城市轨道交通车辆空调系统噪声试验研究

王翠艳 张耕宁 曹学峰 李 彦

(石家庄铁道大学,050043,石家庄∥第一作者,助教)

城市轨道交通车辆运行时处于全封闭状态,空调系统成为其必不可少的组成部分。然而,空调系统在提供“冬暖夏凉”舒适环境的同时,其噪声问题却未能得到较好解决。如何有效地控制空调系统辐射噪声,需依赖于对噪声源的准确评定与识别,并在此基础上进行优化设计,才能把噪声污染限制在可允许的范围内。常用的噪声评价指标有声压、声强和声功率。声压或声强表示的是声场小振幅的点强度,对于非平面波一般声场,其随测点至声源距离的增加而减小;声功率表示声源辐射的总强度,它与测量距离及测点的具体位置无关,已成为机械噪声源噪声辐射强度评定的一个重要指标。一直以来,轨道交通车辆空调系统噪声辐射声功率级的测定多运用声压测量法。但该方法易受环境的影响而要进行数值修正,甚至需要消声室、半消声室或混响室等特殊的声学环境,可操作性较差。声强测量法因其对测试环境要求较低,可进行现场测试,已成为轨道交通空调噪声辐射声功率级评定中最有效的手段之一。本文采用的声强测量法的基本原理见文献[1]。

1 机车空调噪声试验与分析

1.1 试验设定

本试验采用德国MuellerBBM-Type PAK便携式振动与噪声测试系统声强测试模块。测试系统的主要部件有Gefell-Type SIS91声强仪(配有12 mm话筒间隔装置)、NL-22声级计、MKII多通道数据采集仪、计算机等设备。在进行测试之前,用CASELLA-Type CEL110/194 dB at 1 kHz声级校准器对整个测量系统进行校准。

为得到较为真实、可靠的试验结果,试验选在厂房外露天空旷场地(近似于自由场)中进行。试验场温度t0=26℃,静压P0=105Pa,风速小于2 m/s,背景噪声为43.8 dB(A)。

试验时,将被测的空调机组作为声源,安装在固定试验架上。这里仅考虑一个地面反射面,假设它被一个矩形包络面s所包围,位置如图1所示。测试以标定工况下(冷凝风机2个风机速度,压缩机全负荷工作,送风机1个风机速度)空调机组整机表面辐射噪声的测试为主。在测试期间,测试环境及空调机组工况均稳定在相应状态保持不变。

图1 矩形包络面面元的位置描述

1.2 试验与结果分析

1.2.1 声压法测定

声压法测定声功率级的现场测量是简易测量,仅测量噪声源的A计权声功率级。按图1所示在平行六面体的5个测量表面选取17个测点(测点分布见图2)。各测点距被测空调表面1 m。其中测点1～8在距地面高度为1 000 mm的平面上;测点9～16在距地面高度为2 000 mm的平面上;测点17在空调机组中心正上方,距机组表面1 m处。测试结果见表1。

图2 测量点布置图

表1 各测点声压级测试结果

对于噪声测试结果的修正,由于空调机组辐射噪声与平均背景噪声相差15 dB(A)以上,故K1(背景噪声修正)取0;因在厂房外露天测试,10 m内无大的反射物,故K2(环境修正)也取0。因此,该空调机组整机噪声声压级为76.3 dB(A),计算可得声功率级为93.9 dB(A)。

1.2.2 声强法测定

本试验依据国际标准ISO 9614—2扫描部分要求,如图1所示,将被测空调机组用一个长×宽×高=3 000 mm×1 750 mm×1 000 mm的假想矩形包络面包围。试验人员手持声强探头,身体尽量离开探头轴线位置,按规定路线连续移动声强探头,沿初始测量表面依次扫描记录空调机组包络面上5个侧面及其它进/出风口处的声强信号;每次测量时间为30 s,并以连续两次扫描平均值作为测试结果。试验完毕,将记录的信号进行分析处理,得到每个测量面元每个频带的局部声功率;进一步计算可得到每个频带的噪声源声功率总量值,如表2所示。

表2 各个侧面及整机的声功率测试结果

为便于分析,利用PAK 5.4声强分析软件做出了空调机组的A计权声功率1/3倍频谱图(见图3、图4)。由此得出整个机组和各风口辐射噪声的主要频率成分,有利于噪声的控制。

图3 整个机组的声功率1/3倍频程频谱分析

图4 其它进/出风口的声功率1/3倍频程频谱分析

从图3可以看出,整个空调机组噪声稳定,分布面宽;当频率在250 Hz时声功率级值较大,存在尖峰,试验结果为88.5 dB(A);频率在1 kHz时声功率级也较大,试验结果为87.8 dB(A)。这主要是受风机噪声影响,其次是空调机组罩壳受激振动辐射以及机座振动引起的机械噪声的影响;另外,空调机组的运转工况对噪声辐射也存在一定的影响。

从图4可以看出,送风口、回风口、新风口辐射噪声主要以中高频为主,送风口声功率级最高达78.2 dB(A),比其它两个风口平均要大16 dB(A)。这主要是受由空气动力性、机械和管路等噪声组成的制冷机组噪声的影响。空气动力性噪声主要由冷凝风机引起,包括进气噪声、排气噪声和风叶噪声;机械噪声是由压缩机缸体及曲轴的高速往复运动引起的;管道噪声则是由制冷机组的制冷液在管道内流动引起的,为脉动噪声。

2 结语

本文利用声压法、声强法对城市轨道交通车辆空调机组噪声辐射情况进行了试验研究,验证了在机械噪声源的声学特性参数声功率测定中声强法具有更好的可操作性与可靠性,得到了空调系统噪声辐射声功率的大小及其频率特性,分析了影响空调系统噪声的主要因素。然而,噪声问题是一个比较复杂的问题,我国对于轨道交通车辆空调噪声的研究及防治尚处于初级阶段,有待于不断加以研究和改进。

[1] 王孚懋,任勇生,韩宝坤.机械振动与噪声分析基础[M].北京：国防工业出版社,2006.

[2] 黄璞,蒋伟康.声强法在磁悬浮列车车厢声源识别中的应用[J].铁道工程学报,2005(5)：5.

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