引言

隨著我國城市軌道交通技術(shù)的不斷發(fā)展,地鐵運輸由于其具有快速、準點、安全等特點,已經(jīng)逐漸成為城鎮(zhèn)居民日常出行的首選。但地鐵車輛在隧道內(nèi)運行時難免會產(chǎn)生噪聲,導致乘客的乘坐舒適性變差。在地鐵車輛設計與研發(fā)的過程中,需要提高車輛的隔聲性能以達到降低客室內(nèi)噪聲的目的。因此,車體結(jié)構(gòu)隔聲性能已經(jīng)逐漸成為影響城市軌道交通可靠商業(yè)運營的關鍵因素,關于車輛隔聲特性的研究成為軌道交通技術(shù)研究的一個重要分支。

近年來,車輛隔聲問題在我國得到了廣泛關注。張捷等人通過室內(nèi)試驗獲取車體地板鋁型材板件結(jié)構(gòu)的隔聲特性、阻尼損耗因子和模態(tài)密度等:然后結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果,建立車體地板鋁型材板件結(jié)構(gòu)的振動噪聲預測模型,從而提出了一種使用單層板對鋁型材的聲振特性預測進行等效建模的方法,適用于中高頻范圍。

本文針對我國某型地鐵車輛建立了車內(nèi)噪聲預測模型,分析比較了不同地板隔聲優(yōu)化方案的降噪效果。

1地板隔聲方案介紹

針對某型地鐵列車車體地板結(jié)構(gòu),在其原結(jié)構(gòu)的基礎上,通過在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部敷設三聚氰胺板和陶瓷纖維棉等減振降噪材料,提高其降噪性能。

具體對比方案如表1所示。

如表1所示,在原有的"70mm鋁型材地板+3mm地板布+18mm鋁蜂窩內(nèi)地板"的基礎上,敷設三聚氰胺板和陶瓷纖維棉等阻尼材料,進行降噪處理。具體方案如下:

方案一:在鋁型材表面敷設19mm的三聚氰胺板,敷設后地板總厚度為110.0mm,總質(zhì)量為46.2kg。

方案二:在鋁型材表面敷設4mm的陶瓷纖維棉,并在四角用木塊支撐,其空氣層厚度為15mm,敷設后地板總厚度為110.0mm,總質(zhì)量為46.8kg。

方案三:在鋁型材表面敷設4mm的陶瓷纖維棉和15mm的三聚氰胺板,敷設后地板總厚度為110.0mm,總質(zhì)量為47.0kg。

方案四:在鋁型材表面敷設兩層4mm的陶瓷纖維棉,中間用木塊支撐,其空氣層厚度為11mm,敷設后地板總厚度為110.0mm,總質(zhì)量為47.6kg。

對上述四種組合降噪方案下地板鋁型材的隔聲量進行測試,結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知,上述四種組合降噪方案中,方案三的降噪效果最顯著,計權(quán)隔聲量為47.1dB。從頻率隔聲曲線可見,方案三提高的頻率區(qū)段主要在400~1250Hz。

通過室內(nèi)試驗測得方案三降噪組合結(jié)構(gòu)的隔聲效果最顯著,故采用此種組合方案進行車內(nèi)降噪分析。因此,建立車內(nèi)噪聲預測模型,以方案三的隔聲量曲線為輸入,分析方案三的降噪效果。

2計算模型

下面基于統(tǒng)計能量分析,以VA0ne軟件為仿真計算平臺,建立某型地鐵車輛車內(nèi)噪聲預測分析模型,對車內(nèi)噪聲水平進行預測分析,并研究地鐵列車聲源大小及隔聲性能對車內(nèi)噪聲的影響。

2.1統(tǒng)計能量分析(SEA法)概述

統(tǒng)計能量分析以梁、桿、板、殼、柱等子結(jié)構(gòu)為建?；A,搭建復雜系統(tǒng)的振動和噪聲耦合動力學預測模型。子系統(tǒng)之間的能量平衡方程如下:

式中:[L]為包含內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子的系統(tǒng)能量損耗矩陣:[E]為子系統(tǒng)能量矩陣:[P]為系統(tǒng)輸入功率矩陣。

