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客车内部噪声发生的机理
车外噪声要向车内传播, 具体途径有 2 个 : 一是通 过车体及门窗上所有的缝隙直接传入车内 ; 二是车外 噪声声波作用于车体的壁板, 激发壁板的振动 , 并向车
高速列车减振降噪技术研究
杨
弘
内辐射噪声。这种辐射噪声的强度与壁板的隔声能力 有关, 也就是说它服从质量定律的规律。车内噪声主 要由空气声、 固体声和混响声三部分组成。车辆上几 乎所有的噪声源都对车内辐射噪声, 加上车体自身产 生的噪声及车体对外部噪声的放大作用 , 使得车内噪 声控制成为一项相当复杂的工作。但归纳起来有减弱 声源强度、 隔绝传播途径和吸声处理几个方面。治理 空气声传播主要靠隔声措施 , 治理混响声传播主要靠 吸声措施 , 治理固体声传播主要靠隔振和减振措施。 2. 1. 2 车体作为弹性体参加振动 车体噪声主要来自 2 个方面: 一是车体振动; 二是 空气与车身之间的冲击和摩擦。前者引起的噪声受车 体结构、 车上设备安装方式、 各激振源特性等多种因素 影响 ; 而后者只受车体外形结构和列车行驶速度的影 响。 2 种噪声对车内外噪声均有影响 , 在一般情况下, 以车体振动噪声的影响为大。 车体振动可分为频率较低的摆动和频率较高的颤 动。前者在高速列车中可以通过整治轨道和改进转向 架的设计加以有效控制 ; 而后者表现为车体的弹性振 动, 成为影响旅客舒适度的主要因素。 车体由钢结构、 内装材料和车内设备组成。过去 在做钢结构计算时, 一直把钢结构假设为刚体来进行 计算。实际上, 在外界轮轨振动的激励下, 车体的振动 状态十分复杂, 经过模态分析和现场测试, 发现在轮轨 振动的激励下, 车体本身成为一种多方向变动的弹性 体参加振动。 2. 1. 3 避免车体共振 为了避免车体的固有频率与转向架的振动频率相 重合 , 一般要求在整备状态下车体的最低自振频率要 大于 10 H z, 车体的弯曲振动频率与转向架点头和浮 沉振动的频率比值大于 1 4 。 不同的车体结构 , 其共振频率有很大差异 , 车体设 计时应正确选取 , 避免转向架、 牵引电机、 空调机的共 振频率或激振频率与车体各板件的共振频率相一致, 同时应将车顶、 侧墙、 底架的共振频率互相错开 , 以防 止产生强烈的共振噪声。轮轨的激励使车体振动, 车 体振动会引起牵引电机、 空调机等部件的振动 , 而牵引 电机、 空调机等部件的振动又反过来传给车体。为防 止这种 反馈 现象 , 可采用试验的方法或模态分析的 方法决定牵引电机、 空调机等部件的最佳安装位置和 支承刚度 , 使整车各部件固有频率实现最佳匹配。 研究表明, 25T 型客 车车 体振 动噪 声 的频 率为 5 3 H z~ 16 5 H z, 其中, 以车体骨架结构产生的振动 噪声在 5 H z~ 30 H z 的低频范围内, 以壁板为主产生 的振动噪声在 30 H z~ 300 H z 的低中频范围内。
