（车辆工程专业论文）提速铁路客车减振降噪技术研究.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，我国的提速铁路建设以全新的模式发 展，提速铁路的建设不仅提高了运送效率，缩短了旅客的出行时间，而且也使城市之间 的经济、文化、贸易等交流更加频繁。提速铁路客车以其启动快、速度高、安全舒适、 振动与噪声小等优点，成为列车发展的主流方向。特别是第六次铁路大提速中，动车组 的引入，让第六次提速的意义获得全新的内容。但是，随着运行速度的提高，车内噪声 明显增加，使旅客乘坐舒适度下降。因此，如何降低车内噪声、提高旅客乘坐舒适度就 显得更加重要。 噪声污染主要表现形式为对听力的损伤、睡眠干扰、人体的生理和心理影响。车内 噪声包括由车外传到车内的噪声和由车内设备产生的噪声，是影响旅客乘坐舒适度的主 要因素。列车运行的主要噪声源为轮轨噪声、空气动力噪声、集电系统噪声等，轮轨噪 声是提速客车的主要噪声源，当列车运行速度大于2 0 0 k m h 时，其空气动力噪声和集电 系统噪声开始显著。因此，改进车辆结构、选用隔声、吸声效果良好的隔声、吸声材料， 对主要噪声源进行识别和控制是有效的方法。 为了掌握提速铁路客车噪声源的分布及车内噪声的频谱特性，我们对动车组车辆进 行了车内噪声与振动测试试验。在试验方面，采用h e a da c o u s t i c s 噪声与振动分析系 统，分别对动车组( 二等车) 车内动力转向架上方、牵引电机上方、车体中央、车门处、 风挡处等部位进行了噪声测试，对动力转向架处地板、侧墙及车体中央地板、侧墙进行 振动测试。运用a r t e m i s 分析软件对相关数据进行分析处理，对动车组不同运行速度条 件下同一测点及同一速度条件下不同测点的测量值进行了详细的分析，明确动车组车内 噪声趋向于中、低频分布。本文同时针对动车组中隔声较薄弱的环节车内风挡进行 了进一步的研究，以达到降低噪声的目的。 关键词：提速；铁路客车；噪声；测试；风挡 大连交通大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to ft h el i v i n gs t a n d a r d ， t h eb u i l d i n go ft h es p e e d u pr a i l w a ya l s od e v e l o pi nan e ww a yi no u rc o u n t r y n o to n l yi tc a n i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft r a n s p o r t a t i o n ，c u td o w nt h et r a v e lt i m e ，b u ta l s om a k em o r ea n d m o r ec o n m u n i c a t i o n si n e c o n o m i c ，c u l t u r e ，c o m m e r c i a lt r a n s a c t i o nb e t w e e nt h ec i t i e s t h e s p e e d u pr a i l w a yp a s s e n g e rc a r sb e c o m et h ed i r e c t i o n o ft h ef u t u r ed e v e l o p m e n tb e c a u s eo f t h ea d v a n t a g e so fr a p i ds t a r t ，h i g hs p e e d ，s a f ea n dc o m f o r t b a l e ，l o wn o i s ea n dv i b r a t i o n i nt h e s i x t hr a i l w a ys p e e d - r a i s i n g ，l e a d i n gi nt h ee m u ( e l e c t r i c i t ym u l t i p l eu n i t ) m a k em o r e m e a n i n g s h o w e v e r , b e c a u s eo ft h eh i g hs p e e d ，t h e n o i s ew o u l dm a k et h ea m e n i t yb r i n g d o w n s oi tw i l lb ev e r yi m p o r t a n tt or e d u c et h en o i s ei nt h er a i l w a yp a s s e n g e rc a r , a n dm a k e t h ep a s s a n g e r sm o r ec o m f o r t a b l e n en o i s ep o l l u t i o ni sh a r m f