隧道內(nèi)運行城鐵車輛的聲學(xué)性能分析

李博，李新一，高陽

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062)*

近幾年，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來越多的城市采用一種現(xiàn)代化的城市公共交通運輸形式:城市軌道交通，來緩解日益繁重的交通壓力，給城市居民的出行帶來快捷和方便.隨著城市軌道交通向高速方面發(fā)展，乘客對車輛的乘坐舒適性要求越來越多，城市軌道交通車輛的車內(nèi)噪聲直接影響旅客的乘坐舒適性，也是反映車輛品質(zhì)的重要指標(biāo)［1］.關(guān)于軌道車輛噪聲產(chǎn)生機(jī)理、噪聲特性分析以及尋找控制措施等方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的工作，已經(jīng)取得豐富的成果［2-3］.目前大部分關(guān)于城市軌道交通車輛的聲學(xué)特性研究是基于車輛在空曠場地運行的條件下開展的，然而幾乎所有城市的軌道交通車輛是在地下隧道內(nèi)運行，乘客對車輛的聲學(xué)舒適性最直觀的要求也是基于車輛在隧道內(nèi)運行時車內(nèi)的噪聲情況.

本文利用統(tǒng)計能量法建立某項目軌道車輛在隧道內(nèi)運行的SEA模型，并進(jìn)行軌道線路的粗糙度及衰減率測試、子系統(tǒng)的隔聲量測試、將測試結(jié)果作為車輛SEA計算輸入條件，計算車輛全頻段范圍內(nèi)的振動噪聲［4］，研究車輛在隧道內(nèi)以120 km/h速度運行時車內(nèi)噪聲情況，分析車輛在隧道內(nèi)運行時，影響車輛聲學(xué)性能的主要因素.為后續(xù)軌道車輛在隧道內(nèi)運行的車內(nèi)噪聲研究提供技術(shù)支持.

1 隧道內(nèi)運行情況分析

速度等級為300 km/h以下的軌道車輛主要噪聲源為輪軌噪聲，軌道車輛運行在空曠的開闊場時，車下的輪軌噪聲大部分傳遞到遠(yuǎn)處，有一部分輪軌噪聲通過地板傳遞到車輛內(nèi)部，少部分的噪聲通過車輛的其他部件(客室門、客室車窗、側(cè)墻、車頂)傳遞到車內(nèi)，如圖1所示.

圖1 列車在空曠場地運行

當(dāng)車輛運行在隧道內(nèi)時，由于隧道空間的四周壁面均為硬質(zhì)水泥，因此可以將車輛周圍的隧道空間考慮成混響空間，根據(jù)混響空間的特性可知:整個混響空間噪聲能量基本上是均勻分布的，軌道車輛的輪軌噪聲輻射到隧道壁之后又反射到車輛上，車輛外部作用在車輛四周板件(底架地板結(jié)構(gòu)、客室門、客室車窗、側(cè)墻、車頂)的聲音能量基本相同，如圖2所示.因此，對于運行在隧道內(nèi)的軌道車輛，車輛四周的所有板件的隔聲量對車輛的聲學(xué)性能的貢獻(xiàn)量基本相同，所以，為了降低隧道內(nèi)運行車輛的車內(nèi)噪聲水平，需要提高車輛所有板件的隔聲量.

圖2 列車在隧道內(nèi)運行

2 車內(nèi)噪聲計算

2.1 整車SEA模型建立

表1給出了某項目車輛的車體參數(shù)以及隧道尺寸參數(shù)，以此參數(shù)在SEA分析計算軟件中建立車輛和包裹車輛的隧道模型，如圖3所示，合計有296個板殼子系統(tǒng).將車體外的隧道空間建立成聲腔子系統(tǒng)，模擬隧道環(huán)境的聲能量混響狀態(tài).

表1 某項目地鐵車輛車體參數(shù)及運行隧道參數(shù)

圖3 車輛和隧道SEA模型

建立了詳細(xì)的子系統(tǒng)模型，包括客室門、司機(jī)室端門、客室車窗、空調(diào)系統(tǒng)、地板結(jié)構(gòu)、側(cè)墻結(jié)構(gòu)、車頂結(jié)構(gòu)、端墻結(jié)構(gòu)等8個子系統(tǒng)，在計算軟件中對不同的子系統(tǒng)賦予不同的材料屬性以及隔聲特性，各子系統(tǒng)的材料屬性如表2所示.

表2 車體SEA模型材料參數(shù)表

統(tǒng)計能量法具有能量統(tǒng)計特性［5］，因此不論子系統(tǒng)尺寸多大、結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，計算的聲音能量在各個點的響應(yīng)是相同的，因此，為了區(qū)分并細(xì)化不同區(qū)域的聲學(xué)特性，在計算時需將大的系統(tǒng)劃分成小子系統(tǒng)，如圖4所示.

