高速列车车间连接处车内噪声特性研究

王金田,孙 强,郭伟强,汤晏宁

（长春轨道客车股份有限公司，长春130062）

高速列车车间连接处车内噪声特性研究

王金田,孙 强,郭伟强,汤晏宁

（长春轨道客车股份有限公司，长春130062）

参考ISO 3381-2005标准，对运营中速度等级为300 km/h的某型高速列车进行车间连接处车内噪声测试，给出了车间连接处车内噪声的频谱特性及其空间分布规律。进而，基于球谐函数声场分解和重构的球形阵列声源识别原理，采用球形阵列声源识别系统，对车间连接处车内噪声进行声源识别，明确了车间连接处车内噪声的源强和分布特性。最后，参考TB 3094-2004标准，对典型的车间连接风挡结构进行隔声特性测试。综合上述测试结果，对车间连接处噪声的产生机理进行了综合的分析。结果表明，现有高速列车风挡结构不单有隔声不足的问题，还存在较显著的结构振动声辐射，对风挡结构的优化设计需同时考虑上述两大因素。

声学；高速列车；车内噪声；车间连接；声源识别；隔声；风挡

我国高速铁路运输迅猛发展，随着列车速度的提高，铁路噪声问题变得日益突出。高强度且持续不断的噪声会给人的身心健康带来严重影响。它会影响旅客的乘车舒适度，影响司乘人员的生理和心理健康，导致司机的过度疲劳和烦躁情绪，进而可能会对行车安全构成潜在威胁[1]。自2008年京津城际高速铁路开通运营，武广、郑西、京沪和哈大等多条设计时速350 km/h等级的高速铁路依次投入运营。期间，不断有司乘人员和旅客对高速列车车间连接处车内噪声进行投诉反映，主观感觉该处车内噪声非常显著，严重影响了乘坐舒适性。尤其是在高寒地区冬季运行情况下。

国内外针对高速列车车内噪声开展了不少研究，但对车间连接处车内噪声的研究，目前较少[1—6]。法国Fredmion[7]对车间连接处车厢外噪声特性进行了测试分析，对其噪声机理进行了阐述；日本Masahiko[8]针对新干线FASTTECH 360 Z高速列车的减振降噪措施方案及相关技术进行了介绍，尤其是车间连接处外风挡结构的声学优化；韩国Noh等[9]基于KTX高速列车，测试分析了车间连接处车厢内外噪声，研究了外风挡结构对该处车内噪声的降噪效果。由此可见，现有研究对高速列车车间连接处车内噪声问题的研究还处于初级阶段，对其特性、机理和降噪措施的深入研究丞待开展。

本文将以某型300 km/h速度等级高速列车为研究对象，首先测试分析其车内噪声的空间分布规律和频谱特性。然后，采用球形声源识别系统，基于球谐函数声场分解和重构的球形阵列声源识别原理，对车间连接处车内噪声进行声源识别，确定车间连接处车内噪声的源强和分布特性。进而，在声学实验室内对车间连接风挡结构进行隔声测试，确定其频谱隔声特性。最后，综合三方面测试分析结果，对其车内噪声机理进行分析，给出相应降噪方案建议。

1 测试方案

为了解高速列车车间连接处车内噪声特性，选定某型300 km/h速度等级高速列车，在运行情况下开展系列的车内噪声和声源识别试验，列车运行速度300 km/h。同时，在声学实验室内对改型列车车间连接结构进行隔声测试。

1.1 车内噪声测试

车内噪声测试参考ISO3381-2005标准，采用丹麦B&K Pulse Labshop数采分析系统，声学传感器为B&K 4190，声学校准器采用B&K 4231，采样频率为25.6 kHz。车内测点共布置10个，距车内地板1.5 m高，纵向3.0 m等间距分布，依次编号为N1—N10，车内噪声测点布置如图1所示。