一般来说, 从车体结构本身出发, 解决共振问题有 3 项措施 : ( 1) 改变振动部位结构的固有频率, 避开与 振源频率接近而产生振动的放大现象, 即避开与相连 部件固有频率接近的现象 ; ( 2) 改变结构振动部位的固 有振型, 从根本上减小振幅 ; ( 3) 增加结构阻尼以衰减 振幅。 2. 1. 4 控制车体辐射的振动和噪声, 避免车内共鸣 防止或消除车内共鸣与共振, 调整设计车体固有 频率 , 有效利用吸声材料或控制轮轨激励振动传递系 统, 在噪声反射系统上调节振动特性, 以改善车内空腔 共鸣问题。 在车体各构件中 , 板件振动对车身噪声影响最大。 这是因为板件的声辐射效 率较高。为减 弱板件的振 动, 可给它设置加强筋以提高其刚度; 也可加装阻尼材 料或贴减振材料 , 以增加振动的衰减。另外, 在板件上 涂阻尼材料, 降低其声辐射效率, 对减少噪声也很有效 果。一般说来, 涂料覆盖量为 0 25 g / cm 2 时, 隔声效 果最佳。 2. 1. 5 降低噪声源的噪声辐射 消除或减弱噪声源的噪声辐射, 降低每一个噪声 源辐射能量 , 对车内噪声控制都是有利的。如对转向 架、 受电弓、 牵引电机等采取屏蔽处理, 可以达到显著 的降噪效果; 在车下柴油机的屏蔽罩壁板上涂敷阻尼 层, 可大大降低车内噪声和振动。 2. 1. 6 采用隔声材料和隔声结构 , 隔绝传播途径 利用隔振、 隔声和密封等措施 , 隔绝噪声传播途 径。可利用具有弹性和阻尼的材料隔断振源与车体之 间的振动传递; 利用加泡沫橡胶垫、 阻尼粘胶等改善车 体内饰件的隔声性能。这些措施均可以减弱车辆行驶 过程中传入车内的噪声。为防止向车内透过二次固体 噪声 , 应在转向架、 牵引电机、 齿轮箱、 柴油发电机、 空 调机组等振动、 噪声源附近的车体上重点加隔声材料, 增加这部分车体结构的隔声性能; 对在隧道里运行的 地铁车辆 , 为防止通过车辆两侧车窗玻璃向车内传播 噪声 , 应采用双层玻璃窗。 为了有效控制噪声 , 在结构和材料上还可以采取 多种降噪隔声措施, 如改进风道结构以降低空调噪声、 铝合金车体采用声响衰减率大的双层表皮结构 ; 车顶 和侧墙的 2 层表皮间的桁架内部填充减振树脂发泡、 车体地板加装减振材料或在地板上部安装隔声钢板、 在车体侧底边的桁架加宽部位充填 50% 的发泡状减 振材料等。 2. 1. 7 采用吸声处理, 降低车内混响声 对车内顶板、 地板和侧墙板采用吸声处理 , 如选用 软装饰、 衬垫时 , 尽量使用吸声性能好的材料 , 同时综 11
优化设计的技术 。 关键词 : 高速列车 ; 减振降噪 ; 对策 ; 声学优化 ; 设计 中图分类号 : U 270. 1+ 6 文献标识码 : B
伴随着我国列车速度的提高, 铁路的振动和噪声 问题越发突出, 如不采取有效的措施, 既会降低乘客的 舒适度, 又会降低车辆各种零部件的寿命, 降低铁路沿 线居民的工作、 生活质量和各种设备、 建筑的寿命。为 此, 高速铁路产生的振动和噪声问题, 应引起有关部门 的重视, 并急需列为当前铁路现代化必须解决的首要 问题之一。 良好的 客车设计和制造, 应考 虑客车的声环境。 客车声环境设计的基本课题是减少噪声源、 隔断外部 噪声和振动、 减少车内外声音的传递、 设计车内的音效 等。 铁路客车噪声控制是一门复杂的现代技术 , 它与 车体轻量化设计、 气密性研究、 转向架设计、 轮轨摩擦、 线路质量、 振动、 隔声、 减振结构及材料的选择、 动力设 备的设计安装等息息相关 , 涉 及到理论力学、 流体力 学、 材料力学、 空气动力学、 机械设计等学科, 以及摩擦 学阻尼技术、 模态分析、 能量分析、 随机信号分析等新 技术。客车设计时单单从某一方面考虑是不能有效降 低车内外噪声的 , 必须综合考虑, 将声学设计融入客车 结构及部件设计的每一方面 , 把噪声控制技术融入车 辆的轻量化、 气密性、 各种材料及结构的 优化设计之 中, 从而通过控制车辆噪声, 来创造一个良好的车内外 声学环境 , 实现控制高速列车振动、 噪声的目的。
