（车辆工程专业论文）25t型客车减振降噪的研究.pdf

摘要 摘要 旅客列车车内振动和噪声是影响乘坐舒适性的主要因素之一，也是较难解决的问 题。振动是源，噪声是果。车内噪声主要来自两个方面：一是车体振动；二是空气与车 体及附属设备之间的冲击和摩擦。前者引起的噪声受车体结构、车上设备安装方式、各 激振源特性等多种因素影响；而后者只受车体外形结构和列车行驶速度的影响。两种噪 声对车外噪声和车内噪声均有所影响，在一般情况下，以车体振动噪声的影响为大。 众所周知，中国铁路从1 9 9 7 年以来不断提速，先后经过六次大提速，大部分干线 时速已经达到1 6 0 k m h ，有些干线已经达到2 0 0 k m h 以上的速度，随着列车速度的不断 提高，振动噪音问题也是人们越来越关注的问题，它不仅对周围环境和居民产生干扰， 更重要的是对乘车旅客和工作人员产生不利的影响。采取相应措施降低旅客列车的噪音 有利于满足不断提速的要求，适应于铁路跨越式发展的大趋势。 本文以试验研究和减振降噪基本理论为基础，重点论述了轨道列车声学优化设计的 技术，对2 5 t 型软卧车提出了一整套减振降噪设计方案，利用模态分析的方法对车体改 进方案进行了优化，进一步完善了设计方案，改进了侧墙的振动、隔声、吸声效果，对 车顶、侧墙及底架采取了合理的阻尼减振措施，改进了车窗等的密封性能。我们按照此 套方案设计制造了一辆2 5 t 型软卧车，并对同时在同一条线路上运用的改造后和改造前 的2 5 t 型软卧车进行了振动、噪声对比试验和分析，试验结果证明改造车提高了软卧客 车的整体降噪效果，改善了2 5 t 型软卧车的舒适性。 关键词：2 5 t 型车；声学优化；模态分析；减振降噪；对比试验 火连交通大学1 ：狂硕十学位论文 a b s t r a c t o n eo ft h em a i nf a c t o r st h a tm a yi n f l u e n c et h ec o m f o r ti n s i d et h ep a s s e n g e rc a l i st h e n o i s e w h i c hi sa l s oat h o r n yp r o b l e m t h e r ea r em a n yf a c t o r sf o ri n f l u e n c i n gt h en o i s ev a l u e i n s i d et h ec a r s u c ha st h en o i s ec a u s e db yw h e e l r a i la c t i o n , a e r o d y n a m i cn o i s e ，m u l t i f r e q u e n c ys t r a pn o i s ec a u s e db ye q u i p m e n ti n s i d et h ec a l , a n dt h en o i s ep r o d u c e db yt h e v i b r a t i o no fc a r b o d y ，e t c a sw e l lk n o w ，c h i n ar a i l w a yh a sb e e nc o n t i n u a l l yi n c r e a s i n gt h e s p e e ds i n c e19 9 7 t h es p e e dh a sb e e ns u c c e s s i v e l ye n h a n c e df o r6t i m e s o nm o s to ft r u n k l i n e st h es p e e dh a sa l r e a d ya c h i e v e d16 0 k m h s o m eo ft r u n kl i n e sa l r e a d ya c h i e v e d2 0 0 k m h w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h e c a rs p e e d ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h e n o i s ep r o b l e mw h i c hn o to n l yd i s t u r b st h ea r o u n de n v i r o n m e n ta n dt h ed e n i z e n sb u ta l s o b r i n g st h en e g a t i v ee f f e c tt ot h ep a s s e n g e r sa n dt h es t a f f t a k i n gr e l a t i v em e a s u r e st or e d u c e t h ep a s s e n g e rc a l - sn o i s ei sp r o p i t i o u st os a t i s f yt h es p e e d