（载运工具运用工程专业论文）地铁客车减振降噪技术研究.pdf

摘要 摘要 地铁交通具有运送旅客能力大、行车速度高、行车可控制性和可靠性强等优点。另 外，地铁能使城市道路面积得到双倍利用，促进城市的物业开发以及减少空气污染。随 着城市轨道车辆行业的高速发展，越来越多的城市开始筹建地铁交通。 但是，另一方面，地铁客车噪声引起了人们的关注。地铁客车噪声不但严重影响旅 客乘车的舒适度，而且能引起地铁客车部件的早期疲劳损坏，从而降低地铁客车的使用 寿命，在一定程度上制约了轨道交通的发展。 为了掌握地铁客车内部的振动大小和声场分布规律，并对其进行减振降噪，本文主 要进行了以下几个方面的研究： 首先，在不同的运行速度下，根据国际和国内标准，采用了先进的h e a da c o u s t i c s 噪声与振动测试及分析系统，在地铁客车内布点并进行噪声和振动测试。 通过噪声与振动的频谱分析，得出各个频率下车内各测点的声压级和振动加速度。 通过深入研究，提出地铁客车内噪声的主要来源为：通过车体传入车内的中高频的轮轨 噪声，中低频的空调机组噪声和贯通道处风挡和电气设备噪声。地铁客车内振动主要分 为：转向架上方地板面与车体中央地板面的振动加速度值最大，主要为中低频；空调机 组处振动其次，主要为中高频；侧墙处振动最小，主要为中低频。 本文在分析研究的基础上，对空调机组、侧墙、地板采取减振降噪措施：在空调机 组处加超吸玻璃棉；在侧墙壁板上涂敷阻尼材料；在地板上粘贴阻尼材料，以达到减振 降噪的目的。 最后，利用a n s y s 有限元软件，对改进后的地板进行分析，证明改进方案正确可 行。 关键词：地铁客车；测试；地板；减振降噪 大连交通人学： 学硕十学位论文 a b s t r a c t s u b w a yt r a n s p o r t a t i o nh a v es o m ea d v a n t a g e so fg r e a tt r a n s p o r t a t i o nc a p a c i t y ，r a p i d r u n n i n gs p e e d ，g o o dp r o p e r t i e so fr u n n i n gc o n t r o l l a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y a n ds u b w a yc a n m a k ed o u b l eu s eo fu r b a nr o a da r e a ，p r o m o t et h ec i t y sp r o p e r t yd e v e l o p m e n ta n dr e d u c ea i r p o l l u t i o n w i t hh i g hs p e e dd e v e l o p i n go fr a i l c a ri n d u s t r y ，m o r ea n d m o r ec i t i e ss t a r tb u i l d i n g s u b w a yt r a n s p o r t a t i o n h o w e v e r ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h en o i s ei nm e t r oc a ra l s oa t t r a c t e da t t e n t i o n v e h i c l en o i s e n o to n l ys e r i o u s l ya f f e c tt h ec o m f o r to fp a s s e n g e r s ，b u ta l s oc a nb r i n gp a r t sf a t i g u ed a m a g eo f r a i l w a yv e h i c l ei ne a r l ys t a g e s oi tr e d u c et h es e r v i c el i f eo fr m l w a yv e h i c l ea n dr e s t r i c tt h e d e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a f f i ct oa c e r t a i ne x t e n t i no r d e rt og e tv i b r a t i o nv a l u ea n dt h er u l eo fs o u n df i e l dd i s t r i b u t i o ni nm e t r oc a r ，a n d d os t u d yo nv i b r a t i o na n dn o i s er e d u c t i o nt oi t ，t h i sp a p e rm a i n l ya i m sa tf o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y ，o nd i f f e r e