250 km/h城際動車組低噪聲設(shè)計技術(shù)

潘剛毅

(中國鐵路沈陽局集團有限公司長春車輛監(jiān)造項目部,130062,長春/高級工程師)

軌道交通是公認的環(huán)境友好型交通方式，但是，列車運行速度提高所帶來的噪聲問題，已經(jīng)成為影響“環(huán)境友好”，甚至已經(jīng)成為制約城際鐵路發(fā)展的關(guān)鍵因素[1-4]。在很長一段時間內(nèi)，對于國內(nèi)動車組列車的車內(nèi)噪聲控制問題，更多的是依賴于問題導(dǎo)向式的被動的噪聲控制方法。包括基于線路試驗的車內(nèi)噪聲特性分析、基于仿真建模的車內(nèi)噪聲預(yù)測研究，以及針對車體結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能優(yōu)化等。雖然也取得了一些重要的階段性成果，但是隨著動車組列車車內(nèi)噪聲評價體系的不斷完善，這種問題導(dǎo)向式的被動噪聲控制方法越發(fā)顯得單薄，不能從源頭上解決高速列車車內(nèi)的減振降噪問題。因此，開展動車組列車車內(nèi)低噪聲設(shè)計技術(shù)研究，對于構(gòu)建綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的動車組列車具有重要意義。

本文以250 km/h城際動車組為例，從聲學(xué)技術(shù)規(guī)范、部件聲學(xué)設(shè)計、整車聲學(xué)仿真及優(yōu)化、樣車試驗和減振降噪關(guān)鍵技術(shù)等方面著手，開展車內(nèi)低噪聲設(shè)計技術(shù)研究。

1 低噪聲設(shè)計研究思路

如何將250 km/h城際動車組列車車內(nèi)減振降噪工作從問題導(dǎo)向式的被動噪聲控制，轉(zhuǎn)變?yōu)榈驮肼曊蛟O(shè)計，從而使得車內(nèi)聲學(xué)指標(biāo)變得可控，這是目前動車組列車車內(nèi)噪聲研究需要重點關(guān)注的問題。本文針對此問題，提出由圖1所示的低噪聲設(shè)計研究思路[5]。其具體步驟如下：

(1) 制定聲學(xué)設(shè)計技術(shù)規(guī)范。依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，或者車輛采購方的技術(shù)要求，制定新造250 km/h城際動車組列車的聲學(xué)設(shè)計技術(shù)規(guī)范。

(2) 制定設(shè)備聲學(xué)控制規(guī)范。建立計算分析模型，結(jié)合聲學(xué)設(shè)計技術(shù)規(guī)范，制定各個設(shè)備聲學(xué)控制規(guī)范。

(3) 建立車體低噪聲設(shè)計方法。依據(jù)相關(guān)部件的聲學(xué)指標(biāo)，建立各個關(guān)鍵部件的仿真預(yù)測模型，對部件進行低噪聲設(shè)計。以部件聲學(xué)仿真分析結(jié)果為基礎(chǔ)，按照優(yōu)化設(shè)計方案制造樣件。通過聲學(xué)實驗室對優(yōu)化后部件的聲振特性進行測試，評估其優(yōu)化效果。

(4) 進行整車聲學(xué)仿真分析。依據(jù)部件聲學(xué)優(yōu)化結(jié)果，對250 km/h城際動車組整車噪聲仿真預(yù)測模型的激勵源和傳聲參數(shù)進行修正，使用修正后的參數(shù)進行噪聲預(yù)測。與設(shè)計目標(biāo)進行對比，若達到設(shè)計目標(biāo)，則進入下一環(huán)節(jié)；反之，則重新對部件聲學(xué)指標(biāo)進行優(yōu)化。

(5) 開展整車聲學(xué)線路試驗。開展新造250 km/h城際動車組列車的整車聲學(xué)線路試驗，通過型式試驗評價整車噪聲是否達到設(shè)計目標(biāo)；通過研究性試驗掌握整車聲振傳遞特性；通過長期跟蹤試驗探明新造250 km/h城際動車組列車在整個服役周期內(nèi)的噪聲變化規(guī)律。

圖1 250 km/h城際動車組列車低噪聲設(shè)計研究思路

2 聲學(xué)設(shè)計參考標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)針對250 km/h城際動車組列車聲學(xué)設(shè)計相關(guān)的參考標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3 車體低噪聲設(shè)計方法

3.1 車體聲學(xué)優(yōu)化方法概述

對于250 km/h城際動車組列車來說，其主要路徑部件為車體各個板件結(jié)構(gòu)。一般情況下，車內(nèi)客室區(qū)域的車體板件根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征可以分為地板、側(cè)墻、頂板等主要部分，如圖2所示。