u pr e q u i r e m e n t sa n ds u i t sf o rt h e s p a n n e dd e v e l o p m e n tt r e n do fr a i l w a y b a s e do nt h et e s t i n gr e s e a r c ha n dt h eb a s i ct h e o r yo fn o i s er e d u c t i o n ，t h et h e s i sp u t sa r e a s o n a b l es c h e m ef o rt h er a i l w a yv e h i c l e s t h a ti st oa d o p tan e wt y p eo fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nm a t e r i a lf o r1 e s s e n i n gt h ev i b r a t i o na n dr e d u c i n gt h en o i s eo nt h et r a i n f r o mt h e r e s e a r c ht h a th a sb e e nd o n eo ni t sp e r f o r m a n c e w ec a ns e et h a tt h i sm a t e r i a lc a ni m p r o v et h e e f f e c to fs o u n di n s u l a t i o na n da b s o r p t i o nf o rt h es i d ew a l l ；t a k ep r o p e rd a m p i n gm e a s u r e st o t h er o o f , s i d ew a l la n du n d e rf r a m e t oi m p r o v et h et i g h t n e s so fw i n d o wa n de n h a n c et h e w h o l en o i s er e d u c t i o ne f f e c to ft h ec u s h i o n e db e r t hs l e e p i n gc o a c h t h et h e s i se x p o u n d st h en e c e s s i t yo fc o n t r o l l i n gt h ev i b r a t i o na n dn o i s eo fh i g hs p e e d t r a i n ；c l e a r l yc o n v e y st h ev i e w p o i n tt h a t i ti sas y s t e m i cp r o j e c t ；a n dp u t st h e b a s i c c o u n t e r m e a s u r e so fc o n t r o l l i n gt h ev i b r a t i o na n dn o i s eo fh i 曲s p e e dt r a i nf o rc a rf l o w m a n a g e m e n t , i m p r o v e m e n to fl i n e - c o n d i t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf a c i l i t i e s ，c o n s t r u c t i o n o fn o i s er e d u c t i o np r o j e c ta n dc a re q u i p m e n t ，e r e t h et h e s i sm a i n l yd i s s e r t a t e st h ea c o u s t i c s o p t i m i z a t i o nd e s i g n i n gt e c h n o l o g yo f t h eh i g hs p e e dt r a i n k e yw o r d s ：2 5 tp a s s e n g e rc a r ；a c o u s t i c so p t i m i z a t i o n ；m o d ea n a l y s i s ；v i b r a t i o n l e s s e n i n ga n d n o i s er e d u c i n g ；c o m p a r i s o ne x p e r i m e n t 大连交通大学学位论文版权使用搜权书 本学位论文作者完全了解太整塞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 知识产权单位属太整塞通太堂，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塞通太堂。