1.2 车内声源识别测试

由Helmholtz方程[10]可知，若已知封闭表面的声压和质点速度，该表面声场就能唯一确定。球型阵列由多个传声器组成并固定在刚性球表面上，测得球表面声压，然后基于球谐函数声场分解和重构原理，就可得到阵列球表面的声场。由阵列上的多个广角摄像头拍摄被测空间的背景图，并采用缝补法将其组合形成完整的三维空间图片，像地球仪一样通过旋转图片得到不同的观测位置[11]。

车内声源识别采用B&K LAN-XI 3660 D数采和B&K 8606声源识别分析系统，声学阵列采用B&K 50通道球形阵列，测点位置位于高速列车车间连接处，如图1所示。

1.3 车间连接风挡结构隔声测试

车间连接风挡结构隔声测试参考铁道行业标准TB/T3094-2004，采用噪声降低量NR值来评价其隔声特性。

试验在半消声室内开展，测点分布如图2所示，在测定车间连接风挡结构内外噪声测点声压级后，通过公式（1）计算得到其噪声降低量NR值。

图2 车间连接风挡结构隔声测试图

式中NRi为车间连接结构在1—4各测点部位1/3倍频程噪声降低量；LpIi和LpOi分别为内、外测点的声压级；Ki为各测点位置的背景噪声修正值，单位为分贝（dB）。

2 测试结果分析

2.1 车内噪声特性

图3给出了冬季在高寒地区300 km/h速度下车内噪声测点的A计权声压级分布情况。

图3 车内噪声水平

由图3可见，车内噪声呈现两端大中间小的总体分布规律，车间连接处噪声是整个车内噪声中最显著的。300 km/h运行速度下，车间连接处车内噪声A声级要比客室中央处N6的高14.6 dB，要比车辆两端转向架上方车内测点N1和N9的高约2 dB。随着列车速度的进一步提高，此差值将会进一步增大。根据测试数据[12]，当列车速度从300 km/h提升为350 km/h时，该差值会进一步增大约2 dB。由此可见，车间连接处噪声在高速列车车内噪声中非常显著，约15 dBA的纵向声压级差异，会给乘客带来非常强烈的主观感受。这可很好解释和理解司乘人员和乘客关于“车内噪声在车间连接处很大”的反馈意见。

为了进一步分析车间连接处噪声的特性与形成机理，图4给出了其频谱特性。

图4 车内噪声频谱

由图4可见，300 km/h运行速度下，客室中央处N6噪声频谱具有典型的宽频特性，显著频段在640 Hz、2 000 Hz和40 Hz处。而车间连接处N10噪声频谱相对N 6要显著地大，尤其是在100 Hz以上频段，两者差值均在10 dB以上。其中，车间连接处噪声频谱的显著峰值分别位于2 000 Hz、800 Hz和200 Hz处。相对于转向架上方车内噪声测点N1，除了600 Hz附近有限几个频段，N6点的噪声频谱能量均要更大。

图5进一步给出了加速过程中车间连接处车内噪声的时频特性图。图5中，横轴为频率，竖轴为列车运行时间，声压级能量大小通过色标颜色体现，从白至黄到红然后蓝最终黑逐渐过渡，整个色标动态范围为30 dB。分析数据截取的是列车从静止到300 km/h匀加速过程，其中在200 s处，列车速度达到300 km/h匀速状态。

图5 车内噪声时频特性

由图5可见，图4中车内噪声640 Hz和800 Hz频段对应时频特性中显著的651 Hz和814 Hz窄带FFT频谱，图4中2 000 Hz频段对应时频特性中显著的1 851 Hz和2 018 Hz窄带FFT频谱。在这些频率区段，一方面可观察到较明显的与列车运行速度相关的频谱特征，说明该频率区段噪声能量的形成与车轮旋转有关。同时，它也呈现较一致的红色亮带，说明系统在此频率区段有较密集的固有模态特性或频谱能量激励。进一步结合更详细的车内噪声振动测试结果分析可知[11]，640 Hz和800 Hz频率区段车内噪声能量主要来自于转向架中高频结构声激励车体固有模态群而产生的；2 000 Hz频率区段为车轮高阶不圆激发的显著轮轨噪声通过空气传递路径对车内产生显著影响而成。

