臥鋪動車組隔聲降噪優(yōu)化設計技術

（中車長春軌道客車股份有限公司設備研發(fā)部，130062，長春∥高級工程師）

臥鋪動車組隔聲降噪優(yōu)化設計技術

畢 凱

（中車長春軌道客車股份有限公司設備研發(fā)部，130062，長春∥高級工程師）

闡述了控制臥鋪動車組振動、噪聲的必要性，提出了控制臥鋪動車組振動噪聲的基本對策，論述了臥鋪動車組降噪優(yōu)化設計技術，包括聲源和振源的控制優(yōu)化、車體結(jié)構(gòu)隔聲設計、內(nèi)裝結(jié)構(gòu)避振設計、車內(nèi)聲學模態(tài)設計等技術。

動車組；隔聲降噪；優(yōu)化設計

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

伴隨著我國列車速度的提高，鐵路車輛的振動和噪聲問題越來越突出，如不采取有效措施，既會降低乘客的舒適度，又會降低車輛各種零部件的壽命。

長交路臥鋪動車組在夜間持續(xù)運行，需要保持持續(xù)運行時無明顯突發(fā)噪聲，并盡可能降低車內(nèi)噪聲，才能為乘客提供良好的旅行休息環(huán)境。因此，臥鋪動車組減振降噪設計是當前鐵路現(xiàn)代化必須解決的首要問題之一，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 動車組噪聲源及控制

1．1 車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機理

動車組車輛噪聲問題的研究，首要任務是了解車輛噪聲的聲源分布、源強大小及其頻譜特性，并結(jié)合車輛結(jié)構(gòu)、動力學和聲學特性，明確各聲源的產(chǎn)生和傳播機理。動車組車外噪聲主要包括輪軌噪聲、氣動噪聲、弓網(wǎng)噪聲和高架結(jié)構(gòu)二次輻射噪聲4大類。動車組車內(nèi)聲場環(huán)境非常復雜，聲源眾多，大致可分為3種類型：直達聲、透射聲和振動輻射聲，如圖1所示。

圖1 動車組車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機理

直達聲是從噪聲源發(fā)出，以空氣為媒介，從車窗或車門的縫隙和排風口直接傳播到車內(nèi)的聲音；透射聲是指客室外的各種聲源，先經(jīng)空氣介質(zhì)傳播，繼而透過車輛材料傳到車內(nèi)的聲音；振動輻射聲為各種振動激勵源通過車輛結(jié)構(gòu)將振動能量傳遞至車廂，進而激發(fā)車廂結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生聲輻射。由于直達聲和透射聲都是通過空氣傳播，而振動輻射聲是通過結(jié)構(gòu)傳播，因而動車組車內(nèi)噪聲來源可歸為空氣傳播聲和結(jié)構(gòu)傳播聲兩種。

輪軌噪聲、弓網(wǎng)噪聲、氣動噪聲和輔助設備噪聲等動車組車外噪聲都是動車組車內(nèi)噪聲的主要來源，這些聲源大多數(shù)既可以通過空氣途徑傳播，也可通過結(jié)構(gòu)途徑傳播。盡管對不同的車輛結(jié)構(gòu)和車輛聲學特性而言，這些聲源對車內(nèi)噪聲的貢獻值是不一樣的，但是，根據(jù)國外研究經(jīng)驗，在研究動車組車內(nèi)噪聲來源時，必須考慮下列可能是顯著的噪聲來源：①輪軌滾動噪聲；②軌枕通過頻率和車輪缺陷導致的參數(shù)激振；③動車組弓網(wǎng)噪聲以及空腔、轉(zhuǎn)向架區(qū)域、車間連接處等的氣動噪聲；④車輛表面的湍流邊界層噪聲；⑤動力單元、空調(diào)系統(tǒng)、進排氣裝置等輔助設備發(fā)出的噪聲。

