地鐵車輛噪聲分析與控制

摘要：地鐵、輕軌等軌道交通是許多大城市的重要交通工具，但是，它們?cè)谶\(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲會(huì)影響著人們的心理、生理健康和正常生活，因此，對(duì)它們產(chǎn)生噪聲的控制和消除也是進(jìn)行研究是非常有意義的，本文通過地鐵、輕軌等車內(nèi)噪聲進(jìn)行分析，并提出控制和消除噪聲的一些方法，為乘客提供一個(gè)舒適的環(huán)境.

關(guān)鍵字： 地鐵車輛   控制 聲源噪聲

1.引言

地鐵、輕軌等軌道交通方式是世界上許多城市的重要交通方式，具有方便、快捷、準(zhǔn)時(shí)、載客量大、能耗低、污染輕、占地少和安全性好等諸多技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，是解決大城市交通問題的首要選擇，我國(guó)北京、上海、廣州、南京等大中城市都已建或在建地鐵或輕軌，發(fā)展地鐵、輕軌等軌道交通已成為我國(guó)城市交通的發(fā)展方向。

隨著人們生活水平的不斷提高，環(huán)保意識(shí)日益加強(qiáng)，對(duì)列車的運(yùn)行環(huán)境及乘坐舒適性提出了更高的要求。由于過量的噪聲將嚴(yán)重影響乘客和軌道沿線人們的心理、生理和正常生活，因此，地鐵的噪聲特性成了衡量地鐵質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。在列車設(shè)計(jì)中，車內(nèi)聲學(xué)舒適性是必須要考核的要素 。因此，研究地鐵的車內(nèi)噪聲成因并提出可行的降噪方法就顯得非常重要。

2. 地鐵車內(nèi)噪聲的成因分析

2.1 噪聲源分析

地鐵車輛噪聲根據(jù)其發(fā)生源的不同，可以分為輪軌噪聲、空調(diào)機(jī)組噪聲、牽引電機(jī)噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和電弧噪聲等。

輪軌噪聲是輪軌系統(tǒng)相互激勵(lì)的一種響應(yīng)，包括輪軌滾動(dòng)噪聲、輪軌沖擊噪聲和尖嘯噪聲。軌道不平順使輪軌振動(dòng)產(chǎn)生滾動(dòng)噪聲，主要由導(dǎo)致垂向相對(duì)振動(dòng)的輪軌表面粗糙度引起。

空調(diào)機(jī)組噪聲主要是由于機(jī)組設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)以及通風(fēng)系統(tǒng)中回風(fēng)口處由于氣流的不穩(wěn)定而產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲。

牽引電機(jī)噪聲主要是由空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲以及電機(jī)冷卻風(fēng)扇的空氣動(dòng)力噪聲組成其中牽引風(fēng)機(jī)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)引起的空氣動(dòng)力噪聲最為嚴(yán)重。當(dāng)牽引風(fēng)機(jī)由30 Hz變?yōu)?/span>60 Hz運(yùn)行時(shí)，其所產(chǎn)生的噪聲明顯增大。

空氣壓縮機(jī)噪聲主要是由自身的振動(dòng)和氣流被間歇吸入和排出所形成的空氣動(dòng)力噪聲組成；

此外，由于車體及外部結(jié)構(gòu)與高速空氣氣流間的相互作用所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲，以及由受電弓和接觸線相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的滑動(dòng)噪聲、受電弓離線產(chǎn)生的電弧噪聲、受電弓本身引起的氣動(dòng)噪聲等，均對(duì)車內(nèi)噪聲有影響。

2.2 地鐵車內(nèi)噪聲傳播途徑方式

車內(nèi)噪聲主要由空氣聲、固體聲和混響聲3部分組成。車輛上幾乎所有的噪聲源都對(duì)車內(nèi)輻射噪聲，加上車體自身產(chǎn)生的噪聲及車體對(duì)外部噪聲的放大作用，使得車內(nèi)噪聲控制成為一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作。

噪聲傳人車內(nèi)的途徑大致可分為空氣傳播和固體傳播。空氣傳播聲是指車外噪聲通過車體各部分的縫隙傳入車內(nèi)的噪聲。固體傳播聲可分為一次固體聲和二次固體聲。一次固體聲是指鋼軌和車輪間的振動(dòng)通過彈簧系統(tǒng)傳給轉(zhuǎn)向架和車體，使地板等振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。二次固體聲是指聲源輻射的聲能激振車體外殼，使車內(nèi)地板、下墻板、車窗等產(chǎn)生振動(dòng)，并向車內(nèi)輻射的噪聲，即車外噪聲通過車體結(jié)構(gòu)傳播的透射噪聲。地鐵列車大量采用固定式車窗和密封性能好的車門，空氣傳播聲較小。滾動(dòng)噪聲以及車外噪聲的二次固體聲占車內(nèi)噪聲的大部分。

