地鐵列車不同地板隔聲方案降噪效果研究

時蒙 李帥 韋海菊

摘 要：地鐵車輛地板結構作為重要的噪聲傳遞路徑，其隔聲性能對車內噪聲有重要影響。現以具體某型地鐵車輛地板結構為研究對象，首先分析比較了不同地板結構優化方案的隔聲量，然后基于統計能量方法建立車內噪聲預測模型，對隔聲量最優的地板組合方案進行評估。地板方案優化前后對于車內靜置噪聲整體貢獻效果不明顯，而80 km/h勻速運行時的車內噪聲降低了0.4 dB（A）左右。該研究成果對軌道車輛減振降噪有一定的指導意義。

關鍵詞：地鐵列車;車內噪聲;地板;隔聲;減振降噪

中圖分類號：U270.1+6? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）13-0053-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.015

0??? 引言

隨著我國城市軌道交通技術的不斷發展，地鐵運輸由于其具有快速、準點、安全等特點，已經逐漸成為城鎮居民日常出行的首選。但地鐵車輛在隧道內運行時難免會產生噪聲，導致乘客的乘坐舒適性變差。在地鐵車輛設計與研發的過程中，需要提高車輛的隔聲性能以達到降低客室內噪聲的目的。因此，車體結構隔聲性能已經逐漸成為影響城市軌道交通可靠商業運營的關鍵因素[1-3]，關于車輛隔聲特性的研究成為軌道交通技術研究的一個重要分支。

近年來，車輛隔聲問題在我國得到了廣泛關注。張捷等人[4]通過室內試驗獲取車體地板鋁型材板件結構的隔聲特性、阻尼損耗因子和模態密度等;然后結合室內試驗結果，建立車體地板鋁型材板件結構的振動噪聲預測模型，從而提出了一種使用單層板對鋁型材的聲振特性預測進行等效建模的方法，適用于中高頻范圍。

本文針對我國某型地鐵車輛建立了車內噪聲預測模型，分析比較了不同地板隔聲優化方案的降噪效果。

1??? 地板隔聲方案介紹

針對某型地鐵列車車體地板結構，在其原結構的基礎上，通過在其結構內部敷設三聚氰胺板和陶瓷纖維棉等減振降噪材料，提高其降噪性能。

具體對比方案如表1所示。

如表1所示，在原有的“70 mm鋁型材地板+3 mm地板布+18 mm鋁蜂窩內地板”的基礎上，敷設三聚氰胺板和陶瓷纖維棉等阻尼材料，進行降噪處理。具體方案如下：

方案一：在鋁型材表面敷設19 mm的三聚氰胺板，敷設后地板總厚度為110.0 mm，總質量為46.2 kg。

方案二：在鋁型材表面敷設4 mm的陶瓷纖維棉，并在四角用木塊支撐，其空氣層厚度為15 mm，敷設后地板總厚度為110.0 mm，總質量為46.8 kg。

方案三：在鋁型材表面敷設4 mm的陶瓷纖維棉和15 mm的三聚氰胺板，敷設后地板總厚度為110.0 mm，總質量為47.0 kg。

方案四：在鋁型材表面敷設兩層4 mm的陶瓷纖維棉，中間用木塊支撐，其空氣層厚度為11 mm，敷設后地板總厚度為110.0 mm，總質量為47.6 kg。

對上述四種組合降噪方案下地板鋁型材的隔聲量進行測試，結果如圖1所示。

由圖1可知，上述四種組合降噪方案中，方案三的降噪效果最顯著，計權隔聲量為47.1 dB。從頻率隔聲曲線可見，方案三提高的頻率區段主要在400～1 250 Hz。

通過室內試驗測得方案三降噪組合結構的隔聲效果最顯著，故采用此種組合方案進行車內降噪分析。因此，建立車內噪聲預測模型，以方案三的隔聲量曲線為輸入，分析方案三的降噪效果。

2??? 計算模型

下面基于統計能量分析，以VA One軟件為仿真計算平臺，建立某型地鐵車輛車內噪聲預測分析模型，對車內噪聲水平進行預測分析，并研究地鐵列車聲源大小及隔聲性能對車內噪聲的影響。