1．2 車內(nèi)噪聲控制

中藥成分復雜，要闡明某種成分與相應藥效活性的關系較為困難，而中藥譜效學能夠?qū)⒅兴幹讣y圖譜和藥效學結(jié)合起來，既能標示出中藥含有的多種成分，又能很好地揭示成分與藥效的關系[11-13]。因此，中藥譜效學常用于闡明中藥中各成分對藥效的貢獻程度，其主要方法包括多元線性回歸分析法、偏最小二乘回歸分析法等[14]。本研究采用最小偏二乘回歸分析法，根據(jù)紫荊葉提取物對酪氨酸酶活性的抑制作用，考察其特征圖譜所代表的不同成分對該抑制作用的貢獻程度，以期為篩選具有酪氨酸酶活性抑制作用的天然美白原料提供理論基礎和試驗依據(jù)。

針對動車組車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機理，以及噪聲的傳播規(guī)律，動車組車內(nèi)噪聲控制方法可以用圖2來表示。

如圖2所示，動車組車內(nèi)噪聲控制，首先要確定車內(nèi)噪聲的目標值，如時速250km臥鋪動車組車內(nèi)噪聲設計要求客室端部包間噪聲不大于68dB（A），客室中部包間噪聲不大于65dB（A）；其次通過仿真計算（線路試驗）獲得車內(nèi)主要噪聲源，并分析主要噪聲源特性，包括頻譜特性和源強分布等；然后根據(jù)噪聲源類型和傳播方式的不同進行相應的低噪聲設計，包括直達聲低噪聲設計、透射聲低噪聲設計以及振動聲輻射低噪聲設計等。通過以上低噪聲設計，并預測評價車內(nèi)噪聲水平，進而確定最終車內(nèi)噪聲控制方案。

圖2 動車組車內(nèi)噪聲控制

1．3 車內(nèi)噪聲限值

對于臥鋪動車組車內(nèi)噪聲問題而言，國內(nèi)尚無對應的國家標準。以時速250km臥鋪動車組為例，車內(nèi)噪聲限值主要參考GB／T 12816—2006《鐵道客車內(nèi)部噪聲限值及測量方法》、《CRH系列動車組噪聲等評價指標暫行規(guī)定》（鐵總科技［2014］210號）等標準或規(guī)定。臥鋪動車組車內(nèi)噪聲限值如表1所示。

2 整車低噪聲設計

根據(jù)表1所示，臥鋪動車組車內(nèi)噪聲測評點主要是端部包間、中部包間及司機室，因此，臥鋪動車組整車低噪聲設計應當首先確保以上測評點位置的噪聲符合限值要求。在此基礎上，研究進一步降低車內(nèi)噪聲整體水平的改進設計。

表1 臥鋪動車組車內(nèi)噪聲限值dB（A）

2．1 關鍵區(qū)域低噪聲設計

車廂端部區(qū)域通常是動車組車內(nèi)噪聲最惡劣的地方。現(xiàn)有座車動車組線路試驗結(jié)果表明，當動車組以250km／h速度運行時，客室端部噪聲可達到75～80dB（A）。結(jié)合臥鋪動車組車輛結(jié)構(gòu)特性（見圖3）可知，車廂端部包間基本直接位于轉(zhuǎn)向架上方，受到轉(zhuǎn)向架區(qū)域包括輪軌噪聲在內(nèi)的聲源直接作用，其中相對于二位端包間，一位端包間更為靠近車廂端部，臨近風擋和塞拉門，其聲學環(huán)境更加惡劣。因此，車廂端部包間的低噪聲設計，在控制該區(qū)域輪軌噪聲和氣動噪聲等聲源的基礎上，還要考慮優(yōu)化改進風擋、塞拉門等結(jié)構(gòu)的密封隔聲性能，地板、側(cè)墻、端墻、頂板等的隔聲減振性能，以及包廂間壁的隔聲、隔振動聲輻射性能。

2．1．1 受電弓下方包間

圖3 臥鋪動車組中間車結(jié)構(gòu)特性

弓網(wǎng)噪聲作為動車組車輛的主要噪聲源之一，直接影響受電弓下方區(qū)域的車內(nèi)噪聲水平?，F(xiàn)有座車動車組線路試驗結(jié)果表明，受電弓下方的車內(nèi)噪聲明顯高于車內(nèi)其他部分的噪聲，差值為1～3dB（A）。隨著車輛運行速度的提高，弓網(wǎng)噪聲往往變得更強且更為復雜。受電弓車的車外弓網(wǎng)區(qū)域存在明顯的聲源，其聲強基本和輪軌區(qū)域噪聲相當，因此，受電弓區(qū)域的空氣傳聲對車內(nèi)噪聲具有顯著貢獻。結(jié)合臥鋪動車組車輛結(jié)構(gòu)特性（見圖4）可知，受電弓位于端部包間的上方，這進一步加劇了受電弓下方的端部包間噪聲水平。受電弓區(qū)域車內(nèi)噪聲的控制，應該首先降低弓網(wǎng)噪聲源和受電弓區(qū)域的振動能量傳遞，其次要提高平頂、側(cè)墻等的隔聲、隔振性能。

