高速客车车辆噪声分析及其控制技术的研究 - 文章

高速客车车辆噪声分析及其控制技术的研究

作者：贺才春袁健林胜杨军孙旭孟光

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摘要：对目前我国具有最高运营速度的“中华之星”国产高速客车车辆进行了噪声实测，分析了国产高速客车车辆的噪声特性。国产高速客车车辆噪声频谱峰值主要集中在中频段1kHz倍频程中心频率及63Hz的线性低频率，噪声呈中低频特性。本文分析了现有客车车辆主要噪声源，并针对目前国产车辆的实际情况，提出了降低车辆内部噪声的主要措施。文中简单介绍了噪声传播控制机理和噪声传播方式，着重讨论了无源噪声控制技术及高性能阻尼材料在无源噪声控制技术中的应用。
关键词：高速客车车辆；车内噪声；噪声特性；噪声控制；阻尼材料
中图分类号：TB533+2

引言

高速轨道交通的振动噪声问题已日益得到了人们的关注和重视。当前随着铁路交通的进一步提速，能否将客车车辆的振动噪声控制在容许范围内，使铁路交通在满足乘客高效、快节奏需求的同时，也能满足高舒适度和低噪声的要求，这在一定程度上是决定高速铁路是否能得到人们接受和认可的关键，因此车辆的减振降噪控制也将显得更为重要和迫切。

振动噪声控制主要采取振动源与噪声源控制、振动传播与噪声源传播以及接受物控制三个方面进行，其中从振动源和噪声源进行控制是根本途径。对于铁路交通系统来说分为线路减振降噪和车辆减振降噪两个方面。线路减振降噪通常是从规划上着手，而车辆减振降噪是从结构设计上和无源控制方面着手。从规划上和结构设计着手是一种比较主动的方式，而从无源控制方面上着手则是一种被动的方式。无源控制技术是一种传统的减振降噪控制技术，包括吸声、隔声、消声、隔振和阻尼减振。这方面的技术国内外的发展都比较成熟，已成为目前解决振动噪声控制问题的重要手段，而相应的控制产品（如消声器、隔声罩、隔振器、阻尼材料）的生产是振动和噪声控制产业的主要组成部分。振动噪声控制产品的性能随环境因素（如频率、温度等）而变化。

本文以我国目前具有最高运营速度的“中华之星”客车车辆为研究对象，根据实车噪声测试结果，分析了高速客车车辆的噪声源及其噪声特性。在此基础上，讨论了车辆噪声控制技术，其中重点讨论了无源噪声控制原理及高性能阻尼材料和阻尼处理结构设计在车辆上的应用。

1 高速车辆噪声分析

1.1 噪声特性分析

为了了解国产高速客车车辆的噪声特性，掌握主要噪声源的频率等特征参数，为降噪技术的研究和应用提供依据，我们于2003年9月份对目前国产最高车速的“中华之星”进行了噪声测试。图1示出了三种车速下车辆内部噪声频谱特性。

从图1中可看出，当列车行驶速度从120km/h提高到200km/h时，50 ～ 5000Hz频率段声压级有明显的增加，但曲线的形状变化不大，这说明随着列车行驶速度的提高，车厢内部的噪声值明显增大，但噪声频率特性基本保持不变。对于A计权声压级，车辆噪声主要集中在1kHz左右的中频段。对于线性声压级，车辆噪声主要集中在80Hz以下的低频段。这是由于A计权是模拟人耳对40方纯音的响应，它使被测的声音通过时，低频段有更大范围的衰减，使仪器对高频声音敏感，低频声音不敏感。而线性声压级是对噪声不加任何修正的一种客观评价。由此得知，国产高速客车车辆噪声具有宽频带特征，但80Hz以下的低频噪声和1kHz左右的中频噪声是车辆内部噪声的主要成分。

1.2 噪声源分析

轨道车辆的噪声源主要有：

（1）轮轨噪声

钢轨与轮轨之间相互作用而产生的声响。这种相互作用在车轮和轨道相接触处产生力的作用，造成车轮和轨道的振动而向外辐射声波。轮轨噪声有3种主要类型：摩擦噪声、撞击噪声和轰鸣噪声（或滚动噪声）。每一种均由相对应的机械结构所产生。

（2）车辆非动力噪声

车辆非动力噪声主要指制动系统中在实施制动时闸瓦与制动盘之间摩擦振动，它激发制动闸瓦片、闸瓦托架以及制动盘等产生自激振动形成辐射噪声。

（3）车辆设备噪声

通风机、压缩机、牵引电机等运转所产生的噪声，它是高速列车的主要噪声之一。车辆设备噪声，特别是通风机和压缩机的噪声，随列车速度的提高而明显增大。

（4）车辆运行时的空气动力噪声

随着列车速度提高，空气动力噪声明显增大，当列车速度达到250km/h以上时，空气动力噪声急剧上升，并且成为车辆噪声的重要组成部分。

由“中华之星”现车测试结果可知，在车辆内不同的部位，各种噪声源所起的作用也不同。轮轨噪声和车辆非动力噪声在车辆低位部分所起的作用大于其在高位部分所起的作用；而通风机等空调机组噪声在车辆高位部分所起的作用则大于低位部分所起的作用。

2 车辆噪声控制

对车辆噪声的控制通常包括从噪声源和噪声传播途径两方面进行。从噪声源着手进行控制是主动有效的，但由于技术水平和条件的限制，很难达到理想的噪声控制的效果，因此还必须在其传播途径上采取适当的控制措施，即无源控制。

