A型地铁车辆车内噪声预测与控制

潘 震 方 宇 胡定玉

(上海工程技术大学城市轨道交通学院， 201620, 上海//第一作者，硕士研究生)

地铁车辆车内噪声与振动不仅损害乘客的健康，而且易造成车体结构的疲劳、破坏，因此控制车内噪声与振动十分必要。目前，车辆噪声控制的研究重点主要是轮轨噪声和空气动力噪声等车辆外部的环境噪声，车辆车内的振动噪声问题并没有引起足够的重视。随着车辆的轻量化和高速化，车内噪声问题变得越发严重，声学环境舒适性也成为影响轨道交通行业竞争力的一个重要因素[1-2]。

要控制车内噪声，首先要确定车内噪声的传递过程和分布情况。统计能量分析[3-5]以能量为基本参数，重点研究稳态振动时平均振动能量在复杂系统里的传递和分布，采用功率流平衡方程描述耦合子系统间的相互作用。因为能量是各种动力学系统都能应用的独立变量，因此可以处理固体结构和流体声场之间的耦合动力学问题。

2005 年，法国 ESI 集团推出的振动噪声分析软件 VA One以统计能量法作为主要算法，能够进行全频段范围内的振动噪声问题求解。该软件被认为是近20年来振动噪声问题分析历程上的一个重大突破。目前， VA One 软件在航天航空、汽车、船舶等领域都得到了广泛的应用[6-9]

本文利用VA One软件对某A型地铁车辆车内噪声进行分析，并通过对多种阻尼材料的降噪效果进行比较，提出有效的降噪措施，从而为地铁车辆的低噪声设计提供参考。

1 声学模型建立及车内噪声分析

1.1 声学模型

城市轨道交通某A型地铁车辆的旅客乘坐室是由铝合金型材和壁板围成的一个封闭空腔，如图1所示。

图1 某A型地铁铝合金车体结构示意图

根据表1给出的地铁车辆车体参数，建立三维旅客乘坐室有限元模型，如图2所示。车体空腔声学单元采用I-DEAS软件的三维声学流体单元。利用有限元数值分析方法计算得出的三维旅客乘坐室前6阶声学频率见表2。其中零阶模态是一致声压模态或零频率时出现的刚体模态。

表1 A型地铁车辆车体参数

表2 车体空腔声学模态频率

图2 车体空腔有限元模型

以该车设计方案建立模型[10-11]，将有限元模型导入分析软件 VA One 中。根据车厢的结构属性，将有限元网格转换成软件VA One中的SEA 板壳子系统，合计148个板壳子系统，如图3所示。

图3 车体板壳子系统模型

为准确计算车内噪声声压级大小，需对各板壳子系统进行详细材料属性定义，包括地板、侧墙板、顶板、端墙板、车门及车窗等6个子系统，其材料属性如表3所示。

表3 车体SEA模型材料参数表

由于统计能量分析的统计特性，使得每一个子系统计算所得的响应、能量是均匀分布的。不论该子系统尺寸多大、结构多么复杂，在各个点的响应是相同的，因此，当分析整块大区域(如客室内部)，也需将其划分成小子系统。

根据客室沿竖向不同高度时噪声的分布情况，客室内部声腔的划分如图4所示，合计15个声腔[12]。同时，地铁车辆运行速度较低，在低速区域的范围内，主要以轮轨噪声为主导，其能量集中在800～2 500 Hz 频率范围，故采取白谱作为激励输入，如图5所示。

图4 车体内部声腔子系统模型

图5 轮轨噪声激励输入位置

1.2 基于VA One软件的车内噪声分析

基于统计能量法，采用VA One软件对车厢内的噪声特性与品质进行计算评估。VA One软件仿真计算结果如图6和图7所示。图6为各个声腔不同频率下的声压级，从图中可知车内噪声主要集中在1 000～3 000 Hz。图7为整个车体声腔的声压分布，由图7中可知，转向架上方的声腔噪声级最大，这是因为城市轨道交通列车车内噪声来源主要是轮轨噪声及电机噪声，这两种噪声振动均经由转向架和车体连接处传递到乘坐室。因此，在降噪措施研究中，将以转向架上方的声腔作为主要研究对象。