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。 本人授权太董交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：猖弘 日期：2 o o s 年，之月之d 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：贻放夤露车月捌自黜刁 通讯地址： 电子信箱： 导师签名：j ；夸咿 日期：砂矿年，2 月矽目 电话： 邮编： 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塞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：裼弘 日期：肋孑年f 工月如日 绪论 绪论 1 研究的意义 振动和噪声污染同空气污染、水污染一样，被公认为当今世界三大公害之一，环境 中的振动和噪声会影响人们的生活和工作质量及健康状况。列车运行时产生的振动和噪 声严重影响了沿线居民及车内旅客的生活、工作和休息，也影响了客车的舒适度。 良好的客车设计和制造，应考虑客车的声环境。振动是源，噪声是果。轨道车辆的 振动和噪声问题必须综合治理。客车声环境设计的基本课题是减少噪声源，隔断外部噪 声和振动，减少车内外声音的传递，设计车内的音效等。 振动是一种很普遍的运动形式。当一个物体处在周期性往复运动的状态下时，就可 以说物体在振动。任何一种机械，不论是进行圆周运动还是往复运动，都产生振动。某 些振动对人的机体是有害的，有些甚至能破坏建筑物和设备。 铁路客车振动和噪声控制是- i - j 复杂的现代技术，它与车体轻量化设计、气密性研 究、转向架设计、轮轨摩擦、线路质量、振动及隔声、减振材料的选择、动力设备的设 计安装等息息相关，涉及到理论力学、流体力学、材料力学、空气动力学、机械设计等 多门学科，以及摩擦学阻尼技术、模态分析、能量分析、随机信号分析等多门新技术。 客车设计时单单从某一方面考虑不能有效降低车内外振动和噪声，必须综合考虑，只有 将声学设计融入客车结构及部件设计的每一方面，才能实现振动、噪声控制的目的。 发达国家从二十世纪四、五十年代起就丌始从事机车车辆研制高潮，并为高速列车 的设计提供了大量的理论依据；到了八、九十年代，各国随着高速铁路的发展，开始进 行一系列噪声声源及噪声传播途经的深入研究，特别是空气动力性噪声的研究通过对车 辆结构及零部件的反复设计、试验，将噪声控制技术融入车辆的轻量化，气密性，各种 材料及结构的优化设计之中，从而通过控制铁路噪声，来创造一个良好的车内外声为环 境。 2 研究目的 随着国家经济实力的增强，我国高速铁路将要实现跨越式发展，这不仅要提高运行 输送效率，缩短人们的出行时间，也使城市之间的经济、文化、贸易等交流更加频繁， 会产生很高的经济效益和社会效益。但伴随着列车速度的提高，铁路噪声问题越发突出 出来，振动和噪声传播到铁路客车车内，会使乘客的舒适度大为降低，特别是随着人们 生活水平的不断提高，人们的出行已不仅仅局限于解决乘车难问题，而对乘车舒适度提 出了越来越高的要求，铁路振动噪声现已成为我国目前必须解决的问题之一。 3 国内外现状 大连交通大学t 程硕+ 学位论文 国外工业发达国家从二十世纪四、五十年代起就开始从事机车车辆及铁路沿线的噪 声研究，他们在开发高速客车的同时都非常重视伴随着车速提高而来的噪声增长的问 题，日本等国都专门成立了控制噪声的研究机构。 车内的噪声值是检验舒适度的重要指标。根据国际铁盟u i c 5 6 7 1 备忘录的规定， 在通车区段以2 0 0 k m h 速度行车时，一等车转向架上的噪声水不超过6 5 d b ( a ) ，二等 车不应超过6 8 d b ( a ) 。 i c e 技术任务书中规定，列车以2 5 0 k m h 速度运行时一等车车厢内噪声最大值不得 超过6 5 d b ( a ) ，二等车车厢内最大值不得超过6 8 d b ( a ) ，目前欧洲和日本均将此作 为评定高速列车噪声舒适性的要求，并规定即使客车再提高速度运行，车内噪声最大值 也应满足一等车不超过6 5 d b ( a ) ，二等车不超过6 8 d b ( a ) ，现在各国高速列车基本 上已达到该要求。 根据日本新干线铁路噪声环境基准的规定，新干线高速列车通过居民住区或工商业 等其它地区，其噪声均不得超过7 5 d b ( a ) 的环保要求。 我国目前对铁道车辆噪声的研究还甚少，这方面的研究工作和研究成果还非常鲜 见，和国外相比有很大的差距，在很多研究领域还是空白。为了准确地掌握我国目前铁 路车辆车内噪声的传播和分布特性，制造出高质量低噪音的客车，为分析车内噪声，我 公司在国内采用噪声与振动测试分析系统对我厂快速软卧车和上海高包车、2 0 0 k m h ( 大 白海鲨) 和2 7 0 k m h 中华之星车进行了多通道研究性，运行噪声测试，测试线路选择国 内几条主要线路，铁科环大连一北京、上海一北京( 京沪线) 广深线，其目的是掌握我 国铁路客车在不同工况，不同运行速度。不同测试位置时的车内噪声的现状和分布规律， 以便对车体结构防噪降噪提供依据。 