公共汽車的玻璃源噪聲調查與控制設計

連 乾，韓夢雪，代金洪，曹林濤

(湖北文理學院 土木工程與建筑學院，湖北 襄陽 441053)

1 引言

噪聲污染是環境污染，影響群眾的身心健康。城市化離不開基于共享基礎設施的出行，其中公共汽車是組織靈活且適應性最好的公共交通措施。公共汽車的發動機、底盤以及其他組成部件都有噪聲貢獻，但是玻璃源噪聲是公共汽車噪聲區別于小汽車噪聲的主要方面之一[1]。玻璃源噪聲起因于車窗玻璃的推拉設計，屬于振動噪聲范疇，在空氣介質中向四周擴散并衰減。公共汽車在運行中，玻璃源噪聲影響車內人員與車外人員，對于公交優先策略構成潛在威脅。需要探究玻璃源噪聲的控制措施。

2 汽車噪聲生成原因與控制方向

2.1 噪聲原因

空氣與車體的沖擊和摩擦產生難以避免的噪音。另外一個噪音主要是物體振動。車輛雖然呈現為一個整體性產品，但是實際是由不同零件與部件經過鉚接、焊接、搭接、密封等連接方式組合而成，運行中的車輛就會有部件發生相對位移，車輛結構就會有噪音[2]。有些零部件間的相對位移非常小，肉眼不可見；有些則非常顯著，比如減震彈簧。

2.2 控制方向

汽車是由鋼鐵、橡膠、塑料、玻璃等材料組成的機械；不同材料振動特性不一樣，并且連接方式也有影響。機械原理出發減少振動噪聲[3]，主要是高強度塑料替代金屬材料、一體結構替代組裝結構。這與人體類似，彎曲關節會有響聲。在汽車零部件領域，大量的塑膠材料在應用，比如底盤封蓋裝置采用GMT玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料；其他低阻尼材料也有市場，比如傳統齒輪傳動也開始被皮帶傳動所取代。房屋建筑領域的裝配式也是將噪音留在工廠而不是房屋施工現場，最近特斯拉也傳出巨型鑄造機概念，以便進行一體式車身鑄造。事實上，超長無縫鐵軌也降低了高鐵運行的噪音。

由聲學原理出發也可控制噪聲，具體有吸聲、隔聲、減震三種方法。吸聲是用特種材料吸收掉一部分，反射回來的能量就可減少，私家車的內飾件部分多數考慮柔韌性與密切接觸，以便消除振動。隔聲是用某種隔聲材料將聲源與周圍環境隔離，使輻射的噪聲不能通過該材料向外傳播，比如發動機的整體式封裝包裹，發動機部位與車內空間的類似隔音屏的阻斷隔絕。由于金屬薄板與各類零部件的組合安裝，包含發動機抖動在內的各種振動源不僅傳播噪聲而且有脅迫振動。這要求零部件向整體化發展以及柔韌性連接發展，同時要求安裝質量的精密性。小汽車的車窗玻璃不僅是整體塊件去掉了玻璃塊件間的撞擊響動，而且用曲面加強了與縫隙的結合。

3 玻璃源噪聲發生規律

3.1 測試方法

采用手持式噪聲計實測道路上運行中公共汽車的車內噪聲，并與小汽車相比較。這些狀態包括不同速度、不同平整度的路表等。選擇單車噪聲[4]隨車測試，路段固定且在交通自由時段，前后左右車輛間距不少于50 m。測試人員坐在公共汽車中部，反復連續測試，記錄多個狀態的噪聲與路段特征，并對測試數據進行統計分析，剔除異常數值后記錄數值區間并取平均值。此外，對相同路段采用緊閉車窗玻璃的小汽車進行測試。

