裙板结构对市域列车车外噪声的影响分析

顾汉星，张 捷，张开林，冯读贝，肖新标

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031；2.四川大学 高分子材料工程国家重点实验室/高分子研究所，成都 610065；3.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

市域列车主要开行于城市中心与卫星城镇之间，其沿线人口与高速铁路沿线相比，人口密度更大。在带来交通便利的同时，噪声对沿线居民的影响需要引起更高的重视。对于运行时速在120 km/h～160 km/h 的市域列车，其轮轨噪声是影响车外通过噪声最主要的噪声源。因此，研究列车裙板几何尺寸及吸声性能对车外通过噪声的影响具有重要意义。

Zhang等[1]识别了车外噪声源的分布规律，并分析了不同速度以及不同区域噪声源对车外通过噪声的贡献，发现转向架区域噪声始终是重要的声源。张亚东等[2]基于高阶有限差分法的大涡特性模拟对高速列车近场非定常流动进行分析，发现头车一位端转向架系统气动噪声贡献量最大，其与转向架系统的平均声压级相差3.8 dB（A）；Uda 等[3]使用1:70列车模型研究了转向架腔的低噪声设计，发现将转向架腔侧面安装扇形挡板并减小转向架腔的体积可以降低列车车外噪声；Yamazaki 等[4]使用1:7 列车模型进行了风洞试验，模拟转向架噪声的产生，发现将转向架区域的下部覆盖可以降低车外噪声约4 dB；朱剑月等[5]采用1:10简化模型分析裙板对转向架部位流动与气动噪声性能的影响，结果表明转向架区域外侧安装裙板后，可在较宽频段内有效降低转向架部位的气动噪声；Kim等[6]建立了安装裙板结构的动力分散式列车模型，计算分析发现安装裙板可降低车外噪声约2 dB，裙板结构虽然对车外降噪起到明显作用，但是可能会对车内噪声产生不利影响，会增加车内噪声约1 dB（A）；黄莎等[7]基于Lighthill 声学理论，对高速列车转向架部位气动噪声进行数值模拟，发现适当增加转向架部位裙板面积，声压级幅值降幅达到12%，总声压级降幅达2 dB（A）。

由上可知，转向架区域噪声是影响列车车外噪声的重要噪声源，而裙板的合理设计对于转向架区域的噪声空气动力学问题、噪声问题都至关重要。但是不同形状、位置和材料的裙板对车外噪声的减小作用不尽相同。如何选取合适的列车底部结构及布局进行降噪处理，还有待进一步研究。

本文基于声线跟踪法，按照实际几何尺寸建立了市域列车噪声预测模型。考虑车辆的主要噪声源，以及关键边界条件，研究了在转向架不同位置安装半/全遮挡裙板，以及裙板内侧铺设吸声材料后的车外降噪效果，为市域列车车外噪声控制提供科学依据和参考。

1 声线跟踪法

声线跟踪法是将声源发出的声音假设为一根根的声线，每根声线沿着直线传播，通过计算声线在传播过程中发生的能量变化和反射时路径的变化来对声线到达位置处的声场进行模拟[8]。声源的能量被平均到每根声线上，每根声线携带其代表的那部分波阵面所具有的能量[9]。对于自由辐射的单极子声源，以均匀球面波的形式辐射声波，则每条声线的声功率可通过公式求得：

式中：P为每条声线的声功率，A为声压振幅，n为声线数量，ρ为空气密度，c为声速。

声线以声速朝一定的方向传播，在传播过程中碰到地面或墙壁等结构阻碍时会发生吸声、反射、透射、折射和衍射等现象。

当声线传播到界面的边界和拐角处便会产生衍射，衍射现象如图1所示。BC为衍射边界。由屏障结构ABCD造成的声衰减可用公式(2)求得[10]。

图1 衍射模型

式中：ΔL为衰减量，N为菲涅尔数，λ为声波波长，a、b、d表示距离。

经过与界面的多次反射和吸声，声线所携带的能量逐渐衰减。当剩余声能量可忽略不计时，停止对该条声线的跟踪，继而跟踪下一条声线。声线在传播过程中的路径和声强将被跟踪和记录，传播路径被离散为一系列的节点，每个节点的坐标对应能量数组中的一个位置，并将该节点位置的声强记录在它对应的数组中[11]。根据能量数组，声压级可由公式(4)求得。