n tr u n n i n gs p e e d ，a c c o r d i n gt os o m es t a n d a r d si na n da b r o a d ，u s e d h e a da c o u s t i c sn o i s ea n dv i b r a t i o nt e s ta n da n a l y s i ss y s t e m ，d i dp o i n t sd i s t r i b u t i o na n dd i da t e s ti nt h em e t r oc a r t h r o u g hn o i s ea n dv i b r a t i o ns p e c t r u ma n a l y s i s , g e ts o u n dp r e s s u r el e v e la n dv i b r a t i o n a c c e l e r a t i o n so fe v e r yt e s tp o i n to nd i f f e r e n tf r e q u e n c i e s t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，e d u c e dt h e m a i nn o i s es o u r c e si nt h em e t r oc a rc o n s i s to fw h e e l - r a i ln o i s e ，a i rc o n d i t i o n i n gu n i tn o i s e ， w i n d s h i e l da n de l e c t r i c a le q u i p m e n t sn o i s e t h ev i b r a t i o nc o n d i t i o ni nt h em e t r oa sf o l l o w s ：t h e v i b r a t i o na c c e l e r a t i o no ft h ef l o o rs u r f a c eo nb o g i ea n di nt h ec a l c e n t r a la r et h eb i g g e s t ， m a i n l ya r em e d i u m a n dl o wf r e q u e n c y ；t h en e x ta r et h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o n so fa i r c o n d i t i o n i n gu n i t ，m a i n l ya r em e d i u ma n dh i g hf r e q u e n c y ；t h ev i b r a t i o na ts i d ew a l l sa r et h e m i n i m u m ，m a i n l ya r em e d i u ma n d l o wf r e q u e n c y b a s eo nt h ea n a l y s i s ，t a k es o m ev i b r a t i o na n dn o i s er e d u c t i o nm e a s u r e st oa i rc o n d i t i o n u n i t s ，s i d ew a l l sa n df l o o ra sf o l l o w s ：a d d i n gs u p e ra b s o r b i n gg l a s sc o t t o na t a i rc o n d i t i o n u n i t s ；c o a t i n gd a m p i n gm a t e r i a lo ns i d ew a l l s ；p a s t i n gd a m p i n gm a t e r i a lo nf l o o r ，a i mt o r e d u c en o i s ea n dv i b r a t i o n l a s t l y ，b yu s i n ga n s y s f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，d oa n a l y s i st ot h ei m p r o v e df l o o r , s h o w t h a tm e t h o di sf e a s i b l e k e yw o r d s ：m e t r oc a r ；t e s t ；f l o o r ；v i b r a t i o n a n dn o i s er e d u c t i o n i l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太羹壅通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太童塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整交通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太董銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：i 日劫 日期： 2 口。