100%低地板列車車內聲源識別試驗研究

張 捷，肖新標，張春巖，韓光旭，李志輝，金學松

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都610031；2.西南交通大學 力學與工程學院，成都610031）

100%低地板列車車內聲源識別試驗研究

張 捷1，肖新標1，張春巖2，韓光旭1，李志輝1，金學松1

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都610031；2.西南交通大學 力學與工程學院，成都610031）

100%低地板列車是一種新型綠色環(huán)保的城市區(qū)域交通運輸車輛。針對其特殊的車體結構，提出了更高的車內噪聲控制要求。通過線路噪聲試驗，和100%低地板列車車內聲源特性的系統(tǒng)測試，定性分析了車內顯著聲源的傳遞路徑，在此基礎上提出車內減振降噪建議措施。試驗結果表明，100%低地板列車車內各個測點的聲源能量主要集中在中心頻率400 Hz～1 250 Hz的1/3倍頻帶，聲源位置主要位于地板、頂板以及風擋區(qū)域。車內最顯著頻帶聲源的傳遞路徑以空氣傳聲為主?？刂栖囕v外部空氣聲源，提高車體結構的密封、隔聲性能是降低車內噪聲的可行方法。研究結果可為100%低地板列車車內減振降噪提供參考。

聲學；100%低地板；車內噪聲；聲源識別；空氣傳聲；結構傳聲

100%低地板列車采用獨立車輪轉向架，車廂地板距離軌道面的垂直高度可以降低到350 mm左右。其軌道可直接在現(xiàn)有馬路上鋪設，列車在地面上?？浚鵁o需設置高站臺。這不僅節(jié)約了車輛運行系統(tǒng)的建設成本，同時也更方便“老弱病殘孕幼”等特殊群體的登乘。由100%低地板列車構建的城軌運載系統(tǒng)，其載客量、運行穩(wěn)定性均要高于公共汽車，且兼具城市觀光功能。因此，100%低地板列車作為一種新型綠色環(huán)保的城市區(qū)域交通運輸型式，正受到越來越多的關注和歡迎。和傳統(tǒng)的城市軌道車輛[1，2]相比，100%低地板列車由于其低地板結構使得輪軌噪聲源離車內受聲點的距離更近，且更為輕量化的車體結構以及大面積的玻璃窗使得車體隔聲量相對較低，這些都對車內噪聲控制提出了更高的要求。測試研究100%低地板列車車內聲源特性，對其車內噪聲的有效控制具有重要意義。

本文基于球諧函數(shù)聲場分解和重構方法，使用球形陣列對100%低地板列車進行車內聲源識別[3-5]，得到車內聲源的頻譜特性和分布特性。結合內裝板件的振動加速度測試結果，定性分析車內聲源的傳遞路徑。在此基礎上提出100%低地板列車車內減振降噪建議措施。

1 車內聲源識別試驗

100%低地板列車車內噪聲線路試驗方法依據(jù)GB 14892-2006[6]，同時參考GB/T 3449-2011[7]和ISO 3381:2005[8]相關標準規(guī)定進行。

試驗車輛為4編組，采用3動1拖的編組形式，其中3車為拖車，其他車廂為動車。列車每節(jié)車廂長10 m左右，獨立車輪轉向架位于每節(jié)車廂的中部，輔助設備位于車廂的頂部。圖1給出了列車車內聲源識別測點布置示意圖。測試車廂為拖車，試驗速度80 km/h。其中，“”表示車內聲源識別測點，“■”表示車內橫斷面內裝板件振動加速度測點。

圖1 車內聲源識別測點

如圖1所示，車內聲源識別測點包括客室前端、客室中部和客室后端三個位置；車內橫斷面內裝板件振動加速度測點包括客室前端和客室中部兩個橫斷面，每個橫斷面分別包括地板、側墻、邊頂板和頂板等四個位置的垂向測點。

