轨道工程车监控室噪声控制研究

2022-07-08查国涛贺才春郭福林

控制与信息技术 2022年3期

傅亮，查国涛，颜猛，贺才春，郭福林

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

0 引言

随着我国既有铁路提速、高速铁路新建和城市轨道交通建设的高速发展，轨道工程车作为铁路施工和维修的设备载体，被广泛应用于工务、桥隧建设、供电、工程等领域，其保有量已与铁路机车的基本相同[1-3]。由于工作人员在轨道工程车上生活与工作，车内噪声直接影响工作人员的舒适性，是铁路轨道工程车工作人员在作业环境中主要的有害因素之一[4]，因此对其进行有效控制，提供一个低噪声的工作和生活环境，不仅能减轻工作人员的疲劳强度，有利于身心健康，也有利于工作人员之间进行清晰的语音通信。

国内外技术人员对轨道车辆噪声控制的研究较多，主要包括主动噪声控制与被动噪声控制。主动噪声控制通常在声场中布置扬声器作为次级声源，主动对声场进行干涉，以达到降低局部声场噪声的目的，但容易增加其他部分声场噪声，因此其在轨道车辆降噪中应用得较少。被动噪声控制一般是通过阻尼、吸声、隔声与密封等方式吸收与隔离噪声，以达到使整个声场噪声降低的效果[4-5]，被广泛应用于轨道车辆降噪中。

本文针对铁路轨道工程车发电车的监控室噪声过大的问题，以某铁路轨道工程车为研究对象，通过噪声产生机理分析及噪声测试，寻找主要噪声源，并采用LMS Virtual Lab对发电室与监控室之间的隔墙进行优化设计，优选出一种方案并进行实测效果验证。

1 发电车噪声特性分析

铁路轨道工程车包含3节车厢，分别为发电车、宿营车与工具车。发电车包括发电室、监控室、厨房、会议室与前厅（图1）。发电车行走时，噪声源主要包括发电机噪声、轮轨噪声与车外流体噪声；发电车停车时，噪声源主要为发电机噪声。可见，不论发电车行走还是停车，发电机都一直处于运行状态，是发电车最主要的噪声源，因此本文主要研究发电车中发电机噪声的控制方法。

图1 发电车车内布置Fig.1 Interior layout of power generation vehicle

发电机噪声包括机械噪声、电磁噪声与气动噪声。机械噪声主要由发电机各运动部件在运转过程中受气体压力和运动惯性力的周期变化所引起的振动或相互冲击而产生。电磁噪声主要由旋转力波和高次谐波的径向力使定子和转子发生径向变形和周期性振动而产生。气动噪声主要包括风扇转动产生的涡流噪声和旋转噪声以及进、排气管道气流流动而产生的噪声。为了得到发电机噪声特性，在发电车处于静止状态时，将发电室中2台型号一致的发电机以其标准运行工况开启。结合发电机的结构与周围环境，在2台发电机周围前、左、后、右4个方位布置噪声测点，共计8个测点。各测点与地面间的高度为1.0 m，距离发电机表面0.5 m，如图2所示。

图2 测点布置图Fig.2 Layout of measurement points

发电机运行工况下，上述8个测点的平均总声压级为105.1 dB（A），各测点的平均声压级如图3所示。由图可知，发电机在不超过6 300 Hz的频率范围内的噪声均在80.0 dB（A）以上，其中100～2 500 Hz之间的噪声均在88.8 dB（A）以上，因此发电机主要噪声频率为 100～2 500 Hz。

图3 各测点的平均声压级频谱Fig.3 Spectrum of the average sound pressure level at each measurement point

2 监控室噪声控制分析

发电机是发电室内最主要的噪声源，而紧邻发电室的监控室长期有人工作，因此监控室的噪声环境急需改善。在监控室内布置噪声测点（图2中的测点9），通过测量得到监控室的噪声频谱（图4），其主要噪声的频率范围为100～200 Hz。计算各频率下声压级，得到总声压级为87.7 dB（A）。为了改善监控室的噪声环境，根据用户要求，需要将其噪声在87.7 dB（A）基础上降低3 dB（A），即噪声总能量降低一半。

图4 监控室噪声频谱Fig.4 Noise spectrum of monitor room

2.1 隔墙结构

如图5所示，发电室到监控室的噪声主要通过两者之间的隔墙与隔声门进行传递，尤其是隔墙，离发电机较近且面积较大，通过隔墙的噪声传递路径对监控室噪声的贡献量较大，因此隔墙的隔声性能对监控室内噪声起到至关重要的作用。为了降低监控室的噪声，需要对隔墙结构进行优化设计。

图5 隔墙位置及结构示意图Fig.5 Schematic diagram of location and structure of the partition wall

目前，发电室隔墙具体结构如下：16 mm轻质墙板、1.5 mm空气层、30 mm吸声棉、1.5 mm阻尼片和2 mm钢板。其中，16 mm轻质墙板由1 mm酚醛面板、14 mm酚醛泡沫和1 mm酚醛面板构成，各隔墙材料参数如表1所示。

