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时蒙 李帅 韦海菊
摘 要：地铁车辆地板结构作为重要的噪声传递路径，其隔声性能对车内噪声有重要影响。现以具体某型地铁车辆地板结构为研究对象，首先分析比较了不同地板结构优化方案的隔声量，然后基于统计能量方法建立车内噪声预测模型，对隔声量最优的地板组合方案进行评估。地板方案优化前后对于车内静置噪声整体贡献效果不明显，而80 km/h匀速运行时的车内噪声降低了0.4 dB（A）左右。该研究成果对轨道车辆减振降噪有一定的指导意义。
关键词：地铁列车;车内噪声;地板;隔声;减振降噪
中图分类号：U270.1+6 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2022）13-0053-04
DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.015
0 引言
随着我国城市轨道交通技术的不断发展，地铁运输由于其具有快速、准点、安全等特点，已经逐渐成为城镇居民日常出行的首选。但地铁车辆在隧道内运行时难免会产生噪声，导致乘客的乘坐舒适性变差。在地铁车辆设计与研发的过程中，需要提高车辆的隔声性能以达到降低客室内噪声的目的。因此，车体结构隔声性能已经逐渐成为影响城市轨道交通可靠商业运营的关键因素[1-3]，关于车辆隔声特性的研究成为轨道交通技术研究的一个重要分支。
近年来，车辆隔声问题在我国得到了广泛关注。张捷等人[4]通过室内试验获取车体地板铝型材板件结构的隔声特性、阻尼损耗因子和模态密度等;然后结合室内试验结果，建立车体地板铝型材板件结构的振动噪声预测模型，从而提出了一种使用单层板对铝型材的声振特性预测进行等效建模的方法，适用于中高频范围。
本文针对我国某型地铁车辆建立了车内噪声预测模型，分析比较了不同地板隔声优化方案的降噪效果。
1 地板隔声方案介绍
针对某型地铁列车车体地板结构，在其原结构的基础上，通过在其结构内部敷设三聚氰胺板和陶瓷纤维棉等减振降噪材料，提高其降噪性能。
具體对比方案如表1所示。
如表1所示，在原有的“70 mm铝型材地板+3 mm地板布+18 mm铝蜂窝内地板”的基础上，敷设三聚氰胺板和陶瓷纤维棉等阻尼材料，进行降噪处理。具体方案如下：
方案一：在铝型材表面敷设19 mm的三聚氰胺板，敷设后地板总厚度为110.0 mm，总质量为46.2 kg。
方案二：在铝型材表面敷设4 mm的陶瓷纤维棉，并在四角用木块支撑，其空气层厚度为15 mm，敷设后地板总厚度为110.0 mm，总质量为46.8 kg。
方案三：在铝型材表面敷设4 mm的陶瓷纤维棉和15 mm的三聚氰胺板，敷设后地板总厚度为110.0 mm，总质量为47.0 kg。
方案四：在铝型材表面敷设两层4 mm的陶瓷纤维棉，中间用木块支撑，其空气层厚度为11 mm，敷设后地板总厚度为110.0 mm，总质量为47.6 kg。
对上述四种组合降噪方案下地板铝型材的隔声量进行测试，结果如图1所示。
由图1可知，上述四种组合降噪方案中，方案三的降噪效果最显著，计权隔声量为47.1 dB。从频率隔声曲线可见，方案三提高的频率区段主要在400～1 250 Hz。
通过室内试验测得方案三降噪组合结构的隔声效果最显著，故采用此种组合方案进行车内降噪分析。因此，建立车内噪声预测模型，以方案三的隔声量曲线为输入，分析方案三的降噪效果。
2 计算模型
下面基于统计能量分析，以VA One软件为仿真计算平台，建立某型地铁车辆车内噪声预测分析模型，对车内噪声水平进行预测分析，并研究地铁列车声源大小及隔声性能对车内噪声的影响。
2.1 统计能量分析（SEA法）概述
统计能量分析以梁、杆、板、壳、柱等子结构为建模基础，搭建复杂系统的振动和噪声耦合动力学预测模型。子系统之间的能量平衡方程如下：
ω[L][E]=[P]（1）