夕年月f 1 日 导师签 日期： 学位论文作者毕业后去向：春艺业 工作单位：欠岜争工- 超每孽团确弦仑司 电话： 通讯地址：大毪中西岛臣八一疆f 6 歹粤 邮编： f 阿p 够 电子信箱： 日 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 孑日劫 日期： ，a n d 夕年1 5 1 月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义及背景 地铁交通具有运送旅客能力大、行车速度高、行车可控制性和可靠性强等特点，同 时，地铁还能使城市道路面积得到双倍利用，促进城市的物业开发以及减少污染，有利 于环境保护。 城市快速轨道交通工程建设标准规定，当市区人口规模超过2 0 0 万时适合于修 建地铁。中国的地铁始建于1 9 6 5 年。目前已建成地铁的城市有北京、天津、香港、上 海、广州、深圳、南京、沈阳、武汉等。同时，西安、杭州、大连、成都等城市正在筹 建地铁交通【1 。 但是，另一方面，由于人们环境意识的增强和对乘坐舒适度要求的提高，地铁客车 的噪声与振动问题引起了人们的关注。噪声对人类正常生活和工作的干扰主要表现在： 影响休息、干扰工作、使人听力受损，甚至引起心血管系统、神经系统和消化系统等方 面的疾病。除此之外，它还产生心理效应，使人烦恼、精神不能集中，长期会引起失眠、 耳鸣、疲劳无力、记忆力衰退等症状【2 j 。振动会引起人体内部器官的振动或共振，从而 导致疾病的发生，对人体造成危害，严重时会影响人们的生命安全。而且噪声和振动也 能够引起轨道客车某些部件的早期疲劳损坏，从而降低轨道客车的使用寿命，并在一定 程度上制约了轨道交通的发展1 3 j 。 影响车辆内部噪声和振动的因素很多，如：行车速度、车辆等级和新旧程度、车辆 的维护、结构尤其是门窗的隔声能力、车辆地面材料的性质、整个车辆内部的吸声能力、 车辆内的定员数目、轨道的技术状态、上坡或下坡、长途车或短途车、地形状况、在地 上或地下行驶、司机的驾驶速度以及技术条件等等【4 l 。 针对地铁客车运行过程中产生的噪声和振动，为了能够更有效地采取减振降噪措 施，准确地对车内的噪声和振动进行测试是十分必要的。在欧美和日本等技术较发达国 家，地铁客车内部噪声测试相关技术标准也经过多次修正而逐渐完善，从而采取措施， 使车内振动与噪声达到允许标准，提高了乘车舒适度。我国的地铁客车的噪声与振动研 究工作仍然处于起步阶段，因此，在地铁客车试运行阶段，对其进行测试研究，从而得 出车内的声场和振动数据，满足乘客的舒适度要求，对地铁客车的改进和减振降噪有较 高的参考价值。 大连交通大学丁学硕士学位论文 1 2 国内外研究情况 1 2 1 国外对地铁客车噪声的研究 轨道交通噪声通常具有宽带特性，频率范围在o 一6 k h z 之间，其中对环境影响大的 频率在卜1 k h z 范围。因此，不同的国家分别采用不同的技术进行减振降噪研究。采用 弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮及弹性踏面车轮等技术，通常可减振降噪2 一 l o d b ( a ) 。如在巴黎地铁中的车辆和日本跨坐式独轮交通车辆均采用充气橡胶车轮。这 种车轮比普通钢轮，可降低噪声l o d b ( a ) 1 6 j 。 用改变车轮结构的方法来改变噪声的发声性能，也可降低轮轨噪声。如德国通过把 制动盘放置在轮心上来减少噪声，试验结果证明，对1 0 0 0 h z 以上的噪声大约可降低 5 d b ( a ) 。采用减振降噪动力驱动系统。如温哥华、底特律、大阪等在2 0 世纪8 0 年代的轨 道交通系统中，运行的车辆均应用了线性电机技术。由于采用线性电机，省去了齿轮箱 等一系列传动机构，减少了许多噪声源，因而噪声值比一般车辆降低大约i o d b ( a ) 。此 外，采用径向转向架，车辆可以顺利地通过曲线并减少轮轨磨耗和消除常规转向架通过 曲线时的尖叫声，因而其噪声值可比一般车辆降低近2 0 d b ( a ) 。 新加坡对于地铁客车的降噪主要从缓解轮轨噪声出发，消除车轮怪声、降低滚动噪 声和撞击噪声。措施如下： ( 1 ) 避免小半径曲线； ( 2 ) 润滑车轮或钢轨踏面； ( 3 ) 采用阻尼车轮或弹性车轮。 1 2 2 国外对地铁客车振动的研究 自地铁开始运行以来，地铁对环境的振动影响就已经引起国内外人们的关注。研究 表明：一列列车在地下通过时，在地面建筑物上引起振动的持续时问，大约为1 0 秒钟。 在一条地下铁道线路上，高峰时两个方向一小时内可以通过3 5 4 0 对列车，或更多一些， 其振动作用和持续时间可以达到地铁总工作时间的4 0 ，因此，地铁列车运行所产生的 振动污染不能忽视1 5 j 。 