速度350 km/h 雙層動車組動車降噪設(shè)計

鄢桂珍，潘光亮，郭建強(qiáng)

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島266111）

雙層客車具有載客量大，人均能耗低的優(yōu)勢，能夠滿足繁忙線路運(yùn)能提升需求，也符合軌道車輛低碳環(huán)保的發(fā)展趨勢。國外動車組發(fā)展過程中，雙層動車組是一個重要的發(fā)展方向，并且有廣泛的運(yùn)營經(jīng)驗，其中投入運(yùn)營最多的是法國阿爾斯 通TGV雙層動車組，累計交付近200 列［1］。除此以外，還有日本的E1 和E4 雙層動車組、龐巴迪的IR200 雙層動車組等。我國國內(nèi)生產(chǎn)的“新曙光”號、“神州”號、“廬山”號以及“金輪”號雙層動車組，均為內(nèi)燃動力集中雙層動車組，最高運(yùn)營速度180 km/h［2-3］，基于動力分散技術(shù)的雙層電力動車組，在國內(nèi)還是空白。隨著京滬高鐵等繁忙線路客流攀升，研制載客量更大的速度350 km/h 雙層動力分散動車組已非常迫切，而作為整車重要性能指標(biāo)的車內(nèi)聲學(xué)舒適度是雙層動力分散動車組急需解決的重要課題。CRH380A 和諧號、CR400復(fù)興號動車組研制過程中的噪聲控制技術(shù)研究，為雙層動車的降噪設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)［4-6］。

根據(jù)速度350 km/h 雙層動車組動車的平斷面特點(diǎn)，提出噪聲控制重點(diǎn)區(qū)域，基于CR400 復(fù)興號動車組的噪聲研究基礎(chǔ)，采用聲學(xué)正向設(shè)計技術(shù)，完成動車組的動車整車降噪設(shè)計及仿真預(yù)測。

1 速度350 km/h 雙層動車組動車結(jié)構(gòu)

圖1 單層和雙層布置對比

1.1 斷面增大帶來氣動噪聲增加

雙層動車組動車車體高度比CR400 復(fù)興號動車組增大450 mm，比CRH380A 和諧號動車組增大800 mm，如圖2 所示。隨著斷面增大，氣動阻力和噪聲均增大。 相比CRH380A 和諧號動車組，CR400 復(fù)興號動車組斷面增大后，中低頻噪聲明顯增加，如圖3 所示。

1.2 下層客室與輪軌噪聲源更近

客室區(qū)域，雙層動車組動車下層客室下沉，下層地板更接近軌道，原設(shè)備艙區(qū)域約1 m 的高度空間變成下層客室旅客乘坐區(qū)域。單層動車組地板下方聲源為設(shè)備艙內(nèi)噪聲，由于有密封式設(shè)備艙的隔聲效果，噪聲源較小。雙層動車組的下層地板外部聲源為輪軌和氣動噪聲疊加聲源，這種車輛平面布置和斷面變化，導(dǎo)致下層地板外部噪聲源增大約9 dB（A），如圖4 所示。

圖2 車體斷面高度對比

圖3 氣動噪聲對比

圖4 增加設(shè)備艙前后客室地板下表面噪聲

1.3 牽引變流器車內(nèi)布置產(chǎn)生電磁噪聲

由于雙層動車組沒有設(shè)備艙，牽引變流器安裝于車廂內(nèi)端部區(qū)域，如圖5 所示。牽引變流器工作時的電磁噪聲、冷卻系統(tǒng)噪聲和振動成為車廂內(nèi)直接聲源，將影響通過臺和客室端部噪聲。

圖5 變流器車內(nèi)安裝位置

1.4 上層客室走路聲可能影響下層乘客聲學(xué)舒適性

雙層動車組要求上下層客室車內(nèi)噪聲水平相當(dāng)，上層客室地板主要起承載作用，對上層客室地板隔離上下層客室噪聲相互傳遞沒有特殊要求，但是上層客室內(nèi)的乘客在客室活動產(chǎn)生的噪聲，如高跟鞋走路、小孩跑跳、提放行李/物品落地等對地板的瞬時沖擊產(chǎn)生的噪聲，可能會對下層乘客的乘坐舒適性有一定影響，需要對上層客室地板的撞擊聲隔聲量進(jìn)行評估和優(yōu)化設(shè)計。

