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降低城市轨道车辆内部噪声的措施

1. 前言

  随着我国经济的飞速发展,城市的规模和城市中的人口数量不断扩大。交通问题已经成为困扰城市发展规划和百姓出行的主要问题,为了缓解交通问题带来的压力,我国各大中城市相继建立了地铁、轻轨、单轨等城市轨道交通项目。城市轨道车辆以其快速、准时、舒适等优点受到了广大群众的青睐。

  城市轨道交通车辆在运营中不可避免地会产生噪声,车辆内部的噪声会直接影响着乘客乘坐的舒适性,噪声达到一定的强度会对工作人员、乘客等造成损害。持续不间断的高噪声会给人体带来压力感、疲劳感,甚至造成损伤神经、听力等不可挽回的后果。本文简单介绍了城市轨道车辆的主要噪声源,重点讨论了车辆内部噪声的控制方法和控制措施。

2. 城市轨道车辆噪声源分析

  城市轨道车辆的噪声源主要有:

  ( 1 )轮轨噪声

  钢轨与轮轨之间相互作用而产生的声响。这种相互作用在车轮和轨道相接触处产生力的作用,造成车轮和轨道的振动而向外辐射声波。轮轨噪声有 3 种主要类型:摩擦噪声、撞击噪声和轰鸣噪声(或滚动噪声)。每一种均由相对应的机械结构所产生。

  ( 2 )车辆非动力噪声

  车辆非动力噪声主要指制动系统中在实施制动时闸瓦与制动盘之间摩擦振动,它激发制动闸瓦片、闸瓦托架以及制动盘等产生自激振动形成辐射噪声。

  ( 3 )牵引动力系统噪声

  牵引系统设备运转所产生的噪声,包括牵引电机及其冷却风扇、齿轮箱以及空气压缩机的噪声,它是城市轨道交通主要的噪声。牵引系统的噪声,特别是电机冷却风扇的噪声,随列车运行速度的提高而增长,其程度往往要大于轮轨噪声。

  ( 4 )高架轨道噪声

  由高架结构的振动而辐射的振动与噪声。当列车行驶在高架结构上时,轮轨相互作用所产生的振动通过轨道传递给支承结构,将激发高架结构梁、柱的振动而辐射噪声,特别带有 " 空腔 " 的结构如箱形梁起到乐器 " 共鸣箱 " 的作用,二次辐射的噪声不可忽视。支承结构将噪声向周边地区进行传播,它比之列车行驶于一般的路堤带坡度道床时所产生的噪声级要高得多,一般要高 20dB ( A )。

  此外还有空气动力噪声。随着列车速度的提高,列车车头以及在列车上各个突出和凹入的部分,车顶的受电弓等,在空气中高速移动时,压力空气在非恒定的气流中发生变化,从而产生空气动力噪声。

3. 城市轨道车辆噪声控制方法和措施

  对城市轨道车辆噪声的控制方法主要包括噪声源控制和噪声传播控制。

  3.1 噪声源控制

  对噪声源的控制包括:

  ( 1 )影响轮轨摩擦噪声最主要的因素有曲线半径、转向架轴距、车轮振动阻尼特性,以及轮轨表面之间的粘着系数和所采用的材料等,如采用减摩材料代替铸铁制动块, . 采用盘面制动代替踏面制动,磨去轨面的高低不平等方法均能有效地控制轮轨踏面的不平顺性,( 2 )采用弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮、弹性踏面车轮等降低轮轨间动态作用力及振动水平,降低车辆的结构辐射噪声。通过采用刚度大、阻尼系数高的钢轨垫片、 . 增加钢轨阻尼、增加钢轨吸振器、埋入式钢轨及钢轨截面形状优化(如矮钢轨、窄轨脚)等措施降低钢轨振动水平,降低钢轨辐射噪声。通过减小轮轨接触面的粗糙度来降低轮轨轰鸣噪声。

  ( 2 )通过提高辅助设备零部件的加工精度和安装精度,优化其减振系统,降低振动水平,从而降低这类机组设备振动引起的结构辐射噪声。

  ( 3 )为深入研究高架轨道噪声,可建立 3 种不同类型的高架轨道噪声的数学模型,即在钢板梁上有混凝土板的结构;钢板梁上有轨枕板的结构,以及在开式钢腹板梁上有轨枕板的结构。同时针对这 3 种高架铁路进行现场测量,结果发现,在高频状态下,钢轨为主要噪声源,而中频的主要声源是钢板梁。所以为大幅度地降低噪声级,就必须同时降低钢轨和钢板梁的噪声。

