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，它們在運行時產(chǎn)生的噪聲會影響著人們的心理、生理健康和正常生活，因此，對它們產(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、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，是解決大城市交通問題的首要選擇，我國北京、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)保意識日益加強(qiáng)，對列車的運行環(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)量的一個重要指標(biāo)。在列車設(shè)計中，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、空氣動力噪聲和電弧噪聲等。

輪軌噪聲是輪軌系統(tǒng)相互激勵的一種響應(yīng)，包括輪軌滾動噪聲、輪軌沖擊噪聲和尖嘯噪聲。軌道不平順使輪軌振動產(chǎn)生滾動噪聲，主要由導(dǎo)致垂向相對振動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)備運轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動以及通風(fēng)系統(tǒng)中回風(fēng)口處由于氣流的不穩(wěn)定而產(chǎn)生的空氣動力性噪聲。

牽引電機(jī)噪聲主要是由空氣動力噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲以及電機(jī)冷卻風(fēng)扇的空氣動力噪聲組成其中牽引風(fēng)機(jī)風(fēng)扇運轉(zhuǎn)引起的空氣動力噪聲最為嚴(yán)重。當(dāng)牽引風(fēng)機(jī)由30 Hz變?yōu)?/span>60 Hz運行時，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和氣流被間歇吸入和排出所形成的空氣動力噪聲組成；

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)生的空氣動力噪聲，以及由受電弓和接觸線相對滑動產(chǎn)生的滑動噪聲、受電弓離線產(chǎn)生的電弧噪聲、受電弓本身引起的氣動噪聲等，均對車內(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車內(nèi)輻射噪聲，加上車體自身產(chǎn)生的噪聲及車體對外部噪聲的放大作用，使得車內(nèi)噪聲控制成為一項相當(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通過彈簧系統(tǒng)傳給轉(zhuǎn)向架和車體，使地板等振動產(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，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)值以下是一個系統(tǒng)工程，貫穿地鐵車輛設(shè)計、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；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的輪軌噪聲，車輛在直線上運行時，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)和滑動性的低合金鋼，可降低車輛通過曲線時的噪聲，增大軌道于車輪運行方向的臨界傾斜角，使得轉(zhuǎn)向架過曲線時不產(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

（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)計時應(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，同時應(yīng)將車頂、側(cè)墻、底架的共振頻率錯開。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現(xiàn)最佳匹配。車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計時，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）克服直齒輪傳動缺陷

如前所述，直齒傳動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、沖擊。而斜圓柱齒輪傳動時，l對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，提高了傳動的平穩(wěn)性，避免了振動、沖擊和噪聲。現(xiàn)在國內(nèi)一些機(jī)車已廣泛采用斜齒輪變速箱，基本消除了振動和噪聲。

（3）減小動不平衡引起的振動沖擊

消除柴油機(jī)一發(fā)電機(jī)組回轉(zhuǎn)部件的動不平衡，對柴油機(jī)曲軸、主發(fā)電機(jī)電樞動平衡嚴(yán)格控制，改柴油機(jī)、主發(fā)電機(jī)單件動平衡試驗為組裝后整體試驗。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、啟動發(fā)電機(jī)、勵磁機(jī)動平衡試驗及軸身徑向跳動量的控制。

（4）加強(qiáng)變速箱各配件質(zhì)量控制

對齒輪質(zhì)量嚴(yán)格控制，存在疲勞點蝕、膠合痕跡、塑性變形、嚴(yán)重偏磨等,缺陷的應(yīng)避免使用。對齒形發(fā)生變化的一定要測量其基節(jié)長度，避免較大基節(jié)誤差的齒輪裝車使用。變速箱組裝時，對齒輪嚙合狀態(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)車輛運行噪聲的主要聲源是車輪和鋼軌的振動。為了隔斷車輪的高頻振動通過車軸、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，同時中央彈簧選用對高頻振動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、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，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，對空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行降噪處理；優(yōu)化設(shè)計回風(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、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)計融入地鐵設(shè)計過程的始終，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)計之中，才能有效控制地鐵車內(nèi)噪聲，為乘客提供一個良好舒適的乘車環(huán)境。

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