表1 隔墙各材料参数Tab.1 Material parameters of the partition wall

2.2 隔墙结构优化与分析

2.2.1 隔墙隔声性能仿真分析

实际工程应用中，可以通过测试与仿真分析等手段获得隔墙结构的隔声性能。其中，隔声性能测试可采用“混响室-消声室”方法，仿真分析可用有限元分析方法。

图6示出混响室-消声室隔声量测试示意，其中混响室为发声室，半消声室为接受室。在混响室和半消声室之间的壁面上开1个窗口，用于安装被测隔墙结构试件，试件尺寸为0.83 m×0.83 m。将无指向性声源放置在混响室中并发出稳定的白噪声，在混响室中形成均匀的扩散声场。

图6 混响室-消声室隔声量测试示意Fig.6 Schematic diagram of sound insulation volume test of the reverberation chamber-anechoic chamber

通过测量混响室的平均声压级和半消声室一侧试件表面的平均声强级，计算出试件的隔声量R，如式（1）所示。隔墙结构隔声量测试安装如图7所示。

图7 隔墙结构隔声测试安装示意Fig.7 Schematic diagram of acoustic insulation test installation of the partition wall structure

式中：Lp——混响室各传声器测点的平均声压级；LI——半消声室一侧试件表面的平均声强级。

为了模拟隔声性能测试过程，在LMS Virtual Lab中建立隔墙结构隔声仿真计算模型（图8）。混响室采用发声侧空气声学网格模拟、半消声室采用接收侧空气声学网格模拟，隔墙结构网格定义在两者之间，声源采用分散布局在半径为12 m的球面上的12个面声源来模拟，声波依次通过混响室声学网格和隔墙结构网格到达半消声室声学网格，通过读取隔墙结构发生侧与接收侧的声功率来计算隔声量。

图8 隔墙结构隔声量仿真分析模型Fig.8 Simulation analysis model of sound insulation of the partition wall structure

隔墙结构隔声量仿真与测试结果对比如图9所示，测试和仿真得到的隔声量曲线趋势一致，结果较为接近，总体上隔墙仿真分析结果能够满足工程分析要求。

图9 隔墙结构隔声量仿真与测试结果对比Fig.9 Comparison of sound insulation volume simulation of the partition wall structure with test results

2.2.2 隔墙结构优化分析

监控室的主要噪声集中在100～200 Hz，因此对隔墙结构进行优化设计，主要是加强隔墙低频隔声效果，尤其是100～200 Hz的隔声效果。

根据隔声理论可知，隔墙低频隔声性能主要受隔墙面密度、内部吸声与阻尼等因素的影响，因此可以通过增加隔墙内部各结构材料（轻质墙板、钢板、吸声棉与阻尼片）厚度以改变隔墙参数，从而提高隔墙低频隔声性能。

综上，结合轻量化原则与工程实践的可行性，对隔墙的声学结构提出如下优化方案：在隔墙增加相同重量的情况下，分别改变隔墙内部各结构的厚度，计算不同优化措施下隔墙的隔声量变化情况，获取最佳的优化手段。在增加相同重量的前提下，增加隔墙各部分结构的厚度，通过LMS Virtual Lab仿真分析，得到不同优化措施下隔墙结构隔声量的变化情况（图10和表2）。其中，增加阻尼片或钢板的厚度后，各频段所增加的隔墙隔声量均在1 dB（A）以内；增加轻质墙板厚度、增加吸声棉厚度后，增加了100 Hz和160～6 300 Hz的隔墙隔声量，尤其160～400 Hz频率范围内的低频隔声量，在200 Hz频率时增加了6.1 dB（A）。

表2 不同隔墙优化措施下隔墙结构增加的A计权隔声量Tab.2 Amount of sound insulation of the A weight increased by the partition wall structure under different partition wall optimization measures

图10 不同隔墙优化措施下隔墙结构所增加的隔声量Fig.10 Amount of sound insulation increased by the partition wall structure under different partition wall optimization measures

可见，相对增加隔墙阻尼片、轻质板与钢板的厚度，增加吸声棉厚度对监控室的降噪效果影响是最为显著的。这是因为隔墙的隔声效果主要取决于由隔墙中隔声结构的隔声性能和吸声棉的吸声性能。隔墙的隔声结构包括轻质墙板、钢板与阻尼片，三者的面密度较高，隔声性能较好；吸声结构为吸声棉，其厚度仅为30 mm，吸声效果有限，若再增加15 mm厚度，则可大幅提高吸声棉层的吸声效果，尤其是低频吸声效果。因此，在增加隔墙各部分结构相同重量的前提下，选择将吸声棉的厚度增加15 mm作为隔墙结构的优化方案，其能以较低的成本取得更好的隔声效果。

3 隔墙结构优化实测效果验证

为验证所提方案的有效性，根据第2.2节的分析结果，对发电室与监控室间的隔墙结构进行优化。在发电车处于静止状态时，将发电室中两台型号一致的发电机按照标准运行工况开启，测试监控室的噪声大小，得到隔墙优化前后监控室的噪声频谱，如图11所示。结果显示，监控室噪声总声压级为84.6 dB（A），不同频率下的降噪量分别为1～5 dB（A），总降噪量为3.1 dB（A），降噪效果明显，达到用户提出的监控室降噪3.0 dB（A）的目标要求。