  ( 4 )风洞试验表明,物体产生的空气动力噪声与空气的流速呈 6 次方关系增加。通过对车头形状的流线型处理,对于突出于车体的某些设备或装置的结构进行改进或将其移到可用隔音罩予以屏蔽的车体下部,均可抑制非恒定涡流的发生,降低空气动力噪声。

  根据上述分析可知,从噪声源着手进行控制是主动治本的方法,但由于技术水平和条件的限制,有时很难达到理想的噪声控制的效果。因此还必须在其传播途径上采取适当的控制措施,以期达到满意的噪声控制效果。

  3.2 噪声传播控制

  噪声传播控制,包括吸声、隔声和消声。它通过特殊的材料及其结构设计使车体外部噪声入射到车体表面时被转化成以下主要部分: 1 )一部分被反射; 2 )一部分在经过车体时被转化成其它形式的能量或波形而被吸收。如:其中一部分被贴附于车体上的高阻尼材料转化成热能而被损耗了,另一部分转换为结构辐射噪声或其它形式的波形; 3 )最后剩下的一部分透过车体进入车辆内部。噪声传播过程中的能量分配见图 1 。根据能量守恒定律,设入射声能为 E ,反射声能为 E1 ,损耗声能为 E2 ,波形转化能量为 E3 ,透过声能为 E4 ,则有:

E=E1+E2+E3+E4

  反射声能与入射声能之比越大,材料的隔声性能越好;而透过声能与入射声能之比越小,则材料的吸声性能就越好。

  下面介绍在城轨车辆内部噪声控制中几种常用的控制噪声传播的方法和措施。

  3.2.1 车体的声学处理

  ( 1 )车体的阻尼隔声处理。

  目前,城市轨道车辆多采用铝合金车体,为了起到阻尼制振和隔声的作用,在铝型材的空腔内充入高阻尼减震胶粘弹性阻尼材料,或在车体内表面喷涂水性阻尼涂料,通过对铝合金车体进行约束阻尼处理或自由阻尼处理,提高车体结构阻尼、抑制共振,达到减振降噪的目的。

  自由阻尼处理是将一层一定厚度的粘弹阻尼材料粘贴于金属基体表面上。当结构产生弯曲振动时,阻尼层随基本结构一起振动,在阻尼层内部产生拉 - 压变形,如图 2b 所示。根据阻尼材料的耗能机理,当阻尼材料内部产生交变应力时,阻尼材料就会将有序的机械能转化为无序的热能,从而起到耗能的作用。


  约束阻尼处理在自由阻尼处理的阻尼层外侧表面再粘贴一弹性层,这一弹性层应具有远大于阻尼层的弹性模量。当阻尼层随基本结构层一起产生弯曲振动而使阻尼层产生拉 - 压变形时,由于敷贴在外侧弹性层的弹性模量远大于阻尼层的弹性模量,因此这一弹性层将起到约束阻尼层的拉 - 压变形的作用,所以这一弹性层被称为约束层,而受弹性层约束的阻尼层被称为约束阻尼层。由于阻尼层与基本结构层接触的表面所产生的拉 - 压变形不同于与约束层接触的表面所产生的拉 - 压变形,从而在阻尼材料内部产生剪切变形,如图 3b 所示。因此约束阻尼处理结构中,阻尼层不仅承受拉 - 压变形,还同时承受剪切变形,它们都能起到耗能作用。约束阻尼结构比自由阻尼结构耗散更多的能量,因此具有更好的减振降噪效果。

  轻量化的铝合金车体,振动较大,采用粘弹性高阻尼材料进行阻尼处理,吸振效果十分明显,同时隔离噪声的性能也会得到大大的提高。

  ( 2 )车辆内部的吸声处理。

  在侧墙金属基体和客室内墙板之间以及车顶和风道之间填充玻璃棉或吸声海绵等微孔吸声材料,衰减车辆内部的混响噪声,降低车辆内部总噪声级。侧墙填充结构如图 4 所示,车顶填充结构如图 5 所示。