式中：I(x，y，z)为传播路径中每个节点对应的声强，(x，y，z)为各节点对应的坐标，ρ0c0为传播媒质的特性阻抗，当声波在空气中传播时，其特性阻抗常取400。

考虑到轨道交通车外噪声声源多、声场范围大的特点和数值方法的计算效率，声线跟踪法是国际上轨道交通列车车外噪声计算时广泛采用的计算方法[12–14]。声线跟踪法是利用经典射线声学理论求解出“本征声线”，并且用其迅速描述声场的方法。本文将其应用于市域列车车外通过噪声的仿真计算。

2 市域列车车外噪声模型

2.1 几何模型

为了对市域列车的车外噪声进行仿真分析，使用3D 建模软件对列车进行了建模。市域列车几何模型采用4 车编组，编组型式为：带司机室的头车（拖车）+带受电弓的动车+带受电弓的动车+带司机室的尾车（拖车）。总长度93.8 m，运行时速140 km/h。

2.2 边界条件

计算模型中，考虑了桥面基础结构和地面，桥面材料为混凝土，地面设为草地，考虑混凝土及草地的吸声。模型中，混凝土与草地的吸声系数取自LMS Virtual.Lab Acoustics软件数据库，如表1所示。

表1 线路边界条件材料吸声系数

2.3 载荷激励

在施加声源载荷激励时，载荷激励的频谱如图2所示。

图2 声源载荷激励频谱

其中，车下轮轨噪声、气动噪声、牵引设备噪声合并为转向架区域噪声考虑，通过线路测试获得；其他设备舱内的设备噪声，包括牵引变流器、牵引变压器、空压机、空调噪声，来自设备厂家的检测报告。图3给出声源载荷激励模型，模型中声源激励采用点声源形式加载。根据不同区域的声源体积和分布特性，每个转向架区域等效为2个点声源，加载在转向架的两侧中部位置；每个空调机组等效为1 个点声源，加载在车顶空调机组位置；每个牵引变流器、牵引变压器和空压机各等效为1 个点声源，根据车下设备布置图分别加载在车下对应位置处。

图3 声源载荷激励模型

2.4 模型验证

根据ISO 3095[15]标准，列车车外通过时段内等效连续A计权声压级的计算公式如式(5)所示。

式中：LAeq,Tp为通过时段内的等效连续A 计权声压级，Tp是测量的列车经过的时间段，计算公式为Tp=t2-t1，pA(t)为噪声瞬时A计权声压，p0为基准声压，取值20 μPa。

以速度140 km/h 为例，图4给出车外标准点处（距轨道中心线25 m 远，距钢轨顶面3.5 m 高）的仿真结果与实测结果的频谱对比。市域列车未安装裙板时，25 m远处的等效连续A声级仿真值为85.3 dB（A），实测值为84.1 dB（A），仿真结果和试验结果频谱分布规律一致，声压级的差值为1.2 dB（A），误差较小。因此，本文所建立的市域列车车外通过噪声预测模型是有效的。

图4 标准试验点试验与仿真结果对比

3 裙板结构影响分析

为了探究裙板安装位置和裙板尺寸分别对于列车车外噪声的影响，模型中对裙板进行了简化处理，并设计如图5所示的4 种裙板模型：(a)仅在转向架位置安装裙板；(b)转向架及辅助设备位置安装裙板；(c)1/2高半遮挡裙板(H=0.46 m)；(d)全遮挡裙板(H=0.846 m)。其中转向架裙板长3.5 m，转向架及辅助设备位置头车裙板长21.7 m，中间车裙板长22.1 m。裙板为铝制加筋结构，其声阻抗为17.1×106kg∙m-2∙s-1[16]。