圖4 SEA模型子系統(tǒng)劃分

通過對整車的噪聲傳遞路徑分析，可以獲得車輛在隧道內(nèi)運行，影響車輛車內(nèi)聲學(xué)性能最重要的結(jié)構(gòu)是那些，據(jù)此優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計，提高車輛的聲學(xué)性能.

2.2 邊界條件設(shè)置

準(zhǔn)確的計算輸入可以使車輛在隧道內(nèi)運行情況下的SEA計算更加準(zhǔn)確，能夠更好的為項目開展聲學(xué)設(shè)計研究提供可靠的技術(shù)支持.因此，從兩方面考慮計算車輛車內(nèi)噪聲的邊界條件，一是聲源輪軌噪聲輸入，二是子系統(tǒng)的隔聲量輸入.

2.2.1 輪軌噪聲輸入

對該項目車輛運行的軌道線路粗糙度和衰減率進(jìn)行測試，利用測試結(jié)果計算車輛的輪軌噪聲［6-8］作為車輛噪聲SEA計算的聲源輸入.

軌道的衰減率測試結(jié)果如圖5所示，其中曲線1為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3095-2013［9］中關(guān)于軌道衰減率的要求，曲線2為測試的實際線路衰減率.可以看出軌道衰減率在高頻1 000 Hz以上是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的，但是在影響輪軌噪聲的關(guān)鍵頻率處500～1 000 Hz范圍，軌道的衰減率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖5 軌道衰減率

圖6 為軌道粗糙度測試結(jié)果，圖中曲線2為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3095-2013中關(guān)于軌道粗糙度的要求，曲線1為線路的軌道粗糙度測試結(jié)果，可以看出軌道的粗糙度基本滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但波長大約為2.4～12.5 cm范圍內(nèi)的結(jié)果超過標(biāo)準(zhǔn)要求，該波長范圍內(nèi)的軌道粗糙度引起的120 km/h速度車輛的輪軌噪聲頻率范圍為300～1 400 Hz.

影響車輛輪軌噪聲的主要參數(shù)是軌道的粗糙度和衰減率，由圖5的軌道衰減率測試結(jié)果和圖6的軌道粗糙度測試結(jié)果可知，車輛的輪軌噪聲峰值應(yīng)該在500～1 000 Hz范圍內(nèi).

圖7為輪軌噪聲的計算結(jié)果，可以看出車輛的輪軌噪聲在 315～1 600 Hz范圍內(nèi)，超過90dBA，輪軌噪聲的峰值在 630 Hz處，超過105dBA，輪軌噪聲的特性符合軌道粗糙度和衰減率的測試結(jié)果.

圖7 輪軌噪聲計算結(jié)果

2.2.2 子系統(tǒng)隔聲量測試

該項目車輛的設(shè)計是在現(xiàn)有技術(shù)平臺車輛的基礎(chǔ)上開展的，其中主要改進(jìn)的結(jié)構(gòu)為地板結(jié)構(gòu)和空調(diào)系統(tǒng):地板結(jié)構(gòu)采用的是不銹鋼板下置式的懸浮地板結(jié)構(gòu);空調(diào)系統(tǒng)的安裝方式為下沉式安裝.其他結(jié)構(gòu)沒有改變，因此司機(jī)室端門、客室車窗、側(cè)墻結(jié)構(gòu)、車頂結(jié)構(gòu)和端墻結(jié)構(gòu)的隔聲量參考現(xiàn)有車輛的數(shù)據(jù)，對新的地板結(jié)構(gòu)和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行隔聲量測試.

關(guān)于客室門，現(xiàn)有的隔聲量數(shù)據(jù)都是在實驗室測試單個門板的數(shù)據(jù)，不能代表客室門系統(tǒng)安裝在車輛上的整體隔聲量(考慮實際安裝情況下車門系統(tǒng)安裝配合以及車門系統(tǒng)與車體之間的安裝配合)，因此，為了準(zhǔn)確的計算車內(nèi)噪聲水平，獲得準(zhǔn)確的子系統(tǒng)隔聲量數(shù)據(jù)，對該項目的車門系統(tǒng)模擬實際安裝情況進(jìn)行隔聲量測試.

圖8為車門系統(tǒng)隔聲量測試現(xiàn)場圖片.在聲學(xué)實驗室的混響-全消隔聲套組測試窗口安裝整個車門系統(tǒng)，安裝的結(jié)構(gòu)還包括車門與門框的連接部位，在實驗室內(nèi)復(fù)現(xiàn)車門系統(tǒng)安裝的實際情況，這樣測試獲得的車門系統(tǒng)隔聲量結(jié)果更接近實際情況.

圖8 車門系統(tǒng)隔聲測試

從測試結(jié)果圖9可以看出，該項目采用的車門系統(tǒng)隔聲量在800～1 250 Hz頻率范圍存在谷值，研究發(fā)現(xiàn)，引起該車門系統(tǒng)隔聲量在800～1250Hz頻率范圍存在谷值的主要原因是由于為了保證車門系統(tǒng)能夠正常開關(guān)，在下方車門與滑道之間存在一定的縫隙.該項目車門系統(tǒng)隔聲量為26 dB左右.