u lt ol i s t e n i n g ，s l e e p i n g ，m e n t a la n dp h y s i o l o g y n en o i s e p o l l u t i o ni nt h e c a ri n c l u d et h en o i s ef r o mo u t e ra n dt h ee q u i p m e n t si nt h ec a r , t h en o i s ef r o m t h ee q u i p m e n t si st h em o s tf a c t o ri n f l u e n c ec o m f o r t ，p r o p e r t i e s n em a i nn o i s es o u r c e sa r e w h e e l t r a c kn o i s e ，a e r o d y n a m i cn o i s ea n dc o l l e c t o rs y s t e mn o i s e ，t h ew h e e l t r a c kn o i s ei st h e m a i nn o i s eo ft h ec a r n ea e r o d y n a m i cn o i s ea n dt h ep a n t o g r a p h c a t e n a r yc o n t a c tn o i s ea r e o b v i o u sw h e nt h es p e e do ft r a i ni sa b o v e2 0 0 k m h s oi ti st h em o s te f f i c t i v ew a yt oi m p r o v e t h et r a i ns t r u c t u r e ，c h o o s et h ea n ds o u n di n s u l a t i o nm a t e r i a l ss o u n da b s o r b e n tm a t r i a l ，f i n da n d c o n t r o lt h em a i nn o i s es o u r c e t om a s t e rt h en o i s es o u r c ed i s t r i b u t i o no ft h er a i l w a yp a s s e n g e rc a ra n dt h en o i s e s p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c ，w em a k e an o i s ea n dv i b r a t i o nt e s tt ot h ee m u u s i n gt h eh e a da c o u s t i c sn o i s ea n dv i b r a t i o na n a l y s i ss y s t e mt ot e s t t h en o i s ea n d v i b r a t i o nt ot e s tt h en o i s ea tt h ee m u p o w e rb o g i e ，p u l l i n gm o t o r ，t h em i d d l eo ft h ec a l ，d o o r a n dt h ew i n d s h i e l d ，a n da l s ot e s tt h ev i b r a t i o no nt h ef l o o ra n ds i d e w a l la b o v et h eb o g i ea n d t h em i d d l ec a r a n a l y s i st h et e s td a t ab yu s i n gt h ea r t e m i ss o f t w a r e ，a n da n a l y s i st h ed i f f e r e n t v e l o c i t i e s t h es a m ep o i n ta n dt h es a m ev e l o c i t y d i f f e r e n tp o i n t ss i t u a t i o n so nt h ee m u ，m a k e c l e a rt h en o i s et e n d st om e d i u ma n dl o wf r e q u e n c y t h i sp a p e rf o c u so nd or e s e a r c ho nt h e w e a kp a r to fs o u n di n s u l a t i o n - - - w i n d s h i e l d s ，a i mt or e d u c en o i s ei nr a i l w a yp a s s e n g e rc a r k e yw o r d s ：s p e e d - u p ；r a i l w a yp a s s e n g e rc a r ；n o i s e ；t e s t ；f r o n ts c r e e n 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董銮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童銮通太堂。