轨道车辆内部噪声控制研究

轨道车辆内部噪声控制研究

郭凌羽

身份证号：130206199907300327

摘要：为满足车内乘客的舒适性，轨道车辆对车内噪声提出需求，速度越高，对控制噪声的要求越高。本文从噪声源分析、噪声的机理及传播途径研究噪声控制方法，并重点从轨道车辆的吸声、减振、隔声、密封降噪措施进行深入探讨。

关键词：轨道车辆；噪声；降噪措施

随着铁道车辆的迅速发展，人们对于轨道车辆的舒适性和噪声控制的要求也越来越严格。然而一切噪声又源于振动，振动能够引起某些部件的早期疲劳损坏，从而降低轨道车辆的使用寿命；过高的噪声既能损害驾驶员的听力，还会使驾驶员迅速疲劳，从而对轨道车辆的行驶安全性构成了极大的威胁。所以噪声控制，也关系到的轨道车辆耐久性和安全性。因此振动、噪声和舒适性这三者是密切相关的，既要减小振动，降低噪声，进而提高乘坐舒适性，保证产品的经济性，使噪声控制在标准范围之内。

随着车速的提高，车辆噪声也越大，要求我们通过使用新结构、新材料、新工艺，来降低轨道车辆内部噪声和振动，提高乘客乘车的舒适性。

一．轨道车辆噪声源分析

铁路噪声(车外噪声)由于其产生的机理和部位不同大致可分为牵引、辅助设备噪声、轮轨噪声、集电系统噪声、空气动力噪声和结构二次辐射噪声。

牵引、辅助设备噪声主要来自牵引电动机、牵引变流器、空气压缩机、空调机组等设备的运转噪声。

轮轨噪声发生在轮轨相互作用位置，车轮、钢轨和轨枕是轮轨噪声的主要来源。

空气动力噪声主要发生在车头、受电弓、空调设备、排气装置、车门、车窗、车辆连接部位、转向架、车体外表面和车尾位置等非圆滑部位，车辆速度越高，气动噪声越大。

轨道车辆的运行噪声与速度关系分为三个区段。在较低速度时（小于35km/h）集电系统噪声占据主导地位；随着速度的增加，轮轨噪声逐渐占据主导地位，一般来说在速度低于250km/h时，轮轨噪声占据了车外噪声的绝大部分；在速度250~300km/h范围内，车外的气动噪声已经达到与轮轨噪声等同的程度，此时，车外噪声需要考虑气动噪声；当速度超过300km/h时，气动噪声逐渐占据统治地位，如图1所示。

二．轨道车辆噪声的机理及传播途径

轨道车辆声场环境非常复杂，声源众多，根据噪声传递过程，可以分成直达声、透射声和振动辐射声，如图2所示。

直达声是从噪声源发出，以空气为媒介，从车窗、车门的缝隙和风口等直接传播到车内的声音。透射声指的是透过车身结构传到车内的声音。振动辐射声为固体传播声，包括一次固体传播噪声和二次固体传播噪声。一次固体传播噪声主要是轮轨、车辆机械系统引起的振动，振动能量通过固体结构和悬挂系统传到车体内壁，引起车体内壁振动，进而辐射噪声。二次固体传播噪声是噪声源的声能量激发车体内壁，引起车体内壁振动，进而辐射噪声。

根据噪声产生和传播的机理，可以把噪声控制技术分为三类：一是对噪声源的控制，二是对噪声传播途径的控制，三是对噪声接受者的保护。其中对噪声源的控制是最根本、最直接的措施。但是对轨道车辆运行时的噪声源很难进行控制，就需要在噪声的传播途径中采取措施，例如吸声、隔声、消声、减振及隔振等措施。

三．降噪的控制措施

1 气动噪声的控制措施

高速列车周围气体的激烈紊流以及气体与车辆表面摩擦而产生，高速列车气动噪声主要有以下几种：受电弓噪声、通风装置噪声、列车头部噪声、表面阶差噪声等。减少高速列车的空气阻力使高速列车具有良好的空气动力学性能，可有效的降低高速列车的气动噪声。

优化高速列车底部可有效降低底部的其他气动噪声，采用在车体侧墙下安装裙板的方法，阻挡两侧空气流向车底，更有效的方法是采用外形合理的车底外罩，将除转向架之外的整个车底部分全部封住，可有效降低车体底部的气动噪声。

