低地板车结构传声及车内噪声特性

张玉梅，肖新标，温泽峰，郭 涛，张 捷，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.唐山轨道交通客车股份有限公司，唐山 063035）

低地板车具有环保节能、编组多样、运行灵活、旅客乘坐方便和与现有公交站台及路面资源共享等诸多优点而深受各大城市轨道交通部门欢迎[1]。而同低地板车噪声作为城市轨道交通的重要性能指标，也受到广泛的关注。国际上，美国交通运输研究委员会TRB（Transportation Research Board）对低地板车做了系统研究[2—4]。针对噪声性能，在文献[4]的表3.1中，详细给出了低地板车噪声特性随车辆和轨道相关参数变化的测试结果。结果表明，增加车内结构阻尼能有效降低车内噪声水平；而改变车轮直径、一系悬挂刚度和二系悬挂位置等措施，对车内噪声抑制效果不明显。国内对低地板车的研究大多关注在转向架和牵引传动系统方面[1,5,6]，对其振动噪声特性的研究很少。高速动车组悬挂刚度等研究结果表明[7,8]，不同悬挂参数和连接方式会影响车辆平稳性和整车模态。

为了解100%低地板车结构传声和车内噪声特性，以便指导100%低地板车低噪声设计和在噪声超标情况下制订减振降噪措施。采用试验方法，对我国某型100%低地板车进行振动噪声特性测试，分析其车内噪声特性、声源机理和结构传声路径。

1 试验内容及测点布置

测试车辆为国产某型4节编组的100%低地板车，设计速度60 km/h。测试条件根据国际标准ISO 3381-2005相关规定要求实施。

图1 噪声测点

表1 振动测点编号及位置

2 试验结果

2.1 振动噪声特性分析

图2给出了60 km/h匀速运行条件下，动车、拖车客室中央和相应车厢外转向架区域的噪声A计权频谱特性。

图2 噪声特性（60 km/h）

由图可见：

（1）车内噪声主要能量集中在400 Hz～1250 Hz，其中以400 Hz最为显著；

（2）动车客室中央总声压级比拖车的高3.7 dB，主要体现400 Hz频率区段，两者差值为6.8 dB；

（3）与客室中央位置相对应的车厢外转向架区域噪声主要能量集中在125 Hz～4 000 Hz，其中以1 000 Hz和1 250 Hz最为显著；

（4）动车转向架区域总声压级要比拖车的高3.0 dB，主要体现在125 Hz～1 250 Hz频率区段，且以250 Hz～400 Hz最为显著，两者差值约有10 dB。

由于动车车内噪声和转向架区域噪声均大于拖车，尤其是以400 Hz频率区段，该频率的噪声一般以结构声主导，因此，为明确动车车内噪声的产生机理，对60 km/h匀速运行下动车的结构传声特性进行深入分析，结果如图3所示。

何家弘在其论著中描述“证据保全是指用一定形式将证据固定下来，加以妥善保管，以便司法人员或律师分析、认定案件事实时使用”。[2]根据电子数据保全自身特点，结合传统的证据保全概念加以分析。可以表述为，电子数据保全是指那些以后难以提取的或者容易损毁的电子数据，由人民法院，公证处和其他保全机构、组织依照职权和当事人的主动申请，对电子数据进行固定和采取一些保护措施。它其实是为了保全电子数据的完整性和客观性，用符合规定的手段和方法进行固定，为相关诉讼活动提供证据支持。

图3（a）给出了60 km/h速度下，动车转向架上方内地板的振动频谱特性。由图可见，内地板在380 Hz～420 Hz频段区段的振动能量非常显著，要比其他频率范围对应的振动能量高出10 dB左右。整体上，对所有振动测点，其振动能量显著的主要频率区段均在200 Hz～500 Hz频率区段，为此，后续结果分析主要以此频率区段为主。

图3（b）给出了动车转向架构架振动和主要激励源振动：轴桥（轮轨激励）与电机（动车转向架动力源激励）的频谱特性。

由图可见：

（1）整体上，轴桥振动能量最大，电机的其次，构架的相对最小；

（2）400 Hz 1/3倍频程频率区段，电机的振动能量与轴桥的相当，均远大于构架在该频率区段的振动能量；

（3）构架在400 Hz 1/3倍频程频率区段也存在显著峰值；

（4）电机振动有显著的谐频，且其与列车运行速度相关，对60 km/h速度，谐频频率约60 Hz。

以上对低地板车振动噪声特性的分析表明，动车车内振动、噪声在400 Hz频段峰值显著，导致动车车内噪声水平比拖车高3.7 dB。在对车内噪声进行控制前，需明确车内振动显著频率激励源，从振源上控制振动噪声；其次是找到车内振动噪声的传递路径，从关键结构传声部件上有效控制能量的传递，下面分别对两者进行详细分析。