4 论文概要介绍 本文从声学角度出发，以试验研究和减振降噪基本理论为基础，重点论述了轨道列 车声学优化设计的技术，对2 5 t 型软卧车提出了一整套减振降噪设计方案，利用模态分 析的方法对车体改进方案进行了优化，进一步完善了设计方案，改进了侧墙的振动、隔 声、吸声效果，对车顶、侧墙及底架采取了合理的阻尼减振措施，改进了车窗等的密封 性能。我们按照此套方案设计制造了一辆2 5 t 型软卧车。 2 第一章声学原理 第一章声学原理弟一早尸= 手原璀 1 1 声音的性质和基本物理量 1 1 1 声音、声源和声波 声音：声音是能对我们的耳朵和大脑产生影响的一种气压变化。这种变化将天然或 人为振动源( 比刮风或说话) 的能量，以介质为媒体向周围传播后引起人耳膜的振动， 使人在生理上得到的感觉称为声音。因此声音形成应有两个条件：一振动声源；二是人 耳有无感觉。能否有声音，以及声音如何以人耳感觉为讨论噪声的出发点。 声源：声源通常是指受n ； l - 力的作用而产生振动的物体，例如用鼓锤去敲鼓，就 会听到鼓声，这时用手去摸鼓面，会感到鼓面在迅速振动着。这个事实说明由于鼓面振 动而产生了声音。当然声源不一定非固体振动不可，液体或气体振动同样会发声，水管 中水龙头的噪声就是液体振动发声，高压容器排气放空吼声就是高速气流与周围静止空 气相互作用引起的空气振动。 声波：从物理学的观点来讲，声音是一种机械波，是机械振动在弹性媒质( 包括 固体、液体和气体) 中的传播，所以也称声波。 振动体：如扬声器、吉他弦、振动的车体建筑的墙体以及人声。 1 1 2 声波运动与四个表征量关系 声音通过声波运动来传播机械振动。这就是说，虽然像空气分子这样物质单体微粒 会回到他们原来的位置上，但是声音的能量都显然被向前传播了。波动的前沿在各个方 向上匀质地传播除非在它的f j 进道路上遇到了物体或者其他物质的干扰。 这种波动是一种纵向的波动，也就是一种纵波，如图1 1 所示，在波动传播的过程 中，那些介质的微粒在同一个方向上传播这种机械振动。声波可以在固体、液体和气体 中传播，但是都不能在真空中传播。 图1 1 表达了声波以时间为横轴来展开振动。就如我们在图1 1 中看到的那样，对 于一种频率的单纯的波来说，它呈现一种正弦波的形状。 波长：波长入是指在波动上任意两个最近距离的相同波相的点之间的距离，其单位 为米( m ) 。 在图1 1 上，一个波长是用两个最近被压缩的点的距离来表示的。但是，任意两个 最近距离的相同波相的点的距离是一样的。 大连交通大学下科硕十学位论文 振幅 位移 图1 1 声波的振动 f i g 1 1v i b r a t i o no f s o u n dw a v e 频率：频率( 厂) 是指在每一秒内机械振动的振动次数，单位：赫兹( 胁) ，图1 2 表 示两个全的波动或者说是两个循环。 周期：一次完全振动所需的时间称为周期t ，单位为秒( s ) ；周期t 的倒数是一秒内 的振动次数，周期与频率的关系式为： 卜1 歹( h z ) ( 1 1 ) 速度：速度( v ) 是指在一定方向上声波在1 秒钟内传播的距离，单位米秒( m s ) 。 声源每振动一次，声波就向前移动一个波长的距离，所以在1 s 内振动的次数就决定了 在1 秒内能移动的总距离，而速度的情况也是一样的。这个关系对于任何波动来说都是 一样的事实。可以用公式来表示： 1 ，= 厂九( 1 2 ) ，振幅 a 麟墨 vv 而 图1 2 低柔声音和响亮卢音的波动曲线 f i g 1 2f l u c t u a t i o nc u r v e o ff l e x i b l ev o i c ea n dc l a n g o r o u sv o i c e 4 第一章声学原理 1 1 3 声音的速度 在2 0 的干燥空气下测量的话，声波从它的声源出发，以3 4 4 m s 的速度向外传播。 对于室内传播来说，这是一个可以接收到的速度，但是当在室外的地表上传播的时候却 是很慢，以至于我们可以分辨出从看到声源发出声音到我们能听到声音的中间的延迟。 比如说，我们看到一个很远处的爆炸，但是我们要过一段时间才能听到那个爆炸的声音。 声波的传播速度主要与媒质温度有关。空气中声速随气温的变化可以简单地表示 为： y ( 0 ) = 3 3 0 4 5 + 0 6 1 e( 1 3 ) 式中e 是摄氏温度o c ，当压强和温度一定时，媒质中声波传播速度是一个常数。 声音的速度响对于声源如何振动是独立的，没有什么关系，也就是说声源的振动频 率不影响声音的速度。声音的速度也不受因气候变化而产生的大气的变化的影响。 但是，声音的传播速度却受到它所借助的传播介质的性质的影响，表1 1 给出了一 些声音在不同的介质中传播时传播速度值。声音在气体中的传播速度随着气体密度的增 加而减小，因为，当介质的微粒变得重的时候，传播将变得不容易。潮湿的空气含有比 较多的轻质的微粒，所以，声音在潮湿的空气中传播的时候会变得略微的快一些。 声音在液体和固体中传播得更快，因为这些材料的密度和弹性的原因。这些材料的 分子对于振动的反应相对气体分子来说快很多，所以声音能够在一个更快的速度上传播 振动。 