試驗數(shù)據(jù)采集使用丹麥B&K的球形陣列聲源識別系統(tǒng)，包括50 CH球形陣列、3660 D LAN-XI數(shù)采前端、4508加速度計以及筆記本電腦組成。測試前，使用B&K 4228聲級校準器對球形陣列進行聲學校準。

2 車內聲源特性分析

為了對車內噪聲采取有效的控制措施，首先需要了解車內聲源的頻譜特性和分布特性，進而分析車內主要噪聲源的傳遞路徑，然后針對不同傳遞路徑的聲源制定相應的減振降噪方案。

2.1 車內聲源頻譜特性

100%低地板列車車內噪聲源復雜，通過車內聲源識別可以明確車內關鍵位置的聲源頻率作用范圍及其貢獻程度。

圖2給出了列車以80 km/h速度運行時，車內不同測點的聲源頻譜特性。

圖2 車內噪聲源頻譜

由圖2可見，當列車以80 km/h速度運行時，車內客室前端的聲源頻帶聲壓級明顯高于客室中部和客室后端，特別是在中心頻率315 Hz以上的1/3倍頻帶。而在中心頻帶160 Hz～250 Hz的1/3倍頻帶，客室前端和客室后端的聲源頻帶聲壓級均顯著高于客室中部。因此，車內不同測點的聲源頻譜特性存在一定差異。這和車內測點的位置分布以及內裝結構特性都有一定關系。但是車內各個測點的聲源主要能量基本都集中在中心頻率400 Hz～1 250 Hz的1/3倍頻帶。這說明這些測點所受到的聲振激勵具有一定的相似性。

100%低地板列車車內客室前端以中心頻率800 Hz的1/3倍頻帶聲源能量最為顯著，客室中部和客室后端則以中心頻率1 000 Hz的1/3倍頻帶聲源能量最為顯著。這些頻帶的聲源對車內噪聲貢獻起到關鍵作用，是車內噪聲控制需要優(yōu)先和重點關注的聲源類型。因此，這里需要進一步確定聲源顯著頻帶的分布特性。

2.2 車內聲源分布特性

由Helmholtz方程[9]可知，當已知封閉表面的聲壓和質點速度就能唯一確定該表面聲場。利用這已知封閉表面聲場計算其內部或外圍空間聲場，只要在這些重構的空間聲場中沒有任何聲源和障礙物，就能得到該空間聲場的精確解。為了實現(xiàn)空間聲場的重構，就必須得到封閉表面的聲壓和質點速度。球型陣列由多個傳聲器組成并固定在剛性球表面上，測得球表面聲壓，從而得到陣列球表面的聲場。由陣列上的多個廣角攝像頭拍攝被測空間的背景圖，并采用縫補法將其組合形成完整的三維空間圖片，像地球儀一樣通過旋轉圖片得到不同的觀測位置。

圖3—圖5依次給出了100%低地板列車車內客室前端、客室中部和客室后端的聲源分布特性，包括全頻段的聲源識別結果，以及相應的各個最顯著頻帶（客室前端為800 Hz，客室中部和客室后端為1 000 Hz）的聲源識別結果。聲壓云圖的動態(tài)范圍為3 dB(A)。

由圖3可見，車內客室前端聲源主要來自于風擋區(qū)域。其中最顯著頻帶，即中心頻率800 Hz的1/3倍頻帶，其聲源位置主要位于風擋左側連接處，以及頂板和地板等區(qū)域。

由圖4可見，車內客室中部聲源主要來自于地板區(qū)域和客室前端。其中最顯著頻帶，即中心頻率1 000 Hz的1/3倍頻帶，其聲源位置主要位于地板區(qū)域和客室前端。

由圖5可見，車內客室后端聲源主要來自于風擋區(qū)域。其中最顯著頻帶，即中心頻率1 000 Hz的1/3倍頻帶，其聲源位置主要位于地板區(qū)域，以及風擋區(qū)域。

