不同時速司機室結構隔音性能研究

武舒然，王會娟，范明星，張陸陽，沃少帥，沈 鵬，鄧 忠

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司 技術研究院，北京 100071）

1 司機室噪聲研究現狀

目前現有車輛噪聲大，對乘客乘坐舒適度造成很大影響，尤其司機室內的噪聲對司機的生理及心理都會產生不良影響，嚴重時會對司機造成干擾，從而影響運行安全。在前期的研究過程中，司機室結構設計更多地注重在結構強度、美觀方面，對于整體隔聲并沒有給予深入探究。

國外在相關標準研究及制定工作上開展較早，最早的司機室內噪聲標準的探討在1978 年開始[1]，主要通過建立一系列模型仿真司機室振動及噪聲，從而提出結構化更改建議。在2000 年就有研究指出司機室地板及頂蓋是振動噪聲的主要來源[2]。但由于司機室結構復雜，在設計前期無法進行噪聲仿真計算，一般結合實物數據進行綜合評判。根據近些年的國內研究表明，除車窗、車門外，車頂（主要由受電弓、空調系統等噪聲影響）、地板（主要由轉向架、電氣設備等噪聲影響）是噪聲較為嚴重的部位[3]。司機室后方更接近轉向架，噪聲偏大，司機室尾部比中前部高10 dB[4]。隨著車速越高，來自于車輛本身噪聲、氣動噪聲均會越大，因此按照標準要求，其實對于車輛噪聲的控制要求更高，而對高速車輛，輕量化又是一個重大課題。對此有研究表明，低速車輛的車頭造型對噪聲影響較小，但在高速車輛情況下，流線型車頭不僅能夠減小阻力降低牽引能耗，同時也是降低車輛表面氣動噪聲的重要手段[5]，對于增加吸聲處理而非隔聲處理，加強密封設計，是能夠增加隔聲量同時避免過多增重的有效途徑[6]。

隨著人們對于噪聲控制研究的深入，吸聲材料的運用、隔聲及消聲設計、阻尼減振降噪等方案的設計層出不窮。碳纖維保溫棉加鋁箔隔音效果好，車體內部貼阻尼貼片能降低振動與噪聲[7，8]。“隔聲質量定律”最常應用于對重量無要求的運行環境。但在現有車輛的運用要求下，車輛的減重又是一大難題，所以在有限的重量下能夠提升隔聲效果是工程設計中持續探究的課題。對不同時速的司機室結構隔音性能進行研究，涉及的結構方案，除車頭本身結構差異外，還應用到碳纖維保溫棉（下文中稱為預氧絲隔熱棉）、隔音墊等吸聲隔聲材料，驗證了不同組合結構的隔聲差異，為后續項目實際運用提供參考。

2 不同車速司機室方案的隔音測試

司機室方案根據公司不同車速項目的實際方案選定。通過試驗不同的構件組合方式，來驗證方案間的差別，總結隔音規律，指導后續經驗設計并整體結構優化。

樣件試驗均在青島的中國科學院聲學研究所北海研究站的標準隔聲室中進行，實驗室采用混響室法測量，實驗室的測試窗口可調，可以滿足不同試件的測試需求。試驗依據GB/T 19889.3-2005《聲學-建筑和建筑構件隔聲測量-第3 部分：建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》中有關規定進行。隔聲評價標準GB/T 50121-2005。按照標準要求測試，結果一般是組合樣件與墻體的組合測量值，對實驗結果進行修正才可能得到相對準確的試件本身的隔聲量[9]，因此實驗結果可能會略有偏差，需要根據大量的數據進行驗證、修正。

表1 測試材料及其組成

2.1 司機室隔音試驗樣件的基本結構

按照頭罩、隔音材料、內裝板的順序組合，中間設計有空氣層，結構如圖1 所示。由于車頭造型的不同，空氣層厚度漸變。

圖1 試驗樣件組合結構示意

根據實際項目結構，每層之間通過結構膠或者支架連接，共設計5 種試驗組合結構，方案如表2 所示。

表2 測試樣件組合方案

試驗樣件實物及檢測示意如圖2 所示。

圖2 試驗樣件實物及檢測示意

構件間的主要區別為車頭方案的不同，有單層結構的組合，也有夾芯結構頭罩。夾芯結構的經驗設計能夠在增強結構剛度的同時，對隔音效果起到正向作用。其中構件一為80 km/h 車輛司機室結構方案，其中頭罩應用預浸料材料（密度較手糊玻璃鋼略輕），達到結構強度的同時實現方案減重，同時夾芯結構能夠增加結構剛度，增強隔音性能。構件二、構件三為常用的100～ 120 km/h 車輛司機室結構方案，構件四為傳統的160 km/h 車輛司機室結構方案，構件五為采用200 km/h 車輛司機室結構方案。

2.2 隔音測試結果

在同一實驗室條件下，5 種構件的測試結果如圖3 所示。

圖3 樣件測試頻譜圖

由于表2 中列舉的方案為實際項目應用方案，但由于涉及頭罩材質方案的不同，所以擬簡化處理。其中實心玻璃鋼材質（密度約為2 g/cm3）與玻纖預浸料材質（密度約為1.9 g/cm3）密度相差無幾，故將其等同比較。另有相關研究指出，結構層芯厚度對于復合板隔聲量影響不大[10]，因此本實驗結果同樣忽略夾芯厚度對于實驗結果的影響。不同構件之間空氣層厚度不同，根據莫雷爾（Cammerer）和迪哈馬（Dur.Hammer）研究以及瑞典技術大學的研究結論可知，空氣層會增加隔聲性能，在空氣層大于100 mm 時隔聲量趨于穩定[11]，本研究的5 種構件的空氣層厚度分別為100 mm、160 mm、225 mm，故也可忽略空氣層厚度不同造成的隔聲差異。

