率，P=孔的總面積/板的總面積;h為空腔深度（單位m）;Lk為小孔的有效頸長，Lk=t+0.8d，t為板厚（單位m），d為孔徑（單位m）。

從上式可以看出，板的穿孔面積越大，吸收的頻率越高;空腔越深或頸口有效深度越長，吸收的頻率越低。穿孔板的穿孔排列方式一般有2 種，正方形和三角形（如圖1）。

在工程中，板厚一般取1.5～10mm，孔徑2～5mm，穿孔率0.5%～5%，腔深為50～300mm。國產化HXD2機車在司機室內側采用了正方形排列的多孔板，板厚1.5mm，孔徑3mm，孔距6mm，空腔深度100mm;將參數代入公式（1）可以得到國產化HXD2機車共振吸聲結構的共振頻率。由于人耳最敏感的頻率范圍是1000～3000Hz，因此國產化HXD2機車多孔板共振吸聲結構可有效使司機室成員感到司機室很安靜。

2 ?控制司機室振動和噪聲的材料

2.1 復合隔聲材料

機車司機室一般先在機車內壁覆蓋阻尼漿，然后再裝修板與內壁之間填充復合隔聲材料。

目前使用的隔聲材料在性能上與較新的隔聲材料存在差距，在HXD2G型機車進行隔聲降噪研究時，漢高公司對中車大同公司既有隔聲材料與漢高的產品進行了對比。既有隔聲材料與漢高隔聲材料物理屬性如表1。

2.2 性能對比

隔聲量方面，漢高隔聲材料比大同公司既有隔聲材料要高大約20dB左右。

吸聲系數方面，漢高隔聲材料吸聲系數在低頻時低于大同公司既有隔聲材料，而在高頻段，要高于大同公司既有隔聲材料。這是因為無紡布可以使吸聲性能往低頻移動。

3 ?噪音源的查找

噪音源的查找這方面，傳統方法是在司機室幾個對噪音上限有要求的區域設置傳感器，測得關鍵點的噪音數值。這種方法可以得到設置傳感器區域的噪音值，從而對噪音值偏大測試點附近的降噪材料進行加強，但無法準確說明哪個位置是司機室空間內噪音的輸入源，以及每個輸入源發出哪一個頻段的噪音。

新方法是使用聲學影像技術進行噪音源查找，聲學影像可以很準確地找到司機室頂棚、側墻、地板、等部分噪音源的準確位置，可以確定不同頻率的噪音哪些位置的強度大，且結果以圖片的形式呈現一目了然。

參考文獻

[1] Liu Dongming，Yang shijie，Zhang jichao.Analysis of DriversBurden and Man-Machine Interfaces in High-Speed Locomotive Driving Cab[J]. Journal of Southewest Jiaotong University，1995，3（2）：143-148.

[2] 趙良省. 噪聲與振動控制技術[M]. 北京：化學工業出版社，2004.

[3] 劉曉波，張建潤，劉劍.電力機車司機室減振降噪設計[J].機車電傳動，2009（6）：13-17.