2.2 振动显著频率激励源分析

有无转向架动力源（电机）是动车、拖车转向架的主要区别。通过切除电机前、后，关键部件振动特性测试对比，研究400 Hz峰值频率的激励源，为车内振动噪声控制提供依据。

图 4（a）、（b）分别给出了 200（4）动车转向架区域总声压级要比拖车的高3.0 dB，主要体现在125 Hz～1 250 Hz频率区段，且500 Hz频段，电机切除前、后各电机、齿轮箱、构架、车体内地板振动。由图可见，电机切除后，各部件在400 Hz频率区段显著峰值明显降低，但在40 0Hz附近仍有局部峰值，可能是电机的固有悬挂频率，有待进一步研究。

图5（a）、（b）是电机切除前、后，电机振动和齿轮箱的振动特性。由图可见，电机切除后，400 Hz频率区段，电机振动峰值降低了10 dB；齿轮箱振动降低了5 dB。这一结果表明，400 Hz激振频率主要来自电机。因此，从源头上降低车内400 Hz振动噪声，需要对电机振动噪声进行治理和控制。

2.3 振动传递路径分析

识别出结构传声关键部件，从路径上控制振动传递，也能有效控制车内振动噪声。

图3 动车振动特性（60 km/h匀速运行）

图4 电机切除前后各部件振动特性（200 Hz～500 Hz）

图5 电机切除前后电机和齿轮箱振动特性（0～900 Hz）

图6 转向架动力源激励传递路径

转向架与车体相连接的各个部件向车内传递振动能量大小不同。图6是转向架动力源激励传递路径。400 Hz附近峰值激励主要通过4个关键部件传至车体内地板，分别为横向减振器、二系、抗侧滚扭杆、牵引拉杆。

相干功率谱是结构间能量传递的一个重要指标，图7给出了电机切除前、后，转向架关键连接部件上方外地板与车内地板振动相干功率谱。

图7 转向架关键连接部件上方外地板与车内地板振动相干功率谱

对380 Hz～420 Hz频段进行相干功率谱能量求和，评价400 Hz频率区段各个外地板位置与车内振动的相干能量大小，如表2所示。可见，电机切除前，横向减振器上方地板与车内地板振动相干功率谱能量最大，其次是二系。电机切除后，对应的相干功率谱能量分别降低了4.2 dB和5.6 dB。

因此，需优先控制横向减振器和二系在400 Hz由构架传递到车体内部的能量。

3 结语

通过对国产某100%低地板车辆线路试验，得到了该车60 km/h速度下的振动噪声特性。明确了车内噪声显著频段，显著频率的激励源和振动传递路径。为低地板车减振降噪设计和振动噪声控制提供依据。主要结论如下：

表2 连接部件上方外地板与车内地板振动相干功率谱能量（380 Hz～420 Hz）

（1）车内噪声能量集中在400 Hz～1 250 Hz 1/3倍频程，其中400 Hz中心频率能量最大；

（2）动车客室中央噪声比拖车高3.7 dB，尤其是400 Hz中心频率处，动车车内噪声高于拖车车内噪声6.8 dB，有必要对动车车内噪声进行治理和控制；

（3）动车车内噪声400 Hz中心频率峰值主要来自电机激励。电机切除后，车体内地板振动在400 Hz附近峰值降低约5 dB。电机、齿轮箱振动峰值分别降低了10 dB和5 dB。因此，从源头上降低车内400 Hz处振动噪声，需要对电机在这一频率的振动噪声进行治理和控制；

（4）400 Hz附近峰值频段（380 Hz～420 Hz）主要传递部件是横向减振器和二系。因此需优先控制这两个关键部件的结构传声。

[1]金 伟，钟 敏，门永林.准100%低地板车辆转向架方案设计[J].铁道车辆，2012，50(1)：9-14.

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[6]李哲峰.100%低地板车牵引传动系统分析与控制策略研究[D].北京：北京交通大学，2009，13.

[7]吴会超，邬平波.车下设备悬挂刚度对车辆平稳性影响[J].噪声与振动控制，2012，(4)：73-77.

[8]余建勇，张立民，黄晓宇，唐 琴.车下吊挂设备对整备车车体模态的影响[J].噪声与振动控制，2012，(5)：97-100.