軌道交通減振降噪技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展研究

趙天

摘 要：軌道交通具有載客量大、行車速度高、可靠性高等特性而備受大眾青睞。隨著我國科技和經(jīng)濟實力的不斷增強，政府對軌道交通建設(shè)愈加重視，并投入了大量人力、物力、財力，不僅促進了城市化進程加快，并且便捷了大眾出行方式。然而由于軌道交通車速較快，因此軌道交通運行過程中會伴隨著較大的噪聲，很容易讓乘客感覺到不安和疲倦。基于此背景，本文深入分析了軌道交通車輛的振動和噪聲源，接著分析了噪聲和振動的測試方法，及降噪技術(shù)的應(yīng)用，最后對減震降噪技術(shù)進行了展望，以期為軌道交通減振減噪提供一定的經(jīng)驗指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：軌道交通;減振降噪;應(yīng)用;展望

中圖分類號：U270.16 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0047-02

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國軌道交通越來越成熟和完善，大大提高了人們的出行效率，成為了人們出行的首要選擇之一。軌道交通因其運載量大、能耗低、綠色環(huán)保及科技含量高等特性成為了各個國家交通運輸領(lǐng)域的重點關(guān)注對象。在我國的北京、上海、廣州、深圳、成都、南京、武漢等大中型城市都大規(guī)模地建設(shè)了地鐵和高鐵等類型的軌道交通設(shè)施。但是，由于人們的環(huán)保意識不斷增強及對出行舒適度要求越來越高，軌道交通在運行過程中產(chǎn)生的振動噪聲會影響人們的聽力及心情，甚至巨大的振動會誘發(fā)人體器官的共振，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生，對人體造成損壞，這極大影響著人們的出行質(zhì)量和用戶體驗。如果不能有效地減振減噪，勢必會制約軌道交通的發(fā)展。為了有效降低軌道交通的振動和噪聲問題，本文分析了軌道車輛的振動源和噪聲源，然后在此基礎(chǔ)上探討了減振降噪技術(shù)的應(yīng)用，最后提出了未來軌道交通的發(fā)展方向。

1 軌道交通車輛的振動與噪聲源分析

要有效地降低軌道交通振動和噪聲問題，必須先認識其振動和噪聲的來源，及每個噪聲源對總噪聲的貢獻值。

1.1 車外振動源和噪聲源

這部分噪聲主要由輪軌噪聲、牽引噪聲及空氣動力學(xué)噪聲等組成且噪聲的大小由車輛行駛速度決定。在低車速區(qū)域，車外主要是輪噪為主，并且其頻率在800到2500赫茲之間，而空氣動力學(xué)噪聲主要是在高車速下表現(xiàn)出來的。輪軌噪聲是軌道交通最為主要的噪聲源之一，其牽引力噪聲主要來自與牽引電機和冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇。空氣動力學(xué)噪聲則取決于行車速度，隨著車速以601gv到801gv的幅度而有規(guī)律地增加。并且，當(dāng)車輛經(jīng)過隧道時，由于隧道內(nèi)的空氣受到車輛擠壓而在隧道產(chǎn)生壓力波，從而使得噪聲明顯增大，尤其是在車輛上感受最為明顯[1]。

1.2 車內(nèi)振動和噪聲源

軌道交通車內(nèi)的振動和噪聲很難像車外那樣進行分類甄別，并且影響車外的聲振源同樣會影響車內(nèi)的振動和噪聲。一般來說，車內(nèi)噪聲是各種電機設(shè)備噪聲和外部噪聲共同作用的集合，其主要噪聲源來自車內(nèi)的空調(diào)、風(fēng)機、壓縮機、變頻器和變流器等。而外部的噪聲主要是由輪軌噪聲、空氣動力學(xué)噪聲組成。另外，車外的脈沖壓力也會引起車內(nèi)的噪聲。

2 噪聲與振動測試分析

噪聲和振動的測試分析是優(yōu)化振動降低噪聲的有效工具，通過測量來評估現(xiàn)有產(chǎn)品的噪聲和振動水平，并根據(jù)實驗結(jié)果來進一步制定后續(xù)噪聲和振動的優(yōu)化方案。關(guān)于車外的噪聲測量通常是用單個麥克風(fēng)來進行測量，但是對于高速列車還需要考慮多普勒效應(yīng)、列車周圍湍流運動以及地面等因素對噪聲的影響，車外聲壓級可根據(jù)ISO3095-2005標準進行測量，關(guān)于車內(nèi)噪聲的測量在實際測試中可參考ISO3381-2005（E）的標準來開展。圖1為車輛內(nèi)部噪聲測點布置圖。駕駛室的噪聲測點距底板高1.2m，客車內(nèi)噪聲測點同時在1.2m的高度布置5個傳感器，其中第一個位于轉(zhuǎn)向架上方主要測量轉(zhuǎn)向架的噪聲，最后一個位于2節(jié)車廂接頭的通道處用于測量連接處的噪聲，其余位于這2個測點之間等距布置[2]。