2.2 车内声源识别

图6分别给出了车间连接处车内噪声在三个最具典型频率区段2 000 Hz、1 250 Hz和800 Hz处的车内声源识别结果。测试中球形阵列实际位于图1中的N 10点位置。

由图6可见，车间连接处车内噪声在中心频率为2 000 Hz的1/3倍频程频段，声源主要位于内风挡下部区域、车门上部密封条区域和车门地板处。其中，最显著声源位于内风挡下部区域。

车间连接处车内噪声在中心频率为1 250 Hz的1/3倍频程频段，声源主要位于内风挡中部区域和上部区域。其中，最显著声源位于内风挡中部区域。

图6 车内声源识别

车间连接处车内噪声在中心频率为800 Hz的1/3倍频程频段，声源主要位于内风挡中部区域。

根据车间连接处车内声源识别结果，结合空气传声偏向高频，结构传声偏向中低频和车内噪声时频特性，可知：

（1）高速列车车间连接处车内噪声在2 000 Hz和1250 Hz主要声源机理为轮轨噪声和车厢外车间连接处气动噪声通过空气传声路径对车内形成显著贡献，同时也可观察到车内噪声时频特性具有较显著的阶次特征，说明作为列车系统关键旋转部件的车轮踏面上可能存在有高阶的车轮多边形成分；

（2）高速列车车间连接处车内噪声在800 Hz主要声源机理为来自转向架中高频结构声激励车体乃至内风挡结构，使得结构系统产生了较显著的振动响应，进而声辐射，对车内噪声形成显著贡献。

2.3 车间连接风挡结构隔声特性

根据车间连接处车内噪声频谱特性和车内声源识别分析，初步可判定风挡结构隔声性能有偏低的可能，为此对风挡结构进行隔声特性测试，并将其与地板结构隔声特性进行比较，结果如图7所示。

图7 隔声量

图7中，P1—P4分别与图2中测点布置编号相对应，分别为风挡上部、左侧、下部和右侧。灰色曲线为典型的铝型材复合地板结构的频率隔声特性曲线。

由图7可见，几乎所有频段风挡结构的隔声量均要比复合地板结构小。而且，整个风挡结构不同部位的隔声量值大小随频率波动较大。这可能跟风挡采用的双波折棚结构有关。

根据图7频率隔声曲线进一步可计算得到各点的计权隔声量[10]，分别为：40 dB、42 dB、39 dB和40 dB，从而风挡结构的平均计权隔声量为40 dB。而典型复合地板结构的计权隔声量为46 dB。

考虑到机械结构加工工艺、组装技术和高速列车系统激励特性，国外高速列车车内噪声限值在车间连接处是适当放宽的，一般该处噪声限值要比客室中央的上浮5 dB。换言之，风挡结构的隔声量可比车厢其他部位的最多可低5 dB。因此，单从计权隔声量角度，风挡结构的隔声量尽管略微不足，但基本可满足高速列车车内噪声设计原则。

但是，进一步分析风挡结构的频率隔声量，将不难发现，风挡结构在车间连接处车内噪声显著频段隔声量往往有低谷，尤其是200 Hz、800 Hz、1 250 Hz和1 600 Hz等关键频率区段。为此，从车内低噪声角度，在采购风挡结构时，建议要对其频率隔声量进行约束或规范，以免对车内形成显著的空气传声声源。另一方面，风挡设计需进一步优化其结构型式，避免显著隔声低谷的出现，尤其是在车内噪声关键的频率区段。