2 降噪設(shè)計與驗證

2.1 隔聲設(shè)計理論

高速動車組車輛斷面結(jié)構(gòu)一般為“車體型材+吸聲隔聲材+內(nèi)飾板”的雙層板結(jié)構(gòu)。雙層板的構(gòu)造形式“板—中間夾層（空氣或吸聲材）—板”相當(dāng)于一個“質(zhì)量—彈簧—質(zhì)量”彈性系統(tǒng)，其隔聲特性曲線如圖6 所示。

圖6 雙層板隔聲特性曲線[7]

雙層板共振頻率f0計算公式如下：

其中，M1、M2為兩層板的面密度，kg/m2；ρ為空氣密度，kg/m3，常溫下為1.18 kg/m3；c為聲速，常溫下為344 m/s；d為兩板間空氣層厚度，m。

為降低雙層板的共振頻率，可提高M(jìn)1和M2的面密度，同時增大兩層板之間的空氣層厚度。

其三，程序的輸出端。自然人可以通過對“人工智能創(chuàng)作”的輸出結(jié)果進(jìn)行判斷和選擇，挑選出符合自己要求的創(chuàng)作結(jié)果。如前述高空氣球自動攝影案和猴子自拍案中，主張自己為作者的自然人均聲稱自己從相機(jī)自動拍攝或動物隨機(jī)拍攝的大量相片中挑選出了具有美學(xué)價值的照片。這類人工智能創(chuàng)作結(jié)果可能因為經(jīng)過自然人的判斷和選擇而具有作者創(chuàng)作。

當(dāng)外界聲波的頻率與雙層板系統(tǒng)的固有頻率一致時，雙層板就會產(chǎn)生共振，此時，聲能量很容易穿透雙層板，使隔聲下降，在隔聲特性曲線上形成一個低谷。雙層板結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生吻合效應(yīng)，它的臨界頻率fc取決于兩層板各自的臨界頻率，當(dāng)兩層板由相同材料構(gòu)成，且M1＝M2時，兩臨界頻率相同，使得吻合谷凹陷加深；當(dāng)兩板的材料不同或M1≠M(fèi)2時，隔聲特性曲線將有2 個低谷，但凹陷的深度較淺。

圖6 中，陰影區(qū)域表示雙層板構(gòu)造的隔聲性能優(yōu)于同等質(zhì)量的單層板部分。若f0往低頻移動，陰影區(qū)增大，反之則減少。因此，共振頻率的位置對雙層板的隔聲性能有很大的影響。另外在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)采用材料不同的兩層板，或使M1≠M(fèi)2，這樣兩板的臨界頻率互相錯開，使吻合谷變淺。

2.2 型材優(yōu)化

動車組車體結(jié)構(gòu)為雙層鋁合金擠壓型材，斷面結(jié)構(gòu)包括上面板、下面板和中間筋板組成，如圖7所示。型材面板和筋板厚度、筋板角度等參數(shù)對型材隔聲量均有影響［8］。

圖7 型材結(jié)構(gòu)示意圖

雙層動車下層客室區(qū)地板靠近鋼軌，外部聲源大，對結(jié)構(gòu)隔聲量要求更高。以隔聲量為目標(biāo)，綜合考慮結(jié)構(gòu)面密度、剛度、厚度等參數(shù)限制，進(jìn)行型材斷面聲學(xué)綜合尋優(yōu)設(shè)計，最終得到幾種型材斷面的優(yōu)化方案參數(shù)見表1，各種結(jié)構(gòu)對應(yīng)的隔聲量曲線如圖8 所示。

表1 鋁型材參數(shù)優(yōu)化列表

綜合考慮型材剛度、面密度以及隔聲量結(jié)果，選定型材3 進(jìn)行樣件試制，并在混響室內(nèi)測試其隔聲量。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果見圖9 所示，從圖中可以看出，在大于300 Hz 以上頻段，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果頻譜曲線吻合度較好。因為型材剛度較大，一階模態(tài)頻率大于300 Hz，所以仿真計算的隔聲量在低于300 Hz 的結(jié)果誤差較大。

圖8 隔聲量仿真計算結(jié)果

圖9 型材隔聲量仿真計算與試驗結(jié)果

2.3 阻尼優(yōu)化

對型材結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼處理，是進(jìn)一步提高隔聲量的有效方式。雙層動車組車體型材阻尼處理前后的隔聲量曲線如圖10 所示。從圖中可以看出，型材阻尼處理后，隔聲量提高約3 dB。由于阻尼的增加，對改善因結(jié)構(gòu)共振導(dǎo)致的聲傳播效果較好，因此隔聲量曲線上，1 250 Hz 和2 000 Hz 處因吻合頻率導(dǎo)致的隔聲量低谷改善顯著，而800 Hz以下頻段，主要是隔聲“質(zhì)量定律”起作用，因此隔聲量提升較小。