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。 本人授权太整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：毒p 撖哟 日期：姗少年6 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 日 电话：| 刍8 卿s f t6 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，也不包含为获得太董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- i 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：唧凇抽 日期：) 抛 年为玛l b 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国外提速铁路的发展概况 提高列车运行速度一直是铁路运输追求的目标。自1 9 世纪5 0 年代以来，西欧和美 国等一些国家就开始在提高机车车辆运行速度方面开展了大量的理论研究和试验工作。 早在1 9 世纪中期，由蒸汽机车牵引的旅客列车的试验速度已突破l o o k m h ，1 9 0 1 年由 德国s i e m e n s 公司研制的电力机车的试验速度达到了1 6 2 5 k m h ，该车经改进后，1 9 0 3 年第一次试验速度越过2 0 0 k m h 大关，达到2 0 2 k m h 。此后，由于战争及其他方面的种 种原因，列车的速度没有得到明显的突破。1 9 5 5 年，法国研制的电力机车牵引的列车试 验速度首次超过3 0 0 k m h ，达到3 3 1 k m h 1 1 。但由于当时整个铁道运输的相关系统尚不能 适应高速铁路技术的需要，故高速列车并没有商业化，旅客列车的最高运营速度仍限于 1 6 0 k m h 左右。直到1 9 6 4 年1 0 月日本开通了世界上第一条高速铁路一东海道新干线的 东京到大阪区段，才使高速列车正式投入商业化运营。该车采用o 系列电动车组，最高 运行速度达到2 1 0 k m h 。其投入运用后，取得了较高的经济效益和社会效益，为世界高 速铁路的发展树立了典范，积累了经验。 欧洲国家尽管多年来在高速列车的研究和试验一直领先于日本，但其高速列车的商 业化运行相对落后。欧洲的第一条高速铁路巴黎一里昂段于1 9 8 1 年开通，使用t g v p s e 高速列车，最高运行为2 7 0 k m h 。随后，意大利、西班牙、英国、瑞典等国也开始了高速列 车的商业化运行。德国的第一条高速铁路于1 9 9 1 年正式开通，运用i c e 高速列车，其最 高运行速度达到3 0 0 k m h 2 1 。在1 9 8 8 年5 月1 日i c e 原型车的线路试验中，首次超过 4 0 0 k m h 大关，达到4 0 6 9 k m h 。半年后法国又创造了试验速度为4 8 2 4 k m h 的新纪录， 1 9 9 0 年5 月，法国再次刷新了自己的纪录，把高速动车组的试验速度提高到5 1 5 3 k m h ； 2 0 0 7 年4 月，法国t g v 动车组又刷新了自己保持1 7 年的世界纪录，将高速动车组的试 验速度提高到5 7 4 8 k m h ，创下了当今铁路史上令人惊叹的新纪录。与此同时，德国和 日本还在研究磁悬浮列车，其试验速度分别达到了4 5 0 k m h 和5 8 1 k m h 。 上述各国在研究如何提高列车速度的同时，在设计方面也考虑到如何提高舒适度、 提高运用性能、降低技术保养费用、降低环境污染等一些问题，以日本为例，日本新干 线高速客车的发展已有4 0 多年历史，从研制0 系客车到现在的n 7 0 0 系有十多种车型， 关于降低噪声污染的研究现在已经贯彻到铁路客车的设计中，其中5 0 0 系的车头形状改 变了3 0 0 系的楔状结构，采用加大“长鼻子 的流线型，如图1 1 、1 2 所示，j 头车的 人连蜘人学r 学硕十学位论文 前端设计较低，使处于铁道两侧的声屏障能够有效发挥作用，大部分气流冲击噪声被消 除，对控制空气动力噪声起到了重要的作用。 