表1 1声音在不同介质中的传播速度 t a b l e1 】s p e e do fv o i c e si nd i f f e r e n tm e d i a 材料典型速度m s 材料典型速度m s 空气( 0 ) 3 3 1 玻璃 5 0 0 0 空气( 2 0 ) 3 4 4铁5 0 0 0 空气( 2 5 ) 1 4 9 8花岗岩 6 0 0 0 水 3 3 0 0 举个例子来说，生铁是一种很有弹性的材质，所以声音在其中的传播速度是在空气 中传播速度的1 4 倍。 1 1 4 声音的频率 举个例子来说，如果一个物体作为声源，它在1 s 内产生了l e e 次声音振动。那么， 这样的声音其声波频率是l e e h z ；人类的耳朵能听到这个声音发出某个音调。 5 人连交通火学下程硕十学位论文 音调就是人类的耳朵接收声音的时候所接收到的声音的频率。 低调的音符是由低频率的声波所产生的，而高调的音符是由高频率的声波所产生 的。音符的音调决定了这个音符在一个音乐八度罩面的位置。人类的耳朵能够听到的声 音频率的范围大约是2 0 - - 一2 0 0 0 0 h z 。频率处在2 0 - - 2 0 0 0 0 h z 时人耳能感觉到，称为声波， 低于2 0 h z 的声波称为次声，高于2 0 0 0 0 h z 的声波称为超声。次声和超声不能引起人耳 鼓膜的振动，是人耳听不到的声音。 声波频率的高低影响声调。频率高，声调亦高；频率低，则声调低。即人们所说的 高音和低音。 人耳听到频率为1 0 0 0 h z 时的声音称为纯音。一些典型的声音的频率在图1 3 中给 出。 大部分的声音包含许多不同的频度，而这个声音通常很容易用一个范围的频率尺度 来鉴定并研究它，比如八度音阶。 频率7 h z 1 5 01 0 05 0 01 0 0 0 5 0 0 01 0 0 0 0 5 0 0 0 01 0 0 0 0 0 千 千千千 千 享内空气 电源的 2 争弓璺z 收音机的 轮船的 的流动蜂鸣声 中圆c 时闻信号 鸣笛声 衄嬲弈 卜声音的范围_ 一钢琴的范围 一听力的范围_ 图i 3 声波的频率范围 f i g 1 3f r e q u e n c yr a n g eo f s o u n dw a v e 1 1 5 共鸣 每一种物体都有一种叫做固有频率的特征频率，当它受到扰动的时候，它会发生在 这个频率上的振动。举个例子来说，一个金属块掉到地板上的声音可以和一块木头以同 样的方式掉到地板上的声音区别开来。这种固有频率的特性是由一些i ：l 女n 形状、密度和 硬度等物体的特性来决定的。 当任何外界的振动频率和物体的固有频率正好相同的时候，这个物体就会发生共 振。共振的效果是这个物体在这个频率上产生尤其大的机械振动。 6 第一章声学原理 共振会发生在许多机械系统中。举个例子来说，当汽车的发动机的频率和汽车基本 松动的零件的固有频率一样的时候，它会导致汽车上这个零件以_ 定的速度发出喀嚓喀 嚓的声音。拉锁大桥的摇动可能和在其上行走的行人的频率发生共振。一个玻璃杯会因 为和歌手的最高音发生共振而变成碎片。在建筑中共振没有如此的戏剧化，但是却有实 际应用，声音的共振效果会影响声音在隔墙和空腔中的传播和吸收。 1 2 声响评价指标 声音的强度或者说是响亮程度取决于他的能量内含，而这种能量将影响到他所产生 的压强变化。声波的振幅，也就是说每一个空气分子偏移平衡点的最大位移量，随着声 音强度的增大而增大，就像我们在图1 4 中看到那样。但声音的频率或者说是音调是保 持不变的。 振幅 麟翠 vv 哺 图1 4 低柔声响和响亮声响的波动曲线 f i g 1 4f l u c t u a t i o nc u t y e so ff l e x i b l er e s p o n s ea n dc l a n g o r o u sr e s p o n s e 1 2 1 声功军 声源辐射波时将对外做功，声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声能，单位为 瓦( 形) 或微瓦( m ) 。声功率声源的一个基本的物理量。但是，通常很难直接去测量她。 一个声音的最大发射能量大概是1m w ，这也说明了为什么说话不会让我们筋疲力尽的 原因。一个典型的喷气式飞机的马达的声功率也只有及千瓦。声源的声功率或指在全部 可听范围所辐射的功率，或指在某个有限频率范围所辐射的功率( 通常称为频带声功率) 。 7 大连交通大学丁手旱硕十学位论文 在计量时应注意所指的频率范围。在建筑声学中，声源辐射波的声功率大都可以认为不 因环境条件的不同而改变，并把它看作是属于声源本身的一种特性。 声功率级。的定义为 小1 0 l g 景( 招) ( 1 4 ) 式中w 为考察声源声功率，w 0 为基准声功率，在空气中w 0 = l 1 0 2w 。 1 2 2 声压 声波在传播过程中，媒质中各处存在着稀疏和稠密的交替变化，因而各处的压强也 相应地产生变化。没有声波时，媒质中有静压强p 0 ，有声波传播时，压强随声波频率产 生周期性变化，其变化部分，即有声波时的压强p 与静压强昂之差称声压，用p 表示。 