  吸声材料(结构)的吸声机理主要是:首先是粘滞性和内摩擦的作用,由于声波传播时,质点振动速度各处不同,存在着速度梯度,使相邻质点间产生相互作用的粘滞力或内摩擦力。对质点运动起阻碍作用,从而使声能不断转化为热能。其次是热传导效应,由于声波传播时媒质质点疏密程度各处不同,因而媒质温度也各处不同,存在着温度梯度,从而相邻质点间产生了热量传递,使声能不断转化为热能。以上表面,吸声与大多数其他 “ 吸收 ” 不同,吸声材料不能把声音从空气中 “ 吸 ” 出来,声音是一种能量形式,只有它主动进入耗散的媒质,也即只有当声音通过微孔传到吸声材料内部时,才能起吸收作用。

  ( 3 )车体底板的减振降噪处理。

  由于机械结构振动及其引起的噪声主要通过靠近转向架附件的底板传到车辆内部,所以车体底板,尤其是靠近转向架附近底板的制振、隔声处理非常重要。通常在这些部位贴附高阻尼板材,抑制地板振动,衰减振动引起的结构辐射噪声,同时在整个地表面安装隔音卷材,提高地板结构的隔声量,隔离轮轨噪声传入车辆内部,降低车辆内部的总噪声级。

  3.2.2 玻璃窗的隔声处理

  为了提高窗户的隔声量主要是要提高窗扇玻璃的隔声量和解决好窗缝的密封处理。一般人们常认为中空玻璃的隔声性能很好,其实这是一种误解。因为,常用的中空玻璃大多由两块 3 ~ 6 ㎜厚的玻璃相距 5 ~ 12 ㎜组成。这么小的中空距离,使得两玻璃间的空气层呈现为较强的 “ 刚性 ” ,没有起到 “ 空气弹簧 ” 的作用,也就丧失了一般双层板构造的优点。另外双层结构存在着共振,而这很小的中空距离使共振现象产生在中、低频,致使隔声量有所下降。

  为提高玻璃隔声性能,可采用叠合玻璃和夹层玻璃的方法。叠合玻璃是用两片或三片玻璃叠合在一起充当厚玻璃使用,此时,隔声性能要比同厚度的单层玻璃好。夹层玻璃又称为夹胶玻璃,它是以透明薄胶片将两片或三片玻璃粘合在一起。

  窗户的隔声,除了要设计合适的窗户结构和选用隔声量较好的玻璃以外,还应注意窗户缝隙的密封处理和玻璃的安装方式。采用密封性、抗老化性及耐温性能良好的密封材料对窗户(及车门)缝隙进行严格的密封处理,能达到良好的隔声效果。

  3.2.3 车门的隔声处理

  城市轨道车辆每辆车的车门很多,有 4 个、 8 个、 10 个,因此车门是噪声传播的主要途径之一。为了增强车门的密封性,有效的隔断噪声的传播,最好采用塞拉门。另外,由于车门的启闭要求,使得它的隔声性能不同于一般的匀质材料,它不仅依赖于门扇的隔声性能,而且受门扇与车框之间缝隙的影响,所以应选择密封性能好,耐老化的密封条对门缝进行密封处理,提高车门的隔声性能。

  3.3 空调系统的声学处理

  空调系统在调节客室内温度、给乘客创造舒适的环境的同时,气体的流动也产生了噪声。空调系统可采用下面两种方法进行降噪:第一,在空调机组的出风口处增加消音装置;第二、在风道的内部贴吸音材料。风道结构如图 6 所示。

     


  另外,由于车辆连接处是噪声的主要来源,因此必须在贯通道上采取有效的隔音措施,例如采用双层棚布及在贯通道和车钩支承面之间增加耐磨材料等方法有效地降低噪声。为了有效地控制噪声在车辆内部传递,通常在座椅背面贴附消音板(座椅消音板如图 7 所示),增强座椅等内饰物的吸声效果,降低车辆内部总噪声级。
 

4. 结束语

  城市轨道车辆噪声源多,噪声成分复杂,车辆内部的噪声控制是一项复杂的工程。在噪声控制过程中,应采用多种方法和措施相结合的办法,其中噪声源控制是积极主动的,但技术要求高,难度大,噪声控制效果也有一定的限度,而噪声传播控制,因其具有无需改造现有结构、投入相对较少、施工简单方便,无需维修保养等优点,可作为城市轨道车辆噪声控制的一个重要手段。

参 考 文 献

[1] 张振淼 . 城市轨道交通车辆(第 1 版) [M]. 北京:中国铁道出版社, 1998

[2] 孙庆鸿,张启军,姚慧珠 . 振动与噪声的阻尼控制(第 1 版) [M]. 北京:机械工业出版社, 1993

[3] 马大猷 . 噪声与振动控制工程手册(第 1 版) [M]. 北京:机械工业出版社, 2002