綜上可得，五個構件間的組合方案可簡化為見表3。

表3 樣件簡化及試驗結果

2.3 隔聲結果分析

（1）由表3 中構件二與構件五的結果對比來看，1 mm 厚玻璃鋼與泡沫夾芯作用相同。根據以下廠家提供的既有資料進行驗證。

①4 mm 玻璃鋼（面密度7.5 kg/m2）隔聲28 dB

②6 mm 玻璃鋼（面密度10.5 kg/m2）隔聲33 dB

③20 mm（2+16+2）夾芯玻纖預浸料復合材料（面密度11.4 kg/m2）隔聲29 dB

④30 mm（3+24+3）夾芯玻璃鋼復合材料（面密度17.6 kg/m2）隔聲34 dB

根據以上①和③②和④的對比可以簡單驗證，1 mm 厚玻璃鋼與泡沫夾芯作用相同，可以達到1 dB。

（2）由表3 中構件一與構件四的結果對比來看，40 mm 預氧絲隔熱棉的隔聲效果可達到1 dB。在實際的工程中，預氧絲隔熱棉是主要發揮隔熱作用，具有一定的吸聲效果，有一定參考價值。但本試驗效果只針對該厚度的隔熱棉（40 mm 預氧絲棉，容重10 kg/m3），在市面上，不同材質不同厚度隔熱材達到的效果可能不同。

由表3 中構件一與構件五的結果對比知，1 mm玻璃鋼的隔聲結果1 dB。此結論與經驗不符，在上述廠家提供的資料中①②實心玻璃鋼的隔聲值不止這些。可以理解為在一定質量基礎上，玻璃鋼隔聲量并非隨著質量增加線性增長。

（3）從表3 中構件二與構件三的結果可知，隔音墊對于總體隔聲幾乎沒有作用。這是因為本構件選型1mm 隔音墊貼于部件內部，面密度2 kg/m2，增加重量較小，符合質量定律原理，另外不排除試驗誤差。因此，若想通過隔音墊來明顯增加組合樣件的隔音效果，需要選用密度更大、參數更優的隔音墊。

（4）通過以上四條的綜合對比，可得到設置100 mm空氣層能達到10 dB 以上的隔聲效果。可以設想，可以設置不同厚度空氣層來增加隔聲[12]。同時，復合結構的隔聲量遠遠大于單件隔聲量，原因是構件組合后的隔聲與單件/單層勻質墻體的隔聲原理不同，不符合質量定律。試驗構件是不同的單件組合后測量，過程中涉及空氣層、連接方式等的疊加，可以額外增加隔聲量。

通過以上研究結論，可以靈活按照項目要求進行各部件隔聲量的分配。以公司某項目地鐵車為例，噪聲分配指標如表4。

表4 項目噪聲分配實例

位于車輛前方的司機室車頭、前擋風玻璃及司機室車門對噪聲影響較大，從表4 可以看出，各系統均分配了具體的隔聲指標。其中，前擋風玻璃處的隔聲一般通過自身雙層結構、窗框與車體之間打膠密封的方式實現；司機室車門同樣是門框采用中空結構，周圈設置門膠條與車體間密封；一般地鐵車頭需通過自身結構設計來達到隔聲，從結構性能及性價比來講，仍采用玻璃鋼材質居多。按照上述分析結論，車頭的設計方案可選用3 mm 玻璃鋼+泡沫夾芯+3 mm 玻璃鋼+隔音墊的夾芯復合結構，或者8 mm 玻璃鋼+隔音墊的方案均可達到指標。因重量指標有余量，故在項目中采用了后者，即構件三方案。

2.4 試驗總結

在實際工程應用中，由于司機室接口繁多，結構一般更為復雜，隔聲效果與理論試驗會稍有偏差。以上5 種構件的試驗結果的對比，驗證了夾芯結構、空氣層以及預氧絲隔熱棉的隔聲效果，對于后續項目應用有指導實踐意義。但仍有不足的是，本試驗司機室構件相對較少，單一變量的控制不夠，研究還不夠深入。還可繼續探究在10 cm 之內不同夾芯厚度對于隔聲影響（便于車頭結構輕量化設計）、不同參數隔音墊在復合結構中的隔聲效果以及新型隔聲及吸聲材料復合應用后的效果[13]。司機室工況復雜，不同時速下的要求有差異，風動壓力造成的影響需要深入評估。

3 結語

通過公司現有不同項目司機室方案的組合，進行初步試驗驗證，驗證了夾芯結構、空氣層、預氧絲隔熱棉及隔音墊對于隔聲不同程度的作用，在工程應用實踐中可以靈活借鑒。試驗構件方案較為典型但構件數較少，需要結合更多的試驗樣件來進一步細化分析，總結經驗，通過探究最優的組合結構，來實現噪聲、重量、成本的控制。后續研究中應持續研究不同參數隔熱棉、不同參數隔音墊對于組合構件隔聲效果的影響，進一步探索雙層結構在司機室結構設計中的可實現性。