地铁列车车内客室端部噪声源传递率分析

2022-05-08张静静

科技创新与应用 2022年12期

张静静，李帅

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 210031）

目前，我国大中型城市将地铁作为主要交通运输模式，极大程度地缓解了因城市人口众多而产生的交通拥堵问题。但是，地铁运输过程中的噪声问题产生的影响，越来越受到人们的关注。其中，车内噪声问题已经逐渐成为影响城市轨道交通商业运营的关键因素[1-4]。因此，关于地铁车辆车内噪声问题的研究成为了一个热门话题。

车端区域一般是车辆客室内噪声最显著的区域，因此需要重点研究。Hee-Min等[5]基于流体动力学理论，模拟了车端连接处的腔体噪声。研究表明，车端存在的低频噪声主要由腔内外气体循环引起，安装整流罩可以有效控制车端噪声。Fan等[6]通过声强法与部分相干法结合，成功识别滚动噪声、设备噪声、车体振动声辐射等噪声源对列车内部噪声的传递，并对四节车厢近窗和地板的声强研究分析。统计数据表明，列车处于3种不同速度时，车厢地板声强高于近窗声强，车内噪声主要是由地板振动声辐射引起的结构噪声。袁旻忞等[7]将高速列车CRH380B作为研究对象，进行运行工况下传递路径分析法（Operational Transfer Paths Analysis，OTPA）测试，考虑高速列车的主要激励声源为气动噪声，通过数据实验，分析车内噪声在不同噪声源的传递速率。数据结果表明，转向架和车顶是高速列车厢内噪声的主要来源。

本文通过研究我国某型地铁，建立车厢内噪声预测模型，研究车厢内噪声与噪声激励源的关系。

1 地铁列车车辆噪声源调研

地铁行驶过程中，车外噪声源会经过车体板件结构对车内进行辐射。同时，由转向架区域和设备悬挂区域产生的结构振动会传递到车身，引起车身的振动和辐射噪声。其中，轨道不平顺、车轮不圆化能够引起激扰力，它会辐射车内噪声，经过转向架结构和悬挂系统传递到车内，引发车厢振动，进而刺激车厢内装饰结构振动而引起声辐射，这是一次结构传播声的主要来源；车厢外部噪声以空气为介质，通过波的形式传播到车体表面，进而导致侧墙和车内地板部件的声辐射，这是二次结构传播声的主要来源。直达声和透射声是空气传播声的两种主要形式。直达声强弱与车体密封性相关，它是由车厢外噪声通过车体表面孔隙传递到车厢内产生的。透射声的强弱与噪声本身的强弱及壁板的隔声量相关，它是由车厢外噪声穿透车体表面壁板传递到车厢内产生的。本文所研究的地铁列车，当其以80 km/h速度匀速运行时，轮轨噪声和空调噪声是车辆端部主要的噪声源。

图1给出了列车以80 km/h速度匀速运行时车辆端部声源激励输入的1/3倍频程谱图，图中横坐标为频率，纵坐标为声压级。

图1 车辆端部声源激励

由图1可知，对于轮轨噪声激励源，其噪声水平相较于空调噪声要高，其主频在400 Hz频段，超过90 dB（A），并且在高于200 Hz的频段内，其噪声水平均较大。对于空调噪声激励源，其激励源分为空调机组和空调出风口。对于空调机组来说，噪声主频在1 250 Hz频段，而对于空调出风口来说，噪声主频在630 Hz频段。

将本节关于车辆噪声激励源的调研结果输入车内噪声计算模型，进而研究地铁列车车内端部噪声源的传递率。

2 计算模型

本文在VA One软件平台下，建立某地铁车厢内噪声预测分析模型。

图2给出了统计能量分析（SEA）车内声学预测模型，车内声腔编号由车头方向往车尾方向依次递减，图2为载荷分布。

图2 SEA车内声学预测模型

计算模型中所采用的车体主体结构隔声参数如图3所示。本文主要分析地板、顶板、平顶、侧墙、车窗和车门六大车体主体结构。

图3 车体板件结构隔声参数

3 车内噪声水平预测

根据上一节内容，研究在轮轨噪声和空调噪声激励下，地铁列车以80 km/h匀速运行时的车内噪声水平，计算结果如图4所示。其中，声腔3、4、5和声腔16、17、18分别代表客室前端和客室后端。

由图4可知，当列车以80 km/h速度匀速运行时，客室内噪声水平在71～72 dB（A）之间。整体噪声水平表现为客室前后端部噪声要高于客室中部噪声。因此，控制客室端噪声对于整体噪声研究具有重要意义。

图4 车内噪声预测结果

4 车端噪声声源传递率分析

由上文分析可知，车辆客室内端部噪声最显著，轮轨噪声和空调噪声是车端噪声的主要来源。为了有效控制车端噪声，需要分析车厢内多种噪声源的传递速率。基于功率流追踪方法，研究各子系统对车内噪声的传递情况。首先，跟踪车内客室端部声腔子系统的输入净功率流，其次追踪客室端的主要噪声源，通过分析得到客室端噪声的声源速率。车内客室端声腔子系统的输入功率主要通过8种路径进行传输，即地板空气声、侧墙空气声、顶板空气声、地板结构声、侧墙结构声、顶板结构声、前方声腔和后方声腔。其中，最后两种传输路径与客室端部声腔子系统存在耦合关系。以客室前端噪声源传递率为例来说明：整体来说，存在轮轨噪声和空调噪声两个主要的声源。图5为客室前端部噪声源传递率。

图5 客室前端部噪声源传递率

对于轮轨噪声来说，其噪声能量99.79%传递至客室端部下方声腔。从客室下方声腔传递至客室内时，主要存在2条路径。首先，客室下方声腔的噪声直接通过地板传递至车内，在这过程中由于地板隔声，噪声衰减至73.91%后传至车内。其次，客室下方声腔噪声传递至客室前侧外声腔，在这过程中，噪声几乎不衰减，传递率为99.91%。然后，客室前侧外声腔噪声经由车内和车窗传至车内，在这过程中，由于受到车门和车窗隔声特性的影响，使得通过车门和车窗传至车内的噪声分别衰减至18.24%和45.24%。而轮轨噪声主要对客室内下部噪声影响显著。所以，还需要提高地板隔声来控制因轮轨噪声源而导致的车内噪声问题。车窗隔声也需要提高，车门隔声特性良好。

对于空调噪声来说，可以细分为空调机组噪声和空调出风口噪声。空调机组位于客室上方外声腔，通过顶板传递至车内，在这过程中受到顶板隔声特性的影响，噪声传至车内时衰减至4.25%。空调出风口由于本身位于客室内部，其噪声82.27%传递至车内。而空调噪声主要对客室内上部噪声影响显著。同时可以看出，顶板隔声特性良好，对空调噪声源的控制主要应该放在空调出风口上。当噪声传递至车内后，在车辆上部、中部和下部之间也存在相互传递。其中，上部向中部的传递率约为34%，下部向中部的传递率约为16%。