圖4 臥鋪動車組帶受電弓車結(jié)構(gòu)特性

2．1．2 空調(diào)機組下方包間

空調(diào)機組對車內(nèi)噪聲的影響可分為兩部分，一是空調(diào)機組的工作噪聲，二是空調(diào)機組的氣動噪聲?？照{(diào)機組的工作噪聲主要對靜置狀態(tài)下的車內(nèi)、車外噪聲起主要作用，而空調(diào)機組的氣動噪聲則會對運行狀態(tài)下的車內(nèi)、車外噪聲產(chǎn)生重要影響。結(jié)合臥鋪動車組車輛結(jié)構(gòu)特性（見圖3）可知，空調(diào)機組下方包間低噪聲設計，一方面要控制空調(diào)機組的工作噪聲，另一方面還要關注空調(diào)機組的氣動噪聲優(yōu)化，同時考慮提高空調(diào)機組區(qū)域頂板、側(cè)墻的隔聲減振性能。

2．1．3 車下設備上方包間

牽引變壓器、牽引變流器、輔助變流器等車下設備對車內(nèi)噪聲的影響主要是其工作狀態(tài)下產(chǎn)生的振動能量向車內(nèi)傳遞?，F(xiàn)有座車動車組線路試驗結(jié)果表明，車下設備的顯著噪聲、振動能量可以經(jīng)由地板向車內(nèi)傳遞，并引起側(cè)墻、頂板以及內(nèi)裝結(jié)構(gòu)的振動噪聲響應。車下設備上方包間低噪聲設計，一方面要控制輔助設備的工作噪聲，另一方面還要關注輔助設備和車體連接結(jié)構(gòu)的隔振和減振性能，同時也要考慮提高輔助設備區(qū)域地板和側(cè)墻的隔聲減振性能。

2．2 隔聲降噪優(yōu)化設計

臥鋪動車組整車低噪聲設計需要從聲源控制和傳遞路徑優(yōu)化兩方面著手。聲源控制包括空氣聲源和結(jié)構(gòu)振動兩種聲源的控制，傳遞路徑優(yōu)化包括空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲兩種路徑的優(yōu)化。

2．2．1 聲源和振源的控制優(yōu)化

圖5給出了轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲減小3dB（A）和轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲減小5dB（A）之后的車內(nèi)噪聲與轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲未采取任何措施時的車內(nèi)噪聲對比。由圖5可見，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲減小3dB（A）之后，客室端部噪聲降低了約1dB（A）；轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲減小5dB（A）之后，客室端部噪聲降低了約2 dB（A）。

因此，對于臥鋪動車組整車低噪聲設計而言，控制車輛顯著的空氣聲源，如輪軌噪聲、氣動噪聲、弓網(wǎng)噪聲等，以及控制車輛顯著的結(jié)構(gòu)振動，如轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動、弓網(wǎng)區(qū)域振動、輔助設備區(qū)域振動等，對于降低車內(nèi)噪聲水平具有重要意義。

圖5 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲控制對比

2．2．2 車體結(jié)構(gòu)隔聲設計

對于空氣傳聲而言，提高車體結(jié)構(gòu)的隔聲水平是降低車內(nèi)噪聲的有效方法。對臥鋪動車組車內(nèi)噪聲進行仿真計算，計算結(jié)果表明，當車體結(jié)構(gòu)的隔聲水平提高之后車內(nèi)噪聲降低了2～3dB（A）。因此，對于臥鋪動車組整車低噪聲設計而言，提高車體結(jié)構(gòu)的隔聲水平具有重要作用，特別是車輛的聲源暴露處和車體結(jié)構(gòu)隔聲薄弱處，如轉(zhuǎn)向架區(qū)域地板、受電弓平頂、端部側(cè)墻、頂板、端墻等關鍵位置的隔聲優(yōu)化設計尤為重要。