1 9 7 7 年，r u c k e r 对柏林地铁双线区间隧道列车振动进行过试验研究，1 9 7 9 年d a w n 和s t a n w o r t h 研究了铁路运行所产生的地面振动，1 9 8 2 年英国伦敦运输科学顾问室进行了 地铁区间隧道振动试验。由此，人们开始展开了对振动的污染规律、产生原因、传播途 径、控制方法以及对人体的危害等的研究。 2 第一章绪论 瑞士联邦铁路和国际铁路联盟( u i c ) 实验研究所( o l 也) 共同执行了一项计划，以 a z a c h 和g r u t i s h a u s e r 为首的研究小组研究了地铁列车和隧道结构的振动频率和加速度 特征，从改善线路结构的角度提出了降低地铁列车振动对附近地下及地面结构振动影响 的途径。 美国g p w i l s o n 等针对铁路车辆引起的噪声和振动，提出了通过改善道床结构形式 ( 采用浮板式道床) 和改革车辆转向架构造以减少轮轨接触力的方法，降低地铁车辆引起 的噪声和振动的建议。 德国的j m e l k e 等提出了一种基于脉冲激励和测试分析的诊断测试方法，来预测市区 铁路线附近建筑物地面振动水平，并通过不同测点数据的传递函数分析研究了振动波的 传播规律。 f e r i c h a r t 和r d w o o d s 等则针对隔振沟和板桩墙等隔振措施进行了实验研究。 1 2 3 国内对地铁客车噪声研究现状 理论分析和实验研究表明，地铁车辆车内噪声的主要来源是轮轨噪声、车辆设备 产生的噪声和接触网与受电弓之间产生的摩擦声，而这其中，轮轨噪声是地铁车辆的主 要噪声源。车内噪声有一半以上直接或间接地来自轮轨运动。轮轨噪声包括车轮经过轨 道接头的冲击噪声、车轮扁疤产生的冲击声、弯道运行时轮对产生的尖叫声、车轮滚动 时由于表面粗糙产生的滚动声及轮轨摩擦噪声。其中，滚动噪声贯穿车辆运行的始终。 这些噪声可以采取一定的措施加以控制。 通过研究认为：当车辆运行速度小于6 0 k m h 时，列车牵引电机及辅助设备噪声占 主要成分；当车辆运行速度在6 0 2 0 0 k m h 时，轮轨噪声占主要成分：当车辆运行速度 大于2 0 0 k m h 时，空气动力噪声占主要成分。我国地铁车辆的最高运行速度一般为 8 0 k m h ，区间运行速度6 0 k m h 。因此，轨道交通的噪声主要为轮轨噪声。 与铁路干线车辆不同，现代城市轨道交通车辆减振和悬挂系统得到很大了改善， 并采用了弹性车轮和降噪车轮。所以轮轨噪声的控制主是控制轨道结构，这也是城市轨 道交通最主要的噪声源，具体措施如：尽量不采用小半径曲线、轨道设计采用重型减噪 措施，如普通碎石床比混凝土整体道床减少2 3 d b ( a ) ；定期打磨钢轨项面，消除轨顶 不平顺。 在降低轮轨噪声的技术中，广州市地铁2 号线首次使用了弹性短轨轨道，又称低振 动轨道。这种轨道有很好的耐久性，维修工作量小，与有碴轨道相比，减振效果可达到 6 8 d b ( a ) ，甚至更高，较好地保证了车内的稳定性和舒适度。广州市地铁2 号线研制出 3 大连交通大学_ _ 【学硕士学位论文 的5 9 m 承轨台式浮置板，吸收和借鉴了国内外设计和使用经验，技术先进，优于华盛顿 地铁及广州市地铁l 号线。 此外，从传播途径的方面进行噪声控制也是十分必要而又切实可行的方法。由于 车体的内外表面层是主要的声音传播体，它们与钢结构连接，钢结构的振动传入内部各 层饰体，并在其中以横波的形式传播，各层饰体振动激励空气产生噪声。因此，在声音 的传递中加以阻隔、吸收噪声也是一个重要措施。众所周知，车内声场是空气声、一次 固体声和二次固体声的总和。消除空气声，车体必须采用有效的密封措施。而消除一次 固体声则可以在转向架传播途径的各零部件之间填入隔声材料，在车体钢结构与木结构 之间消除声桥，通过在车体上涂阻尼材料、采用多层复合结构、浮筑结构等措施来降低 二次固体声。试验表明：整个车辆外表面的声场，以地板为最大，其次是侧墙，车顶最 少。所以隔声是降低车内噪声的关键环节。 我国己经采用了铺设隔声复合地板：复合胶合板地板总厚度2 0 m m ，由厚6 m m 胶合板、 厚2 m m 橡胶板、厚1 2 m m 胶合板共3 层用胶粘接而成，较同样厚度的单层胶合板，隔声量提 高了4 2 8 d b ( a ) ；采用3 m m 孑l 径铝蜂窝板：总厚度2 0 m m ，由厚6 m m 铝蜂窝板、厚2 m m 阻尼橡 胶板、厚1 2 m m 铝蜂窝板共3 层用胶粘接而成，该结构设计隔声量为3 0 d b ( a ) ，实测为隔声 量3 0 4 7 d b ( a ) 。 此外，我国还借鉴于建筑学上的双层墙，其基本要求是钢木结构间形成弹性连接， 即钢木结构间无任何声桥连接。具体来说，钢木地板间用橡胶完全隔离，包括安装用的 螺栓、螺钉也应用橡胶套予以隔开，多用胶粘接，以达到浮筑的效果，减少振动的传递 并隔断声桥。另外，金属地板上涂敷阻尼材料即会使二次固体声的激发与发射大大减少， 又可避免板材自振频率与声场频率一致而发生的共振。 1 2 4 国内对地铁客车振动的研究 在我国，对地铁客车振动的研究工作开展较晚，但随着地铁运输系统的迅速发展，对 地铁振动的研究日益成为一个热门问题。