100%低地板列车车内声源识别试验研究

张 捷，肖新标，张春岩，韩光旭，李志辉，金学松

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都610031；2.西南交通大学 力学与工程学院，成都610031）

100%低地板列车车内声源识别试验研究

张 捷1，肖新标1，张春岩2，韩光旭1，李志辉1，金学松1

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都610031；2.西南交通大学 力学与工程学院，成都610031）

100%低地板列车是一种新型绿色环保的城市区域交通运输车辆。针对其特殊的车体结构，提出了更高的车内噪声控制要求。通过线路噪声试验，和100%低地板列车车内声源特性的系统测试，定性分析了车内显著声源的传递路径，在此基础上提出车内减振降噪建议措施。试验结果表明，100%低地板列车车内各个测点的声源能量主要集中在中心频率400 Hz～1 250 Hz的1/3倍频带，声源位置主要位于地板、顶板以及风挡区域。车内最显著频带声源的传递路径以空气传声为主。控制车辆外部空气声源，提高车体结构的密封、隔声性能是降低车内噪声的可行方法。研究结果可为100%低地板列车车内减振降噪提供参考。

声学；100%低地板；车内噪声；声源识别；空气传声；结构传声

100%低地板列车采用独立车轮转向架，车厢地板距离轨道面的垂直高度可以降低到350 mm左右。其轨道可直接在现有马路上铺设，列车在地面上停靠，而无需设置高站台。这不仅节约了车辆运行系统的建设成本，同时也更方便“老弱病残孕幼”等特殊群体的登乘。由100%低地板列车构建的城轨运载系统，其载客量、运行稳定性均要高于公共汽车，且兼具城市观光功能。因此，100%低地板列车作为一种新型绿色环保的城市区域交通运输型式，正受到越来越多的关注和欢迎。和传统的城市轨道车辆[1，2]相比，100%低地板列车由于其低地板结构使得轮轨噪声源离车内受声点的距离更近，且更为轻量化的车体结构以及大面积的玻璃窗使得车体隔声量相对较低，这些都对车内噪声控制提出了更高的要求。测试研究100%低地板列车车内声源特性，对其车内噪声的有效控制具有重要意义。

本文基于球谐函数声场分解和重构方法，使用球形阵列对100%低地板列车进行车内声源识别[3-5]，得到车内声源的频谱特性和分布特性。结合内装板件的振动加速度测试结果，定性分析车内声源的传递路径。在此基础上提出100%低地板列车车内减振降噪建议措施。

1 车内声源识别试验

100%低地板列车车内噪声线路试验方法依据GB 14892-2006[6]，同时参考GB/T 3449-2011[7]和ISO 3381:2005[8]相关标准规定进行。

试验车辆为4编组，采用3动1拖的编组形式，其中3车为拖车，其他车厢为动车。列车每节车厢长10 m左右，独立车轮转向架位于每节车厢的中部，辅助设备位于车厢的顶部。图1给出了列车车内声源识别测点布置示意图。测试车厢为拖车，试验速度80 km/h。其中，“”表示车内声源识别测点，“■”表示车内横断面内装板件振动加速度测点。

图1 车内声源识别测点

如图1所示，车内声源识别测点包括客室前端、客室中部和客室后端三个位置；车内横断面内装板件振动加速度测点包括客室前端和客室中部两个横断面，每个横断面分别包括地板、侧墙、边顶板和顶板等四个位置的垂向测点。

试验数据采集使用丹麦B&K的球形阵列声源识别系统，包括50 CH球形阵列、3660 D LAN-XI数采前端、4508加速度计以及笔记本电脑组成。测试前，使用B&K 4228声级校准器对球形阵列进行声学校准。

2 车内声源特性分析

为了对车内噪声采取有效的控制措施，首先需要了解车内声源的频谱特性和分布特性，进而分析车内主要噪声源的传递路径，然后针对不同传递路径的声源制定相应的减振降噪方案。

2.1 车内声源频谱特性

100%低地板列车车内噪声源复杂，通过车内声源识别可以明确车内关键位置的声源频率作用范围及其贡献程度。

图2给出了列车以80 km/h速度运行时，车内不同测点的声源频谱特性。

图2 车内噪声源频谱

由图2可见，当列车以80 km/h速度运行时，车内客室前端的声源频带声压级明显高于客室中部和客室后端，特别是在中心频率315 Hz以上的1/3倍频带。而在中心频带160 Hz～250 Hz的1/3倍频带，客室前端和客室后端的声源频带声压级均显著高于客室中部。因此，车内不同测点的声源频谱特性存在一定差异。这和车内测点的位置分布以及内装结构特性都有一定关系。但是车内各个测点的声源主要能量基本都集中在中心频率400 Hz～1 250 Hz的1/3倍频带。这说明这些测点所受到的声振激励具有一定的相似性。

