裙板結構對市域列車車外噪聲的影響分析

顧漢星，張 捷，張開林，馮讀貝，肖新標

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031；2.四川大學 高分子材料工程國家重點實驗室/高分子研究所，成都 610065；3.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

市域列車主要開行于城市中心與衛星城鎮之間，其沿線人口與高速鐵路沿線相比，人口密度更大。在帶來交通便利的同時，噪聲對沿線居民的影響需要引起更高的重視。對于運行時速在120 km/h～160 km/h 的市域列車，其輪軌噪聲是影響車外通過噪聲最主要的噪聲源。因此，研究列車裙板幾何尺寸及吸聲性能對車外通過噪聲的影響具有重要意義。

Zhang等[1]識別了車外噪聲源的分布規律，并分析了不同速度以及不同區域噪聲源對車外通過噪聲的貢獻，發現轉向架區域噪聲始終是重要的聲源。張亞東等[2]基于高階有限差分法的大渦特性模擬對高速列車近場非定常流動進行分析，發現頭車一位端轉向架系統氣動噪聲貢獻量最大，其與轉向架系統的平均聲壓級相差3.8 dB（A）；Uda 等[3]使用1:70列車模型研究了轉向架腔的低噪聲設計，發現將轉向架腔側面安裝扇形擋板并減小轉向架腔的體積可以降低列車車外噪聲；Yamazaki 等[4]使用1:7 列車模型進行了風洞試驗，模擬轉向架噪聲的產生，發現將轉向架區域的下部覆蓋可以降低車外噪聲約4 dB；朱劍月等[5]采用1:10簡化模型分析裙板對轉向架部位流動與氣動噪聲性能的影響，結果表明轉向架區域外側安裝裙板后，可在較寬頻段內有效降低轉向架部位的氣動噪聲；Kim等[6]建立了安裝裙板結構的動力分散式列車模型，計算分析發現安裝裙板可降低車外噪聲約2 dB，裙板結構雖然對車外降噪起到明顯作用，但是可能會對車內噪聲產生不利影響，會增加車內噪聲約1 dB（A）；黃莎等[7]基于Lighthill 聲學理論，對高速列車轉向架部位氣動噪聲進行數值模擬，發現適當增加轉向架部位裙板面積，聲壓級幅值降幅達到12%，總聲壓級降幅達2 dB（A）。

由上可知，轉向架區域噪聲是影響列車車外噪聲的重要噪聲源，而裙板的合理設計對于轉向架區域的噪聲空氣動力學問題、噪聲問題都至關重要。但是不同形狀、位置和材料的裙板對車外噪聲的減小作用不盡相同。如何選取合適的列車底部結構及布局進行降噪處理，還有待進一步研究。

本文基于聲線跟蹤法，按照實際幾何尺寸建立了市域列車噪聲預測模型。考慮車輛的主要噪聲源，以及關鍵邊界條件，研究了在轉向架不同位置安裝半/全遮擋裙板，以及裙板內側鋪設吸聲材料后的車外降噪效果，為市域列車車外噪聲控制提供科學依據和參考。

1 聲線跟蹤法

聲線跟蹤法是將聲源發出的聲音假設為一根根的聲線，每根聲線沿著直線傳播，通過計算聲線在傳播過程中發生的能量變化和反射時路徑的變化來對聲線到達位置處的聲場進行模擬[8]。聲源的能量被平均到每根聲線上，每根聲線攜帶其代表的那部分波陣面所具有的能量[9]。對于自由輻射的單極子聲源，以均勻球面波的形式輻射聲波，則每條聲線的聲功率可通過公式求得：

式中：P為每條聲線的聲功率，A為聲壓振幅，n為聲線數量，ρ為空氣密度，c為聲速。

聲線以聲速朝一定的方向傳播，在傳播過程中碰到地面或墻壁等結構阻礙時會發生吸聲、反射、透射、折射和衍射等現象。

當聲線傳播到界面的邊界和拐角處便會產生衍射，衍射現象如圖1所示。BC為衍射邊界。由屏障結構ABCD造成的聲衰減可用公式(2)求得[10]。

圖1 衍射模型

式中：ΔL為衰減量，N為菲涅爾數，λ為聲波波長，a、b、d表示距離。

經過與界面的多次反射和吸聲，聲線所攜帶的能量逐漸衰減。當剩余聲能量可忽略不計時，停止對該條聲線的跟蹤，繼而跟蹤下一條聲線。聲線在傳播過程中的路徑和聲強將被跟蹤和記錄，傳播路徑被離散為一系列的節點，每個節點的坐標對應能量數組中的一個位置，并將該節點位置的聲強記錄在它對應的數組中[11]。根據能量數組，聲壓級可由公式(4)求得。

