地鐵列車不同地板隔聲方案降噪效果研究

引言

隨著我國(guó)城市軌道交通技術(shù)的不斷發(fā)展,地鐵運(yùn)輸由于其具有快速、準(zhǔn)點(diǎn)、安全等特點(diǎn),已經(jīng)逐漸成為城鎮(zhèn)居民日常出行的首選。但地鐵車輛在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生噪聲,導(dǎo)致乘客的乘坐舒適性變差。在地鐵車輛設(shè)計(jì)與研發(fā)的過(guò)程中,需要提高車輛的隔聲性能以達(dá)到降低客室內(nèi)噪聲的目的。因此,車體結(jié)構(gòu)隔聲性能已經(jīng)逐漸成為影響城市軌道交通可靠商業(yè)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素,關(guān)于車輛隔聲特性的研究成為軌道交通技術(shù)研究的一個(gè)重要分支。

近年來(lái),車輛隔聲問(wèn)題在我國(guó)得到了廣泛關(guān)注。張捷等人通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲取車體地板鋁型材板件結(jié)構(gòu)的隔聲特性、阻尼損耗因子和模態(tài)密度等:然后結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,建立車體地板鋁型材板件結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)模型,從而提出了一種使用單層板對(duì)鋁型材的聲振特性預(yù)測(cè)進(jìn)行等效建模的方法,適用于中高頻范圍。

本文針對(duì)我國(guó)某型地鐵車輛建立了車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型,分析比較了不同地板隔聲優(yōu)化方案的降噪效果。

1地板隔聲方案介紹

針對(duì)某型地鐵列車車體地板結(jié)構(gòu),在其原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過(guò)在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部敷設(shè)三聚氰胺板和陶瓷纖維棉等減振降噪材料,提高其降噪性能。

具體對(duì)比方案如表1所示。

如表1所示,在原有的"70mm鋁型材地板+3mm地板布+18mm鋁蜂窩內(nèi)地板"的基礎(chǔ)上,敷設(shè)三聚氰胺板和陶瓷纖維棉等阻尼材料,進(jìn)行降噪處理。具體方案如下:

方案一:在鋁型材表面敷設(shè)19mm的三聚氰胺板,敷設(shè)后地板總厚度為110.0mm,總質(zhì)量為46.2kg。

方案二:在鋁型材表面敷設(shè)4mm的陶瓷纖維棉,并在四角用木塊支撐,其空氣層厚度為15mm,敷設(shè)后地板總厚度為110.0mm,總質(zhì)量為46.8kg。

方案三:在鋁型材表面敷設(shè)4mm的陶瓷纖維棉和15mm的三聚氰胺板,敷設(shè)后地板總厚度為110.0mm,總質(zhì)量為47.0kg。

方案四:在鋁型材表面敷設(shè)兩層4mm的陶瓷纖維棉,中間用木塊支撐,其空氣層厚度為11mm,敷設(shè)后地板總厚度為110.0mm,總質(zhì)量為47.6kg。

對(duì)上述四種組合降噪方案下地板鋁型材的隔聲量進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知,上述四種組合降噪方案中,方案三的降噪效果最顯著,計(jì)權(quán)隔聲量為47.1dB。從頻率隔聲曲線可見,方案三提高的頻率區(qū)段主要在400~1250Hz。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得方案三降噪組合結(jié)構(gòu)的隔聲效果最顯著,故采用此種組合方案進(jìn)行車內(nèi)降噪分析。因此,建立車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型,以方案三的隔聲量曲線為輸入,分析方案三的降噪效果。

2計(jì)算模型

下面基于統(tǒng)計(jì)能量分析,以VA0ne軟件為仿真計(jì)算平臺(tái),建立某型地鐵車輛車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)分析模型,對(duì)車內(nèi)噪聲水平進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,并研究地鐵列車聲源大小及隔聲性能對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。

2.1統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA法)概述

統(tǒng)計(jì)能量分析以梁、桿、板、殼、柱等子結(jié)構(gòu)為建?；A(chǔ),搭建復(fù)雜系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲耦合動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型。子系統(tǒng)之間的能量平衡方程如下:

式中:[L]為包含內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子的系統(tǒng)能量損耗矩陣:[E]為子系統(tǒng)能量矩陣:[P]為系統(tǒng)輸入功率矩陣。

能量定義式如下:

式中:M為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的質(zhì)量:<w3>為時(shí)間平均和空間平均的均方振動(dòng)速度:M<w3>為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的能量:v為聲學(xué)子系統(tǒng)的體積:<p3>為時(shí)間平均和空間平均的均方聲壓:p為介質(zhì)密度:c為聲音在介質(zhì)中的傳播速度:v<p3>/(pc3)為聲場(chǎng)子系統(tǒng)的能量。

通過(guò)理論計(jì)算或試驗(yàn)測(cè)試可以獲取系統(tǒng)的模態(tài)密

度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子、輸入功率等,基于這些參數(shù)和輸入功率,可以求出目標(biāo)子系統(tǒng)的平均能量水平,從而進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為所需振動(dòng)級(jí)、聲壓級(jí)、應(yīng)力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

2.2SSE模型

下面以VAone軟件為仿真計(jì)算平臺(tái),建立某地鐵車輛車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)分析模型。

圖2給出了sEA車內(nèi)聲學(xué)預(yù)測(cè)模型,其中圖2(a)為車輛整體模型,圖2(b)為車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)示意圖,圖2(c)為車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)示意圖,車內(nèi)聲腔編號(hào)由車頭方向往車尾方向依次遞減,圖2(d)為載荷分布。

3地板隔聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響

車外主要聲源為輪軌噪聲和地板下輔助設(shè)備噪聲,所以地板隔聲對(duì)于車內(nèi)噪聲有重要影響。

下面基于上文建立的車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型,通過(guò)改變地板隔聲量大小來(lái)研究其對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。圖3給出了地板結(jié)構(gòu)隔聲量在-5~5dB(A)范圍波動(dòng)時(shí)車內(nèi)噪聲水平的變化情況,列車以80km/h速度勻速運(yùn)行。

由圖3可知,當(dāng)?shù)匕甯袈暳吭龃?dB(A)時(shí),司機(jī)室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲均減小0.5dB(A):

隨著地板隔聲量的減小,車內(nèi)噪聲值逐漸增加,當(dāng)?shù)匕甯袈暳繙p小5dB(A)時(shí),司機(jī)室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲分別增加1.3dB(A)、1.4dB(A)、1.5dB(A)和1.5dB(A)。

4地板優(yōu)化方案降噪效果評(píng)價(jià)

將方案三地板組合結(jié)構(gòu)的隔聲量測(cè)試結(jié)果輸入計(jì)算模型,對(duì)其降噪效果進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)為靜置狀態(tài)下車內(nèi)各個(gè)位置的降噪效果,圖4(b)為以80km/h速度勻速運(yùn)行狀態(tài)下車內(nèi)各個(gè)位置的降噪效果。

由圖4可知,地板優(yōu)化前后對(duì)于車內(nèi)靜置噪聲幾乎沒有影響:對(duì)于80km/h勻速運(yùn)行車內(nèi)噪聲也僅降低了0.4dB(A)左右,影響較小。分析原因可能和車體除地板外的其他某些板件結(jié)構(gòu)隔聲性能較差有關(guān),即出現(xiàn)了"短板效應(yīng)",導(dǎo)致即使地板隔聲性能得到優(yōu)化,但對(duì)于列車內(nèi)部降噪效果并不明顯。

5結(jié)論

本文以我國(guó)某型地鐵車輛地板型材結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,通過(guò)建立車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型,分析比較了不同地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的降噪效果,得到以下結(jié)論:

（1）由室內(nèi)板件隔聲特性測(cè)試結(jié)果可知,"70mm鋁型材地板＋+mm地板布＋13mm鋁蜂窩內(nèi)地板＋18mm三聚氰胺板＋5mm陶瓷纖維棉"地板組合的隔聲特性最佳。

（2）當(dāng)?shù)匕甯袈暳吭龃?2d(A)時(shí),司機(jī)室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲均減小0.82d(A):隨著地板隔聲量的減小,車內(nèi)噪聲值逐漸增加,當(dāng)?shù)匕甯袈暳繙p小82d(A)時(shí),司機(jī)室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲分別增加1.+2d(A)、1.52d(A)、1.82d(A)和1.82d(A)。

（3）地板優(yōu)化前后對(duì)于車內(nèi)靜置噪聲貢獻(xiàn)效果不明顯,對(duì)于30km/h勻速運(yùn)行車內(nèi)噪聲僅降低了0.52d(A)左右。