影響軌道車輛門系統空氣聲隔聲性能分析

陳富云，楚斌

（南京康尼機電股份有限公司 試驗檢測中心，江蘇 南京 210046）

0 引言

中國城市軌道交通經過十幾年的快速發展，截止2019年12月底，中國內地有40個城市開通城軌交通，總運行線路達6730.27公里。越來越多的人通過乘坐軌道交通出行。乘坐的舒適性也越來越被關注。門系統作為軌道車輛的重要組成部分，其空氣聲隔聲的好壞直接決定了乘客乘車的舒適性。

在正常的生活中聲音傳播的方式主要有固體傳聲和空氣傳聲兩種[1-2]。軌道車輛門系統隔聲性能指標主要是空氣聲隔聲。所謂空氣聲隔聲是指空氣中的聲源發聲后，激發構件這一媒質的振動，使小部分聲能被透射傳播到另一空間去[3]。軌道車輛系統空氣聲隔聲測試沒有專門的測試標準，目前國內外主要是參考建筑門窗空氣聲隔聲檢測方法GB/T 8485-2008和ISO 10140-2:2010，對測試結果的評價方法主要使用GB/T 50121-2005和ISO 717-1:2013。這兩個測試方法和評價方法的基本原理是一致的。下面以國標為例，淺析軌道車輛門系統空氣聲隔聲測試中的一些問題。

1 空氣聲隔聲測試原理

隔聲量（R）入射到試件上的聲功率與透過試件的透射聲功率之比值取以10為底的對數乘以10，單位為分貝（dB）。

其中τ為無量綱。τ為透過試件的透射聲功率與入射到試件上的入射聲功率之比。聲功率單位瓦（W）[3-4]。將各中心頻率的隔聲量與中心頻率關系繪制成二維曲線，該曲線稱為空氣聲隔聲特性曲線，參見圖1。

通過特性曲線可以看出試件在各中心頻率（或各頻率段）下的隔聲性能。在實際使用過程中我們發現，通過隔聲曲線看出的隔聲量是一組隨著頻率變化的數值，既不方便使用也很難進行比較。因此有必要規定一種方法，將這一組數值轉換成一個能代表所測樣品隔聲性能的單值量，使得不同樣品的隔聲性能可以相互比較。為了尋求一個能與人主觀感受盡可能接近的單值評價方法，于是就有了隔聲指數發、計權隔聲量法、A計權聲級法、C計權聲級法、Z計權聲級法等[5]。軌道車輛門系統隔聲測試標準GB/T 8485-2008、ISO 10140-2:2010中規定采用計權隔聲量的方式來評價被測試樣的隔聲性能。其規定將測得的空氣聲隔聲量頻率特性曲線與GB/T 50121-2005、ISO 717-1:2013中的基準曲線進行比較，得出的單值評價量（Rw），單位為分貝（dB）。

1.1 計權隔聲量Rw的確定

計權隔聲量的確定加入了人的主觀評定因素，能完全反應樣品隔聲性能的優劣，包括某一個頻率帶的特殊缺陷也可以看出來。比其它方式評價方式更符合人的聽覺特性，能更好的表明樣品隔聲效果的優劣。隔聲量的測量有1/3倍頻程測量和倍頻程測量之分，軌道交通門系統行業通常采用1/3倍頻程測量進行計算計權隔聲量。

按照GB/T 50121-2005中的評價方式，計權隔聲量Rw的確定方式有數值計算法和曲線比較法兩種[3，5-7]。

1.1.1 數值計算法

當測量量為R，且X用1/3倍頻程測量時，其相應的單值評價量為Rw必須為滿足下式的最大值，精確到1dB：

式中：i—頻帶的序號，i=1~16，代表100~3150Hz范圍內的16個1/3倍頻程；

Pi—不利偏差，按下式計算：

式中：Rw—所要求的單值評價量；

Ki—第i個頻帶的1/3倍頻程基準值；

Ri—第i個頻帶的測量值，精確到0.1dB；

1.1.2 曲線比較法

（1）將一組精確到0.1dB的1/3倍頻程空氣聲隔聲測量量在坐標紙上繪制成一條測量量的頻譜曲線；

（2）將具有相同坐標比例的的并繪有1/3倍頻程空氣聲隔聲基準曲線的透明紙覆蓋在繪有實測曲線的坐標紙上，使橫坐標相互重疊，并使縱坐標中基準曲線0dB與頻譜曲線的一個整數坐標對齊。