式中：I(x，y，z)為傳播路徑中每個節點對應的聲強，(x，y，z)為各節點對應的坐標，ρ0c0為傳播媒質的特性阻抗，當聲波在空氣中傳播時，其特性阻抗常取400。

考慮到軌道交通車外噪聲聲源多、聲場范圍大的特點和數值方法的計算效率，聲線跟蹤法是國際上軌道交通列車車外噪聲計算時廣泛采用的計算方法[12–14]。聲線跟蹤法是利用經典射線聲學理論求解出“本征聲線”，并且用其迅速描述聲場的方法。本文將其應用于市域列車車外通過噪聲的仿真計算。

2 市域列車車外噪聲模型

2.1 幾何模型

為了對市域列車的車外噪聲進行仿真分析，使用3D 建模軟件對列車進行了建模。市域列車幾何模型采用4 車編組，編組型式為：帶司機室的頭車（拖車）+帶受電弓的動車+帶受電弓的動車+帶司機室的尾車（拖車）。總長度93.8 m，運行時速140 km/h。

2.2 邊界條件

計算模型中，考慮了橋面基礎結構和地面，橋面材料為混凝土，地面設為草地，考慮混凝土及草地的吸聲。模型中，混凝土與草地的吸聲系數取自LMS Virtual.Lab Acoustics軟件數據庫，如表1所示。

表1 線路邊界條件材料吸聲系數

2.3 載荷激勵

在施加聲源載荷激勵時，載荷激勵的頻譜如圖2所示。

圖2 聲源載荷激勵頻譜

其中，車下輪軌噪聲、氣動噪聲、牽引設備噪聲合并為轉向架區域噪聲考慮，通過線路測試獲得；其他設備艙內的設備噪聲，包括牽引變流器、牽引變壓器、空壓機、空調噪聲，來自設備廠家的檢測報告。圖3給出聲源載荷激勵模型，模型中聲源激勵采用點聲源形式加載。根據不同區域的聲源體積和分布特性，每個轉向架區域等效為2個點聲源，加載在轉向架的兩側中部位置；每個空調機組等效為1 個點聲源，加載在車頂空調機組位置；每個牽引變流器、牽引變壓器和空壓機各等效為1 個點聲源，根據車下設備布置圖分別加載在車下對應位置處。

圖3 聲源載荷激勵模型

2.4 模型驗證

根據ISO 3095[15]標準，列車車外通過時段內等效連續A計權聲壓級的計算公式如式(5)所示。

式中：LAeq,Tp為通過時段內的等效連續A 計權聲壓級，Tp是測量的列車經過的時間段，計算公式為Tp=t2-t1，pA(t)為噪聲瞬時A計權聲壓，p0為基準聲壓，取值20 μPa。

以速度140 km/h 為例，圖4給出車外標準點處（距軌道中心線25 m 遠，距鋼軌頂面3.5 m 高）的仿真結果與實測結果的頻譜對比。市域列車未安裝裙板時，25 m遠處的等效連續A聲級仿真值為85.3 dB（A），實測值為84.1 dB（A），仿真結果和試驗結果頻譜分布規律一致，聲壓級的差值為1.2 dB（A），誤差較小。因此，本文所建立的市域列車車外通過噪聲預測模型是有效的。

圖4 標準試驗點試驗與仿真結果對比

3 裙板結構影響分析

為了探究裙板安裝位置和裙板尺寸分別對于列車車外噪聲的影響，模型中對裙板進行了簡化處理，并設計如圖5所示的4 種裙板模型：(a)僅在轉向架位置安裝裙板；(b)轉向架及輔助設備位置安裝裙板；(c)1/2高半遮擋裙板(H=0.46 m)；(d)全遮擋裙板(H=0.846 m)。其中轉向架裙板長3.5 m，轉向架及輔助設備位置頭車裙板長21.7 m，中間車裙板長22.1 m。裙板為鋁制加筋結構，其聲阻抗為17.1×106kg?m-2?s-1[16]。