能量定義式如下:

式中:M為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的質(zhì)量:<w3>為時間平均和空間平均的均方振動速度:M<w3>為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的能量:v為聲學子系統(tǒng)的體積:<p3>為時間平均和空間平均的均方聲壓:p為介質(zhì)密度:c為聲音在介質(zhì)中的傳播速度:v<p3>/(pc3)為聲場子系統(tǒng)的能量。

通過理論計算或試驗測試可以獲取系統(tǒng)的模態(tài)密

度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子、輸入功率等,基于這些參數(shù)和輸入功率,可以求出目標子系統(tǒng)的平均能量水平,從而進一步轉(zhuǎn)換為所需振動級、聲壓級、應力等動力學參數(shù)。

2.2SSE模型

下面以VAone軟件為仿真計算平臺,建立某地鐵車輛車內(nèi)噪聲預測分析模型。

圖2給出了sEA車內(nèi)聲學預測模型,其中圖2(a)為車輛整體模型,圖2(b)為車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)示意圖,圖2(c)為車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)示意圖,車內(nèi)聲腔編號由車頭方向往車尾方向依次遞減,圖2(d)為載荷分布。

3地板隔聲對車內(nèi)噪聲的影響

車外主要聲源為輪軌噪聲和地板下輔助設備噪聲,所以地板隔聲對于車內(nèi)噪聲有重要影響。

下面基于上文建立的車內(nèi)噪聲預測模型,通過改變地板隔聲量大小來研究其對車內(nèi)噪聲的影響。圖3給出了地板結(jié)構(gòu)隔聲量在-5~5dB(A)范圍波動時車內(nèi)噪聲水平的變化情況,列車以80km/h速度勻速運行。

由圖3可知,當?shù)匕甯袈暳吭龃?dB(A)時,司機室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲均減小0.5dB(A):

隨著地板隔聲量的減小,車內(nèi)噪聲值逐漸增加,當?shù)匕甯袈暳繙p小5dB(A)時,司機室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲分別增加1.3dB(A)、1.4dB(A)、1.5dB(A)和1.5dB(A)。

4地板優(yōu)化方案降噪效果評價

將方案三地板組合結(jié)構(gòu)的隔聲量測試結(jié)果輸入計算模型,對其降噪效果進行評價,結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)為靜置狀態(tài)下車內(nèi)各個位置的降噪效果,圖4(b)為以80km/h速度勻速運行狀態(tài)下車內(nèi)各個位置的降噪效果。

由圖4可知,地板優(yōu)化前后對于車內(nèi)靜置噪聲幾乎沒有影響:對于80km/h勻速運行車內(nèi)噪聲也僅降低了0.4dB(A)左右,影響較小。分析原因可能和車體除地板外的其他某些板件結(jié)構(gòu)隔聲性能較差有關,即出現(xiàn)了"短板效應",導致即使地板隔聲性能得到優(yōu)化,但對于列車內(nèi)部降噪效果并不明顯。

5結(jié)論

本文以我國某型地鐵車輛地板型材結(jié)構(gòu)為研究對象,通過建立車內(nèi)噪聲預測模型,分析比較了不同地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的降噪效果,得到以下結(jié)論:

（1）由室內(nèi)板件隔聲特性測試結(jié)果可知,"70mm鋁型材地板＋+mm地板布＋13mm鋁蜂窩內(nèi)地板＋18mm三聚氰胺板＋5mm陶瓷纖維棉"地板組合的隔聲特性最佳。

（2）當?shù)匕甯袈暳吭龃?2d(A)時,司機室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲均減小0.82d(A):隨著地板隔聲量的減小,車內(nèi)噪聲值逐漸增加,當?shù)匕甯袈暳繙p小82d(A)時,司機室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲分別增加1.+2d(A)、1.52d(A)、1.82d(A)和1.82d(A)。

（3）地板優(yōu)化前后對于車內(nèi)靜置噪聲貢獻效果不明顯,對于30km/h勻速運行車內(nèi)噪聲僅降低了0.52d(A)左右。