3 軌道交通車輛的減振降噪技術(shù)應(yīng)用

3.1 減振降噪方式

空氣是噪聲的轉(zhuǎn)播媒介，振動則是通過固體的振動來傳遞的。因此減振降噪可分為吸音、隔音、吸振和隔振。

（1）吸音減噪：在密閉空間布置吸聲材料。常用的吸音材料是吸音棉。該吸音原理是吸音棉有無數(shù)空氣組成的微孔，可以緩沖和吸聲噪聲和振動。除了專門的吸音棉以外，棉花、海綿泡沫塑料等都可以作為吸音材料，從而降低噪聲和振動。

（2）隔音減噪：在噪聲源周圍安裝格擋物來達到降低噪聲的目的。如果格擋物能完全將聲源隔離成為墻體，則降噪效果取決于墻體的隔音性能，隔音量越大，噪聲越低;隔音板越靠近聲源，隔音效果越好。

（3）吸振減噪：在振動源添加子系統(tǒng)，使得振動源某一頻率的振動得到控制，稱為動力吸振。常用的動力吸振主要是采用動力吸振器來吸收振動的能量，動力吸振器主要有非線性動力吸振器、阻尼動力吸振器、無阻尼動力吸振器和復(fù)合動力吸振器等4種。非線性動力吸振器在吸振方面的效果通常比線性更好，主要是其利用勁度非線性設(shè)計和阻尼非線性設(shè)計的隔振和吸振裝置來實現(xiàn)吸振。阻尼動力吸振器不受頻帶的影響，適用范圍比無阻尼動力吸振器更寬，因此也被稱為寬帶吸振器。復(fù)合動力吸振器是通過將多組動力吸振器進行合理的組合而形成的，其具有吸振頻帶寬的特點，其通過合理分布每組的共振頻率及恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計參數(shù)能很好地降低振動[3]。

（4）隔振減噪：其為一種通過減弱固體聲的傳遞，來衰減振動能量在振源和防振體之間添加的彈性連接過程。一般地，軌道交通如地鐵，高鐵和輕軌等采用的隔振材料主要是橡膠，軟木和氈類等。除此之外，液壓減震器和空氣彈簧也有所運用。國內(nèi)外的大多數(shù)軌道交通（地鐵、鐵路和高鐵等）都采用金屬彈簧和橡膠作為彈性元件，而輕軌則采用空氣彈簧和金屬橡來達到減振的目的，其減振效果非常好。

3.2 減振降噪材料的選擇

一般來說，軌道交通車輛中常用的吸聲材料有纖維多孔吸聲材料、共振吸聲材料和薄板薄膜等。纖維多孔吸聲材料有大量的空隙且相互之間連通，孔隙深入材料內(nèi)部。薄板薄膜也能一定程度上吸聲，如木板、金屬板做成的天花板或者墻板等，這種材料利用了共振吸聲原理來實現(xiàn)減振和吸聲的功能。發(fā)生共振時，薄板會劇烈振動大量吸聲。靠共振吸聲的材料有柔性材料（泡沫等主要吸聲中頻噪聲）、膜狀材料（塑料膜、帆布和人造革主要吸聲低中頻率噪聲）、板狀材料（膠合板、硬質(zhì)纖維和石棉水泥板等主要吸收低頻噪聲）以及穿孔板（在板材上打孔主要吸聲中頻噪聲）。通過復(fù)合使用上述幾種材料，能大大提高吸收范圍和吸聲吸聲，極大程度上可以降低噪聲和振動。

3.3 減振降噪措施

（1）車體側(cè)墻處的減振降噪：第一，減振。軌道交通車輛的側(cè)墻振動主要是由于金屬薄板受激發(fā)產(chǎn)生的振動現(xiàn)象，而金屬板自身的阻尼很小，因此聲輻射效率很高。為了降低這種類型的振動和噪聲，通常使用的辦法是在薄板上噴涂高內(nèi)阻的粘彈性材料，如橡膠、瀝青或高分子材料等。當(dāng)車身側(cè)壁的金屬板振動時，在阻尼的作用下，一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁拐駝铀p，從而降低振動和噪聲。此外在選擇高阻尼材料時，不僅要考慮中低頻減振和吸聲效果較好的材料，同時還應(yīng)該考慮材料的隔熱、防潮等特性。第二，降噪。對于降低車身側(cè)壁的噪聲，不僅要考慮側(cè)墻的隔音和吸音特性，還要考慮車窗和車門的密封性。為了降低這種類型的噪聲，在我國的軌道交通車輛上通常根據(jù)車身輕吸音材料量化要求，在側(cè)板涂抹阻尼膠并以此填充海綿體和泡沫等，從而形成復(fù)合阻抗作用，使得側(cè)墻的振動和噪聲得到衰減。另外，在選擇材料時還應(yīng)兼顧材料的防潮、隔熱以及防火等特性，綜合考慮后擇優(yōu)選取。