国内学者通过数十年的实际测试和理论分析， 在地铁振动的产生机理、传播规律以及控制方法上都取得了一定成果【7 j 。 在对地铁振动的控制上，主要通过振源控制、振动传播控制以及承受物控制三个方 面进行。一般说来，通过这三个方面的控制，能够使轨道交通的振动和噪声满足相关标 准的要求，针对不同的轨道交通线，应综合治理，达到投入最少，控制效果最明显，即 要分区段、分敏感区域进行控制处理，以达到经济合理的目的。 北京地铁1 3 号线在离居民区较近的地段，按不同情况设置了全封闭、半封闭和直 立式声屏障，并在国内首次采用了钢弹簧减震装置；广州地铁的轨道结构设计也根据不 4 第章绪论 同地段周围环境的要求，采取了相应的减振、降噪措施。这些措施的实现能有效地减少 城市轨道交通振动和噪声的影响。 为控制振动造成的不利影响，可从降低振源的激振强度，切断振动的传播途径或在 传播途径上削弱振动，合理规划设计使建筑物避开振动影响区等方面着手。隔振是用一 些弹性元件隔断部分振波或声波的传播，减振是在产生振源的设备或部件上加装阻尼结 构或阻尼元件，或者增加设备或元件本身的阻尼来达到减振的目的，降低振动的幅射。 减振、减噪可对机车车辆采取许多措施，如增加结构阻尼，安装阻尼减振车轮等。其中， 采用阻尼技术是控制振动、冲击和噪声的一种基本手段。控制振动不仅要合理、有效， 还要经济。控制列车的振动，一般采取以下措施： ( 1 ) 轨道采用无缝线路，对钢轨顶面不平顺处进行打磨，避免凹凸； ( 2 ) 轨道结构全线采用分级减振措施，针对不同振动的地段，分别用不同型号的减 振扣件，对要求较高地段采用轨道减振器扣件； ( 3 ) 高架桥结构设计采用减振、隔振措施，如桥梁支座采用橡胶支座，并避免系统 产生共振现象。 一般采取上述措施后，距轨道交通系统3 0 m 外的建筑物不受影响。对那些防振要求 很高的建筑物，如计量、精密仪器实验室等，地铁、轻轨线路应尽可能躲开它，或考虑 建筑物迁移。 1 - 3 本文研究的主要内容 本文以某种地铁客车为研究对象，借鉴国内外铁路客车噪声与振动测试的方法，对 该型车内噪声与振动进行测试，并根据测试的结果，对该型车的减振降噪进行研究，主 要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据国际标准，采用了先进的h e a da c o u s t i c s 噪声与振动测试分析系统，在车 内布点并进行噪声与振动测试，得出车内的噪声值和振动加速度值，同时得出车内的声 场和振动分布规律； ( 2 ) 选择合适的材料，根据测试得出的实验结果，对振动较大处进行吸振和隔振处 理，对声压级较大处进行吸声和隔声处理，同时，对局部结构进行改进； ( 3 ) 利用a n s y s 和h y p e r m e s h 有限元分析软件，对改进的结构进行振动有限元 分析，证明改进方案的可行性。 通过本课题的研究，可以得出地铁客车内部的声场分布和振动大小，并根据测试数 据和材料的声学性能，对车体部分结构进行改进，得出较为合理的低振动和低噪声的车 体结构。 5 大连交通大学工学硕士学位论文 本章小结 本章主要阐述了该课题研究的内容、意义、主要工作及其研究完成以后达到的目的。 通过研究国内外地铁客车先进的减振降噪技术，能够更好地有助于为本课题的深入开 展。 6 第二章声学与振动的基础知识 第二章声学及振动的基础知识 2 1 基本概念 声音是由物体振动产生的，它以波的形式在弹性媒质中向外传播。在弹性媒质中， 声波的传播包括横波和纵波两种方式。在噪声控制中，一般以控制人耳可听的噪声为主。 下面就对常用的声学名词作简要的介绍。 2 1 1 声压 在声波的传播过程中。媒质中各处存在稠密和稀疏的交替变化，因而各处的压强也 相应的变化。设无声波作用时，媒质中的压强为p 。，称为静压强。当有声波传播时，媒 质中某处的压强为p 。压强的改变量( p 一) 称为声压【8 1 。即声压p 为： p a p p 一 ( 2 1 ) 声压的单位为牛顿平方米( 瞅n 2 ) 或帕( p a ) 。媒质中任一点的声压都是随时间变化， 每一刻的声压称为瞬时声压，某段时间内的瞬时声压的均方根值称为有效声压，即 成一知p 2 ( t ) d t ( 2 2 ) 对于简谐声波，有效声压等于瞬时声压的最大值除以2 ，即 以一等 ( 2 3 ) 通常所指的声压如未加说明，即指有效声压。 2 1 2 声能量声能量密度 声波的传播过程实质上是振动能量的传播过程，而不是物质的移动。声波传到原静 止的媒质时，一方面使媒质质点在平衡位置做往复振动，获得振动动能，同时在媒质产 生压缩或膨胀的疏密过程，使媒质具有形变势能。这两部分能量是由于声扰动引起的， 其总和称为声能量。 设想在声场中有一体积元，其静态的体积为，压强为p 。，密度为风，由于声扰 动使该体积元得到的动能为： a e k * 寺( p o v o ) u 2 ( 2 4 ) 式中：m 一体积元的振动速度，单位( m s ) 。 此外，由于声扰动，该体积元的压强由p o 升高到风+ p ，于是该体积元具有了势能： 7 大连交通大学工学硕士学位论文 哆。v ，p d v ( 2 5 ) 式中：负号表示体积元内压强和体积的变化方向相反。