图1 1 日本3 0 0 系高速列车 f i g l1j a p a n e s e3 0 0s y s t e m h i g h - s p e e d t r a i n 圈1 2 日本5 0 0 系高速列车 f i l l2 j a p a n e s e5 0 0s y s t e mh i g h - s p e e d t r a i n 日本从1 9 7 9 年开始进行消声车轮、弹性车轮的研究波形辐板车轮两侧用橡胶板 约束韵消声车轮使在直线钢轨上客车地板下的噪声降低1 4 d b ( ) ，从根本上降低高 速铁路的噪声污染。而且现在日本沿线的高架桥和高速公路及市区的轨道交通和铁路沿 线均采用了防噪设计，使噪声值降低到允许范围内，取得了较为满意的效果。 2 0 世纪后半叶旅客运输的高速化逐步成为一股势不可挡的世界潮流，冲击着各国 交通运输结构：同时刺激着各种现代交通运输方式改进性能、提高速度，以适应旅客运 输市场竞争的需要。高速动车组在提高试验速度的基础上也在不断地提高运营速度。与 同本建成世界上第一条高速铁路化的列车最高运行速度2 1 0 k r n h 相比，如今高速动车组 的最高运行速度已经有了很大的提高，德国、法国、日本和西班牙等国的高速动车组最 高运行速度达到3 0 0 k m h 。现代交通运输方式从某种意义上讲就是围绕提高速度的技术 发展史。 1 2 我国提速铁路的发展概况 我国铁路于1 9 9 7 年4 月1 日开始第次提速，此次提速主要是在京广、京沪、京 哈三大干线进行。在提速里程方面，线路允许速度超过时速1 2 0 公里的线路延长为1 3 9 8 公旱，其中时速1 4 0 公里的线路延长为5 8 8 公里，时速1 6 0 公里的线路延长为7 5 2 公里， 全路客车平均旅行速度由4 8 公里d 时提高到5 5 公里j 、时，长途旅客列车最高旅行速 度达9 8 公里, b 时，部分干线超过1 l o 公里d , 时。提速当年铁路客运量就比前一年增 长67 ，运输收入增长1 01 4 。铁路亏损的势头得到初步的抑制。1 9 9 8 年1 0 月1 日， 第一章绪论 铁路第二次提速开始。到1 9 9 9 年，铁路一举甩掉了亏损的帽子，扭亏为盈，提前一年 实现了三年脱困的目标。 到2 0 0 7 年4 月1 8 日，我国铁路先后进行了六次大提速，客车旅行速度由最初的约 5 0 k m h 提高到目前的2 0 0 k m h ，第六次提速后，京哈、京广、京沪、胶济线部分区段时 速达到2 5 0 公里。满足2 0 0 公里时速的铁路延长线将达到6 0 0 3 公里，满足1 6 0 公里时 速的铁路延长线将达到1 4 万公里，分别是第五次提速的3 倍和2 倍。提速网络覆盖了 全国大部分地区和城市，也是历次提速覆盖面中最广的一次。第六次提速开启了我国铁 路既有线向高速铁路迈进的步伐，极大地缓解了我国铁路运输紧张状况，取得了良好的 经济效益和社会效益，促进了铁路科技进步。 我国幅员辽阔，地区差异较大，提速不仅仅是铁路自身发展的需要，也是其与公路、 航空竞争的重要手段。大力提升夕发朝至旅客列车品牌的质量内涵，进一步优化发到时 间，同时还对客车进行优化设计。铁路作为一种重要的交通工具日益得到快速发展。通 过提速，铁路挽回流失的客流并盈利。在客流的竞争上，第六次提速明显趋向于短途客 流 3 1 。长期以来，我国铁路客运列车一直沿用机车牵引客车运行的模式，而国内外高速 铁路发展的经验表明，由于采用该模式运行时列车动力完全集中于机车，受粘着等因素 影响，即使采用多机重联运行，列车运行速度迸一步提高的空间也已不大，同时，列车 高速运行带来的空气动力等方面的问题，也逐渐暴露出来，故该模式仅适用于最高运行 速度不大于2 0 0 k m h 的旅客列车。因此，第六次提速的重要闪光点动车组主要在城 市群之间行驶。铁路在国民经济体系中发挥出不可替代的纽带和“大动脉 的作用。在 中长距离运输中，尽管民航班机速度为铁路客车的几倍，但乘铁路客车，地面所花费时 间平均只是民航的1 3 ，所花费用只有飞机的几分之一；在短途运输中，铁路客车能够 与高速公路客车竞争，铁路客车由于在价格、速度、安全、舒适上具有明显优势，目前 已成为人们出行的首选交通工具。 提速成为中国铁路技术创新的推进器，列车速度与技术含量成正比，列车提速每向 前迈进一步，都要求技术创新率先达到一个新水平。在发展铁路客车技术时，要从国情 的实际需要出发，不能照搬日本或西欧某国的经验，根据实际情况与需要积极地研究符 合我国国情的高速技术，发展动车组、摆式列车、铝合金车等，改进车体性能，? 提高重 要零部件的质量与可靠性，进一步改善车内的环境，提高乘坐舒适度。蓝箭号是我国第 一代投入商业运营的动车组，该车就采取了一系列的降噪措施。在车体下部安装封闭裙 板；机车车头前部采用了5 m 长的流线型结构，以减少空气动力噪声。我国在早期制定 了铁路客车噪声的评定和铁路机车车辆内部噪声测量，为铁路客车车内噪声的 测量和评定制订了标准，也对铁路客车车内容许噪声值提出了要求。列车运行速度每增 3 大连交通大学工学硕士学位论文 加l o k m h ，噪声就会增加0 5 - l d b ( a ) ，所以必须要对车体结构进行改进，采用优质的 吸声隔声材料，降低传入车内的噪声值。可以说每一次大提速，都是用新技术改造老铁 路的过程，在连续提速中，我国铁路整体装备水平大大提高，中国铁路正大步走向现代 化。 