2. 1. 1 客车内噪声的发生机理
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控制构造物噪声 由于地理条件和实际需要 , 列车经常要通过隧道、
高架桥、 车站和其他周围建筑物。轮轨表面之间产生 的振动将通过轨道、 桥梁、 地基等传递能量 , 最终导致 以上部位振动而辐射噪声。单从构造物整体来说, 可 以认为噪声源在构造物的中央位置上。一般来说, 高 架桥铁路噪声为桥梁噪声 ; 隧道、 车站及周围建筑物噪 声为结构噪声。 1. 6. 1 控制桥梁辐射噪声和隧道反射噪声 由于桥梁的辐射作用 , 列车在桥梁上运行时产生 的噪声的影响和危害远远大于地面噪声。特别是桥梁 通过城市时 , 噪声的危害尤其严重。噪声值的大小根 据桥梁材质和结构的不同有很大区别。 车辆在隧道内运行时产生的噪声, 放射到隧道内 壁时 , 由于隧道内壁对噪声的反射将作用于车体结构, 最终使车内的噪声比在隧道外运行时明显增强。 隧道噪声在高速运行时尤为明显。当车辆以高速 冲入隧道入口时 , 在隧道内将形成压缩波; 当车辆以高 速冲出隧道出口时, 压缩波将向外部放射而产生很大 的噪声。隧道出入口附近的医院、 学校、 住宅区等对噪 声有限制的区域将深受其害。 为了减小高速列车在通过隧道、 桥梁时车内的噪 声, 应在隧道的内壁、 桥梁外表面饰以吸声材料 , 以改 善桥梁、 隧道中轨道下的减振吸声结构。 1. 6. 2 减少隧道微风压力波 为了减轻高速列车进 出隧道时的空 气压力冲击 10
源、 传播途径和接受者 3 个层次上实施。控制铁路噪 声( 振动) 应从声源上降低噪声 ( 振动 ) , 从传播途径上 隔断吸收噪声( 振动 ) 和对噪声接收的对象( 人或车辆、 设备、 建筑 ) 进行必要的保护。 1. 1 改善运行状况 包括 : 合理规划铁路交通 , 控制车流、 会车 ; 改善线 路结构及线间距状况 ; 改善隧道结构。 1. 2 调整路网规划与城市规划、 合理布置路网 在进行路网规划时 , 应注意不同功能的线路之间 的配合, 应避免铁路穿越市中心和文教区、 住宅区。对 穿越城市的进站列车应开辟专用区域, 以便集中采取 措施。对于住宅区、 文教区等有特别要求的区域, 应与 铁路干线保持一定距离 , 利用环境自然条件来降低噪 声, 必要时还可以采用路堑或高架路。对于列车流量 大的区域 , 应通过运行图来控制车流密度, 以保证车辆 匀速运行 , 降低噪声。 1. 3 设置防声屏障以限制噪声的传播 噪声在传播途径中 , 若遇到障碍物尺寸远大于声 波时 , 则大部分声波能被反射, 一部分被衍射 , 于是在 障碍物或一定距离内形成 声影区 , 其区域的大小与 声响频率有关, 声响频率越高 , 声影区范围越大。如果 被保护点处于声影区 , 等效声级可以降低 8 dB( A) ~ 15 dB( A) ; 如 果处于非声影 区, 也 可降低 3 dB ( A) 。 为了增强防声屏障的效果 , 可在防声屏上铺设一些吸 声材料 , 以避免和附近建筑之间形成反射。防声屏障 的效果与其结构本身的隔声值有关, 而所涉及的最小 单位面积与屏障高度、 屏障与声源的位置有关。 1. 4 线路两旁的绿化 利用树木的散射、 吸声作用以及地面吸声 , 可达到 降低噪声的目的。一般认为 , 矮的乔木比高的乔木防 噪效果好 , 阔叶树比针叶树好 , 几条窄林带比一层稠密 9