如压强增加时，体积将缩小， 此时外力对体积做功，使其只能增加，即压缩过程使系统储存能量；反之，当体积元对 外做功时，体积元里的势能将减小，即膨胀过程使系统释放能量。 由理想气体物态方程 p ；c 2 p ( 2 6 ) 两边微分得到： 勿= c 2 d p ( 2 7 ) 由质量守恒定律，体积元在压缩和膨胀过程中质量保持恒定，即p y ；常量， 等一墼v o 帆2 7 ) 指 d p = p y o c 2 一d y ( 2 8 由此解出d v ，代入( 2 5 ) 式，再对p 积分得， q 一差r p 咖= 2 v o c ：p 2 ( 2 9 ) 体积元里的总能量为： ea 皈+ 峨= 害舯2 + 嘉p 2 ) ( 2 1 0 ) 单位体积内的声能量称为声能量密度：。 亭一百a e2 三1 岛 2 + 嘉力( 2 1 a ) 2 1 3 声功率声强 声功率是声源在单位时间内辐射的声能量，用表示，单位为瓦( w ) 。 单位时间内通过垂直于声传播方向的面积s 的平均声能量称为平均声功率。因为声 能量是以声速c 传播的，所以平均声功率应为声场中面积为s 、高度为d 的柱体内所包 含的平均声能量，即： 仞r = 亭c s( 2 1 2 ) 平均声功率的单位为瓦米2 ( w m 2 ) 。 8 第二章声学与振动的基础知识 通过垂直于声传播方向上的单位面积上的平均声功率称为平均声能量流密度或声 强，即： ，；睾：豇 ( 2 1 3 ) 对于平面波，声强与声压有如下关系： ，；薹二；p p z l 。：p 。c “； ( 2 a 4 ) p o c 可见，声强与声压的有效值或质点速度有效值的平方成正比【9 1 。 2 1 4 级和分贝 在声学中，一个物理量的级的定义是某个量和基准量( 或称参考量) 之比的对数。 声强级的定义：一个声音的声强级厶是该声音的声强与基准声强之比的常用对数乘 以1 0 ，以分贝( d b ) 计，即： 厶；1 0 l g ( 2 1 5 ) 1 0 基准声强l 在空气中为1 0 1 2w w 。 声压级的定义：某声压p 与基准声压p 。之比的常用对数乘以2 0 称为该声音的声压 级，以分贝( d b ) 记，即： 上。2 0 l g 旦 ( 2 1 6 ) p o 基准声压在空气中为2 x 1 0 一p 。 声功率级的定义：某声功率w 与标准声功率w o 之比的常用对数乘以1 0 称为该声 音的声功率级，以分贝( d b ) 记，即： l w - - 1 0 培丢 ( 2 1 乃 标准声功率在空气中为1 0 1 2 w 。 2 1 5 频谱频程 通常噪声都是由多种频率组成的，把某一信号中所包含的频率成分，按它的分贝值 或相位作为频率函数做出的分布图，称作该信号的频谱图。信号分为离散信号和连续信 号，对应的分别称为离散谱和连续谱，由连续谱和离散谱成分组合成的称为复合谱。 9 大连交通大学 学硕士学位论文 对于连续谱信号，求出每一频率成分的幅值是不可能也是不必要的，可以把某一范 围内的频率划分成若干小的频率段，每一段以它的中心频率为代表，然后求出声信号在 各频段中心频率上的幅值，作为一种频谱，将这样划分出来的频率段叫做频程。 2 2 声学材料的相关参数简介 声学材料的主要作用包括吸声和隔声两个方面。因此，工程上衡量声学材料的声学 性能亦从这两个方面出发：吸声性能用参数吸声系数、反射系数及声阻抗率来评定；隔 声性能则用隔声量、声压透射系数来评定。下面就对工程上常用的声学材料性能参数进 行简单的介绍。 2 2 1 吸声系数反射因数声阻抗率 当声波入射到材料表面时，入射声能的一部分被材料表面反射回去，另一部分进入 材料，这部分能量在材料中继续传播时被大幅度吸收衰减，当未被吸收的部分到达刚性 壁面上反射后，又被材料再次进一步吸收衰减，能够穿过材料重新进入空气中的声能就 比当初减少了很多【1 眦。 被材料吸收的声能与入射到材料表面的声能的比值用口来表示： ， 口：e i - e r ；1 一生 ( 2 1 研口= = _ l o i z 上6 l e ie i 式中：口一吸声系数； e 一入射声能( j ) ； e ，一反射声能( j ) 。 同一种材料，对不同频率的声波，吸声系数往往也不同。通常所说的材料的吸声系 数往往是指在1 2 5 、2 5 0 、5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 和4 0 0 0 h z 6 个倍频程中心频率下的吸声系数， 有时也用上述六个频率下的吸声系数的算术平均值来表示材料的吸声性能i n ，。 当声波入射到材料表面时，反射声波幅值与入射声波幅值的比值用r 来表示： r ；盟 ( 2 1 9 ) p i 式中：，一反射因数； b 一入射声波幅值( m m ) ； n 一反射声波幅值( m m ) 。 吸声系数口与反射因数r 有如下关系： 口；1 一，2 ( 2 2 0 ) 1 0 第二章声学与振动的基础知识 声阻抗的定义式为： z ；婴 ( 2 2 1 ) u l 石j 式中：z 一媒质的声阻抗率； p ( z ) 一媒质中z 处的声压( 只) ； 甜( 力一媒质中z 处的质点速度( m 砷。 声阻抗率z 与反射因数r 有如下关系式： z ：芝p c o ( 2 2 2 ) 上一厂 式中：p c o 为空气的特性阻抗。 