图5 裙板安装位置及尺寸示意图

3.1 裙板位置

当转向架位置和转向架及辅助设备位置安装半遮挡裙板时，140 km/h 运行速度下距离轨道中心线25 m 处的等效连续A 声级分别为84.5 dB(A)和83.9 dB(A)，较未安装裙板时车外通过噪声分别降低0.8 dB(A)和1.4 dB(A)。

图6给出两种裙板安装位置与未安装时的1/3倍频程中心频率声压对比和降噪量曲线。

图6 裙板位置对车外噪声的影响

由图6可见，安装裙板后，场点的声压曲线分布特性基本没有改变。中心频率315 Hz～2 500 Hz的1/3倍频带降噪量总体上高于其他频带，降噪平均值为1.3 dB(A)和0.7 dB(A)。在转向架区域噪声频谱显著峰值频段500 Hz～2 000 Hz 内，平均降噪量分别为1.4 dB(A)和0.8 dB(A)，安装裙板可有效降低转向架区域噪声。

为了研究裙板对于市域列车车外声场的影响，利用声线法计算列车外部纵向平面和横向平面的声场响应。图7给出不同裙板安装位置时的车外声场纵向和横向云图结果。其中纵向云图位置为桥梁结构边界处列车底部位置，横向云图位置为列车横向中心平面，纵向云图动态范围为10 dB(A)，横向云图中考虑到车外声场的声衰减，动态范围设为20 dB(A)。

图7 裙板位置对车外声场影响

从纵向云图中可以看出，各节车底部位置声压级较大，转向架及辅助设备安装半遮挡裙板后，列车底部位置近场噪声的变化趋于平缓，并且可在仅转向架位置安装裙板的基础上，降低车外通过噪声0.6 dB(A)。这是由于在辅助设备位置加装裙板后，可减少一部分转向架及辅助设备区域直达声的传播。而在横向云图中，车外声场在横向范围内的分布规律基本一致：随着与线路中心线水平距离的增加，噪声的线性声压级不断减小。这主要是由于车外近场噪声的主要来源为直达声，其受半遮挡裙板的影响较小。

3.2 裙板尺寸

图8给出转向架位置和转向架及辅助设备位置安装全遮挡裙板时，两种裙板尺寸的1/3倍频程中心频率降噪量曲线。

图8 全遮挡裙板对车外噪声的影响

由图8可见，转向架位置采用全遮挡裙板，140 km/h 运行速度下距离轨道中心线25 m 处的等效连续A 声级为83.9 dB（A），较安装半遮挡裙板时车外通过噪声进一步降低0.6 dB（A），其中2 500 Hz中心频率的降噪量最为显著，达0.8 dB（A）。在转向架区域噪声频谱显著峰值频段500 Hz～2 000 Hz 内，平均降噪量为0.6 dB(A)。

转向架及辅助设备位置采用全遮挡裙板，距离轨道中心线25 m 处的等效连续A 声级为82.0 dB(A)，较安装半遮挡裙板时车外通过噪声进一步降低1.9 dB(A)。从图8可以看出，在1 000 Hz、1 250 Hz、2 500 Hz中心频率处降噪量达最大，为2.1 dB(A)，其次是800 Hz中心频率，为2.0 dB(A)。在转向架区域噪声频谱显著峰值频段500 Hz～2 000 Hz 内，平均降噪量为1.9 dB(A)。

图9给出了转向架位置和转向架及辅助设备位置安装半/全遮挡裙板时的车外声场云图结果。

图9 裙板尺寸对车外声场影响

由图9(a)纵向云图可见，当仅在转向架位置安装裙板时，列车底部位置噪声分布基本相同，裙板尺寸对车外桥梁结构边界处列车底部位置噪声的影响较小。当转向架及辅助设备位置安装全遮挡裙板时，在各节车风挡位置有着明显的峰值，这是由于转向架及辅助设备的全遮挡裙板更好地阻挡了桥梁结构边界内列车底部区域直达声的传播，使得转向架区域和辅助设备区域噪声在车厢底部延纵向传播至各节车风挡位置，导致各节车风挡位置的声压级较高。