2.1 噪声源控制

对噪声源的控制包括：

（1）降低轮轨踏面的凹凸不平顺性是降低轮轨噪声的有效措施。采用减摩材料代替铸铁制动块，.采用盘面制动代替踏面制动及钢轨磨轨，磨去轨面的高低不平等方法均能有效地控制轮轨踏面的不平顺性。
（2）降低轮轨间动态作用力及振动水平，降低车辆的结构辐射噪声。
（3）通过采用刚度大、阻尼系数高的钢轨垫片、.增加钢轨阻尼、增加钢轨吸振器、埋入式钢轨及钢轨截面形状优化（如矮钢轨、窄轨脚）等措施降低钢轨振动水平，降低钢轨辐射噪声。
（4）通过采用声等改变车轮结构的方法降低车轮振动水平，降低车轮辐射噪声。
（5）通过优化空调机组等设备的减振系统，降低振动水平，从而降低这类机组设备振动引起的结构辐射噪声。

2.2 噪声传播控制

噪声传播控制，又称无源噪声控制，它通过特殊的材料及其结构设计使车体外部噪声入射到车体表面时被转化成以下主要部分：1）一部分被反射；2）一部分在经过车体时被转化成其它形式的能量或波形而被吸收。如：其中一部分被贴附于车体上的高阻尼材料转化成热能而被损耗了，另一部分转换为结构辐射噪声或其它形式的波形；3）最后剩下的一部分透过车体进入车辆内部。噪声传播过程中的能量分配见图2。

图2 噪声传播控制的原理

根据能量守恒定律，设入射声能为E，反射声能为E1，损耗声能为E2，波形转化能量为E3，透过声能为E4，则有：

E=E1+E2+E3+E4

反射声能与入射声能之比越大，材料的隔声性能越好；而透过声能与入射声能之比越小，则材料的吸声性能就越好。

无源噪声控制分隔离噪声和吸收噪声两种基本方法。根据噪声的传播方式，可将噪声分为：空气传播噪声和结构辐射噪声。空气传播噪声是噪声以波的形式并以一定的速度在空气中传播，其强度在远离声源的区域逐渐减弱；结构辐射噪声是振动产生的噪声波以不同的速度在固体物质中传播，它主要以折射波的形式传播。

2.2.1 噪声隔离

噪声隔离分为空气传播噪声隔离和结构辐射噪声隔离。空气传播噪声隔离是通过隔离和吸收从隔离物上反射噪声能量来实现的，剩余的噪声能量辐射到另一侧后再通过空气进行传播。隔离物表面越重越柔软，则空气传播噪声隔离效果越好。结构辐射噪声隔离是通过使噪声在声学材料上反射，而使噪声传播衰减来实现的。声学材料层越柔软体积越大，则结构辐射声音隔离的效果就越好。

用于高速客车车辆的隔声材料可做成覆盖于地板结构上的垫子，如沥青毛毡垫、柔软的沥青金属泊、高阻尼橡胶垫等产品；也可做成喷涂或刮涂于车体表面上的糊状产品，如合成树脂涂料、沥青-橡胶混合涂料等产品。这类材料的隔声效果取决于使用环境的温度和噪声的频率。

2.2.2 噪声吸收

噪声吸收分为空气传播噪声吸收和结构辐射噪声吸收。空气传播噪声吸收是通过使空气传播噪声透过纤维或泡沫材料时声能转化成热能来实现的。使用的纤维材料或泡沫材料越厚越密，则空气传播噪声吸收效果就越好。结构辐射噪声吸收是通过使噪声透过粘附于结构上阻尼材料的均匀层后声能部分转化成热能来实现的。在这种情况下，结构辐射噪声在成为空气传播噪声之前已被吸收。阻尼材料吸收性能和损耗性能越好，则结构辐射噪声吸收性能就越好。在实践中，纯空气传播噪声的现象很少，通常它都是与结构辐射噪声同时存在的，这部分结构辐射噪声在基体材料上传播，将同时被吸声材料吸收而达到最佳降低噪声效果。为此，提出了对结构辐射噪声和空气传播噪声都能吸收的材料复合结构，见图3。其基体材料（如沥青毛毡）吸收和隔离结构辐射噪声，吸声材料（如聚氨脂泡沫）吸收空气传播声音。对客车车厢地板、侧墙及车顶等车体内表面装贴具有这种复合结构的声学材料，能达到良好的降噪效果。

研究结果表明，孔缝密封性能对车辆内部噪声有较大影响。采用密封性、抗老化性及耐温性能良好的密封材料对车厢门、窗等部位的孔、缝进行严格的密封处理，也能达到良好的隔声效果。

根据噪声传播控制机理和噪声传播形式，通过对阻尼材料特性的合理选用和阻尼结构的合理设计以及合理的密封处理，使噪声在传播过程中能得到有效的控制，从而达到降低车辆噪声的目的。

3 结论

高速客车车辆噪声测试结果表明：目前我国高速客车车辆噪声大的问题还比较严重，160km/h运行时，车辆噪声最大值为74dBA；200km/h运行时，车辆噪声最大值达到了80.8dBA。由此可知：

1）运行速度高于160km/h时，车辆内部噪声远远高于现行国家标准要求的容许值。现行国家推荐标准《铁路客车噪声的评定（GB/T 128 — 91）》要求：客车软席车厢的容许噪声值（不大于）为68dB。

2）车辆内部的最大噪声值随着运行速度的提高而明显增大。
这一事实应引起我国铁路向高速化发展的决策人以及生产单位的极大关注和重视。

3）高速客车车辆噪声源繁多，噪声成分复杂，噪声特性主要呈中低频特性。

对于车辆内部的噪声控制，噪声源控制是积极主动的，但技术要求高，难度大，投入多。而高性能阻尼材料的无源噪声控制技术，因其具有无需改造现有设备、投入相对较少、施工简单方便，无需维修保养等优点，可作为高速客车车辆噪声治理的一个重要手段，并且具有广阔的发展前景。

参考文献：
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