2.4 內(nèi)飾板隔聲優(yōu)化

地板區(qū)域內(nèi)飾結(jié)構(gòu)因考慮到承重的要求，質(zhì)量分配相對較大，主要從改變內(nèi)飾板件結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行隔聲優(yōu)化，重點(diǎn)對比了鋁蜂窩結(jié)構(gòu)、軟木結(jié)構(gòu)和復(fù)合隔聲地板結(jié)構(gòu)的面密度和隔聲量差異，隨著面密度的提高，隔聲量在整個頻段明顯提高如圖11 所示。

因考慮自重，內(nèi)飾頂板本身的面密度不易太大，主要從阻尼優(yōu)化角度進(jìn)行優(yōu)化，如圖12 所示，可根據(jù)不同區(qū)域降噪需求進(jìn)行阻尼結(jié)構(gòu)選擇。

圖10 型材及表面加阻尼隔聲效果

圖11 不同內(nèi)飾地板隔聲量差異

圖12 內(nèi)飾頂板隔聲量優(yōu)化

2.5 牽引變流器間隔聲優(yōu)化

為降低牽引變流器噪聲向車內(nèi)傳遞，將原車體結(jié)構(gòu)向內(nèi)延伸到通過臺走廊位置，形成一個相對獨(dú)立的空間，將牽引變流器隔離在車體密封結(jié)構(gòu)之外，形成牽引變流器設(shè)備間。變流器設(shè)備間的墻壁結(jié)構(gòu)，從外向內(nèi)依次為“穿孔鋁板+型材+內(nèi)飾板”的“一重兩輕”3 層墻結(jié)構(gòu)，墻與墻之間填充吸聲材料以增加聲能損耗，隔聲性能如圖13所示。

圖13 變流器間墻壁隔聲量

2.6 上層地板撞擊聲隔聲優(yōu)化

為減小上層客室旅客活動帶來的地板撞擊聲對下層乘客的影響，設(shè)計了帶有中間減振層的上層客室地板斷面結(jié)構(gòu)。按照GB/T 19889.5 和GB/T 19889.7 的測試方法，分別進(jìn)行了實(shí)驗室和現(xiàn)車測試。

實(shí)驗室測試規(guī)范化撞擊聲壓級測試現(xiàn)場如圖14 所示。針對初步方案撞擊聲導(dǎo)致的聲壓級較大問題，提出在地板布和承重型材間增加減振材料的優(yōu)化方案，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，規(guī)范化撞擊聲壓級可降低3 dB，如圖15 所示。

圖14 上層地板撞擊聲隔聲測試

3 整車噪聲仿真預(yù)測

整車噪聲仿真預(yù)測采用統(tǒng)計能量法。該方法根據(jù)車外噪聲源分布和車輛結(jié)構(gòu)特性，設(shè)置不同的子系統(tǒng)。CR400“復(fù)興號”動車組線路試驗過程中，對輪軌區(qū)、車體表面、設(shè)備艙底部、車頂?shù)葏^(qū)域分別布置了傳聲器，測試獲得了實(shí)際的噪聲源數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)確定雙層動車組動車噪聲源特性，進(jìn)行車內(nèi)噪聲預(yù)測，獲得車內(nèi)聲場分布如圖16所示。

圖16 客室噪聲仿真計算結(jié)果

從圖16 可以看出，變流器間內(nèi)噪聲較高，對通過臺噪聲有一定影響，但整個客室區(qū)域的噪聲較低，且聲場分布均勻，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

在充分分析雙層動車組動車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對噪聲影響的基礎(chǔ)上，開展針對性的降噪設(shè)計，并通過試驗和仿真對方案進(jìn)行優(yōu)化。整車噪聲仿真預(yù)測結(jié)果表明，在輕量化和有限空間尺寸約束下，降噪設(shè)計結(jié)構(gòu)，達(dá)到了整車噪聲預(yù)期目標(biāo)。由于目前尚不具備線路運(yùn)行試驗條件，具體實(shí)施效果有待進(jìn)一步的試驗驗證。