（3）將基準曲線向測量量的頻譜曲線移動，每步1dB，直至不利偏差之和盡量大，但不超過32.0dB為止。

（4）此時基準曲線上0dB線所對應的繪有測量量頻譜曲線的坐標紙上縱坐標的整分貝數，就是改組測量量所對應的單值評價量。

1.2 頻譜修正量（C、Ctr）的確定過程

為了更好的表達對不同噪聲的隔聲性能，根據GB/T 50121-2005的要求，引入粉紅噪聲頻譜修正量和交通噪聲頻譜修正量，其中：Rw+C表征試件對類似粉紅噪聲頻譜的噪聲（中高頻噪聲）的隔聲性能；Rw+Ctr表征試件對類似交通噪聲頻譜的噪聲（中低頻噪聲）的隔聲性能。

頻譜修正量Cj必須按照下式進行計算：

式中，j—頻譜序號，j=1或2，1為計算C的頻譜1，2為計算Ctr的頻譜2；

Rw—按照數值計算法和曲線比較法確定的單值評價量；

i—（100~3150）Hz的1/3倍頻程序號；

Lij—計算頻譜修正量的聲壓級頻譜中給出的第j號頻譜的第i個頻帶的聲壓級；

Ri—第i個頻帶的測量量，精確到0.1dB。

根據要求頻譜修正量在計算時要精確到0.1dB，最后的結果修約為整數（當測量量在100~3150Hz頻率范圍以外時，需要按照GB/T 50121-2005 附錄B對計算100~3150Hz以外頻率范圍進行頻譜修正量）。

測量出樣品在各頻譜下的隔聲量R后，通過上述方法可以方便的計算出被測樣品的計權隔聲量及頻譜修正量。按照標準要求檢測報告中通常用“Rw（C，Ctr）=X1（-X2，-X3）dB”形式表示。

2 應用分析

2.1 面密度對計權隔聲的影響

被測樣品對空氣聲隔聲的隔絕理論，一直都遵循這“質量定律”。樣品的面密度越大，聲頻越高，則隔聲量就越大。通過理論分析，證實被測樣品的面密度增加一倍，或噪聲頻率增加一倍（即提高一個倍頻程），隔聲量都會相應增加6dB。在實際的使用過程中由于現場隔聲的實際情況與理論不一致，導致在實際測試中質量m或者聲頻f加倍，構件的隔聲量增加達不到6dB，通常情況下只能增加（4~5）dB，或者更低。中國建筑科學研究院與南京康尼機電股份有限公司試驗檢測中心在對同一樣品中測試發現，240mm磚墻，雙面20mm抹灰，計權隔聲量Rw（C，Ctr）=54（-1，-2）dB；雙240mm磚墻，雙面20mm抹灰，計權隔聲量Rw（C，Ctr）=58（-1，-2）dB，樣品的面密度加倍后，隔聲量只增加了4dB。美國著名聲學家哈里斯（M.A.Hariss）在其所著的《噪聲控制手冊》中就對“質量定律”做了解釋，也印證了質量m或者聲頻f加倍，構件的隔聲量增加達不到6dB[8]。

2018年05月檢測中心對某批次研究性門板樣塊進行隔聲測試時發現：本批次測試的門板樣塊外形尺寸一致，唯一區別在于內部填充材料的厚度及放置順序不同。其中，門板樣塊1采用：3層PET+2層1.4mm厚隔音氈，樣塊的面密度24.58（Kg/m2），其計權隔聲量為Rw（C，Ctr）=28（-1，-3）dB；門板樣塊2采用：3層PET+3層1.4mm厚隔音氈，樣塊的面密度28.31（Kg/m2），其計權隔聲量為Rw（C，Ctr）=31（-1，-3）dB；門板樣塊3采用：3層PET+3層0.8mm厚隔音氈，樣塊的面密度22.46（Kg/m2），其計權隔聲量為Rw（C，Ctr）=27（-1，-3）dB；門板樣塊4采用：3層PET+2層3.0mm厚隔音氈，樣塊的面密度31.95（Kg/m2），其計權隔聲量為Rw（C，Ctr）=33（-1，-5）dB。通過測試結果發現，在相同的狀態下，面密度越大計權隔聲量越大，符合“質量定律”，見圖1。