图6 车内各声腔声压分布曲线

图7 车内各声腔1 600 Hz下的声压级分布云图

2 车内噪声控制

根据统计能量法分析，可知，地板是低频及中频噪声传播到车内的主要路径。一种解决办法是在地板外涂抹阻尼材料，因为阻尼对振动的衰减最明显；另外一种是加设多孔吸声材料，以衰减声能。

2.1 阻尼材料减振措施

当地板发生弯曲振动时，其振动能量迅速传给紧密涂抹在地板上的阻尼材料，并引起阻尼材料内部发生摩擦和互相错动。由于阻尼材料内摩擦系数大，地板一部分振动能量将转化为热能而耗散，从而减弱了地板的弯曲振动，降低了结构噪声辐射。

在地板上表面铺设10 mm 的硬质橡胶，其参数特性如表4所示。在仿真计算模型中，对地板子系统进行相应噪声处理，计算结果显示转向架上方声腔声压可降噪2 dB(A)。地板表面铺设硬质橡胶前后的声压变化对比如图8所示。

2.2 多孔吸声材料降噪措施

多孔吸声材料的吸声机理： ① 当声波入射到多孔材料表面激发起微孔内的空气振动时，空气与固体筋络间产生相对运动。由于空气的粘滞性在微孔内产生相应的粘滞阻力，使振动空气的动能不断转化为热能，从而使声能衰减。② 在空气绝热压缩时，空气与孔壁不断发生热交换。由于热传导的作用，也会使声能转化为热能。

表4 地板表面铺设的硬质橡胶参数

图8 地板表面铺设硬质橡胶前后转向架上方 声腔声压级变化曲线

在地板上面铺设50 mm厚离心玻璃棉多孔吸声材料(参数特性见表5)后，经相应噪声处理后的仿真计算结果显示，转向架上方声腔声压可降噪5.17 dB(A)。离心玻璃棉铺设前后声压变化对比如图9所示。

表5 地板表面铺设的离心玻璃棉参数

转向架上方声腔在两种降噪措施下的及未采取降噪措施下的声压分布结果如图10所示。根据声压分布曲线可知，在低频段使用硬质橡胶降噪方式降噪效果较好；而在对车内噪声贡献最大的中高频段，使用离心玻璃棉的降噪方式降噪效果较好。因此，推荐采用吸声材料作为车内噪声的主要降噪方式。

图9 地板表面铺设离心玻璃棉前后转向架上方 声腔声压级变化曲线

图10 降噪措施前后转向架上方声腔声压分布曲线

2.3 双层材料降噪措施

为进一步提升降噪效果，以期在低频、中频、高频都能获得较好的降噪效果，对地板面同时铺设10 mm硬质橡胶和50 mm离心玻璃棉。铺设双层材料降噪措施后的转向架上方声腔仿真分析结果如图11所示。由图11可见，使用双层材料的降噪方式在各频段都可获得较好的降噪效果，可降噪6.19 dB(A)。

图11 双层材料降噪措施后转向架上方声腔声压分布曲线

3 结语

在某A型地铁车辆设计阶段，基于统计能量分析法，利用VA one软件对该地铁车辆车内噪声及振动进行计算评估，得出车内各声腔声压分布。其中最高A计权声压级出现在两转向架上方声腔，声压级沿列车纵向递减。同时，研究了阻尼减振的降噪措施，采用地板面铺设10 mm硬质橡胶的方式可降噪2 dB(A)，采用地板面铺设多孔吸声材料的降噪措施可降噪5.17 dB(A)。分析两种降噪措施的降噪特性，发现硬质橡胶降噪方式在低频段效果较好，离心玻璃棉降噪方式在中高频段降噪效果较好。混合两种材料的双层吸声材料降噪方式可降噪6.19 dB(A)。