浅析司机室噪声控制方法

杜俊廷 岳凯 施宗楠

摘   要：目前机车在设计时可采用的隔音降噪措施很多，但在實际应用中，由于结构设计、制造、工艺等多方面的原因，机车司机室内的噪声仍得不到有效控制。本文对机车司机室噪声的产生原理及控制方式进行了分析和研究，重点介绍了隔声和吸声结构的设计要点以及一种司机室噪声检测的新方法，并对不同结构的复合降噪材料在隔声和吸声性能上的差异进行了比较，为司机室降噪设计提供了依据。

关键词：机车  司机室  隔声结构  吸声结构

中图分类号：U260.38                              文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）10（b）-0052-02

Abstract： At present， there are many sound insulation and noise reduction measures in locomotive design， but in practical application， due to structural design， manufacturing， technology and other reasons， the noise in locomotive driver's cab can not be effectively controlled. This paper analyses and studies the generation principle and control method of cab noise of locomotive， and mainly introduces the design essentials of sound insulation and sound absorption structure and a new method of cab noise detection， and compares the differences of sound insulation and sound absorption performance of composite noise reduction materials with different structures， so as to reduce cab noise. The design provides a basis.

Key Words： Locomotive; Cab; Sound insulation structure; Sound absorption structure

机车的噪声是影响司乘人员安全的因素之一。为了提升司乘人员的安全性与舒适性，在机车车体结构特别是司机室内都进行了附加的声学处理，如密封、吸声、隔声处理等，以改善司机室的操作环境[1]。目前，机车司机室与内部装修结构较为复杂，在技术设计的同时对噪声进行仿真计算十分困难，通常的做法是在机车试制后进行实车测试，再根据测试结果对司机室结构进行加强，或者对后续生产车型的设计进行更改。机车司机室的结构复杂，噪声限制严格，这种头痛医头脚痛医脚的模式，对于机车司机室噪声的控制还是不够完善。

本文从理论、材料性能、检测方法三个方面进行了研究，旨在为机车司机室的降噪设计提供指导。

1  司机室振动和噪声的理论研究

司机室噪声分为两大类型：一是由机车机械室内设备运转产生的噪声以及机车外部噪声通过缝隙与墙壁进入室内的空气噪声;另一个大类型是由于机车车体蒙皮振动而产生的结构噪声。结构噪声是由车轮与轨道摩擦所产生的噪声、空气动力学噪声、受电弓噪声等传入机车车体结构从而引起车体自身振动而产生的。空气噪声可以由降低机车机械室设备运转噪声，提高机车车体的隔声、吸声性能来控制;结构振动噪声一般具有低频特性，可以由增加降噪材料和隔声结构来控制，例如在司机室内表面采用双层复合板，中间填充隔声降噪材料。

司机室噪声控制的模式主要是被动控制，即阻断噪声传播途径。因此处理方法主要是从司机室车体钢结构的密封、吸声，以及隔声方面来进行控制。

1.1 司机室的密封

司机室内壁的缝隙与过线孔令噪声能够直接传入。孔洞或缝隙面积越大，对墙体的隔声量影响越大[2]。因此，须对机车司机室的密封性进行提升，将所有没有实际作用的缝隙堵塞，对因线路管路穿墙而产生的孔洞进行密封处理。在实际生产操作中，对机车司机室车体各方向蒙皮衔接处等密封要求高的区域的焊缝均需采用满焊，对由于空间结构限制不能采用满焊的区使用密封胶对缝隙进行密封。对于穿过墙壁的线缆用过线环、膨胀材料进行密封。

1.1.1 车外密封

司机室前窗玻璃与窗框之间的缝隙采用密封胶进行连接与密封，以便使司机室前窗玻璃与窗框之间平滑过渡且保证具有良好的密封性能。避免使用凸出玻璃的密封橡胶条，使玻璃与窗框因过渡不平滑且密封不严而产生绕流，形成形成空气动力学噪声。

1.1.2 车内密封

司机室门的隔声性能，主要取决于门与门框之间的密封程度。门密封副的好坏取决于门与门框的平面度、门与门框的刚度、密封条的材料、截面形状、铰链的结构等[3]。为了提高司机室门的隔声性能，在门框以及门扇结构上，宜采用高强度的整体边框设计，以保证门框与门扇的平面度。