圖1 不同面密度隔聲曲線

通過分析試驗數據同時可以發現門板樣塊3與門板樣塊4的在面密度相差僅9.49（Kg/m2）時，但其計權隔聲量就相差6dB，此結果與“質量定律”有一定的出入。查閱相關文獻并結合實際分析：大致認為被測樣塊是一種復合構件，其計權隔聲量的影響因素較多，不能完全按照“質量定律”來評價其計權隔聲量。對于這種復雜構件的計權隔聲量最有效的評價方式是進行實驗檢測[5]。

2.2 密封狀態對計權隔聲的影響

但對于軌道車輛門而言，另一個影響其隔聲性能好壞的因素就是密封狀態。通過分析大量試驗數據發現門四周的密封狀態對整個門隔聲性能的影響能夠達到（2~10）dB。統計分析，（70~85）%不合符要求的試驗樣品是門密封沒有到位，通過簡單的調整即可滿足要求。還有（10~15）%是樣品本身設計或者材料選擇不合適，導致不合格。

2017年01月檢測中心對國內某個地鐵線電動雙開內藏移門進行了多種密封方案的隔音測試，其中，無任何密封狀態下門系統的計權隔聲量僅為Rw（C，Ctr）=18（-1，-1）dB；采用斜0.5°擠壓方案時，門系統的計權隔聲量為Rw（C，Ctr）=23（0，-1）dB；采用活動膠條方案時，門系統的計權隔聲量為Rw（C，Ctr）=21（0，-1）dB；采用雙毛刷迷宮方案時，門系統的計權隔聲量為Rw（C，Ctr）=23（-1，-1）dB。詳細分析這四種不同配置狀態，可以發現門系統鎖閉狀態時的密封程度對整個門系統的隔音量有很大作用，此時隔音量的提高與質量定律無關。

圖2 不同密封方案

2.3 樣品本身特性對計權隔聲的影響

被測樣品的隔聲量除了與樣品面密度、密封性能等因素有關外，還與樣品本身特性有關。在進行一些研究性試驗室時，門系統內部粘接方式不同，其計權隔聲量會有很大差異。圖3為同樣二個樣品，僅蒙皮和填充材料之間的粘接方式不同，其測試結果差異很大。樣品1 PET填充+鋁蒙皮，計權隔聲量為Rw（C，Ctr）=27（-1，-4）dB；樣品2 PET填充+鋁蒙皮，在鋁蒙皮與PET填充使用某種粘膠劑粘結，計權隔聲量為Rw（C，Ctr）=22（-1，-2）dB。分析這兩個樣品的1/3倍頻程隔聲特性曲線，發現樣品1在整個測試頻率范圍內未出現明顯的共振和吻合效應。而樣品2的在低頻段（125~400Hz）有明顯的共振現象存在，在高頻段（＞4000Hz）又出現了吻合效應，測試結果也驗證了共振和吻合效應對樣品計權隔聲量的不利影響。

圖3 不同粘接方式的特性曲線

3 結論

通過實際測試我們發現：（1）軌道車輛門系統作為復雜構件，與單一材質的測試樣品不同，且車門系統的幾何尺寸與入射聲波波長相比，并不算很大。按照質量定律的假定把它們看成是“無限大”的構件來處理時，所得出的結果與實際測試情況有很大差別；（2）軌道車輛門系統作為活動的裝置，與其相接的框之間往往存在漏聲縫隙，這些縫隙的存在對門的隔聲會產生難以準確估計的影響，建議在測試前參考安裝說明書將門系統壓條與膠條的調整到合適狀態。（3）如果想設計高隔音量的門系統，建議在填充材料的選取上最好選用吸聲材料與隔聲材料的復合結構，這樣可以得到更好的效果。（4）在多層薄板組成復合構件時，應該避免由于各層板太薄，軟硬相差較大，而導致復合結構產生共振和吻合頻率區的聲能透射，使得復合構件隔聲量降低。