3．2 地鐵車內(nèi)噪聲的控制策略

合理利用隔振、減振、隔聲和吸聲的綜合效果，使乘客耳旁的噪聲降低到允許的標(biāo)準(zhǔn)值以下是一個(gè)系統(tǒng)工程，貫穿地鐵車輛設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程的始終。地鐵噪聲控制的順序是：減振一隔振～ 隔聲一吸聲。一般采取的降噪措施包括以下幾方面。

3.2.1改進(jìn)噪聲聲源

（1）采用性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)向架。通過適當(dāng)?shù)能囕嗇喞庑渭庸ぃ瑑?yōu)化列車通過曲線的性能和平穩(wěn)性；優(yōu)化一系、二系懸掛，最大程度地減少客室振動(dòng)；電機(jī)、聯(lián)軸器的總重和齒輪裝置約一半重量為彈簧懸掛；車輪上安裝阻尼器，以消除車輛在通過曲線時(shí)的輪軌噪聲，車輛在直線上運(yùn)行時(shí)，輪軌之間產(chǎn)生的低頻噪聲也能有所消除；優(yōu)化齒輪齒形等。

（2）采用線性電機(jī)牽引，這樣可省卻一些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而減小噪聲的產(chǎn)生。

（3）通風(fēng)機(jī)組的降噪。將機(jī)組安裝在減振座上，在風(fēng)道的外表面涂3 mm的石棉瀝青漿，并在風(fēng)道的外側(cè)面石棉瀝青層外面粘6 mm厚度的超細(xì)玻璃棉吸音材料，從而減小空調(diào)系統(tǒng)的氣體噪聲。

（4）空氣壓縮機(jī)的降噪。在空氣壓縮機(jī)的外面安裝隔音罩可降低噪聲；對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)的回風(fēng)口等特殊位置，采用能消除中低頻噪聲的消聲器。

（5）選擇鋼軌材料降噪。在曲線區(qū)段的鋼軌采用特制的具有摩擦剩磁效應(yīng)和滑動(dòng)性的低合金鋼，可降低車輛通過曲線時(shí)的噪聲，增大軌道于車輪運(yùn)行方向的臨界傾斜角，使得轉(zhuǎn)向架過曲線時(shí)不產(chǎn)生噪聲的最小曲線半徑減小。

3.2.2 減輕車體機(jī)械振動(dòng)

（1）避免車體機(jī)械共振

共振不同的車體結(jié)構(gòu)，其共振頻率有很大差異，車體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)正確選取，以避免轉(zhuǎn)向架、牽引電機(jī)、空調(diào)機(jī)組的共振頻率或激振頻率與車體各板件的共振頻率相一致，同時(shí)應(yīng)將車頂、側(cè)墻、底架的共振頻率錯(cuò)開。為達(dá)到此目的，應(yīng)采用模態(tài)分析法確定牽引電機(jī)、空調(diào)機(jī)組等部件的最佳安裝位置和支撐剛度，使整車各部件的固有頻率實(shí)現(xiàn)最佳匹配。車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使其一階彎曲自振頻率遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)向架的諧振頻率。

（2）克服直齒輪傳動(dòng)缺陷

如前所述，直齒傳動(dòng)輪齒沿齒寬嵌入和脫離，載荷突然加上和卸下，易產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊。而斜圓柱齒輪傳動(dòng)時(shí)，l對(duì)輪齒齒廓沿斜線接觸，齒廓接觸線是漸增或漸減的，直至全接觸或全脫離，提高了傳動(dòng)的平穩(wěn)性，避免了振動(dòng)、沖擊和噪聲。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)一些機(jī)車已廣泛采用斜齒輪變速箱，基本消除了振動(dòng)和噪聲。

（3）減小動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)沖擊

消除柴油機(jī)一發(fā)電機(jī)組回轉(zhuǎn)部件的動(dòng)不平衡，對(duì)柴油機(jī)曲軸、主發(fā)電機(jī)電樞動(dòng)平衡嚴(yán)格控制，改柴油機(jī)、主發(fā)電機(jī)單件動(dòng)平衡試驗(yàn)為組裝后整體試驗(yàn)。提高主發(fā)電機(jī)彈性聯(lián)軸器、硅油減振器和彈性減振器的檢修質(zhì)量，嚴(yán)格控制其工藝要求，應(yīng)避免使之失去調(diào)節(jié)作用。加強(qiáng)萬向軸、啟動(dòng)發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn)及軸身徑向跳動(dòng)量的控制。

（4）加強(qiáng)變速箱各配件質(zhì)量控制

對(duì)齒輪質(zhì)量嚴(yán)格控制，存在疲勞點(diǎn)蝕、膠合痕跡、塑性變形、嚴(yán)重偏磨等,缺陷的應(yīng)避免使用。對(duì)齒形發(fā)生變化的一定要測(cè)量其基節(jié)長(zhǎng)度，避免較大基節(jié)誤差的齒輪裝車使用。變速箱組裝時(shí)，對(duì)齒輪嚙合狀態(tài)應(yīng)認(rèn)真檢查，消除各軸軸線偏差引起的嚙合不良現(xiàn)象。