为了模拟风挡安装密封程度对其隔声量的影响，分别对不加密封垫、加密封垫6颗螺丝紧固和加强密封垫12颗和20颗螺丝紧固等多种风挡安装方式的风挡结构隔声量进行了测试，其相应的平均计权隔声量分别为：25 dB、33 dB、40 dB和40 dB。由此可见，风挡安装密封程度对其隔声效果有非常大的影响，而当风挡安装足够密封后，其紧固程度对隔声性能不再影响。密封垫的使用能影响到风挡15 dB的隔声量，而密封材料及紧固程度会带来约7 dB的隔声差异。此测试结果也能很好解释冬季运营情况下车间连接处在高速列车车内噪声更为凸显的原因所在。

综上分析，风挡结构声学设计，除了进一步优化其结构型式，提高其隔声性能，同时减小风挡结构在中低频的振动声辐射外，与车体结构的安装连接方式也非常重要。建议风挡的安装必须采用气密性能良好的密封垫，同时尽量采用最紧密的固定方式，尽量提高其气密性能。

3 结语

本文测试分析了高速列车车内噪声的空间分布规律和频谱特性，采用球形阵列进行了车内声源识别，分析了车间连接处车内噪声的源强和分布特性，对其声源机理也进行了阐述说明，然后对关键的风挡结构部件开展了隔声测试，得到如下结论和建议：

（1）列车以300 km/h速度等级运行时，车内噪声两端大中间小，车间连接处噪声是整个车内噪声中最显著的。其A声级要比客室中央处的高14.6 dB。随着列车速度的进一步提高，此差值将会进一步增大。当列车速度从300 km/h提升为350 km/h时，该差值会进一步增大约2 dB；

（2）车间连接处噪声频谱的显著峰值分别位于2 000 Hz、800 Hz和200 Hz频段。2 000 Hz频段声源机理为轮轨噪声和车厢外车间连接处气动噪声通过空气传声路径对车内形成显著贡献；800 Hz频段声源机理为来自转向架中高频结构声激励车体乃至内风挡结构，使得结构系统产生了较显著的振动响应，进而声辐射，对车内噪声形成显著贡献；200 Hz频段对应风挡结构隔声低谷，为空气传声；

（3）风挡结构的隔声性能相对车体其他部件偏低，差值在6 dB以上，提高风挡结构隔声性能是解决车间连接处车内噪声过大的关键措施。同时，其频率隔声量有显著低谷，优化风挡结构型式是进一步研究的关键方向；

（4）风挡安装密封程度对其隔声量的影响非常显著，建议风挡的安装必须采用气密性能良好的密封垫，同时尽量采用最紧密的固定方式，尽量提高其气密性能。

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Study on Interior Noise Characteristics of the Gangway in High-speed Trains

WANG Jin-tian,SUN Qiang,GUO Wei-qiang,TANG Yan-ning

(CNR Changchun Railway Vehicles Co.Ltd.,Changchun 130062,China)

∶According to the standard ISO 3381-2005,the interior noise of the gangway in a certain type of high-speed trains at 300 km/h speed level is tested.The spectral characteristics and the spatial distribution of the interior noise are obtained.Furthermore,based on the theory of spherical harmonic decomposition and reconstruction,a spherical array sound source recognition system is employed to recognize the sound sources of the interior noise at the gangway.Then the intensity and distribution characteristics of the interior noise are obtained.Finally,according to the standard TB 3094-2004,the sound insulation characteristic of the windshield structure of a typical gangway is tested.According to the test results,the mechanism of the interior noise of the gangway is analyzed comprehensively.It is shown that the existing windshield structures have not only the deficiencies in sound insulation,but also the significant noise radiation due to the structural vibration.So, the two shortcomings should be considered in design and optimization of the windshield structures.

∶acoustics;high-speed train;interior noise;gangway;sound source identification;sound insulation; windshield

U238；U270.1+.6；< class="emphasis_bold">文献标识码：ADOI编码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.022

1006-1355(2014)06-0097-05

2014-09-15

国家863计划资助(2011AA11A103-2-1)

王金田(1965-)，男，吉林长春人，副总工程师，目前从事轨道交通车辆研究开发工作。

E-mail∶wangjintian@cccar.com.cn