声压的大小用压强表示，单位为p a 。一般听到的声音，其声压与静压相比是很小的。在 标准大气压重，稳定大气压力为1 06 p a 声压要比大气压小得多，一般在2 x1 0 5 - - , 2 0 p a 范围。正常人的耳膜对两人面对面交谈时的平均声压大约为2 x1 0 p a 。声压的大小可 用以度量声音的强弱。声压越大，则声响；声压越小，则声音听起来弱。 声压级： 大部分的实用乐器使用时对于声压的反应来测试它的声音。声压级( l ) 可以通过 下面的公式得到： l ，= 2 0 i g ( - 主- ) d b ( 1 5 ) 式中 广被测声音的均方根声压( p a ) ； p 。能够听到的最小的声音的均方根声压值，这个值是2 0 up a 。 声功率仅表示声源发生能力的大小，点声源在自由声场中， 声功率级与声压级的 关系为： 上尸2 三w + 1 0 1 9 ( 万1 ) ( 1 6 ) 在式1 6 成立的条件下，声压级与声强级之间可以互相转换： ，扣 川恪剖 ( 1 7 ) 8 第一章声学原理 晶和，。是人为规定的基准值( p g j 。= 4 0 0 ) ，由于在一个大气压和室温条件下，p o c 的值很接近4 0 0 ，因此上式中右端第2 项接近于0 。故在一般条件下，可以认为声强级 和声压级的数值近似相等。但在高原地区和其它特殊条件下，声强级和声压级未必相等。 1 2 3 声强 声波的大小或强弱也可用声强来表示。声强的定义为单位时间内通过垂直于传播方 向上的单位面积内的平均声能量。声强用符号i 表示，单位为w m2 声强具有方向性， 是一个矢量。如果所考虑的面积与传播方向平行，则通过此面积的声强就为“零”。在 平面波和球面波的条件下，声强在传播方向上的数值与声压的关系为： p 2 ，= 二 ( 1 8 ) p o c 式中 ，声强( w m2 ) ； p 声压( p a ) ： p o - 材料的密度( k g m3 ) c 声速( m s ) 声强级 如果声音的强度要由声强来衡量的话，那末声强级( i ) 可以从下面的公式得到： ， ，l = 1 0 l g ( ) ( 1 9 ) 0 式中： ，一测量得到的声音得声强( w m2 ) ，。一能够听到的最小的声音极限的声强值，这个值是l x l o - 1 2w m 2 ) 1 3 声音的传播规律 】3 1 声音在空气中的传播 噪声通过几种不同方式传播到建筑、车厢里面，也在建筑、车厢的不同部分间传播。 我们需要先来确定声音的类型，包括如下的两种主要的类型： ( 1 ) 空气传播的声音 ( 2 ) 撞击声 1 3 1 1 空气传播的声音 9 大连交通人学- 厂稃硕十学位论文 空气传播的声音是指声音在到达一个隔离物之前在空气中传播。 注意这个定义并不是简单的说“声音在空气中传播”。主要是指隔离物的振动必须 是由在空气中传播的声音所产生。由空气传播的声音被列在图1 5 和图1 6 中，典型的 由空气传播的声音包括说话声、广播、音乐器械、交通和飞机的噪声。 侧面路径 墙 棱饭 德面 路径 墙 图1 5 空气传播的声音的传播图1 6 空气传播的声音的传播 f i g 1 5t r a n s m i s s i o no fs o u n di nt h ea i rf i g 1 6t r a n s m i s s i o no f s o u n di nt h ea i r 1 3 1 2 撞击声 撞击声是指在一个隔离物上产生的声音。 典型的撞击声的声源包含脚声、关门和关窗的声音、吵人的管道声和振动的机器。 一个持续的振动可以被认为是一系列的撞击，而撞击声音同样可以转化为结构产生的声 音。注意一点，就是这样的撞击声也将和一般的声音一样经过空气传播到达你的耳朵， 但是这和空气传播的声音是不一样的。 1 3 1 2 实际声音的声源 分辨空气传播的声音和撞击声音的不同是很重要的，因为要控制这两种噪声的最好 办法是不同的。一个单个的声源可能同时发出这两种声音，所以在接收室里听到的声音 需要使用空气传播的声音和撞击声两种不同定义来区分。举个例子来说，在一个楼板上 的脚步声在楼下的人听来可能主要是撞击声，但是对于楼上的人来说听到的是空气传播 的声音。 就像在图1 5 和图1 6 种我们看到的那样，声音同样可以通过侧面传播到达接收室。 这样的间接的传播途径可以是很多并且很复杂的。侧面传声的效果在各声的声压级高的 情况下会增加，并且可能实现的最大隔声效果。 1 3 2 声波遇到障碍物时的传播 声音传播的途径或者说是声线是一种有方向的轨迹，这是当声波 穿过一种材料的时候描画出来的，这种材料可以是空气。这种成比例的声线的几何 画法对于预测声学效果来说是一种很有用的技术。 l o 第一章声学原理 室内声音传播的途径可能受到一些物体的影响，比如在图1 7 中看到的反射、吸收、 绕射。 靠射 投射 反射吸收 图1 7 声音的路径 f i g 1 7r o u t e o f s o u n d 1 3 2 1 反射与吸收 声波在传播中遇到尺寸比其波长大得多的界面将遵循波的反射定律：反射线与入射 线在同一平面内；反射角等于入射角。反射声能，与入射声能晶之比称声能反射系数， ( 亦称反射系数) 。