1 3 课题研究的内容及意义 本课题的研究是采用理论与试验相结合的方法进行。通过查阅大量提速铁路客车的 相关资料，特别是以第六次大提速中引进的动车组为主要研究车型，对动车组中的主要 结构进行分析，解析出动车组的主要噪声源及在运行过程中噪声产生的机理。在试验方 面，运用先进的噪声测试与分析系统，对动车组在不同速度运行时车内噪声与振动情况 进行测试，然后运用a r t e m i s 分析软件对相关的数据进行分析处理，得出测试结果，从 分析结果中掌握车内噪声源、噪声的传播途径及其分布规律。从减少噪声源和控制传播 途径方面提出了相应的隔声、隔振和吸声降噪等措施，并针对动车组车内风挡处的隔声 最薄弱的部位进行了降噪研究，提出了合理的降噪意见，为设计制造出低噪声、高舒适 性的动车组提供帮助。 4 第二章噪声与振动的基础理论 2 1 噪声的物理量度 第二章噪声与振动的基础理论 2 1 1 声压与声压级 ( 1 ) 声压 当声波传播时，空气媒质各部分产生压缩与膨胀的周期性变化，压缩时压强增加， 膨胀时压强减小。这变化部分的压强与静压强的差值称为声压。声压变化的平均值为零， 因此平均声压是一个无用的量。通常用瞬时声压、峰值声压或有效声压( 简称声压) 。 通常用p 来表示，其单位为p a ( 帕) ，1 p a = l n m 2 。有时用肛p a 来表示，1 , tp a = 0 1 n m 2 ( 牛顿米2 ) 。 瞬时声压：媒质因声波存在而引起的压强变化量，即有声波时的大气压强p o ) 与无 声波时的大气静止压强昂之差p ( t ) ，单位为帕 斯卡 ( p a ) 其表达式为 4 1 p o ) 一p p ) 一昂 ( 2 1 ) 这一声压是时间的变化量，称瞬时声压；它有时为正，有时为负。 有效声压：在实际应用上，常取瞬时声压在一周期或更长时间内的平方平均值，再 取其平方根值，称为均方根声压，又称为有效声压。习惯上所指的声压，均指有效声压 见。有效声压见与瞬时声压p ( f ) 的关系，按上述的定义为 玑* 丽 ( 单位：p a ) ( 2 2 ) ( 2 ) 声压级 。 声压级定义为该点的声压p 与基准声压p o 之比，取以1 0 为底的对数乘以2 0 ，表示 为： 工，。2 0 l g 乙 ( 单位：d b ) ( 2 3 ) p o 式中p o 基准声压，p o = 2 1 0 5 p a ； p 相应声压级为三，的声压，p a 。 声压级表征了声场中某一点的声学性质，现代声学测量仪器大多可以直接测量声压 级。如果已知声压级，按公式( 2 3 ) 可以计算出相应的声压，反之亦然。 5 大连交通大学t 学硕士学位论文 2 1 2 声功率与声功率级 ( 1 ) 声功率 描述声源特性通常采用声功率。所谓声功率是指声源在单位时间内辐射出来的总声 能，记为w ，其单位为w ( 瓦) 。任何噪声源都具有特定的声功率，是声源声输出的一种 基本度量。如果围绕声源的传播面积为s ，不考虑声波在传播中的衰减，则 w ri d s ( 2 4 ) j j 对于平面波，声源发出的声功率为： 。i s( 2 5 ) 对于球面波，声源发出的声功率为： 。i 4 z r 2 ( 2 6 ) ( 2 ) 声功率级 声功率级定义为： l u , - 1 0 l g 蒜( 姚d b ) ( 2 - 7 ) 式中矽相应于声功率级的声功率，w ： 参考声功率，w ot 1 0 4 2w 。 声功率级是相对于某一声功率而言的，表征了声源辐射的声功率特性，因此被广泛 应用于噪声的测量和评价。 2 1 3 声强与声强级 ( 1 ) 声强 声强与声源辐射的声功率有关。声源的振动通过弹性介质传播出去。介质中振动的 质点具有动能，同时介质因为变形还具有势能。所以声波的传播过程也是能量的传播过 程。在某点按指定方向的声强是该点上在单位时间内通过与指定方向垂直的单位面积的 声能平均值。 在自由平面声波的情况，声波在传播方向上的声强为 5 1 ，。堕 ( 单位：w m 2 ) ( 2 8 ) p a c 式中见一有效声压； 风一空气密度； c 一空气中的声速。 6 第二章噪声与振动的基础理论 在球面声波的情况，声波在传播方向上的声强为 ，：乓( 单位：w m s ) ( 2 9 ) 4 9 r r 。 ( 2 ) 声强级 声强级定义为： ，一1 0 l g ( 单位：d b )( 2 1 0 ) 0 式中，相应于声强级的声强，w m 2 ； 厶参考声强，i o 一1 0 。1 2w m 2 。 声强级与声压级的关系为： 厶l p + 1 0 l g 竺 ( 2 11 ) c 媒质的p c 随媒介的温度和气压而改变。如果在测量条件时恰好p c = 4 0 0 ，则乙= l p 。对一般情况，声强级与声压级相差一修正项1 0 l g 塑，数值是比较小的。例如在室 c 温2 0 和标推大气压下，声强级比声压级约小o 1d b ，这个差别可略去不计，因此在 一般情况下认为声强级与声压级的值相等。 2 1 4 声级的叠加 在噪声控制中，需要经常对声压级、声功率级等进行求和的计算。