式中：[L]为包含内损耗因子和耦合损耗因子的系统能量损耗矩阵;[E]为子系统能量矩阵;[P]为系统输入功率矩阵。
能量定义式如下：
E=M<v2>，（2）
式中：M为结构子系统的质量;<v2>为时间平均和空间平均的均方振动速度;M<v2>为结构子系统的能量;V为声学子系统的体积;<p2>为时间平均和空间平均的均方声压;ρ为介质密度;c为声音在介质中的传播速度;V<p2>/（ρc2）为声场子系统的能量。
通过理论计算或试验测试可以获取系统的模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子、输入功率等，基于这些参数和输入功率，可以求出目标子系统的平均能量水平，从而进一步转换为所需振动级、声压级、应力等动力学参数。
2.2 SEA模型
下面以VA One软件为仿真计算平台，建立某地铁车辆车内噪声预测分析模型。
图2给出了SEA车内声学预测模型，其中图2（a）为车辆整体模型，图2（b）为车体结构子系统示意图，图2（c）为车内声腔子系统示意图，车内声腔编号由车头方向往车尾方向依次递减，图2（d）为载荷分布。
3 地板隔声对车内噪声的影响
车外主要声源为轮轨噪声和地板下辅助设备噪声，所以地板隔声对于车内噪声有重要影响。
下面基于上文建立的车内噪声预测模型，通过改变地板隔声量大小来研究其对车内噪声的影响。图3给出了地板结构隔声量在-5～5 dB（A）范围波动时车内噪声水平的变化情况，列车以80 km/h速度匀速运行。
由图3可知，当地板隔声量增大5 dB（A）时，司机室、客室前、客室中和客室后的车内噪声均减小0.5 dB（A）;随着地板隔声量的减小，车内噪声值逐渐增加，当地板隔声量减小5 dB（A）时，司机室、客室前、客室中和客室后的车内噪声分别增加1.3 dB（A）、1.4 dB（A）、1.5 dB（A）和1.5 dB（A）。
4 地板优化方案降噪效果评价
将方案三地板组合结构的隔声量测试结果输入计算模型，对其降噪效果进行评价，结果如图4所示。其中图4（a）为静置状态下车内各个位置的降噪效果，图4（b）为以80 km/h速度匀速运行状态下车内各个位置的降噪效果。
由图4可知，地板优化前后对于车内静置噪声几乎没有影响;对于80 km/h匀速运行车内噪声也仅降低了0.4 dB（A）左右，影响较小。分析原因可能和车体除地板外的其他某些板件结构隔声性能较差有关，即出现了“短板效应”，导致即使地板隔声性能得到优化，但对于列车内部降噪效果并不明显。
5 结论
本文以我国某型地铁车辆地板型材结构为研究对象，通过建立车内噪声预测模型，分析比较了不同地板结构优化方案的降噪效果，得到以下结论：
（1）由室内板件隔声特性测试结果可知，“70 mm铝型材地板+3 mm地板布+18 mm铝蜂窝内地板+15 mm三聚氰胺板+4 mm陶瓷纤维棉”地板组合的隔声特性最佳。
（2）當地板隔声量增大5 dB（A）时，司机室、客室前、客室中和客室后的车内噪声均减小0.5 dB（A）;随着地板隔声量的减小，车内噪声值逐渐增加，当地板隔声量减小5 dB（A）时，司机室、客室前、客室中和客室后的车内噪声分别增加1.3 dB（A）、1.4 dB（A）、1.5 dB（A）和1.5 dB（A）。
（3）地板优化前后对于车内静置噪声贡献效果不明显，对于80 km/h匀速运行车内噪声仅降低了0.4 dB（A）左右。
[参考文献]
[1] 沈志云.高速列车的动态环境及其技术的根本特点[J].铁道学报，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] 张捷，肖新标，王瑞乾，等.高速列车铝型材声振特性测试及等效建模[J].浙江大学学报（工学版），2017，51（3）：545-553.
收稿日期：2022-04-09
作者简介：时蒙（1986—），男，江苏南京人，高级工程师，研究方向：轨道车辆。
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