城市軌道交通車輛空調系統噪聲試驗研究

王翠艷 張耕寧 曹學峰 李 彥

(石家莊鐵道大學,050043,石家莊∥第一作者,助教)

城市軌道交通車輛運行時處于全封閉狀態,空調系統成為其必不可少的組成部分。然而,空調系統在提供“冬暖夏涼”舒適環境的同時,其噪聲問題卻未能得到較好解決。如何有效地控制空調系統輻射噪聲,需依賴于對噪聲源的準確評定與識別,并在此基礎上進行優化設計,才能把噪聲污染限制在可允許的范圍內。常用的噪聲評價指標有聲壓、聲強和聲功率。聲壓或聲強表示的是聲場小振幅的點強度,對于非平面波一般聲場,其隨測點至聲源距離的增加而減小;聲功率表示聲源輻射的總強度,它與測量距離及測點的具體位置無關,已成為機械噪聲源噪聲輻射強度評定的一個重要指標。一直以來,軌道交通車輛空調系統噪聲輻射聲功率級的測定多運用聲壓測量法。但該方法易受環境的影響而要進行數值修正,甚至需要消聲室、半消聲室或混響室等特殊的聲學環境,可操作性較差。聲強測量法因其對測試環境要求較低,可進行現場測試,已成為軌道交通空調噪聲輻射聲功率級評定中最有效的手段之一。本文采用的聲強測量法的基本原理見文獻[1]。

1 機車空調噪聲試驗與分析

1.1 試驗設定

本試驗采用德國MuellerBBM-Type PAK便攜式振動與噪聲測試系統聲強測試模塊。測試系統的主要部件有Gefell-Type SIS91聲強儀(配有12 mm話筒間隔裝置)、NL-22聲級計、MKII多通道數據采集儀、計算機等設備。在進行測試之前,用CASELLA-Type CEL110/194 dB at 1 kHz聲級校準器對整個測量系統進行校準。

為得到較為真實、可靠的試驗結果,試驗選在廠房外露天空曠場地(近似于自由場)中進行。試驗場溫度t0=26℃,靜壓P0=105Pa,風速小于2 m/s,背景噪聲為43.8 dB(A)。

試驗時,將被測的空調機組作為聲源,安裝在固定試驗架上。這里僅考慮一個地面反射面,假設它被一個矩形包絡面s所包圍,位置如圖1所示。測試以標定工況下(冷凝風機2個風機速度,壓縮機全負荷工作,送風機1個風機速度)空調機組整機表面輻射噪聲的測試為主。在測試期間,測試環境及空調機組工況均穩定在相應狀態保持不變。

圖1 矩形包絡面面元的位置描述

1.2 試驗與結果分析

1.2.1 聲壓法測定

聲壓法測定聲功率級的現場測量是簡易測量,僅測量噪聲源的A計權聲功率級。按圖1所示在平行六面體的5個測量表面選取17個測點(測點分布見圖2)。各測點距被測空調表面1 m。其中測點1～8在距地面高度為1 000 mm的平面上;測點9～16在距地面高度為2 000 mm的平面上;測點17在空調機組中心正上方,距機組表面1 m處。測試結果見表1。

圖2 測量點布置圖

表1 各測點聲壓級測試結果

對于噪聲測試結果的修正,由于空調機組輻射噪聲與平均背景噪聲相差15 dB(A)以上,故K1(背景噪聲修正)取0;因在廠房外露天測試,10 m內無大的反射物,故K2(環境修正)也取0。因此,該空調機組整機噪聲聲壓級為76.3 dB(A),計算可得聲功率級為93.9 dB(A)。

1.2.2 聲強法測定

本試驗依據國際標準ISO 9614—2掃描部分要求,如圖1所示,將被測空調機組用一個長×寬×高=3 000 mm×1 750 mm×1 000 mm的假想矩形包絡面包圍。試驗人員手持聲強探頭,身體盡量離開探頭軸線位置,按規定路線連續移動聲強探頭,沿初始測量表面依次掃描記錄空調機組包絡面上5個側面及其它進/出風口處的聲強信號;每次測量時間為30 s,并以連續兩次掃描平均值作為測試結果。試驗完畢,將記錄的信號進行分析處理,得到每個測量面元每個頻帶的局部聲功率;進一步計算可得到每個頻帶的噪聲源聲功率總量值,如表2所示。

表2 各個側面及整機的聲功率測試結果

為便于分析,利用PAK 5.4聲強分析軟件做出了空調機組的A計權聲功率1/3倍頻譜圖(見圖3、圖4)。由此得出整個機組和各風口輻射噪聲的主要頻率成分,有利于噪聲的控制。

圖3 整個機組的聲功率1/3倍頻程頻譜分析

圖4 其它進/出風口的聲功率1/3倍頻程頻譜分析

從圖3可以看出,整個空調機組噪聲穩定,分布面寬;當頻率在250 Hz時聲功率級值較大,存在尖峰,試驗結果為88.5 dB(A);頻率在1 kHz時聲功率級也較大,試驗結果為87.8 dB(A)。這主要是受風機噪聲影響,其次是空調機組罩殼受激振動輻射以及機座振動引起的機械噪聲的影響;另外,空調機組的運轉工況對噪聲輻射也存在一定的影響。

從圖4可以看出,送風口、回風口、新風口輻射噪聲主要以中高頻為主,送風口聲功率級最高達78.2 dB(A),比其它兩個風口平均要大16 dB(A)。這主要是受由空氣動力性、機械和管路等噪聲組成的制冷機組噪聲的影響。空氣動力性噪聲主要由冷凝風機引起,包括進氣噪聲、排氣噪聲和風葉噪聲;機械噪聲是由壓縮機缸體及曲軸的高速往復運動引起的;管道噪聲則是由制冷機組的制冷液在管道內流動引起的,為脈動噪聲。

2 結語

本文利用聲壓法、聲強法對城市軌道交通車輛空調機組噪聲輻射情況進行了試驗研究,驗證了在機械噪聲源的聲學特性參數聲功率測定中聲強法具有更好的可操作性與可靠性,得到了空調系統噪聲輻射聲功率的大小及其頻率特性,分析了影響空調系統噪聲的主要因素。然而,噪聲問題是一個比較復雜的問題,我國對于軌道交通車輛空調噪聲的研究及防治尚處于初級階段,有待于不斷加以研究和改進。

[1] 王孚懋,任勇生,韓寶坤.機械振動與噪聲分析基礎[M].北京：國防工業出版社,2006.

[2] 黃璞,蔣偉康.聲強法在磁懸浮列車車廂聲源識別中的應用[J].鐵道工程學報,2005(5)：5.

[3] 中國標準出版社第二編輯室.中國標準保護標準匯編?噪聲控制[M].北京：中國標準出版社,2000.

[4] 馬大猷.噪聲與振動控制工程[M].北京：機械工業出版社,2002.

[5] 洪宗輝.環境噪聲控制工程[M].北京：高等教育出版社,2002.[6] 龔林正,張明哲.大容量空調噪聲研究及防治[J].甘肅科學學報,2006,18(1)：114.