2 2 2 隔声量声压透射系数 当声波入射到材料表面时，入射声能的一部分被材料表面反射回去，一部分进入材 料继续传播。进入材料内的声能，一部分由于材料的内阻而被吸收，另一部分穿过材料 进入另一侧的空气中继续传播。 入射到材料表面的声能与透射到材料另一侧的声能两者的1 0 倍对数的差就为隔声 量用t l 来表示： f t l = 1 0 l ge i - 1 0 1 9e t = 1 0 l g ) q 2 3 ) d f 式中：死一隔声量d b ( 舢； e 一入射声能( j ) ； e 一透射声能( j ) 。 同一种材料，对不同频率的声波，隔声量往往也不同。同吸声系数一样，工程中常 用材料在1 2 5 、2 5 0 、5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 和4 0 0 0 h z 6 个倍频程中心频率下的隔声量来表示 材料的隔声性能，有时也用这6 个隔声量的算术平均值来表示材料的隔声性能。 目前最常用的测量材料隔声量的方法是混响室法。它是将面积约为1 0 平方米的样 品放在两个相邻混响室隔墙的中间，然后通过测量两个混响室的声压级来确定材料的隔 声量。 当声波入射到材料表面时，透射声波幅值与入射声波幅值的比值用t 。来表示： f ，；丛 ( 2 2 4 ) p i 式中：t 。一声压透射系数； 大连交通人学t 学硕十学位论文 p ，一透射声波幅值； a 一入射声波幅值。 隔声量t l 与声压透射系数f 。有如下关系式： 弛= - 2 0 1 9 t 。 2 3 振动的物理度量 衡量振动与噪声强弱一样，反映振动的特性位移、速度、加速度等参数， 分贝来表述他们的大小，分别得到相应的级值。 振动位移级t 为： l j , = 2 0 i g c 睾 式中：s 一位移( m m ) ； 晶一位移基准值，s o = 8 x 1 0 。1 2m m ) 。 振动速度级。为： ( 2 2 5 ) 也可以用 ( 2 2 6 ) o = 2 0 l g ( ( 2 2 7 ) 式中：y 一振动速度( i n s ) ； 一速度基准值，v o = 5 x 1 0 一( m s ) 。 振动加速度级乞为： t ：2 0 l g ( 旦) ( 2 2 8 ) 口0 式中：口一振动加速度( m s 2 ) ； a o 一加速度基准值，a 0 = l x l 0 巧( m s 2 ) 。 2 4 振动的评价 振动是噪声的主要来源，同时，振动还通过基础传向各方。 振动对人体的影响可分为全身振动和局部振动。全身振动是人直接位于振动体上时 所受的振动；局部振动是指手持振动物体时引起的人体局部振动。 可听声的频率范围为2 0 - - - 2 0 0 0 0 h z ，而人能感觉到的振动频率范围为1 1 0 0 h z 。 振动按频率范围分为低频振动( 3 0 h z 以下) 、中频振动( 3 0 - - 1 0 0 h z ) 和高频振动( 1 0 0 h z 以e ) 。 1 2 第二章声学与振动的基础知识 实验表明人对频率为2 1 2 h z 的振动最为敏感，频率高于1 2 h z 或低于2 h z 敏感性 就逐渐减弱。 振动还会引起人体内部器官的振动或共振。人体有不少空腔和弹性系统，躯干的共 振频率在6 h z 附近( 包括胸膛和腹腔) ；头部在2 5 h z ；神经中枢在2 5 0 h z 左右。所以 人对低频振动最为灵敏，人在正坐时，共振频率约为5 h z l l 2 j 。 由于人对不同频率的振动的振感有差别，国际标准化组织制定了i s 0 2 6 3 1 1 9 8 5 入 承受全身振动评价以及i s o5 2 4 9 1 9 8 6 ( e ) 入对手传振东暴露的测量和评价指南。 振动对人影响的评价主要考虑振动强度、频率和暴露时间三个因素，当然还与振动 的方向有关。人站着或坐着受到上下方向的振动称纵向( z 向) 振动，前后方向( r 向 和左右方向( r 向) 的振动称横向振动。人体对于纵向振动卜8 h z 最为敏感；对 于横向振动1 2 h z 最为敏感。对于单频率振动，则测量其频率和加速度，可从图2 1 中查得允许的暴露时间。如果是多频率振动，则将各频率的加速度值进行计权相加，得 到一个总的评价值。 h 1 ￥ 、 j 四 获 怔 v 毯 艘 r - - r 只 t 0 3 1 5 0 3 1 5 0 1 6 0 8 m 彩多 1 6 m、 j 、 彩 1 h 。 2 5 1 a l 。 、 0 51 02 04 08 01 63 1 56 38 0 频率h z 图2 1 垂直振动标准曲线 f i 9 2 1 t h es t a n d a r dc u l v e so fv e r t i c a lv i b r a t i o n 在铁路客车中，具体的评价指标如表2 1 所示： 1 3 大连交通大学工学硕士学位论文 表2 1 客车运行品质标准及评定 t a b l e 2 1 s t a n d a r da n de v a l u a t i o no fp a s s e n g e rc a rr u n n i n gq u a l i t y 车体加速度( m s 2 ) 运行品质评定 垂向 横向 优等 0 1 5 本章小结 本章主要介绍了一些噪声与振动的基本知识，噪声方面包括噪声的物理度量、声波 的能量、声波的频程和频率、以及噪声的基本评价量，噪声的物理度量方面主要讲述了 声压、声强、声功率、声压级、声强级、声功率级以及分贝的叠加等；声学材料的相关 擦书方面，主要介绍了材料的吸声系数、反射因数、声阻抗率、隔声量和声压透射系数 等；振动主要介绍了振动的评价标准。 