按照波的叠加原 理，对于像声这种不相干涉的波，即各波位没有固定关系而随机变化的波，其叠加应按 能量的叠加法则进行，声能量、声功率和声强可以代数叠加，而它们的总声压( 有效声 压) 是各声压的方根值，即： e 一罗巨 ( 2 1 2 ) 么一 w 一罗彤 ( 2 1 3 ) 么一 ，一j r j ( 2 1 4 ) p 一 ( 2 1 5 ) 式中 层第f 个声源的声能量； e 总声能量； 彤第i 个声源的声功率； 总声功率： 7 大连交通大学t 学硕十学位论文 ，；第i 个声源的声强； ，总声强； a 第f 个声源的声压； p 总声压。 如果需要叠加的各声压级分别是三 、n 、工p ，k ，下面根据声压级的定义及声 压叠加公式推导合成声压级l 。的公式。 由声压级的定义可得 为： 覆i1 0 眦，t 武 所以总声压级： l p = l o l g 等 二埘g 警。 二叫扩】 吨萨】 同理可得到声功率级的求和公式为： l w = l o l g f 善舻】 式中 厶嘶第f 个声源的声功率级，d b 。 l 出外可以证明i g i + 声乐绑的晷加公式 ( 2 1 6 ) ( 单位：d b )( 2 1 7 ) ( 单位：d b )( 2 1 8 设两个声压级分别为0 。、l p , ( 设n 之l 儿) ，根据声压级叠加公式得其总声压级 l p = l o l g ( 1 00 。1 _ + 1 0 0 1 锄) = l p , + l o l g 学， 一p , + 1 0 l g ( 1 + 1 0 加_ 1 一) ( 2 1 9 ) f l a 此- i 以看出，如果两个声压差超过1 5 d b ，则附加值很小，可以略去不计。 8 第二章噪声与振动的基础理论 2 1 5 噪声的频谱与频带 从噪声与乐音的概念分析可知，它们的区别除了主观感觉上有悦耳和不悦耳之分 外，在物理测量上可对它进行频率分析，并根据其频率组成及强度分布的特点来区分。 对复杂的声音进行频率分析并用横轴代表频率、纵轴代表各频率成份的强度( 声压级或 声强级) ，这样画出的图形叫频谱图。噪声的频率从2 0 ，- - 2 0 0 0 0 h z ，高音和低音的频率相 差1 0 0 0 倍。为实际应用方便起见，一般把这一宽广的频率变化范围划分为一些较小的 段落，这就是频带。一般只需测出各频带的噪声强度就可画出噪声频谱图。通常以频率 ( 或频带) 为横坐标，以声压级( 或声强级、声功率级等) 为纵坐标绘出噪声的测量图 形来表述声频谱1 6 1 。 频带的划分方法通常有两种，一种是恒定带宽，即每个频程的上、下限频率之差为 常数。这种恒定带宽频带划分方法常用于频谱的窄带分析。鉴于人耳对于频率的响应特 性，另一种是恒定相对带宽的划分方法，即保持频带上、下限之比为一常数。因为人耳 对不同频率的声音进行比较时，有意义的是两个频率的比值而不是它们之间的差值，所 以恒定相对带宽频带的划分是保持频带的上下限之比为常数，频带的具体划分规则如 下： 假定某频带的上下限频率分别为厶、五，且厶 五，它们与中心频率兀之间有如 下关系川。 六一? 六 ( 2 2 0 ) f o 一 厂2 ( 2 2 1 ) 厶为上下限频率的几何平均值，称为频带中心频率，它虽然是一个频率的赫兹数， 但它却代表了一个倍频程的频率范围。n 为倍频程数。当n = 1 时，称为1 倍频程；n = 1 2 时，称为1 2 倍频程；n = 1 3 时，称为i 3 倍频程；依次类推。 2 1 6 声源衰减特性 声波在实际媒质中传播时，不仅存在声波扩散所引起的发散损失，而且还有媒质对 声波的吸收和媒质中粒子对声波的散射所引起的吸收和散射能量损失。把这种声波在媒 质传播过程中振幅、声强等量随着离声源的距离增加而逐渐减弱的现象，称为声波的衰 减【8 i 。 ( 1 ) 点声源：l p = l w 一2 0 1 9 r 一1 1 ( 单位：d b ) ( 2 2 2 ) l p 一2 0 l g 兰 ( 单位：d b )( 2 2 3 ) 9 大连交通人学工学硕十学位论文 a l ，：至声源距离为r l 和f z 两点的声压级差。 ( 2 ) 柱面声源：l p l w - 1 0 1 9 r - 8 ( 单位：d b ) a l p 。1 0 1 9 r 2 ( 单位：d b ) 。 ( 3 ) 线声源 无限长线声源t l p l w 。- 1 0 1 9 r - 3 ( 单位：d b ) l p2 1 0 1 9 詈 ( 单位：d b ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 有限长声源：取上述无限长线声源的一段，设其长度为d ，为无限多个点声源连成， 如图2 1 所示。l p 。l w d 一1 0 l g 掣一8 ( 2 2 8 ) b d 近声源：口2 一q 呻万 远声h a 2 - a 1 一d r o l p l w d 一1 0 1 9 r o 一3 l p l w d 一2 0 l g r o 一8 也 r 0 图2 1 长度为d 的线声源 f i g2 1l i n e a rs o u n ds o u r c ei nl e n g t ho f d ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 2 1 7 声源的指向性 当声源尺寸大于或接近声波波长时，声源就不是点声源，这样的声源可视为许多点 声源叠加组成。