進行低噪聲設(shè)計應(yīng)當(dāng)首先關(guān)注車體結(jié)構(gòu)的隔聲設(shè)計。通過隔聲設(shè)計，可以解決大多數(shù)車內(nèi)的中高頻噪聲問題。從另一個角度來說，要研究動車組列車車內(nèi)中低頻噪聲問題(此問題大多數(shù)源于結(jié)構(gòu)傳聲)，以及提出相關(guān)的結(jié)構(gòu)傳聲控制措施，需要以車體板件結(jié)構(gòu)隔聲性能得到保障為前提。實際上，除了圖2中標(biāo)注的側(cè)墻、地板和頂板結(jié)構(gòu)之外，車窗、車門、風(fēng)擋等部件的隔聲，以及密封性能對車內(nèi)噪聲也至關(guān)重要。但是，因為這些都是組裝部件，其聲學(xué)設(shè)計過程和車體結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，所以本文未有涉及。

表1 250 km/h城際動車組列車聲學(xué)設(shè)計參考標(biāo)準(zhǔn)

圖2 250 km/h城際動車組列車車內(nèi)客室截面圖

對于部件的聲學(xué)優(yōu)化建議，從聲學(xué)仿真分析和聲學(xué)試驗研究兩個方面展開。首先通過聲學(xué)仿真分析，研究原始型材結(jié)構(gòu)的隔聲性能，探明其隔聲薄弱頻段，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案(如敷設(shè)阻尼層等)；將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)帶入仿真分析模型再次計算，最終獲得最優(yōu)化的組合型材方案。除此之外，需要對通過仿真計算獲得的最優(yōu)化組合型材方案進行聲學(xué)測試，對優(yōu)化效果進行評估。

3.2 車體聲學(xué)仿真分析

250 km/h城際動車組車輛鋁型材結(jié)構(gòu)是在薄板結(jié)構(gòu)上增加類似于梁單元的加強筋，加強筋相比于薄板結(jié)構(gòu)硬度更高。在外部、內(nèi)部或者聲學(xué)載荷的激勵下，加筋板的動態(tài)響應(yīng)既包含了短波又包含了長波，因此，選用確定性方法，或者單獨采用統(tǒng)計能量法都是不適合的。目前，主要采用FE-SEA混合法對車體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的隔聲和振動聲輻射特性進行計算。該方法將系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分解為確定性子系統(tǒng)和非確定性子系統(tǒng)，對于確定性子系統(tǒng)，用有限元法或邊界元法這種確定性方法進行描述；對于非確定性子系統(tǒng)，用統(tǒng)計能量法進行描述。結(jié)合子系統(tǒng)間振動波的傳遞與反射，通過振動能量互換原理，分析各個子系統(tǒng)之間的相互動態(tài)影響。

需要根據(jù)各個板件結(jié)構(gòu)的幾何外形，建立FE-SEA混合法分析模型，如圖3所示。

a) 隔聲量計算模型

b) 振動聲輻射計算模型

對于隔聲量計算，考慮將板件結(jié)構(gòu)與2個半無限流體子系統(tǒng)相連接。半無限流體子系統(tǒng)的介質(zhì)定義為空氣，相當(dāng)于板件結(jié)構(gòu)兩側(cè)均為空氣層。下表面一側(cè)與混響聲源相連接，相當(dāng)于在下表面外側(cè)施加了混響聲源。通過計算上、下表面外側(cè)的聲功率，進而得到板件結(jié)構(gòu)的隔聲量(如圖3 a)所示)。

對于振動聲輻射計算，考慮將板件結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)與1個半無限流體子系統(tǒng)相連接。半無限流體子系統(tǒng)的介質(zhì)定義為空氣，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)為空氣層。下表面一側(cè)與單位力相連接，相當(dāng)于在下表面外側(cè)施加了單位力。內(nèi)側(cè)表面的聲功率即為單位力激勵下的板件輻射的聲功率(如圖3 b)所示)。

3.3 車體聲學(xué)試驗研究

在聲學(xué)實驗室中進行部件的聲學(xué)試驗研究，主要包括部件隔聲性能和振動聲輻射特性測試。

圖4為部件隔聲特性測試現(xiàn)場示意圖。對發(fā)聲室和受聲室均采用無指向聲源激勵，6個傳聲器無規(guī)則布置于室內(nèi)，與墻壁、聲源的距離以及傳聲器之間的距離滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19889.3—2005要求。

a) 受聲室

b) 發(fā)聲室

車體樣件振動及聲輻射測試基于聲強法，在混響室-半消聲室中進行。將試件安裝于如圖5所示的混響室-半消聲室的洞口。鋁型材兩側(cè)分別朝向混響室和半消聲室。在混響室內(nèi)使用白噪聲激勵鋁型材，在半消聲室內(nèi)使用聲強探頭來掃描鋁型材上的各個離散點。