圖5 裙板安裝位置及尺寸示意圖

3.1 裙板位置

當轉向架位置和轉向架及輔助設備位置安裝半遮擋裙板時，140 km/h 運行速度下距離軌道中心線25 m 處的等效連續A 聲級分別為84.5 dB(A)和83.9 dB(A)，較未安裝裙板時車外通過噪聲分別降低0.8 dB(A)和1.4 dB(A)。

圖6給出兩種裙板安裝位置與未安裝時的1/3倍頻程中心頻率聲壓對比和降噪量曲線。

圖6 裙板位置對車外噪聲的影響

由圖6可見，安裝裙板后，場點的聲壓曲線分布特性基本沒有改變。中心頻率315 Hz～2 500 Hz的1/3倍頻帶降噪量總體上高于其他頻帶，降噪平均值為1.3 dB(A)和0.7 dB(A)。在轉向架區域噪聲頻譜顯著峰值頻段500 Hz～2 000 Hz 內，平均降噪量分別為1.4 dB(A)和0.8 dB(A)，安裝裙板可有效降低轉向架區域噪聲。

為了研究裙板對于市域列車車外聲場的影響，利用聲線法計算列車外部縱向平面和橫向平面的聲場響應。圖7給出不同裙板安裝位置時的車外聲場縱向和橫向云圖結果。其中縱向云圖位置為橋梁結構邊界處列車底部位置，橫向云圖位置為列車橫向中心平面，縱向云圖動態范圍為10 dB(A)，橫向云圖中考慮到車外聲場的聲衰減，動態范圍設為20 dB(A)。

圖7 裙板位置對車外聲場影響

從縱向云圖中可以看出，各節車底部位置聲壓級較大，轉向架及輔助設備安裝半遮擋裙板后，列車底部位置近場噪聲的變化趨于平緩，并且可在僅轉向架位置安裝裙板的基礎上，降低車外通過噪聲0.6 dB(A)。這是由于在輔助設備位置加裝裙板后，可減少一部分轉向架及輔助設備區域直達聲的傳播。而在橫向云圖中，車外聲場在橫向范圍內的分布規律基本一致：隨著與線路中心線水平距離的增加，噪聲的線性聲壓級不斷減小。這主要是由于車外近場噪聲的主要來源為直達聲，其受半遮擋裙板的影響較小。

3.2 裙板尺寸

圖8給出轉向架位置和轉向架及輔助設備位置安裝全遮擋裙板時，兩種裙板尺寸的1/3倍頻程中心頻率降噪量曲線。

圖8 全遮擋裙板對車外噪聲的影響

由圖8可見，轉向架位置采用全遮擋裙板，140 km/h 運行速度下距離軌道中心線25 m 處的等效連續A 聲級為83.9 dB（A），較安裝半遮擋裙板時車外通過噪聲進一步降低0.6 dB（A），其中2 500 Hz中心頻率的降噪量最為顯著，達0.8 dB（A）。在轉向架區域噪聲頻譜顯著峰值頻段500 Hz～2 000 Hz 內，平均降噪量為0.6 dB(A)。

轉向架及輔助設備位置采用全遮擋裙板，距離軌道中心線25 m 處的等效連續A 聲級為82.0 dB(A)，較安裝半遮擋裙板時車外通過噪聲進一步降低1.9 dB(A)。從圖8可以看出，在1 000 Hz、1 250 Hz、2 500 Hz中心頻率處降噪量達最大，為2.1 dB(A)，其次是800 Hz中心頻率，為2.0 dB(A)。在轉向架區域噪聲頻譜顯著峰值頻段500 Hz～2 000 Hz 內，平均降噪量為1.9 dB(A)。

圖9給出了轉向架位置和轉向架及輔助設備位置安裝半/全遮擋裙板時的車外聲場云圖結果。

圖9 裙板尺寸對車外聲場影響

由圖9(a)縱向云圖可見，當僅在轉向架位置安裝裙板時，列車底部位置噪聲分布基本相同，裙板尺寸對車外橋梁結構邊界處列車底部位置噪聲的影響較小。當轉向架及輔助設備位置安裝全遮擋裙板時，在各節車風擋位置有著明顯的峰值，這是由于轉向架及輔助設備的全遮擋裙板更好地阻擋了橋梁結構邊界內列車底部區域直達聲的傳播，使得轉向架區域和輔助設備區域噪聲在車廂底部延縱向傳播至各節車風擋位置，導致各節車風擋位置的聲壓級較高。