100%低地板列车车内客室前端以中心频率800 Hz的1/3倍频带声源能量最为显著，客室中部和客室后端则以中心频率1 000 Hz的1/3倍频带声源能量最为显著。这些频带的声源对车内噪声贡献起到关键作用，是车内噪声控制需要优先和重点关注的声源类型。因此，这里需要进一步确定声源显著频带的分布特性。

2.2 车内声源分布特性

由Helmholtz方程[9]可知，当已知封闭表面的声压和质点速度就能唯一确定该表面声场。利用这已知封闭表面声场计算其内部或外围空间声场，只要在这些重构的空间声场中没有任何声源和障碍物，就能得到该空间声场的精确解。为了实现空间声场的重构，就必须得到封闭表面的声压和质点速度。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，从而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。

图3—图5依次给出了100%低地板列车车内客室前端、客室中部和客室后端的声源分布特性，包括全频段的声源识别结果，以及相应的各个最显著频带（客室前端为800 Hz，客室中部和客室后端为1 000 Hz）的声源识别结果。声压云图的动态范围为3 dB(A)。

由图3可见，车内客室前端声源主要来自于风挡区域。其中最显著频带，即中心频率800 Hz的1/3倍频带，其声源位置主要位于风挡左侧连接处，以及顶板和地板等区域。

由图4可见，车内客室中部声源主要来自于地板区域和客室前端。其中最显著频带，即中心频率1 000 Hz的1/3倍频带，其声源位置主要位于地板区域和客室前端。

由图5可见，车内客室后端声源主要来自于风挡区域。其中最显著频带，即中心频率1 000 Hz的1/3倍频带，其声源位置主要位于地板区域，以及风挡区域。

通过车内声源识别分析可以发现，100%低地板列车车内各个测点的声源主要能量基本都集中在中心频率400 Hz～1 250H z的1/3倍频带。其中，客室前端以中心频率800 Hz的1/3倍频带声源能量最为显著，客室中部和客室后端则以中心频率1 000 Hz的1/3倍频带声源能量最为显著。

图3 客室前端声源识别

图4 客室中部声源识别

图5 客室后端声源识别

这些频带的声源位置主要位于地板、顶板等内装板件区域，以及风挡区域。通过结合车内不同横断面内装板件的振动加速度测试结果，进一步定性分析车内声源的传递路径，然后针对不同传递路径的声源制定相应的减振降噪方案。

3 车内声源传递路径分析

100%低地板列车车内噪声根据激励源（包括振动源和噪声源两种）的振动噪声能量传递路径不同，可以分为空气传声和结构传声两种主要形式[10]。对于不同形式的声源传递路径，其噪声控制方法是不一样的。

空气传声指的是振动噪声能量通过空气流体介质传递的路径，主要包括直达声和透射声两种。直达声是指外部声源通过各种孔洞、缝隙直接进入车厢内部，透射声是指外部声源穿透车身壁板（包括地板、侧墙、顶板和端墙等）进入车厢内部，主要与外部声源的强度和壁板的隔声性能有关。控制空气传声的主要方法是控制外部空气声源，以及提高车体结构的密封、隔声性能。

结构传声指的是振动噪声能量通过结构固体介质传递的路径，可进一步分为一次结构传声和二次结构传声。列车在运行过程中，由于轮轨表面的不平顺产生对车辆系统的激扰力，这些激扰力经由转向架和悬挂系统传递至车体，激励车厢内装结构的振动并向车内辐射噪声，称为一次结构传声。另一种形式为车辆外部噪声向空间辐射，经空气传播到车体表面，声波激起车体地板、侧墙、顶板等部件振动并向车内辐射噪声，称为二次结构传声。控制结构传声的主要方法是控制外部结构振源，以及调节车体结构的固有频率，使之避开车辆结构振动的共振频率。

根据前面已经获得的车内声源分布特性，结合车内横断面的振动加速度测试结果，可以定性分析车内显著声源的传递路径。

图6给出了100%低地板列车车内客室前端横断面的振动加速度测试结果。

由图6可见，车内客室前端横断面振动加速度低频能量显著。地板、侧墙在400 Hz附近存在局部峰值。对于客室前端声源800 Hz最显著频带（频率范围708 Hz～891 Hz），客室前端横断面在该频带内振动加速度没有明显的峰值。内装板件在800 Hz附近的振动加速度能量低于其在400 Hz附近的水平。但是客室前端声源在800 Hz频带最为显著，因此，可以认为结构传声不是客室前端800 Hz显著频带声源的主要传递路径。