如果交界面两侧都是半无限大的媒质，声波从第一个媒质垂直入射 到第二个媒质表面时，可求出反射系数，为 ，：兰旦逊1 ： 己。p 2 c 2 一p l c l ( 1 1 0 ) 当声波从空气入射到水面时，由于水的pc 比空气的pc 大4 0 0 倍左右。所以反射 系数r 1 ，即接近于全反射。同理，空气中的声波遇到光滑坚实的墙面时也接近于全反 射。 大多数情况下，界面总会吸收一部分声能。我们将凡是没有被反射回来的声能看作 是被吸收的声能，它与入射声能的比值称吸声系数0 【。吸声系数与反射系数，有关： fp q ：兰鱼；1 一， 色 ( 1 1 1 ) 因反射系数与入射角有关，故吸声系数亦如此。一般在给出吸声系数资料时，都会 注明是垂直入射吸声系数( 驻波管法测得的吸声数) ，或无规入射吸声系数( 混响室法 则得的吸声系数) 。 1 3 2 2 透射与隔声 大连交通大学t 程硕十学位论文 到对于某一围护结构声波入射后其隔声性能的优劣被定义为声音传过围护结构前 后的声压级之差，它与透射系数的关系如下： 只：1 0 1 9 一1 ( 1 1 2 ) f 一般说来，隔声量尺与声波的入射角有关。 1 3 2 3 绕射 声波的传播过程中遇到障碍物或孔洞时，其波阵面会发生畸变，这种现象称为绕射。 当声波的频率较低，即波长较长时，比障碍物的尺寸大得多，这种声波将绕过障碍物， 并在障碍物的后面继续传播。如果障碍物是d q l ，尽管孔径很小，但声波仍然可以通 过4 , ：f l 向前传播。当声波的频率较高时，即波长较短，比障碍物的尺寸小的多，这时绕 射现象不明显，在障碍物后面声波难以达到的地方形成了“声影区”。如果是小孔，在 孔的外侧同样会形成声影区。如1 0 0 h z 的波长为3 4 m ，1 0 0 0 0 h z 的波长为0 0 3 4 m ， 而人的直径哟为几十厘米；所以人对于1 0 0 h z 的低频声几乎是挡不住的，而对1 0 0 0 0 h z 的高频声波就能起遮挡作用，同时还会吸收一部分声能。 在噪声控制工程中，应该注意声波绕射现象对降噪效果的影响。隔声屏障存在孔洞 或缝隙时，由于绕射的原因，能够大量通过声波，从而影响隔声屏障的隔声效果，声波 频率越低，这种影响就越严重。因此，在噪声控制中，对于起隔声作用的结构，在设计 和加工过程中应严防孔洞和缝隙的出现。利用高频声形成声影区的现象，常常在噪声源 与操作者之间设置隔声屏障，使人处在声影区内。应该指出的是，这种屏障对于低频声 隔声效果较差，只有加高屏障，并覆盖吸声材料才能收到一定的降噪效果。 本章小结 本章对声学原理进行了系统的介绍，分别从声音的性质和基本物理量，声响评价指 标，分贝标度，声级的计算，声音的传播特性等方面进行了详细的介绍。 1 2 第二章2 5 t 型客乍的降噪设计 第二章2 5 t 型客车的降噪设计 车辆的声学设计的任务是合理地利用隔振、减振、隔声和吸声地综合效果，使乘客 耳旁和铁路沿线的噪声降低到噪声允许的标准值下s 客车的声学设计的顺序一般是：减 振隔振隔声吸声。 2 1 关于车体振动和噪声 ( i ) 客车内噪音的发生机理 振动和噪声是需要统一研究的。机械振动对车体的破坏一般是低频段( 卜5 0 h z ) ， 越是结构整体的振动破坏性越大，影响车辆的振动平稳性和舒适性以及疲劳寿命。而噪 声源于结构的振动，由于结构的振动引起空气的振动，以波动的形式在空气中传播，成 为噪声( 声音) 。 车辆上几乎所有的噪声源都对车内辐射噪声，加上车体自身产生的噪声及车体对外 部噪声的放大作用，所以车内噪声控制是一项相当复杂的工作。但归纳起来有减弱声源 强度，隔绝传播途径和吸声处理几个方面。 客车内部噪音发生的机理如图2 1 所示，车内的噪音源主要有轮轨噪音、空气动力 学噪音、设备等，这些噪音源所辐射的噪音，在车体周围空间形成一个不均匀的声场。 图2 1 客车内部噪音发生的机理 f i g 2 1o c c u r r i n gm e c h a n i s mo fi n n e rc o a c hn o i s e 车外噪音要向车内传播，具体途径有两个：一是通过车体及门窗上所有的缝隙接传 入车内；二是车外噪音声波作用于车体的壁板，激发壁板的振动，并向车内辐射噪音， 这种辐射噪音的强度与壁板的隔声能力有关，也就是说它服从质量定律的规律，车内噪 音主要由空气声、固体声和混响声三部分组成。治理空气声传播，主要靠隔声措施；治 理混响声，主要靠吸声措施：治理固体声，主要靠隔振和减振措施。 查兰尘鎏苎尘! 兰婴：= | ：堡丝苎 随着列车速度的提高，即使转向架的动力性能很好，但是由于轨道不平顺对车辆的 激扰力仍都要传到车体上。而且随着运行速度的提高，激扰的频域加宽，车体的垂向和 横向加速度增大，因此会造成旅客的不适，并且加剧车辆构件的疲劳损坏。 如果车体刚度不足，则固有频率降低，车辆在行驶中容易产生车体共振，从而引起 较大噪声。同时如果转向架与车体隔振措施不佳，也易激发车体振动，从而加剧噪声。 ( 2 ) 车体是作为弹性体参加振动 车体噪声主要来自两个方面：一是车体振动：二是空气与车身之问的冲击和摩擦。 前者引起的噪声受车体结构，车上设备安装方式，各激振源特性等多种因素影响；而后 者只受车体外形结构和列车行驶速度的影响。