由圖9(b)橫向云圖可見，當裙板高度由半遮擋增加到全遮擋時，由于橋梁邊界和裙板邊界對噪聲的衍射作用，列車橫向中心平面的聲場分布差異明顯，裙板的高度越高，車外聲場的聲衰減越快。

綜上，當僅在轉向架位置安裝裙板時，裙板尺寸對車外通過噪聲的影響較小；而當轉向架及輔助設備位置安裝裙板時，裙板尺寸對車外噪聲的影響顯著。由于僅在轉向架位置安裝裙板時，雖然可以控制該區域的部分直達聲，但是對車廂底部的透射聲、繞射聲影響有限。使得轉向架區域噪聲仍然能在車廂底部沿車輛縱向傳播，進而再向車外輻射，導致裙板尺寸對車外噪聲的影響較小。

3.3 裙板吸聲處理

3.3.1 吸聲材料參數

吸聲材料可以有效吸收入射聲波，并抵消剛性結構由于多重反射帶來的不利影響[17–18]。針對市域列車噪聲的主要頻段（500 Hz～4 000 Hz），選取兩種在此頻降噪效果較好的吸聲材料，研究在轉向架位置安裝裙板時，裙板內側鋪設吸聲材料對列車車外噪聲的影響。在聲學實驗室中，采用混響吸聲法測試了一種三聚氰胺和一種聚酯纖維棉，它們的密度分別為4～12和20 kg/m3，25 mm厚度時的吸聲系數曲線如圖10所示。

圖10 材料吸聲系數曲線

3.3.2 裙板吸聲處理

裙板內側鋪設兩種吸聲材料后，140 km/h 運行速度時，距離軌道中心線25 m處的車外噪聲連續聲壓級結果如表2所示，單位為dB(A)。

表2 吸聲處理對車外噪聲影響/dB(A)

由表2可見，轉向架位置安裝半遮擋裙板，鋪設吸聲材料后，車外噪聲可以降低0.3 dB(A)，兩種吸聲材料的降噪效果相同；轉向架位置安裝全遮擋裙板，鋪設吸聲材料后，三聚氰胺和聚酯纖維棉可分別降低車外噪聲2.2 dB（A)和2.0 dB(A)。并且由于全遮擋裙板吸聲處理后有著更大的吸聲面積，因此降噪效果更為明顯。

圖11 給出轉向架位置裙板鋪設吸聲材料后的降噪量曲線。

圖11 裙板及其吸聲處理對車外噪聲影響

由圖11 可見，半遮擋裙板鋪設吸聲材料后，車外噪聲降噪效果并不明顯；全遮擋裙板鋪設吸聲材料后，車外噪聲最高降低2.2 dB（A)，并且在500 Hz～2 000 Hz的1/3倍頻程中心頻帶內，鋪設兩種吸聲材料較未鋪設時降低約2 dB(A)，在1 000 Hz的中心頻率降噪量最為顯著，達2.7 dB（A）。這是由于吸聲材料在此頻段有著較高的吸聲系數，且全遮擋裙板鋪設吸聲材料后有著更大的吸聲面積。

4 結語

基于聲線跟蹤法，建立了考慮轉向架及各種輔助設備聲源和軌道線路結構邊界條件的市域列車車外通過噪聲預測模型，計算了裙板位置、裙板尺寸以及裙板吸聲處理對車外通過噪聲的影響，并與列車未安裝裙板時的結果進行對比討論，得出以下結論：

（1）轉向架位置安裝全遮擋裙板與轉向架及輔助設備位置安裝半遮擋裙板降噪效果相當，均為1.4 dB（A）左右；轉向架及輔助設備位置安裝全遮擋裙板的降噪效果最好，可降低車外噪聲3.3 dB(A)左右。

（2）當僅在轉向架位置安裝裙板時，裙板尺寸對車外通過噪聲的影響較小，僅為0.6 dB（A）；而當轉向架及輔助設備位置安裝裙板時，裙板尺寸對車外噪聲的影響顯著，由半遮擋改為全遮擋可降低1.9 dB（A）噪聲水平。

（3）轉向架位置安裝半遮擋裙板時，裙板內側鋪設吸聲材料的降噪效果不明顯，僅為0.3 dB（A）。轉向架位置安裝全遮擋裙板時，裙板內側鋪設吸聲材料，可進一步降低車外噪聲最多2.2 dB（A）。