通過車內聲源識別分析可以發(fā)現(xiàn)，100%低地板列車車內各個測點的聲源主要能量基本都集中在中心頻率400 Hz～1 250H z的1/3倍頻帶。其中，客室前端以中心頻率800 Hz的1/3倍頻帶聲源能量最為顯著，客室中部和客室后端則以中心頻率1 000 Hz的1/3倍頻帶聲源能量最為顯著。

圖3 客室前端聲源識別

圖4 客室中部聲源識別

圖5 客室后端聲源識別

這些頻帶的聲源位置主要位于地板、頂板等內裝板件區(qū)域，以及風擋區(qū)域。通過結合車內不同橫斷面內裝板件的振動加速度測試結果，進一步定性分析車內聲源的傳遞路徑，然后針對不同傳遞路徑的聲源制定相應的減振降噪方案。

3 車內聲源傳遞路徑分析

100%低地板列車車內噪聲根據(jù)激勵源（包括振動源和噪聲源兩種）的振動噪聲能量傳遞路徑不同，可以分為空氣傳聲和結構傳聲兩種主要形式[10]。對于不同形式的聲源傳遞路徑，其噪聲控制方法是不一樣的。

空氣傳聲指的是振動噪聲能量通過空氣流體介質傳遞的路徑，主要包括直達聲和透射聲兩種。直達聲是指外部聲源通過各種孔洞、縫隙直接進入車廂內部，透射聲是指外部聲源穿透車身壁板（包括地板、側墻、頂板和端墻等）進入車廂內部，主要與外部聲源的強度和壁板的隔聲性能有關。控制空氣傳聲的主要方法是控制外部空氣聲源，以及提高車體結構的密封、隔聲性能。

結構傳聲指的是振動噪聲能量通過結構固體介質傳遞的路徑，可進一步分為一次結構傳聲和二次結構傳聲。列車在運行過程中，由于輪軌表面的不平順產生對車輛系統(tǒng)的激擾力，這些激擾力經由轉向架和懸掛系統(tǒng)傳遞至車體，激勵車廂內裝結構的振動并向車內輻射噪聲，稱為一次結構傳聲。另一種形式為車輛外部噪聲向空間輻射，經空氣傳播到車體表面，聲波激起車體地板、側墻、頂板等部件振動并向車內輻射噪聲，稱為二次結構傳聲?？刂平Y構傳聲的主要方法是控制外部結構振源，以及調節(jié)車體結構的固有頻率，使之避開車輛結構振動的共振頻率。

根據(jù)前面已經獲得的車內聲源分布特性，結合車內橫斷面的振動加速度測試結果，可以定性分析車內顯著聲源的傳遞路徑。

圖6給出了100%低地板列車車內客室前端橫斷面的振動加速度測試結果。

由圖6可見，車內客室前端橫斷面振動加速度低頻能量顯著。地板、側墻在400 Hz附近存在局部峰值。對于客室前端聲源800 Hz最顯著頻帶（頻率范圍708 Hz～891 Hz），客室前端橫斷面在該頻帶內振動加速度沒有明顯的峰值。內裝板件在800 Hz附近的振動加速度能量低于其在400 Hz附近的水平。但是客室前端聲源在800 Hz頻帶最為顯著，因此，可以認為結構傳聲不是客室前端800 Hz顯著頻帶聲源的主要傳遞路徑。

圖7給出了100%低地板列車車內客室中部橫斷面的振動加速度測試結果。

圖6 客室前端橫斷面振動加速度

圖7 客室中部橫斷面振動加速度

由圖7可見，車內客室中部橫斷面振動加速度同樣表現(xiàn)為低頻能量顯著。地板、側墻在400 Hz附近存在局部峰值。對于客室中部聲源1 000 Hz最顯著頻帶（頻率范圍891Hz～1 122 Hz），客室中部橫斷面在該頻帶內振動加速度存在局部峰值，但峰值并不顯著。內裝板件在1 000 Hz附近的振動加速度能量明顯低于其在400 Hz附近的水平?？紤]到客室中部聲源在1 000 Hz頻帶最為顯著，因此，可以認為結構傳聲不是客室中部1 000 Hz顯著頻帶聲源的主要傳遞路徑。