2轮轨噪声的控制措施

在轮轨滚动噪声中，车轮和钢轨两个主要的噪声源，在不同的频率范围内，车轮和钢轨对滚动噪声的贡献是不一样的：频率低于1600Hz，钢轨是主要的噪声源；1600Hz以上，车轮辐射噪声开始占主导。

轮轨噪声控制措施如下：

（1）采取相应的措施，减小线路的不平顺，降低轮轨噪声；

（2）采用阻尼车轮、弹性车轮、在车轮上安装调谐阻尼器或环形阻尼器，以及屏蔽车轮辐板等措施，可以有效降低列车运行时的轮轨噪声。

3 车辆被动降噪

轨道车辆采取的被动降噪措施有以下几种：

(1)吸声：用多孔材料贴敷在墙壁和车顶表面，以吸收辐射或反射出的声能，达到降低噪声的目的，常用的吸声材料有玻璃棉、矿渣棉、泡沫塑料、毛毡等；或利用共振原理制成多孔板为吸声的墙壁结构，均能取得较好的吸声效果。

吸声材料（结构）种类很多，按其材料结构状况可以分为如图3的大类：

在噪声控制以及音质设计中，吸声材料得到广泛应用，主要作用如下：

1）缩短和调整室内混响时间，消除回声；

2）降低室内的噪声级；

3）在轻质隔声结构内和隔声罩内表面作为辅助材料，提高构件隔声量。

(2)消声：消声是防止空气动力性噪声的主要措施，用于风道、排气管；利用滤波的原理使声波在传播途中改变方向或形态，或在消声器内装设吸声材料达到消耗声能降低噪声的目的。

(3)隔声：用某些材料、结构和装置将声源封闭，以达到控制噪声传播的目

的。其中，单层均质板是最为常用的隔声结构，典型均质板的隔声频率特性曲线如图4所示。可分为三个区域：I、劲度控制区；II、质量控制区；III、吻合效应控制区。第一个区域为劲度控制区和共振控制区（阻尼控制区）。第二个区是质量控制区。在这个区域，板的质量愈大、频率愈高，隔声量也愈大。此区域曲线的斜率为4~6dB/每倍频程。第三个区域为吻合效应区。当入射波频率达到某一频率时，构件中弯曲波的波长与入射波波长在构件上投影时，在最低的吻合效应频率（临界频率）位置产生隔声低谷。

(4)隔振：在振动控制技术中，隔振是目前振动控制上最为广泛和有效的措施。隔振的基本原理是在设备与基础之间安装弹性部件，支座受力发生弹性变形，起到缓冲作用，减弱对基础的冲击力，使基础产生的振动减弱；支座本身的阻力消耗振动能量，也减弱设备传给基础的振动。

隔振的基本参数是隔振体系的质量m和质量惯性矩J，隔振器的刚度k和阻尼比，隔振体系的传递率和被隔振体的容许振动线位移（或容许振动速度）。假定隔振体系为单自由度体系，可按下列步骤进行：

1）根据实际需要，确定振动传递率，则隔振效率为：=1-。

2）由传递率求出隔振体系的固有频率0（rad/s）；

为干扰圆频率，一般来说固有圆频率应该低于干扰圆频率，至少应满足/01.41.一般情况下，/0比值在2.5~4.5范围内选取。

3）按照下列公式计算隔振体系的总刚度k：k=m02，式中k—隔振体系总刚度（kN/m）；m—隔振体系总质量。

4）对于均匀承载的隔振器，隔振器的数量可以通过下式计算得到：Nk/ki；

5）减振器的总承载能力为：NpiW+1.5pd，W=mg。式中pi—单个隔振器容许承载力（kN）；W—隔振体系总重量（kN）；m—隔振体系总质量（t）；g—重力加速度（9.81m/s2）；pd—作用在隔振器上的干扰力（kN）。