由图9(b)横向云图可见，当裙板高度由半遮挡增加到全遮挡时，由于桥梁边界和裙板边界对噪声的衍射作用，列车横向中心平面的声场分布差异明显，裙板的高度越高，车外声场的声衰减越快。

综上，当仅在转向架位置安装裙板时，裙板尺寸对车外通过噪声的影响较小；而当转向架及辅助设备位置安装裙板时，裙板尺寸对车外噪声的影响显著。由于仅在转向架位置安装裙板时，虽然可以控制该区域的部分直达声，但是对车厢底部的透射声、绕射声影响有限。使得转向架区域噪声仍然能在车厢底部沿车辆纵向传播，进而再向车外辐射，导致裙板尺寸对车外噪声的影响较小。

3.3 裙板吸声处理

3.3.1 吸声材料参数

吸声材料可以有效吸收入射声波，并抵消刚性结构由于多重反射带来的不利影响[17–18]。针对市域列车噪声的主要频段（500 Hz～4 000 Hz），选取两种在此频降噪效果较好的吸声材料，研究在转向架位置安装裙板时，裙板内侧铺设吸声材料对列车车外噪声的影响。在声学实验室中，采用混响吸声法测试了一种三聚氰胺和一种聚酯纤维棉，它们的密度分别为4～12和20 kg/m3，25 mm厚度时的吸声系数曲线如图10所示。

图10 材料吸声系数曲线

3.3.2 裙板吸声处理

裙板内侧铺设两种吸声材料后，140 km/h 运行速度时，距离轨道中心线25 m处的车外噪声连续声压级结果如表2所示，单位为dB(A)。

表2 吸声处理对车外噪声影响/dB(A)

由表2可见，转向架位置安装半遮挡裙板，铺设吸声材料后，车外噪声可以降低0.3 dB(A)，两种吸声材料的降噪效果相同；转向架位置安装全遮挡裙板，铺设吸声材料后，三聚氰胺和聚酯纤维棉可分别降低车外噪声2.2 dB（A)和2.0 dB(A)。并且由于全遮挡裙板吸声处理后有着更大的吸声面积，因此降噪效果更为明显。

图11 给出转向架位置裙板铺设吸声材料后的降噪量曲线。

图11 裙板及其吸声处理对车外噪声影响

由图11 可见，半遮挡裙板铺设吸声材料后，车外噪声降噪效果并不明显；全遮挡裙板铺设吸声材料后，车外噪声最高降低2.2 dB（A)，并且在500 Hz～2 000 Hz的1/3倍频程中心频带内，铺设两种吸声材料较未铺设时降低约2 dB(A)，在1 000 Hz的中心频率降噪量最为显著，达2.7 dB（A）。这是由于吸声材料在此频段有着较高的吸声系数，且全遮挡裙板铺设吸声材料后有着更大的吸声面积。

4 结语

基于声线跟踪法，建立了考虑转向架及各种辅助设备声源和轨道线路结构边界条件的市域列车车外通过噪声预测模型，计算了裙板位置、裙板尺寸以及裙板吸声处理对车外通过噪声的影响，并与列车未安装裙板时的结果进行对比讨论，得出以下结论：

（1）转向架位置安装全遮挡裙板与转向架及辅助设备位置安装半遮挡裙板降噪效果相当，均为1.4 dB（A）左右；转向架及辅助设备位置安装全遮挡裙板的降噪效果最好，可降低车外噪声3.3 dB(A)左右。

（2）当仅在转向架位置安装裙板时，裙板尺寸对车外通过噪声的影响较小，仅为0.6 dB（A）；而当转向架及辅助设备位置安装裙板时，裙板尺寸对车外噪声的影响显著，由半遮挡改为全遮挡可降低1.9 dB（A）噪声水平。

（3）转向架位置安装半遮挡裙板时，裙板内侧铺设吸声材料的降噪效果不明显，仅为0.3 dB（A）。转向架位置安装全遮挡裙板时，裙板内侧铺设吸声材料，可进一步降低车外噪声最多2.2 dB（A）。