最后，將鋁型材表面劃分成網(wǎng)格，按S型路線對每個網(wǎng)格進行測試。通過積分得到輻射聲功率；測試所得的各組加速度數(shù)值的平均值，即為表面平均振動加速度。最后，分別將輻射聲功率和振動加速度對激振力進行歸一化處理，得到單位力激勵下的鋁型材輻射聲功率和振動加速度。

3.4 鋁型材最佳組合方式

按照本文3.1節(jié)的分析流程，通過部件聲學(xué)仿真優(yōu)化分析和部件聲學(xué)試驗校核，最終得到各個車體板件結(jié)構(gòu)的最佳組合方式，結(jié)果如表2所示，其中，Rw為計權(quán)隔聲量。

表2 鋁型材最佳組合方式

a) 激振點

b) 拾振點及聲強測點

4 設(shè)備聲學(xué)控制規(guī)范

對于250 km/h城際動車組列車，其聲源主要為輪軌噪聲、氣動噪聲和輔助設(shè)備噪聲。輪軌噪聲主要取決于輪軌表面的粗糙度水平。在列車整個運營壽命周期內(nèi)，隨著車輛的運營里程以及運行線路的變化，輪軌噪聲均會發(fā)生變化，應(yīng)當(dāng)重點監(jiān)控。但是在設(shè)計階段難以對輪軌噪聲進行把控。氣動噪聲主要和車輛外形流線設(shè)計(外形、外部突出物和凹陷部位)密切相關(guān)，在本文中不做過多討論。而對于輔助設(shè)備噪聲，則需要在設(shè)計階段進行重點考慮。車輛制造完成之前，在設(shè)備沒有安裝在車體上的情況下，需對設(shè)備所需的聲學(xué)特性進行檢測確認。在低速擋和高速擋兩個速度等級下，上述各個輔助設(shè)備輻射噪聲聲功率在中心頻率處的限定值見表3。

5 整車聲學(xué)仿真優(yōu)化

依據(jù)部件聲學(xué)優(yōu)化結(jié)果，對250 km/h城際動車組整車噪聲仿真預(yù)測模型的激勵源和傳聲參數(shù)進行修正，使用修正后的參數(shù)進行噪聲預(yù)測。為此需要建立整車車內(nèi)噪聲仿真預(yù)測模型。為了適應(yīng)工程需要，采用統(tǒng)計能量分析(SEA)方法對整車進行聲學(xué)仿真優(yōu)化。SEA方法在很大程度上可以和傳統(tǒng)數(shù)值方法形成互補。

基于SEA方法，以VA One軟件為仿真計算平臺，建立250 km/h城際動車組列車車內(nèi)噪聲仿真模型，對車內(nèi)噪聲水平進行預(yù)測分析。車內(nèi)聲學(xué)預(yù)測模型的車輛整體模型、車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)如圖6所示。

按照圖6計算模型，依據(jù)部件聲學(xué)優(yōu)化結(jié)果，對250 km/h城際動車組整車噪聲仿真預(yù)測模型的激勵源和傳聲參數(shù)進行修正，使用修正后的參數(shù)進行噪聲預(yù)測。列車以250 km/h運行時，頭車車內(nèi)噪聲聲壓級分布特性如圖7所示。頭車車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點的噪聲值見表4。

表3 設(shè)備輻射噪聲聲功率在各中心頻率處的限定值

a) 整體模型(含激勵源)

b) 車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)

c) 車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)

表4 車內(nèi)運行噪聲預(yù)測結(jié)果 dB(A)

由圖7可見，動車組列車以250 km/h運行時，頭車車內(nèi)噪聲基本在63～71 dBA之間。從表4可看出，車內(nèi)運行噪聲均符合限值要求。

圖7 列車頭車車內(nèi)噪聲運行噪聲分布特性

動車組列車以250 km/h運行時，司機室、觀光區(qū)、客室前和客室后車內(nèi)噪聲頻譜如圖8所示。由圖8可見，頭車車內(nèi)噪聲顯著頻帶為中心頻率50～1 000 Hz的1/3倍頻帶。