（2）車下設(shè)備的減振降噪：車下設(shè)備的噪聲主要來自車體下部的大型設(shè)備比如：牽引變流器、變壓器、空壓機等等。而一般減少車下設(shè)備噪音的主要措施改善車身機構(gòu)，也可以在這些大型設(shè)備上使用新型的減振器，利用隔音或則吸音材料將這些大型設(shè)備的聲音屏蔽起來。車下振動和噪聲主要來自輪軌、主電機、齒輪和轉(zhuǎn)向架周圍的動力噪聲和振動。首先提高軌道的平整度可大幅降低滾動噪聲。日本新干線列車的軌道下鋪設(shè)了一層與道碴相似的具有吸音效果的材料，其主要是由垃圾焚燒的殘渣組成的，是一種非常廉價的降噪材料，通過使用這種材料可以將噪聲降低約3分貝左右。其次，在軌枕和混凝土填充物之間的縫隙添加彈性材料也可降低噪音和振動。軌道車輛在運行時由于車輪高速旋轉(zhuǎn)且軌道表面并非光滑且輪軌還存在一定的缺陷等原因?qū)?dǎo)致產(chǎn)生滾動噪聲。

（3）轉(zhuǎn)向架的減振降噪：為了保證車輛在轉(zhuǎn)向時具有較大的穩(wěn)定性，同時保證轉(zhuǎn)向架的可靠耐久，必須盡可能地降低轉(zhuǎn)向架的振動和噪聲。在實際運用中，通常在高速列車上采用一系和二系彈簧懸掛、三向油壓減震器以及技術(shù)來降低轉(zhuǎn)向架的振動和噪聲。同時為了實現(xiàn)較小的橫向振動，高速列車還采用了軸向間隙更小的圓錐滾子軸承。此外，為了提高列車通過曲線的穩(wěn)定性和舒適性，在轉(zhuǎn)向架上還安裝有非線性的空氣彈簧，這使得當(dāng)列車在走直線時空氣彈簧較柔軟，而當(dāng)列車走曲線時，空氣彈簧較硬從而在整體上改善列車的舒適度。另外，通過加大空氣彈簧左右安裝間距，還能有效地提高列車的抗側(cè)滾能力。

4 減振技術(shù)發(fā)展方向

未來軌道交通的減振方向主要從主動控制和被動控制兩個方面著手。主動方面的減振控制主要是通過優(yōu)化軌道的結(jié)構(gòu)、提高軌道尺寸計算的精度，通過控制振動源和噪聲源以達到降低軌道噪聲的目的，可以優(yōu)化車輪的結(jié)構(gòu)，車輪采用無縫接軌，同時定期打磨鋼軌等，從源頭上降低軌道振動的噪聲。而被動控制降低噪聲是未來軌道交通發(fā)展的重要方向之一，被動控制主要是采用了振動、噪聲隔離或噪聲的吸收技術(shù)等，從根源上吸收噪聲或者切斷噪聲波，通過控制軌道振動噪聲達到降低的作用。同時，在軌道中挖減振動溝和設(shè)置隔震槽、設(shè)置隔聲屏障也是未來軌道減震技術(shù)發(fā)展的主要方向。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軌道交通已深入國民的生產(chǎn)生活中，改變了人們的出行方式。但是由于存在較大的振動和噪聲，對人們乘坐的舒適性提出更高要求，降低振動和噪聲成為了目前軌道交通行業(yè)的研究重點之一。對此，業(yè)內(nèi)人士需要深入發(fā)現(xiàn)與研究軌道交通的噪聲與振動來源，并不斷完善車內(nèi)外及轉(zhuǎn)向架的減振降噪技術(shù)，為減振降噪技術(shù)提供足夠的經(jīng)驗指導(dǎo)。

參考文獻

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[2] 楊弘.高速列車減振降噪技術(shù)研究[J].鐵道車輛，2006（02）：9-14+45.

[3] 湯晏寧.城市輕軌車輛車內(nèi)噪聲分析及降噪研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2005.