地鐵列車車內客室端部噪聲源傳遞率分析

張靜靜，李 帥

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

目前，我國大中型城市將地鐵作為主要交通運輸模式，極大程度地緩解了因城市人口眾多而產生的交通擁堵問題。但是，地鐵運輸過程中的噪聲問題產生的影響，越來越受到人們的關注。其中，車內噪聲問題已經逐漸成為影響城市軌道交通商業運營的關鍵因素[1-4]。因此，關于地鐵車輛車內噪聲問題的研究成為了一個熱門話題。

車端區域一般是車輛客室內噪聲最顯著的區域，因此需要重點研究。Hee-Min等[5]基于流體動力學理論，模擬了車端連接處的腔體噪聲。研究表明，車端存在的低頻噪聲主要由腔內外氣體循環引起，安裝整流罩可以有效控制車端噪聲。Fan等[6]通過聲強法與部分相干法結合，成功識別滾動噪聲、設備噪聲、車體振動聲輻射等噪聲源對列車內部噪聲的傳遞，并對四節車廂近窗和地板的聲強研究分析。統計數據表明，列車處于3種不同速度時，車廂地板聲強高于近窗聲強，車內噪聲主要是由地板振動聲輻射引起的結構噪聲。袁旻忞等[7]將高速列車CRH380B作為研究對象，進行運行工況下傳遞路徑分析法（Operational Transfer Paths Analysis，OTPA）測試，考慮高速列車的主要激勵聲源為氣動噪聲，通過數據實驗，分析車內噪聲在不同噪聲源的傳遞速率。數據結果表明，轉向架和車頂是高速列車廂內噪聲的主要來源。

本文通過研究我國某型地鐵，建立車廂內噪聲預測模型，研究車廂內噪聲與噪聲激勵源的關系。

1 地鐵列車車輛噪聲源調研

地鐵行駛過程中，車外噪聲源會經過車體板件結構對車內進行輻射。同時，由轉向架區域和設備懸掛區域產生的結構振動會傳遞到車身，引起車身的振動和輻射噪聲。其中，軌道不平順、車輪不圓化能夠引起激擾力，它會輻射車內噪聲，經過轉向架結構和懸掛系統傳遞到車內，引發車廂振動，進而刺激車廂內裝飾結構振動而引起聲輻射，這是一次結構傳播聲的主要來源；車廂外部噪聲以空氣為介質，通過波的形式傳播到車體表面，進而導致側墻和車內地板部件的聲輻射，這是二次結構傳播聲的主要來源。直達聲和透射聲是空氣傳播聲的兩種主要形式。直達聲強弱與車體密封性相關，它是由車廂外噪聲通過車體表面孔隙傳遞到車廂內產生的。透射聲的強弱與噪聲本身的強弱及壁板的隔聲量相關，它是由車廂外噪聲穿透車體表面壁板傳遞到車廂內產生的。本文所研究的地鐵列車，當其以80 km/h速度勻速運行時，輪軌噪聲和空調噪聲是車輛端部主要的噪聲源。

圖1給出了列車以80 km/h速度勻速運行時車輛端部聲源激勵輸入的1/3倍頻程譜圖，圖中橫坐標為頻率，縱坐標為聲壓級。

圖1 車輛端部聲源激勵

由圖1可知，對于輪軌噪聲激勵源，其噪聲水平相較于空調噪聲要高，其主頻在400 Hz頻段，超過90 dB（A），并且在高于200 Hz的頻段內，其噪聲水平均較大。對于空調噪聲激勵源，其激勵源分為空調機組和空調出風口。對于空調機組來說，噪聲主頻在1 250 Hz頻段，而對于空調出風口來說，噪聲主頻在630 Hz頻段。

將本節關于車輛噪聲激勵源的調研結果輸入車內噪聲計算模型，進而研究地鐵列車車內端部噪聲源的傳遞率。

2 計算模型

本文在VA One軟件平臺下，建立某地鐵車廂內噪聲預測分析模型。

圖2給出了統計能量分析（SEA）車內聲學預測模型，車內聲腔編號由車頭方向往車尾方向依次遞減，圖2為載荷分布。

圖2 SEA車內聲學預測模型

計算模型中所采用的車體主體結構隔聲參數如圖3所示。本文主要分析地板、頂板、平頂、側墻、車窗和車門六大車體主體結構。

圖3 車體板件結構隔聲參數

3 車內噪聲水平預測

根據上一節內容，研究在輪軌噪聲和空調噪聲激勵下，地鐵列車以80 km/h勻速運行時的車內噪聲水平，計算結果如圖4所示。其中，聲腔3、4、5和聲腔16、17、18分別代表客室前端和客室后端。