2．2．3 內(nèi)裝結(jié)構(gòu)避振設計

臥鋪動車組車內(nèi)有大量的包間結(jié)構(gòu)，包間間壁的振動聲輻射對車內(nèi)噪聲的影響也不容忽視。車輛的振動與噪聲激勵傳遞至車內(nèi)，引起車內(nèi)結(jié)構(gòu)的振動并輻射噪聲，進而產(chǎn)生一系列車內(nèi)噪聲問題。因此，對于臥鋪動車組整車低噪聲設計而言，需要對車內(nèi)包間間壁進行聲學結(jié)構(gòu)特性設計。一方面要使間壁的共振頻率避開車輛結(jié)構(gòu)的主要固有激勵頻率，另一方面要研究降低間壁的振動聲輻射水平。

2．2．4 車內(nèi)包間聲學模態(tài)設計

與結(jié)構(gòu)模態(tài)類似，空腔存在聲學模態(tài)，特別當車身結(jié)構(gòu)模態(tài)與車內(nèi)空腔聲學模態(tài)對應的固有頻率相近時，會形成車內(nèi)空腔聲學共振響應。車內(nèi)空腔聲場分布會以某一固有聲學振型來表現(xiàn)，在橫向或縱向的波峰和波谷處形成較顯著的聲壓差值，可使人產(chǎn)生某些區(qū)域噪聲異常強烈的主觀感覺?，F(xiàn)有動車組運營過程中曾出現(xiàn)過一例端部異響問題，即和車內(nèi)聲學模態(tài)分布相關。圖6給出了該動車組車內(nèi)聲學模態(tài)計算結(jié)果。

由圖6可見，車內(nèi)聲學模態(tài)的分布在111Hz附近均表現(xiàn)為橫向兩端大、中間小的規(guī)律。當動車組以250km／h速度運行時，受到過枕跨參數(shù)激振頻率（111Hz）的激勵，加之車輛系統(tǒng)本身在100 Hz附近存在固有模態(tài)密集區(qū)，所以會引起車輛系統(tǒng)共振；同時，在111Hz附近存在多個車內(nèi)空腔聲學模態(tài)，并且聲壓的分布規(guī)律表現(xiàn)為車內(nèi)橫向兩側(cè)大、中間小的狀態(tài)。車內(nèi)的聲振耦合最終導致了客室端部的異響問題，因此，對于臥鋪動車組整車低噪聲設計而言，獲得包間、走廊的聲學模態(tài)分布特性，避免車內(nèi)產(chǎn)生顯著的聲固耦合效應十分關鍵。

圖6 車內(nèi)聲學模態(tài)特性

3 結(jié)語

動車組振動和噪聲控制是一個系統(tǒng)工程，它與車體輕量化設計、空氣動力學、氣密性研究、輪軌摩擦、線路質(zhì)量、振動及隔聲、減振材料的選擇、車下動力設備等息息相關。設計時單從某一方面考慮不能有效降低車內(nèi)外振動和噪聲水平，必須綜合考慮各方面因素的影響。只有將聲學設計融入動車組結(jié)構(gòu)及部件設計的每一方面，才能取得控制動車組振動和噪聲的良好效果。

［1］ 中國鐵路總公司。CRH5E型臥鋪動車組暫行技術條件：科技裝函［2015］146號［S］．北京：中國鐵路總公司，2015．

［2］ 中國鐵路總公司．CRH系列動車組噪聲等評價指標暫行規(guī)定：鐵總科技［2014］210號［S］．北京：中國鐵路總公司，2014．

Application of Sound Insulation and Noise Reduction Technology in EMU Sleeper Train

BI Kai

The necessity of controlling vibration and noise of EMU sleeper train is expounded，the basic countermeasures to control the vibration and noise of EMU sleeper train are put forward．Then，the technology of the acoustic optimization design for EMU is discussed，including the optimal control of noise and vibration sources，the sound insulation design of the carbody structure and the interior structure，the acoustic modal design of the compartment and so on．

electric multiple unit（EMU）；sound insulation and noise reduction；optimal design

U270．2

10．16037／j．1007－869x．2017．02．016

2016－09－10）