圖8 250 km/h運行時頭車車內(nèi)噪聲頻譜

6 線路試驗及關(guān)鍵減振降噪技術(shù)

6.1 整車聲學(xué)線路試驗研究

為了對250 km/h城際動車組列車車內(nèi)低噪聲設(shè)計的實際效果進行評估，需要開展整車聲學(xué)線路試驗研究。同時，為了研究新造車輛的聲學(xué)運行服役性能，需要對車輛噪聲特性進行跟蹤測試，并結(jié)合車輛磨耗測試結(jié)果共同分析。同時，調(diào)查軌道類型、隧道情況、運行速度等因素對車內(nèi)噪聲的影響也是十分必要的。

圖9為整車聲學(xué)線路試驗的測點布置示意圖。頭車布置3個聲學(xué)傳感器，分別布置在司機室(S1)、VIP車廂(S2)和客室后端(S3)；中間車布置3個聲學(xué)傳感器，分別布置在客室前端(S4)、客室中部(S5)和客室后端(S6)。所有聲學(xué)傳感器均距離地面1.2 m高。同時，在各個聲學(xué)測點的斷面，還需要布置振動加速度傳感器，每個斷面布置3個振動加速度傳感器，分別位于地板垂向、側(cè)墻法向和頂板垂向。

圖9 聲學(xué)測點布置示意圖

6.2 減振降噪關(guān)鍵技術(shù)

列車在運營過程中，有時會存在部分車輛突發(fā)異常噪聲問題，這類問題往往沒有固定特點和規(guī)律，具有突發(fā)性和隨機性。因此，應(yīng)對此類異響問題，需要積累減振降噪關(guān)鍵技術(shù)。如噪聲貢獻量分離技術(shù)、聲源識別技術(shù)、主動降噪技術(shù)等。本文僅以聲源識別技術(shù)為例，分析其在車輛減振降噪中的應(yīng)用。

如何有效識別車內(nèi)異常噪聲，獲得車內(nèi)異常噪聲形成機理，進而提出切實有效的改善措施是保障高速列車穩(wěn)定運行的關(guān)鍵性問題。因此，聲源識別技術(shù)應(yīng)運而生。本文研究主要運用的是B & K公司研發(fā)的剛性球形陣列系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括50個傳聲器通道和12個攝像頭，如圖10所示。

通過聲源識別技術(shù)進行分析，可以有效地識別出車內(nèi)噪聲顯著頻段的噪聲源位置，為減振降噪措施的實施提供重要參考。圖11為客室后端聲源識別結(jié)果。由圖11可知，通過聲源識別分析，能夠準(zhǔn)確將客室后端聲源定位于風(fēng)擋區(qū)域。因此，在進行降噪控制的時候，對于客室后端區(qū)域應(yīng)當(dāng)重點考慮風(fēng)擋和內(nèi)端門的隔聲性能。

圖10 球形陣列系統(tǒng)現(xiàn)場照片

圖11 聲源識別測試結(jié)果

7 結(jié)論

針對我國250 km/h城際動車組列車車內(nèi)噪聲控制問題，開展車內(nèi)低噪聲設(shè)計技術(shù)研究等方面工作，主要取得如下成果：

(1) 依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，明確新造250 km/h城際動車組列車的聲學(xué)設(shè)計目標(biāo)，探明減振降噪的關(guān)鍵區(qū)域。

(2) 建立車內(nèi)噪聲仿真預(yù)測模型，以車內(nèi)噪聲限值為目標(biāo)，通過多元參數(shù)優(yōu)化，制定各個路徑部件的聲學(xué)指標(biāo)。

(3) 依據(jù)相關(guān)部件的聲學(xué)指標(biāo)，建立各個關(guān)鍵部件的仿真預(yù)測模型，對部件進行低噪聲設(shè)計。并以部件聲學(xué)仿真分析結(jié)果為基礎(chǔ)，按照優(yōu)化設(shè)計方案制造樣件。在聲學(xué)實驗室對優(yōu)化后部件的聲振特性進行測試，評估其優(yōu)化效果。

(4) 依據(jù)部件聲學(xué)優(yōu)化結(jié)果，對250 km/h城際動車組整車噪聲仿真預(yù)測模型的激勵源和傳聲參數(shù)進行修正，使用修正后的參數(shù)預(yù)測整車的運行噪聲特性。

(5) 開展新造250 km/h城際動車組列車的整車聲學(xué)線路試驗，評價其噪聲水平，掌握聲振傳遞特性，探明振動噪聲變化規(guī)律。同時，通過減振降噪關(guān)鍵技術(shù)已解決運營過程中的車內(nèi)異常噪聲問題。