图7给出了100%低地板列车车内客室中部横断面的振动加速度测试结果。

图6 客室前端横断面振动加速度

图7 客室中部横断面振动加速度

由图7可见，车内客室中部横断面振动加速度同样表现为低频能量显著。地板、侧墙在400 Hz附近存在局部峰值。对于客室中部声源1 000 Hz最显著频带（频率范围891Hz～1 122 Hz），客室中部横断面在该频带内振动加速度存在局部峰值，但峰值并不显著。内装板件在1 000 Hz附近的振动加速度能量明显低于其在400 Hz附近的水平。考虑到客室中部声源在1 000 Hz频带最为显著，因此，可以认为结构传声不是客室中部1 000 Hz显著频带声源的主要传递路径。

通过对100%低地板列车车内横断面振动加速度进行分析可以发现，结构传声不是车内最显著声源的主要传递路径。所以，控制车内声源的空气传递路径，即控制车辆外部空气声源，以及提高车体结构的密封、隔声性能是改善车内噪声环境可以采取的有效措施。

4 结语

在线路噪声试验中，使用球形阵列对100%低地板列车进行了车内声源识别，得到了车内声源的频谱特性和分布特性。结合内装板件的振动加速度测试结果，定性分析了车内声源的传递路径。得到主要结论如下：

（1）车内声源能量主要集中在中心频率400 Hz因此，1 250 Hz的1/3倍频带。其中，客室前端以中心频率800 Hz的1/3倍频带声源能量最为显著，客室中部和客室后端则以中心频率1 000 Hz的1/3倍频带声源能量最为显著；

（2）客室前端800 Hz最显著频带声源位置主要位于风挡左侧连接处，以及顶板和地板等区域，客室中部和客室后端1 000 Hz最显著频带声源位置主要位于地板和风挡等区域；

（3）车内最显著频带声源的传递路径以空气传声为主。控制空气传递路径，即控制车辆外部空气声源，以及提高车体结构的密封、隔声性能是降低车内噪声的有效措施。

[1]张晓排，刘 岩，钟志方.地铁车内噪声特性[J].噪声与振动控制，2010，30(2)：69-71.

[2]杨 建，左言言，常庆斌.A型地铁车体结构动态特性及车内声学模态研究[J].噪声与振动控制，2011，31(3)：76-79.

Experimental Study on Interior Noise Source Identification for 100%Low-floor Railway Trains

ZHANG Jie1,XIAO Xin-biao1,ZHANG Chun-yan2, HAN Guang-xu1,LI Zhi-hui1,JIN Xue-song1

(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.School of Mechanics and Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The 100%low-floor train is a new type of green urban railway transportation tools.However,control of interior noise is a more complicated issue due to its special car body’s structure.In this paper,based on the field measurements,the characteristics of the interior noise source of the 100%low-floor train are analyzed.Then,a qualitative analysis is done to identify the transm ission path of the significant interior noise sources.On this basis,measures for reduction of interior noise and vibration are proposed.The results show that the sound source power of the interior noise is mainly concentrated on the 1/3 octave frequency band w ith the central frequency of 400 Hz～1 250 Hz.The interior noise sources are mainly located in the floor,roof,vestibule diaphragm,etc.And the air-borne sound is the key noise transfer mode.It is a feasible way to reduce the interior noise by controlling the external noise and improving the sealing and sound insulation of the car body.This work provides a basis for further finding the interior noise control measures for the 100% low-floor railway train.

acoustics;100%low-floor;interior noise;noise source identification;air-borne sound;structural-borne sound

1006-1355(2014)04-0019-05

O42；U270.1+6 < class="emphasis_bold">文献标识码：A DOI编码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.005

2013-10-10

国家863计划(2011AA11A103-2-2)；教育部创新团队(IRT1178)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU12ZT01)；牵引动力国家重点实验室自由探索自主研究课题(2011TPL_T05)

张 捷（1987-），男，江苏南京人，博士研究生，目前从事铁路振动噪声控制研究。

Email：zh.receive@gmail.com

金学松（1956-），男，江苏扬州人，教授，博士生导师。

E-mail:xsjin@home.sw jtu.edu.cn