由圖4可知，當列車以80 km/h速度勻速運行時，客室內噪聲水平在71～72 dB（A）之間。整體噪聲水平表現為客室前后端部噪聲要高于客室中部噪聲。因此，控制客室端噪聲對于整體噪聲研究具有重要意義。

圖4 車內噪聲預測結果

4 車端噪聲聲源傳遞率分析

由上文分析可知，車輛客室內端部噪聲最顯著，輪軌噪聲和空調噪聲是車端噪聲的主要來源。為了有效控制車端噪聲，需要分析車廂內多種噪聲源的傳遞速率。基于功率流追蹤方法，研究各子系統對車內噪聲的傳遞情況。首先，跟蹤車內客室端部聲腔子系統的輸入凈功率流，其次追蹤客室端的主要噪聲源，通過分析得到客室端噪聲的聲源速率。車內客室端聲腔子系統的輸入功率主要通過8種路徑進行傳輸，即地板空氣聲、側墻空氣聲、頂板空氣聲、地板結構聲、側墻結構聲、頂板結構聲、前方聲腔和后方聲腔。其中，最后兩種傳輸路徑與客室端部聲腔子系統存在耦合關系。以客室前端噪聲源傳遞率為例來說明：整體來說，存在輪軌噪聲和空調噪聲兩個主要的聲源。圖5為客室前端部噪聲源傳遞率。

圖5 客室前端部噪聲源傳遞率

對于輪軌噪聲來說，其噪聲能量99.79%傳遞至客室端部下方聲腔。從客室下方聲腔傳遞至客室內時，主要存在2條路徑。首先，客室下方聲腔的噪聲直接通過地板傳遞至車內，在這過程中由于地板隔聲，噪聲衰減至73.91%后傳至車內。其次，客室下方聲腔噪聲傳遞至客室前側外聲腔，在這過程中，噪聲幾乎不衰減，傳遞率為99.91%。然后，客室前側外聲腔噪聲經由車內和車窗傳至車內，在這過程中，由于受到車門和車窗隔聲特性的影響，使得通過車門和車窗傳至車內的噪聲分別衰減至18.24%和45.24%。而輪軌噪聲主要對客室內下部噪聲影響顯著。所以，還需要提高地板隔聲來控制因輪軌噪聲源而導致的車內噪聲問題。車窗隔聲也需要提高，車門隔聲特性良好。

對于空調噪聲來說，可以細分為空調機組噪聲和空調出風口噪聲。空調機組位于客室上方外聲腔，通過頂板傳遞至車內，在這過程中受到頂板隔聲特性的影響，噪聲傳至車內時衰減至4.25%。空調出風口由于本身位于客室內部，其噪聲82.27%傳遞至車內。而空調噪聲主要對客室內上部噪聲影響顯著。同時可以看出，頂板隔聲特性良好，對空調噪聲源的控制主要應該放在空調出風口上。當噪聲傳遞至車內后，在車輛上部、中部和下部之間也存在相互傳遞。其中，上部向中部的傳遞率約為34%，下部向中部的傳遞率約為16%。

5 結論

本文通過研究我國某型地鐵，建立車廂內噪聲預測模型，研究車廂內噪聲與噪聲激勵源的關系，得到以下結論：

（1）地鐵行駛過程中，車廂端部噪聲主要由兩部分產生：輪軌噪聲和空調噪聲。其中空調噪聲來源又分為兩部分：空調機組噪聲和空調出風口噪聲。

（2）當列車以80 km/h速度勻速運行時，客室內噪聲水平在71～72 dB（A）之間。整體噪聲水平表現為客室前后端部噪聲要高于客室中部噪聲。

（3）通過分析數據，對比車端噪聲聲源傳遞率，可以發現，還需要提高地板隔聲來控制因輪軌噪聲源而導致的車內噪聲問題，而對空調噪聲源的控制主要應該放在空調出風口上。