6）根据隔振器布置情况，计算隔振体系上要求振动控制点的最大振动线位移Amax（或最大振动线速度等），使之满足AmaxA，A—容许振动线位移。

7）调整参振总质量m，总刚度k等，最终满足传递率和控制点的最大位移。

减振降噪也就是要进行车体结构的声学设计，通过改变车体结构和材料，结合轻量化、隔热性能，采取隔声、减振、吸声措施，达到对轨道车辆车内噪声控制的目的。

四．轨道车辆的吸声、减振、密封降噪措施

轨道车辆针对其特有的噪声源及传播途径，从吸声、减振、密封等提出有针对性的降噪措施。

1、吸声措施：

一般轨道车辆采取的改善吸声系数的措施主要有三种：

1）在侧墙、车顶以及地板所用的超细玻璃棉表面粘贴无纺布取代传统粘接铝箔，无纺布表面粗糙，密度较低可以有效的降低表面的声反射，提高吸声性能；

2）车顶回风口处采用多孔铝合金板材，多孔板与内部的防寒材形成吸声腔可以有效吸收噪声；

3）在内饰板与车窗等部位结合区域粘贴多孔吸声材料。

2、减震措施：

轨道车辆所采用的减振措施一般可以分为两类：对振动源与车体之间的连接节点进行优化设计，尽量减少振动源与车体之间的连接点，从而减少导致车体振动的振动源数量，降低由结构振动所激励的噪声；在车外振动源与车体之间、车内部件与车体之间所采取的减振措施。

2.1车外及车内的减振措施

1）车外减振措施

与车体连接的噪声源大部分都会传递不同频率特性的作用力到车体上，从而引起车体的振动形成结构噪声。在速度较高的车辆引发车体振动的车外部件与车体接口之间都采用了弹性减振措施，根据重量以及分布位置的不同，大致可分成两种：弹性橡胶节点减振结构以及弹性橡胶垫减振结构。

2）车内的减振措施

a）车内阻尼浆

为了降低车体振动所引起的噪声，在车体内部和车体地板外部可喷涂一层高性能的阻尼浆。

b）地板采取的减振措施

地板结构可采用浮筑的形式，地板采用浮筑结构，由地板木骨和安装在它上面的地板构成，木地板中间带有减震层，木地板下面安装保温材料；在地板木骨的上面安装减振垫，减振垫可由特殊的泡沫材料制成，以形成弹性支撑。

3）密封措施：

良好的隔声性能是保证车内噪声满足要求的关键因素。影响隔声结构隔声性能的因素很多，例如入射声波的方向，入射声波的频率，隔声构件的面密度、劲度、阻尼，有无孔、洞、缝隙、声桥等。其中隔声构件上的孔、洞及拼缝不严而形成的漏缝，对部件隔声性能产生很大的影响。

a）车体采取的密封措施

铝合金车体由铝合金型材整体焊接组成，焊缝基本为满焊，可避免焊缝所产生的孔隙。底架区域所开的过线孔以及过管孔密封措施，可避免车下噪声的传入。

b）风挡与车体间的密封

轨道车辆风挡与车体端墙间一般采用螺栓固定，螺纹间采用乐泰胶锁固密封，风挡与端墙间采用一种自密封橡胶垫圈进行密封，风挡与螺栓紧固后橡胶垫圈可紧压在端墙上进行双层密封。

c）车窗及车门采取的密封措施

车门的隔声量取决于它的重量和构造，尤其是门缝处的密封程度。侧门一般采用塞拉门结构，在接缝处垫衬以可压缩的乳胶、橡胶、毛毡等密封条，从而提高门的隔声能力。

对于窗的隔声性能，主要在于占窗面积80%左右的玻璃的隔声效果，其次还需要解决窗缝的密封。普通窗的隔声性能往往满足不了较高的隔声要求（特别是高于35dB(A)的隔声量），当要求隔声窗的隔声量在35dB(A)以上时，应用最多的还是双层窗结构。

五．小结

铁路要发展,环境要保护,这是人类永久一致的目标。这是一项科学的技术、管理工作。提高旅客乘车舒适度，降低噪声，是一项长期而艰巨的系统工作；降低噪声不仅与车体结构，材料的选用有关，而且我们要选用多种降噪措施，不仅降低车内噪声，也要降低车外噪声。这是一个系统的工程，需要我们不断学习新技术，选用新材料和低噪声产品，共同致力于改善中国人的旅行环境。

参考文献：

1. 城市轨道交通噪声控制的探讨

2．铁路振动环境影响评价的方法

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