1.2 司机室的吸声

1.2.1 吸声材料

吸声性能一般由吸声材料吸收掉的声能与入射声能的比值即吸声系数α来表示。吸声系数范围在0～1之间，若材料将声音完全反射α=0，完全吸收则α=1。吸声系数不仅与吸声材料自身的尺寸、结构特性有关，还与吸声材料在司机室内的布置，噪声入射的角度、频率有关。目前机车司机室常用的吸声材料有玻璃棉、泡沫塑料等多孔性材料。多孔材料的吸声原理是当声波入射时引起多孔材料空洞内空气与细小纤维的波动，通过将声能转化为热能而消耗掉。由于多孔性材料的孔隙尺寸与高频声波的波长相近，因而对高频声吸声效果好，而对低频声吸声效果较差。

1.2.2 吸声结构

为了弥补多孔性材料在低頻吸声能力方面的不足，在实用中通常采用各种吸声结构来进行吸声处理，以获得较好的低频吸声效果。吸声结构分为薄板吸声、共振吸声、穿孔板吸声、微穿孔板吸声结构等多种。

多孔性吸声材料大多是松散的，不能直接布置在司机室内壁。实际应用中用透气的玻璃布、纤维布等包起来放入结构框架内，然后再加一层护面穿孔板。护面穿孔板可以是纤维板、钢板、铝板或镀锌铁丝网等。

如果把钢板、铝板等以一定的孔径和穿孔率打上孔，并在板后设置空气层，这样就构成了穿孔板共振吸声结构。穿孔板共振吸声结构的最高吸声系数出现在共振频率处，其共振频率可由下式计算：

式中：c为当地音速，P为穿孔率，P=孔的总面积/板的总面积;h为空腔深度（单位m）;Lk为小孔的有效颈长，Lk=t+0.8d，t为板厚（单位m），d为孔径（单位m）。

从上式可以看出，板的穿孔面积越大，吸收的频率越高;空腔越深或颈口有效深度越长，吸收的频率越低。穿孔板的穿孔排列方式一般有2 种，正方形和三角形（如图1）。

在工程中，板厚一般取1.5～10mm，孔径2～5mm，穿孔率0.5%～5%，腔深为50～300mm。国产化HXD2机车在司机室内侧采用了正方形排列的多孔板，板厚1.5mm，孔径3mm，孔距6mm，空腔深度100mm;将参数代入公式（1）可以得到国产化HXD2机车共振吸声结构的共振频率。由于人耳最敏感的频率范围是1000～3000Hz，因此国产化HXD2机车多孔板共振吸声结构可有效使司机室成员感到司机室很安静。

2  控制司机室振动和噪声的材料

2.1 复合隔声材料

机车司机室一般先在机车内壁覆盖阻尼浆，然后再装修板与内壁之间填充复合隔声材料。

目前使用的隔声材料在性能上与较新的隔声材料存在差距，在HXD2G型机车进行隔声降噪研究时，汉高公司对中车大同公司既有隔声材料与汉高的产品进行了对比。既有隔声材料与汉高隔声材料物理属性如表1。

2.2 性能对比

隔声量方面，汉高隔声材料比大同公司既有隔声材料要高大约20dB左右。

吸声系数方面，汉高隔声材料吸声系数在低频时低于大同公司既有隔声材料，而在高频段，要高于大同公司既有隔声材料。这是因为无纺布可以使吸声性能往低频移动。

3  噪音源的查找

噪音源的查找这方面，传统方法是在司机室几个对噪音上限有要求的区域设置传感器，测得关键点的噪音数值。这种方法可以得到设置传感器区域的噪音值，从而对噪音值偏大测试点附近的降噪材料进行加强，但无法准确说明哪个位置是司机室空间内噪音的输入源，以及每个输入源发出哪一个频段的噪音。

新方法是使用声学影像技术进行噪音源查找，声学影像可以很准确地找到司机室顶棚、侧墙、地板、等部分噪音源的准确位置，可以确定不同频率的噪音哪些位置的强度大，且结果以图片的形式呈现一目了然。

参考文献

[1] Liu Dongming，Yang shijie，Zhang jichao.Analysis of DriversBurden and Man-Machine Interfaces in High-Speed Locomotive Driving Cab[J]. Journal of Southewest Jiaotong University，1995，3（2）：143-148.

[2] 赵良省. 噪声与振动控制技术[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[3] 刘晓波，张建润，刘剑.电力机车司机室减振降噪设计[J].机车电传动，2009（6）：13-17.