两种噪声对车外噪声和车内噪声均有所影 响，在一般情况下，以车体振动噪声的影响为大。 车体振动可分为频率较低的摆动和频率较高的颤动。前者在高速列车中可以通过整 治轨道和改进转向架的设计加以有效控制；而后者表现为车体的弹性振动，成为影响旅客 舒适度的主要因素。 车体是由钢结构、内装材料和车内设备组成。过去我们在做钢结构计算时，一直是 把钢结构假设为刚体来进行计算。实际上，在外界轮轨振动的激励下，车体的振动状态 十分复杂，经过模态分析和现场测试，我们发现在轮轨振动的激励下，车体的本身成为 一种多方向变动的弹性体参加振动，见圈22 。 ：= 二：| 4 q ? _ 兰 嘲2 2 乍体成为一种多方向变动的弹性体参加振动 f i g2 2 c a r b o d y p a r t i c i p a t e i nv i b r a t i o na sa k i n do f m u l t i d i r c e t i o n a lc h a n g e e l a s t i ce l e m e n l 第二章2 5 t 刑客下的阡噪设计 l e = 自 = 自= 一e m - - - 一= 自= = f = 自搴l = 目目| 自目g 自自! e j e 自蓉 ( 3 ) 避免车体共振 为了避免车体的固有频率与转向架的振动频率相重合，一般要求在整备状态下车体 的最低自振频率要大于1 0 h z ，车体的弯曲振动频率与转向架点头和浮沉振动的频率比 值大于1 4 。 不同的车体结构，其共振频率有很大差异，车体设计时应正确选取，避免转向架、 牵引电机、空调机的共振频率或激振动频率与车体各板件的共振频率相一致，同时应将 车顶、侧墙、底架的共振频率互相错开，以防止产生强烈的共振噪声。轮轨的激励使车 体振动，车体振动会引起牵引电机、空调机等部件的振动，而牵引电机、空调机等部件 的振动又反过来传给车体。为防止这种“反馈”现象，可采用试验的方法或模态分析的方 法决定牵引电机、空调机等部件的最佳安装位置和支承刚度，使整车各部件固有频率实 现最佳匹配。 研究表明，2 5 t 型车体振动噪声的频率为5 3 - - 1 6 5 比，其中以车体骨架结构产生 的振动噪声在5 - 一3 0 h z 的低频范围，以壁板为主产生的振动噪声在3 0 - - - 3 0 0 h z 的低中 频范围内。 一般来说从车体结构本身出发，解决共振问题有三项措施：一是改变振动部位结构 的固有频率，避开与振源频率接近而产生振动的放大现象，即避开于相连部件固有频率 接近的现象：二是改变结构振动部位的固有振型，从根本上减小振幅；三是增加结构阻 尼以衰减振幅。 ( 4 ) 控制车体辐射的振动和噪声，避免车内共鸣 防止或消除车内共鸣与共振，调整设计车体固有频率，有效利用吸声材料或控制轮 轨激振动传递系统，在噪声反射系统上调节振动特性，来改善车内空腔共鸣问题。 在车体各构件中，板件振动对车身噪声影响最大。这是因为板件的声幅射效率较高。 为减弱板件的振动，可在其它设置加强筋以提高其刚度；也可加装阻尼材料或贴减振材 料，以增加振动的衰减。在板件上涂阻尼材料，降低其声辐射效率，对减少噪声也很有 效果。一般说来，涂料覆盖量为0 2 5 9 c m 2 ，隔声效果最佳。 ( 5 ) 降低噪声源的噪声辐射 消除或减弱噪声源的噪声辐射，降低每一个噪声源辐射能量，对车内噪声控制都是 有利的。如对转向架、受电弓、牵引电机等采取屏蔽处理，可以达到显著的降噪效果， 如在车下柴油机的屏蔽罩壁板上涂敷阻尼层，可大大降低车内噪声和振动。 ( 6 ) 采用隔音材料和隔音结构，隔绝传播途径 利用隔振、隔声和密封等措施，隔绝噪声传播途径。可利用具有弹性和阻尼的材料 隔断振源与车体之间的振动传递；利用加泡沫橡胶垫、阻尼粘胶等改善车体内饰件的隔 大连交通人学丁稃硕十学位论文 声性能，并辅以密封措旌减小车内壁板的孔隙数和尺寸，从而可阻断固体传声和削弱气 体传声。这些措施均可以减弱车辆行驶过程中传入车内韵噪声。为防止通过向车内透过 的二次固体噪声，应在转向架、牵引电机、齿轮箱、柴油发电机、空调机组等振动、噪 声源附近的车体上重点加隔声材料，增加这部分车体结构的隔音性能；对在隧道旱运行 的地铁车辆，为防止通过车辆两侧车窗玻璃向车内传播噪声，应采用双层玻璃窗。 曩，粘贴鬣鬟辩詹礁 笈泡辨厨 ( b ) 填，e 发泡村臌翻 图2 3 底架铝型材充填了减振材料 f i g 2 3u n d e rf r a m ea l u m i n u ma l l o ys e c t i o nf i l l e dw i t hd a m p i n gm a t e r i a l 为了有效控制噪声，在结构和材料上还可以采取以下降噪隔音措施：采用i g b t ，使主 回路电气设备的噪声降低；通过改进风道结构以降低空调噪声；铝合金车体采用声响衰 减率大的双层表皮结构；车项和侧墙的两层表皮间的桁架内部填充了减振树脂发泡：车 体地板加装了减振材料或在地板上部安装隔音钢板；在车体侧底边的桁架加宽部位充填 了5 0 的发泡状减振材料，见图2 3 。 ( 7 ) 采用吸声处理，降低车内混响声 对车内顶板、地板和