3.2 瀝青路面正常路段的車內噪聲

不同速度下瀝青路面正常干燥狀態的車內噪聲測試結果見表1。由表1可知，在所有速度下，小汽車的車內噪聲均明顯低于公共汽車；加速起步與中高速運行時與公共汽車車內噪聲水平相當，且明顯高于怠速與低速狀態。測試過程中關于玻璃響動的現象如下：怠速與低速運行時，玻璃響動并不明顯；起步與高速運行，玻璃響動越來越明顯。這是因為，小汽車的整車性能(連接與密封)明顯優于公共汽車，車內噪聲也相應顯著地低，同時速度變動以及高速振動帶來的附加振動影響大。顯然，需要優化零部件的相互結合方式以便減少振動或摩擦噪聲。

表1 正常瀝青路面不同速度的車內噪聲 dB

3.3 瀝青路面不平整路段的車內噪聲

城市道路瀝青路面的不平整路段，外在表現為裂縫、坑槽、井蓋與伸縮縫等，車內噪聲測試結果見表2。測試過程中均能在公共汽車上明顯聽到玻璃與窗框間的晃動撞擊聲音。由表2可知：小汽車經過各種不平整路段的車內噪音明顯低于公共汽車的車內噪音；在噪音大小上表現為，寬深的坑槽>圓形井蓋>橋梁伸縮縫>橫向裂縫。顯然，路表高程差嚴重影響了公共汽車的通行平順性，放大了車輛零部件的振動與摩擦。這要求，道路設計、建造與養護，需要追求路表平整度。

表2 瀝青路面不平整路段的車內噪聲 dB

4 玻璃源噪聲控制措施

4.1 材料選擇分析

在實驗室外選擇報廢的客車進行玻璃晃動下的噪聲測試，選擇橡膠、硅膠等可不均勻變形的彈性材料作為卡嵌玻璃的材料。經過測試，未有卡嵌下的晃動態噪音高達73～90 dB，卡嵌后噪音只有45～60 dB。很顯然彈性材料的卡嵌穩定對于控制噪音很重要。如果只是單點加塞，會由于局部應力集中加大玻璃損壞的風險；另一方面，單點加塞的穩定效果并不理想，也就是需要多點乃至寬面線性加塞。為便于操作，需要硬質材料作為導向襯板。

4.2 結構特征設計

玻璃穩定減噪裝置包括吸盤、楔形塊、硬塑板與塑膠繩等主要部件。技術特征包括[5]：楔形塊為含中空腔體且橫截面呈三角的柔軟塊，外表面有均布凸起且在橫截面擴大的端部有突出的限位板；硬塑板穿插在楔形塊的中空腔體內；吸盤上伸出兩根塑膠繩，一根連接楔形塊，另一根連接硬塑板。預期效果是：柔軟楔形塊便于被硬塑板引導進入縫隙，均布凸起便于穩定楔形塊在縫隙內；塊件有吸盤與塑膠繩連接，并可束縛在車窗上不易丟失。結合大學生創新進行物化實踐[6]，購買材料后初步加工與試驗，發現寬面卡嵌與內飾件整體性的理念需要進一步加強。優化結構如下：梳子形板材替代楔形塊與三角板，可折疊軟片與板材外伸式單面黏附，并且板材的梳齒長短間距不一，同事軟片也有凸點；可通過包裹或疊合方式卡嵌在縫隙中，以硅膠軟皮的不均勻變形實現穩定。圖1展示了優化的結構，其中數字1表示梳子形板，梳子2表示把手，數字3表示軟片。

圖1 汽車玻璃的卡嵌穩定裝置

5 結論

公共汽車的玻璃源噪聲影響乘車質量。根據汽車噪聲發生與控制方向，應該減少零部件的脅迫振動。實際測試公共汽車在多個狀態下的車內噪聲，并與小汽車進行比較，穩定內飾件非常有必要，同時也應該追求路表平整度。根據功能分析，明確了裝置的減震用彈性材料與導向用硬質材料要求，設計了玻璃穩定減噪裝置的結構特征；進一步經過專利物化實踐，優化設計。對下一步加工實用小產品進行轉化應用具有積極意義。