通過對100%低地板列車車內橫斷面振動加速度進行分析可以發(fā)現(xiàn)，結構傳聲不是車內最顯著聲源的主要傳遞路徑。所以，控制車內聲源的空氣傳遞路徑，即控制車輛外部空氣聲源，以及提高車體結構的密封、隔聲性能是改善車內噪聲環(huán)境可以采取的有效措施。

4 結語

在線路噪聲試驗中，使用球形陣列對100%低地板列車進行了車內聲源識別，得到了車內聲源的頻譜特性和分布特性。結合內裝板件的振動加速度測試結果，定性分析了車內聲源的傳遞路徑。得到主要結論如下：

（1）車內聲源能量主要集中在中心頻率400 Hz因此，1 250 Hz的1/3倍頻帶。其中，客室前端以中心頻率800 Hz的1/3倍頻帶聲源能量最為顯著，客室中部和客室后端則以中心頻率1 000 Hz的1/3倍頻帶聲源能量最為顯著；

（2）客室前端800 Hz最顯著頻帶聲源位置主要位于風擋左側連接處，以及頂板和地板等區(qū)域，客室中部和客室后端1 000 Hz最顯著頻帶聲源位置主要位于地板和風擋等區(qū)域；

（3）車內最顯著頻帶聲源的傳遞路徑以空氣傳聲為主。控制空氣傳遞路徑，即控制車輛外部空氣聲源，以及提高車體結構的密封、隔聲性能是降低車內噪聲的有效措施。

[1]張曉排，劉 巖，鐘志方.地鐵車內噪聲特性[J].噪聲與振動控制，2010，30(2)：69-71.

[2]楊 建，左言言，常慶斌.A型地鐵車體結構動態(tài)特性及車內聲學模態(tài)研究[J].噪聲與振動控制，2011，31(3)：76-79.

Experimental Study on Interior Noise Source Identification for 100%Low-floor Railway Trains

ZHANG Jie1,XIAO Xin-biao1,ZHANG Chun-yan2, HAN Guang-xu1,LI Zhi-hui1,JIN Xue-song1

(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.School of Mechanics and Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The 100%low-floor train is a new type of green urban railway transportation tools.However,control of interior noise is a more complicated issue due to its special car body’s structure.In this paper,based on the field measurements,the characteristics of the interior noise source of the 100%low-floor train are analyzed.Then,a qualitative analysis is done to identify the transm ission path of the significant interior noise sources.On this basis,measures for reduction of interior noise and vibration are proposed.The results show that the sound source power of the interior noise is mainly concentrated on the 1/3 octave frequency band w ith the central frequency of 400 Hz～1 250 Hz.The interior noise sources are mainly located in the floor,roof,vestibule diaphragm,etc.And the air-borne sound is the key noise transfer mode.It is a feasible way to reduce the interior noise by controlling the external noise and improving the sealing and sound insulation of the car body.This work provides a basis for further finding the interior noise control measures for the 100% low-floor railway train.

acoustics;100%low-floor;interior noise;noise source identification;air-borne sound;structural-borne sound

1006-1355(2014)04-0019-05

O42；U270.1+6 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A DOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.005

2013-10-10

國家863計劃(2011AA11A103-2-2)；教育部創(chuàng)新團隊(IRT1178)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(SWJTU12ZT01)；牽引動力國家重點實驗室自由探索自主研究課題(2011TPL_T05)

張 捷（1987-），男，江蘇南京人，博士研究生，目前從事鐵路振動噪聲控制研究。

Email：zh.receive@gmail.com

金學松（1956-），男，江蘇揚州人，教授，博士生導師。

E-mail:xsjin@home.sw jtu.edu.cn