1 4 第三章地铁客车噪声与振动的形成及特点 第三章地铁客车噪声与振动的形成及特点 3 1 地铁客车噪声的形成 地铁车辆的交通噪声与一般铁路噪声相比，既有相同之处又有其独有的特征。经历 时间较铁路短，但发生的频率却较铁路高。地铁列车的运行问隔为2 _ 6 m i n ，运行时间 为早晨5 ：0 0 至夜间1 1 ：0 0 ，其引起的振动地铁客车的噪声主要产生于车辆的动力系统和 轮轨系统。 3 1 1 动力系统噪声 动力系统噪声包括牵引设备噪声、辅助设备噪声和其他设备噪声。牵引设备噪声来 源于牵引电机、传动装置( 减速齿轮) 产生的噪声；辅助设备噪声包括：发动发电机组、 空压机直流电动机、单相交流发电机等设备噪声；还有列车车门、列车广播、车内照明 等其他设备噪声【1 3 1 。 牵引电动机安装在转向架构架上，通过齿轮式联轴节与传动齿轮箱的主动齿轮联 接，达到电机牵引和电气制动的目的。牵引电机在主线路中，两台电机串联在一起成为 一个机组，每辆车四台电机，组成两个机组。 发动电机组是直流电动机和三相同步发电机组成。直流电动机直接取用三轨电源带 动同轴三相同步发电机旋转发电，共给列车照明、通风、通信、电器控制、仪表信号、 蓄电池充电以及空调等低压用电；空压机直流电动机系驱动空气压缩机之原动力。 车门一般采用滑动式车门结构，这种车门开关动作迅速，其噪声相对较低，但由于 车门的尺寸和重量的原因，当车门动作时将产生冲击噪声；广播噪声将影响列车广播的 可懂度；车内照明系统若安装不当或使用噪声较大的镇流器，将产生较大的纯音噪声， 虽然这种噪声声级较低，但对车内乘客也会产生一定的干扰。 牵引电机风扇的和电动发电机组的主频率均为2 5 0 h z ，空气压缩机的噪声呈明显宽 频带噪声。 3 1 2 轮轨系统噪声 车辆在行驶过程中，轮轨相互作用激发车轮和钢轨的振动而辐射噪声。轮轨噪声包 括：有节奏的滚动噪声、钢轨接缝处的撞击噪声和弯道处的啸叫噪声1 1 4 1 。 滚动噪声又称为“吼声 ，由钢轨和车轮表面的粗糙不平引起的，当列车在平直的 焊接钢轨上行驶时，主要噪声为滚动噪声。滚动噪声的峰值在8 0 0 - - - - 2 5 0 0 h z 范围内。 大连交通大学丁学硕+ 学位论文 撞击噪声由车轮和钢轨的结合处撞击所产生，它由钢轨接头的高度差决定，而与接 缝的宽度关系不大。 啸叫噪声是列车车轮在轨道上滑动摩擦所产生的一种窄带噪声，强度大，频率高。 啸叫噪声出现在小半径弯道或列车制动时，由于车轮相对于轨道横向运动而产生，使车 场的工作人员和车站附近的居民受到一定的影响。啸叫噪声呈正态分布，最大声级达到 i o o d b ( a ) ，波动范围为2 0 d b ( a ) 。 在正常运行速度下，辅助设备噪声通常低于牵引电机噪声和轮轨噪声，且与列车速 度无关，但当列车低速行驶，尤其当列车停站时，辅助设备噪声最为明显；当列车速度 为3 5 - - 5 0 k m h 时，轮轨噪声最大；当速度达到5 0 k m h 时，轮轨噪声和牵引电机噪声相 等；速度在5 0 k m h 以上时，牵引电机噪声低于其他噪声；当列车速度低于3 0 k m h 时， 轮轨噪声是主要噪声源。 3 1 3 地铁列车的噪声特性 地铁车辆的车型、轮压、道床等与普通铁路列车有很大不同，因此其具有不同的噪 声声压级特点和频谱特性。除了轻轨车辆本身的机车性能外，车长、车速、车流量、单 车装载量等对其噪声也有很大的影响。 。 国内外学者一致认为，l o o k m h 以下的中低速列车的噪声以中低频率成分为主。车 内噪声主要是车轮在钢轨上滚动产生的滚动噪声，通过周围的空气，由车体缝隙，尤其 是通过转向架附近的地板处传入车内。同时，声能激动车体外壳，使车内地板、上下墙 板和车窗等产生振动，并向车内辐射。此外，车辆牵引电力系统和辅助设备运转而产生 的噪声对车内环境有着严重的影响。大量数据表明，车内噪声主要集中在5 0 0 - - - - - 1 2 5 0 h z 之间，由于低中频噪声具有波长长、声能量在空间衰减缓慢、传播距离远等特点，使之 成为地铁干线噪声f 地铁车辆运行噪声和高架结构附加噪声相互叠加合成的噪声) 的一个 突出特征，需要在噪声防治中引起重视。 为了降低车内噪声，整个车体采用轻型复合密封结构，外板采用大尺寸挤压铝合金 板材( 且可以减轻自重) ；在内外墙板间、内外顶板间，尤其是地板夹层间，填充高性能 的隔音材料；安装内贴吸音材料的车裙板，以吸收车下声能；车内全部采用空调。采用 上述措施后，车内噪声可降低到6 5 d b ( a ) 以下，为旅客提供了舒适的乘车环境。 3 2 车内振动的主要来源 地铁客车和铁路客车一样，都在轨道线路上运行。轨道线路是由直线、曲线或平道、 坡道及高架桥梁、隧道等组成，它不可能始终保持平直，线路的走向、表面的不平顺， 甚至线路基础的弹性变化都会引起运行