3.2.3控制傳播途徑

(1)車輛運(yùn)行噪聲的主要聲源是車輪和鋼軌的振動(dòng)。為了隔斷車輪的高頻振動(dòng)通過車軸、軸箱、彈簧、構(gòu)架、搖枕等部件向上傳遞到車體各部，應(yīng)在軸箱與彈簧之間設(shè)置防振橡膠墊，同時(shí)中央彈簧選用對(duì)高頻振動(dòng)隔離性能較好的空氣彈簧，使一次固體噪聲大大減小。

(2)為防止向車內(nèi)透過二次固體噪聲，應(yīng)在牽引電機(jī)、齒輪箱、空調(diào)機(jī)組等振動(dòng)、噪聲源附近的車體上加隔聲材料，增加這部分車體結(jié)構(gòu)的隔聲性能。

(3)為防止車外噪聲通過空氣向車內(nèi)傳遞，需安裝具有氣密結(jié)構(gòu)的雙層中空玻璃側(cè)窗；車門系統(tǒng)使用蜂窩結(jié)構(gòu)、雙玻璃窗及在門板四周使用隔聲密封材料，加強(qiáng)門口鋼結(jié)構(gòu)的剛度，以防門口變形，使車門在關(guān)閉狀態(tài)下具有良好的噪聲衰減性。同時(shí)，采取密封措施，減小車內(nèi)壁板的孔隙數(shù)和尺寸，阻斷固體傳聲和削弱氣體傳聲。

(4)車體采用浮筑結(jié)構(gòu)。內(nèi)裝地板采用蜂窩隔聲地板，內(nèi)裝地板與鋼結(jié)構(gòu)地板之間加隔聲隔熱材料和空氣層。在轉(zhuǎn)向架和空氣壓縮機(jī)組區(qū)域的地板處，在原隔聲隔熱材的基礎(chǔ)上加隔聲氈，進(jìn)行特別的隔聲處理。側(cè)板、頂板與車體的連接部分采用雙層橡膠隔振墊與鋼板復(fù)合。隔振墊的作用，一方面可以降低車體振動(dòng)向側(cè)板、頂板傳遞的效率；另一方面由于橡膠和鋼板的聲阻抗相差較大，可減小傳人側(cè)板、頂板的噪聲能量。側(cè)板與地板及地板與車體之間同樣也采用橡膠隔振墊連接，以降低固體聲的傳播。

(5)車體采用聲響衰減率大的雙層表皮結(jié)構(gòu)，車體鋼結(jié)構(gòu)所有部分的內(nèi)表面涂裝減振和隔聲材料。根據(jù)相關(guān)計(jì)算，在典型噪聲源處涂覆厚3 mm 的普通阻尼漿，整車噪聲可以降低約2 dB(A)。也可采取在車頂和側(cè)墻的二層表皮間的桁架內(nèi)部填充減振樹脂發(fā)泡材、對(duì)車體地板加裝減振材料或在地板上部安裝隔聲鋼板等措施。

(6)在通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部裝隔聲材，對(duì)空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行降噪處理；優(yōu)化設(shè)計(jì)回風(fēng)口，滿足回風(fēng)速和氣流組織的要求，避免噪聲的產(chǎn)生。

(7)在車內(nèi)頂板、地板和側(cè)墻板處敷設(shè)吸聲性能好的多孔吸聲材料，以降低車內(nèi)混響聲。

4 結(jié)束語

地鐵噪聲分析控制是一門復(fù)雜的技術(shù)，它與輪軌摩轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)、車體氣密性、減振結(jié)構(gòu)、隔聲、吸聲、材料的選擇、設(shè)備的安裝等息息相關(guān)。只有綜合考慮各方面因素，將聲學(xué)設(shè)計(jì)融入地鐵設(shè)計(jì)過程的始終，把噪聲控制技術(shù)融入車輛的輕量化、氣密性、各種材料及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)之中，才能有效控制地鐵車內(nèi)噪聲，為乘客提供一個(gè)良好舒適的乘車環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]于喜林,郭海洋,劉厚林等.城市軌道交通車輛內(nèi)部噪聲分析研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2009,32(3):14-15

[2]譚本旭,呂志龍.電力機(jī)車司機(jī)室噪聲控制研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2009,32(2):26-30

[3]栗韶毅.DF12型機(jī)車司機(jī)室噪聲控制[J].內(nèi)燃機(jī)車,2004,(4):10-14

[4]張曉排,劉巖,鐘志方等.地鐵車內(nèi)噪聲特性[J].噪聲與振動(dòng)控制,2010,30(2):69-71

[5]任海,肖友剛.地鐵車內(nèi)噪聲的成因及控制策略[J].鐵道車輛,2009,47(4):25-28

[6]徐廣偉.降低地鐵車輛噪聲的措施[J].中國(guó)鐵路,2004,(1):69-70