圖9 車門隔聲量測試結(jié)果

圖10為空調(diào)系統(tǒng)隔聲量測試工裝.該項目車輛的空調(diào)系統(tǒng)的安裝方式不同于傳統(tǒng)的車輛的空調(diào)安裝，車體上空調(diào)安裝處沒有車體結(jié)構(gòu)，空調(diào)屬于下沉式安裝，因此空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅僅是聲源設(shè)備，其還承擔(dān)著防止車外噪聲進(jìn)入車內(nèi)的隔聲結(jié)構(gòu)作用.為了準(zhǔn)確的測試空調(diào)結(jié)構(gòu)的隔聲量，在半消聲室中建立如圖10的測試工裝，工裝本身為一個小型的單獨混響室結(jié)構(gòu)，空調(diào)結(jié)構(gòu)模擬在車體上安裝方式安裝在工裝上方，標(biāo)準(zhǔn)聲源設(shè)備放在工裝內(nèi)部，在工裝上方利用聲強(qiáng)掃描方式進(jìn)行空調(diào)隔聲量測試.該空調(diào)結(jié)構(gòu)的隔聲量為33 dB左右.

圖10 空調(diào)系統(tǒng)隔聲量測試

該項目車輛的地板結(jié)構(gòu)采用的是懸浮地板結(jié)構(gòu)，懸浮地板的結(jié)構(gòu)簡單，有一定的減重效果，為了驗證其隔聲效果，對其進(jìn)行隔聲量測試，如圖11所示，在上下結(jié)構(gòu)的混響-混響隔聲套組中進(jìn)行地板隔聲量測試.根據(jù)測試結(jié)果可知，該懸浮地板結(jié)構(gòu)的計權(quán)隔聲量為40 dB左右.

圖11 地板結(jié)構(gòu)隔聲量測試

2.3 計算結(jié)果

將2.2節(jié)所述的邊界條件輸入到車輛的SEA計算模型中，利用SEA軟件對車輛在隧道內(nèi)運行的情況進(jìn)行車內(nèi)噪聲計算，計算結(jié)果如圖12所示，可以看到車內(nèi)噪聲的能量主要在630～1600Hz范圍內(nèi)，并且客室4的噪聲能量最大，總聲壓級將近85 dBA.

圖12 計算結(jié)果

為了進(jìn)一步研究車輛在隧道內(nèi)運行時噪聲的傳遞路徑，有針對性的提出車輛聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計方案，計算了從各子系統(tǒng)進(jìn)入聲腔客室4的聲音能量比率，計算結(jié)果如下表3所示，可以看出從車門處進(jìn)入聲腔客室4的聲音能量最多，占總能量的61.3%.根據(jù)子系統(tǒng)隔聲量測試結(jié)果可知，車門的隔聲量是子系統(tǒng)中最低的，因此為了降低車輛在隧道內(nèi)運行時車內(nèi)噪聲，改進(jìn)車門結(jié)構(gòu)提高車門隔聲量是一個重要的措施.

表3 各子系統(tǒng)對客室4的聲能量貢獻(xiàn)量%

3 結(jié)論

為研究隧道內(nèi)運行軌道車輛車內(nèi)噪聲，本文對某120 km/h速度等級城市軌道交通車輛項目在隧道內(nèi)運行的情況建立SEA模型，并測試該項目運行線路的軌道粗糙度及衰減率，測試車輛子系統(tǒng):地板、車門、空調(diào)的隔聲量，將測試結(jié)果作為輸入條件，進(jìn)行車輛車內(nèi)噪聲計算.

(1)根據(jù)車體參數(shù)以及隧道尺寸參數(shù)，在SEA分析計算軟件中建立車輛和包裹車輛的隧道模型，合計有296個板殼子系統(tǒng).將車體外的隧道空間建立成聲腔子系統(tǒng)，模擬隧道環(huán)境的噪聲能量混響狀態(tài);

(2)在聲學(xué)實驗室中測量完整車門系統(tǒng)的隔聲量，發(fā)現(xiàn)車門系統(tǒng)下方滑道部分結(jié)構(gòu)存在聲泄露問題，影響車門整體隔聲性能，車門系統(tǒng)隔聲量為26 dB左右;測試所采用的懸浮地板結(jié)構(gòu)隔聲量為40 dB，空調(diào)系統(tǒng)隔聲量為33 dB;

(3)該項目車輛在隧道內(nèi)以120 km/h運行時，車內(nèi)噪聲水平為85 dBA左右;

(4)車輛在隧道內(nèi)運行時，車外環(huán)境類似為混響場，車輛四周的噪聲能量相當(dāng)，由于客室車門的隔聲量最低，噪聲通過客室車門進(jìn)入車內(nèi)的噪聲能量最多，占總噪聲能量的61.3%，因此研究客室車門結(jié)構(gòu)，提高客室車門的隔聲量是降低隧道內(nèi)運行軌道車輛車內(nèi)噪聲水平的重要研究方向.