在这种情况下，声源在各方向辐射的声压( 或声强) 不相同，称这种声 源为指向性声源。声源的指向性与频率有关，频率高指向性强。 声源的指向性，常用指向性因数和指向性指数来表示。指向性因数q 的定义是：声 1 0 第二章噪声与振动的基础理论 场中某点的声强与同一声功率声源在相同距离同心球辐射面上的平均声强之比。指向性 因数是一无量纲量。指向性因数q 与声强和声压的关系如下： q = 一i o 。婆 ( 2 3 1 ) i p 。 式中i 口、p 口分别表示口方向上距声源r 米处的声强( w m 2 ) 和声压( p a ) ； i 、p 半径为r 的同心球面上的平均声强( w m 2 ) 和声压( p a ) 。 指向性指数d i 等于指向性因数以1 0 为底的对数乘以l o ，即 d i 。1 0 l g q - 1 0 1 9 t i o - 1 0 1 9 粤2 l p 一己 ( 2 3 2 ) j p 式中l 。距声源r ( m ) 处，某点的声压级，d b ： l p 半径为r 的同心球辐射面的平均声压级，d b 。 2 2 噪声基本评价量 2 2 1 响度与响度级 从刚能听见的听阈到感觉疼痛的痛阈之间，人耳对强度相同而频率不同的声音有不 同的响度感觉。响度是用来描述声音大小的主观感觉量，响度的单位是“宋 ( s o n e ) ， 定义1 千赫( k h z ) 纯音声压级为4 0 d b 时的响度为l s o n e 。如果把某个频率的纯音与一定 响度的1 千赫( k h z ) 纯音很快地交替比较，当听者感觉两者为一样响时，把该频率的声 强标在图上，便可画出一条等响曲线。图2 2 是在自由声场中测得的等响曲线图。同一 条等响曲线( 即响度级相同) 上的不同频率纯音的声强不同，但主观感觉的响度是相同 的。 响度级只是反映了不同频率声音的等响感觉，它的量度单位“方( p h o n ) 仍基于 客观量“d b ，所以不能表示一个声音比另个声音响多少倍的那种主观感觉【9 】。 大连交通大学t 学硕十学位论文 、k ) 、 l 了u ， 旷 i ，夕l 心 、 一 、 、 _ 、一 ， 、 、 ， 。 、- 、一 、 。， 、l 一 沁 m- ， 、一 、_ ， 添心 1 一 、 ， l 、 7 c ， 、， n心 厂 n 心 1 ， 、l n 、 o ， j ， 、 、) 、，u ， ，r 二 一止百k 听- v h ， 1 方 一、 ，曩2 h o 图2 2 自由声场中测得的等响曲线图 f i g2 2t h ee q u a lr e s p o n dg r a p hi nt h ef r e es o u n df i e l d 2 2 2 计权声级 计权网络是近似以人耳对纯音的响度级频率特性而设计的，通常采用的有a 、b 、c 、 d 四种计权网络。图2 3 所示的是国际电工委员会( i e c ) 规定的四种计权网络的频率响应 的相对声压级曲线，其中a 计权网络相当于4 0 p h o n 等响曲线的倒置，记为d b ( a ) ，b 计 权网络相当于7 0 p h o n 等响曲线的倒置，记为d b ( b ) ；c 计权网络相当于1 0 0 p h o n 等响曲 线的倒置，记为d b ( c ) 。b 、c 计权已较少被采用，d 计权网络常用于航空噪声的测量【埘。 a 计权的频率响应与人耳对宽频带的声音的灵敏度相当，国际、国家标准中凡有关与人 有联系的各种噪声评价量，绝大部分都是以a 声级为基础，b 计权现在实际上已不被采 用，c 声级值仅作为参考。以a 声级作为噪声评价量，具有简便实用的优点，成为最广 泛应用的评价参量。 d a、 、 一一，么夕7 c 一 莘心 厂 7 b ， 形 - d a ， 1 0251 0 0251 0 0 0251 0 0 0 02 f t m ) 图2 3 频率计权曲线 f i g2 3f r e q u e n c yw e i g h t e dc u r v e 1 2 加o m加如卯加 第二章噪声与振动的基础理论 2 3 振动的物理量度 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因此振动污染是一种不可忽略的公害。振动以弹性波的 形式在基础、地板、墙壁中传播，并在传播过程中向外辐射噪声，这也是一种噪声污染， 会造成危害。 振动是噪声的主要来源，同时，振动还通过基础传向各方，衡量振动与噪声强弱一 样，反映振动的物理量有：频率、位移、速度、加速度等参数，也可以用分贝来表述他 们的大小，分别得到相应的级值。 振动位移级l 。为 c t 2 0 1 9 ( - ) ( 2 3 3 ) 0 0 式中s 一位移( m ) ； & 一位移基准值，s o = 8 x l o 以2 ( m ) 。 