2.1??? 統計能量分析（SEA法）概述

統計能量分析以梁、桿、板、殼、柱等子結構為建模基礎，搭建復雜系統的振動和噪聲耦合動力學預測模型。子系統之間的能量平衡方程如下：

?????????????????ω[L][E]=[P]（1）

式中：[L]為包含內損耗因子和耦合損耗因子的系統能量損耗矩陣;[E]為子系統能量矩陣;[P]為系統輸入功率矩陣。

能量定義式如下：

E=M<v2>，（2）

式中：M為結構子系統的質量;<v2>為時間平均和空間平均的均方振動速度;M<v2>為結構子系統的能量;V為聲學子系統的體積;<p2>為時間平均和空間平均的均方聲壓;ρ為介質密度;c為聲音在介質中的傳播速度;V<p2>/（ρc2）為聲場子系統的能量。

通過理論計算或試驗測試可以獲取系統的模態密度、內損耗因子、耦合損耗因子、輸入功率等，基于這些參數和輸入功率，可以求出目標子系統的平均能量水平，從而進一步轉換為所需振動級、聲壓級、應力等動力學參數。

2.2??? SEA模型

下面以VA One軟件為仿真計算平臺，建立某地鐵車輛車內噪聲預測分析模型。

圖2給出了SEA車內聲學預測模型，其中圖2（a）為車輛整體模型，圖2（b）為車體結構子系統示意圖，圖2（c）為車內聲腔子系統示意圖，車內聲腔編號由車頭方向往車尾方向依次遞減，圖2（d）為載荷分布。

3??? 地板隔聲對車內噪聲的影響

車外主要聲源為輪軌噪聲和地板下輔助設備噪聲，所以地板隔聲對于車內噪聲有重要影響。

下面基于上文建立的車內噪聲預測模型，通過改變地板隔聲量大小來研究其對車內噪聲的影響。圖3給出了地板結構隔聲量在-5～5 dB（A）范圍波動時車內噪聲水平的變化情況，列車以80 km/h速度勻速運行。

由圖3可知，當地板隔聲量增大5 dB（A）時，司機室、客室前、客室中和客室后的車內噪聲均減小0.5 dB（A）;隨著地板隔聲量的減小，車內噪聲值逐漸增加，當地板隔聲量減小5 dB（A）時，司機室、客室前、客室中和客室后的車內噪聲分別增加1.3 dB（A）、1.4 dB（A）、1.5 dB（A）和1.5 dB（A）。

4??? 地板優化方案降噪效果評價

將方案三地板組合結構的隔聲量測試結果輸入計算模型，對其降噪效果進行評價，結果如圖4所示。其中圖4（a）為靜置狀態下車內各個位置的降噪效果，圖4（b）為以80 km/h速度勻速運行狀態下車內各個位置的降噪效果。

由圖4可知，地板優化前后對于車內靜置噪聲幾乎沒有影響;對于80 km/h勻速運行車內噪聲也僅降低了0.4 dB（A）左右，影響較小。分析原因可能和車體除地板外的其他某些板件結構隔聲性能較差有關，即出現了“短板效應”，導致即使地板隔聲性能得到優化，但對于列車內部降噪效果并不明顯。

5??? 結論

本文以我國某型地鐵車輛地板型材結構為研究對象，通過建立車內噪聲預測模型，分析比較了不同地板結構優化方案的降噪效果，得到以下結論：

（1）由室內板件隔聲特性測試結果可知，“70 mm鋁型材地板+3 mm地板布+18 mm鋁蜂窩內地板+15 mm三聚氰胺板+4 mm陶瓷纖維棉”地板組合的隔聲特性最佳。

（2）當地板隔聲量增大5 dB（A）時，司機室、客室前、客室中和客室后的車內噪聲均減小0.5 dB（A）;隨著地板隔聲量的減小，車內噪聲值逐漸增加，當地板隔聲量減小5 dB（A）時，司機室、客室前、客室中和客室后的車內噪聲分別增加1.3 dB（A）、1.4 dB（A）、1.5 dB（A）和1.5 dB（A）。

（3）地板優化前后對于車內靜置噪聲貢獻效果不明顯，對于80 km/h勻速運行車內噪聲僅降低了0.4 dB（A）左右。

[參考文獻]

[1] 沈志云.高速列車的動態環境及其技術的根本特點[J].鐵道學報，2006，28（4）：1-5.

[2] SOETA Y，SHIMOKURA R.Survey of interior noise characteristics in various types of trains[J].Applied Acoustics，2013，74（10）：1160-1166.

[3] EADE P W，HARDY A E J.Railway vehicle internal noise[J].Journal of Sound and Vibration，1977，51（3）：403-415.

[4] 張捷，肖新標，王瑞乾，等.高速列車鋁型材聲振特性測試及等效建模[J].浙江大學學報（工學版），2017，51（3）：545-553.

收稿日期：2022-04-09

作者簡介：時蒙（1986—），男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向：軌道車輛。