振动速度级。为 1 7 o 一2 0 1 9 ( , - ) ( 2 3 4 ) r 0 式中y 一振动速度( m s ) ； 一速度基准值，i i o = 5 1 0 碡( m s ) 。 人体对振动的感觉与振动频率的高低、振动加速度的大小和在振动环境中暴露时间 长短有关，也与振动的方向有关；综合这许多因素，国际标准化组织建议采取如图2 4 所示的等感度曲线。振动级定义为修正的加速度级，用l 表示。 振动加速度级t 为 l t 2 0 l g ( 兰) ( 2 3 5 ) 口o 式中a 一振动加速度( m s 2 ) ； 口。一加速度基准值，a o = 5 x l o 一( m s 2 ) 。 1 3 大连交通人学j r 学硕十学位论文 曲 勺 、 驾 省 籍 口 r , j 解i j z 图2 4 等感度曲线( i s 0 ) f i g2 4t h ee q u a ls e n s i t i v i t y 伊a p h o s o ) 2 4 振动的评价标准 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。振动有垂直与水平之分，人体对垂直振动比对水平振动更敏感。人站着或 坐着受到上下方向的振动称垂直( z 一向) 振动，前后方向( z 一向) 和左右方向( j ，一向) 的振动称水平振动。人能感觉到的振动频率范围为1 , , i o o 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 - i o o h z ) 和高频振动( 1 0 0 h z 以上) 。人体对于垂 直振动4 - - - , 8 h z 最为敏感；对于水平振动，1 2 h z 最为敏感n 。对于单频率振动，则测 量其频率和加速度，可从图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。 人体对振动的感觉是：刚感到振动是0 0 0 3 9 ，不愉快感是0 0 5 9 ，不可容忍感是 0 5 9 。由于人对不同频率的振动的振感有差别，见图2 5 、2 6 是对于垂直振动和水平 振动的等振感曲线，其特点是不同振动加速度级的等振感曲线，垂直振动与水平振动分 别都是平行的，这一特点是环境振动的评价基础。国际标准化组织制定了i s 0 2 6 3 1 1 9 8 5 “人承受全身振动评价 以及i s 0 5 2 4 9 1 9 8 6 ( e ) “人对手传振动暴露的测量和评价指 南”。 1 4 第二章噪声与振动的基础理论 3 1 5 1 0 漶 t m g n绣 ， 多 i 啊r “ 爹多 多 z 5 m n l 心 i b 弋2 - 5 b 夕 b 1 一 o _ 8 b l 铀 0 51 0 2 0d 08 01 65 1 56 5 8 0 撩毫lht 图2 5 垂直振动标准曲线 f i g2 5t h es t a n d a r dc u r v e so fv e r t i c a lv i b r a t i o n l m 弧豸 。夕多 乡 i hr 聋多 夕 z 阳 t u i l b - 曲 夕 _2 s b o t b - - 4 s b ， 1 8 b 0 - 51 02 0 d 0 8 0 1 63 1 5 6 5 8 0 顿毒，ht 图2 6 水平振动标准曲线 f i g2 6t h es t a n d a r dc u r v e so fh o r i z o n t a lv i b r a t i o n 根据振动强弱对人的影响，大致有四种情况【1 2 l ： ( 1 ) 振动的“感觉阈 人体刚能感觉到的振动信息，就是通常所说的“感觉阈”。人们对刚超过感觉阈的 振动，一般并不觉得不舒适，也就是说大多数人对这种振动是可容忍的。 ( 2 ) 振动的“不舒适阈 振动的强度增大到一定程度，人就会感觉到不舒服，或者作出讨厌的反应，这就是 不舒适阈。“不舒适 是一种心理反应，是大脑对振动信号的一种判断，并没有产生生 理影响。 1 5 5 o 5 6 l n 3 玑 0 甲m崔粤柘v蛙艘写 v_缸e、粤群忙一蛙艘g 大连交通大学：r 学硕十学位论文 ( 3 ) 振动的“疲劳阈 振动的强度进一步增加，达到某种程度，人们对振动的感觉就由“不舒适 进入到 “疲劳阈 。对超过“疲劳阈”的振动不仅有心理反应，而且也出现生理反应。也就是 说，振动的感觉器官和神经系统的功能，在振动的刺激下受到影响，并通过神经系统对 人体的其他功能产生影响，如注意力转移，工作效率低等。当振动停止后，这些生理影 响是可消除的。 ( 4 ) 振动的“危险阈 当振动的强度继续增加，超过一定限度时，便对人不仅有心理影响，还会产生病理 性的损伤，这就是“危险阈 ，也称“极限阈 。超过危险阈后的振动将使感觉器官和 神经系统产生永久性的病变，即使振动停止也不能复原。 2 5 振动与噪声的一般关系 机械中有噪声便有振动源存在，声强与质点振动速度的2 次方成正比。如果振动频 率为厂，振幅为a ，则振动最大加速度为( 纫，) 2