（车辆工程专业论文）高速列车室内低频噪声的预测与控制.pdf

摘要 摘要 为探索高速列车室内低频噪声预测分析与控制的可行办法，最终提高车室内噪声品 质，本文以c a d c a e 商用软件为平台，建立了高速列车结构一声系统模型，利用有限 元与边界元相结合的方法，对车内结构噪声进行了预测与控制的研究。 首先，介绍了国内外结构振动声学的发展概况，阐述了车内低频噪声产生的机理、 传播途径以及车内噪声控制的方法、基本流程，并介绍了动车组噪声的评定标准，给出 了车内低频噪声数值计算的流程。 其次，建立了高速车身结构和车内空腔声学有限元模型，分析了车身结构动态特性、 车内空腔声学模态特征，分析了座椅对车内空腔声学模念的影响，并指出了结构声腔共 振频率。 随后，运用有限元方法，计算了车厢在1 0 - 2 0 0 h z 范围内的振动响应，将所得到的 动力响应提取出来，作为声学边界元分析模型的边界激励条件，进行车内声场计算，给 出了车内观测平面在1 0 - 2 0 0 h z 范围内的声场分布，同时根据t b l 8 0 9 8 6 ，计算了车内 六个评估点的a 计权声压级，并分析车内噪声的分布特点。然后讨论了车厢边界吸声材 料对车内噪声的影响，评估点在1 0 一2 0 0 h z 内，最大a 计权总声压级由8 3 9 d b 降到 7 4 6 d b 。 然后，利用声贡献度的概念，给出了不同频率下车厢边界有、无阻尼材料时，单元 和面板对车内中心参考点的贡献度，确定主要噪声源和对内部参考点声场影响较大的面 板，为降低噪声而试图对客车结构进行改进提供了理论依据。 最后，在充分考虑车身结构与车内空气相互作用的基础上，研究了某提速客车声一 固耦合系统的噪声问题，通过结构系统、空腔声学系统模态的对比分析，讨论声固耦合 作用对系统模态的影响；通过车体面板贡献度分析，找出引起结构辐射噪音的主要噪声 源，通过进行结构修改，达到较为理想的降噪效果，对结构的声学设计提出指导性意见。 本课题得到国家8 6 3 项目( 课题编号：2 0 0 6 a a 0 4 2 16 0 ) 、中国北车集团资助项目 ( 课题编号：2 0 0 6 n x 0 7 4 ) 、辽宁省重点实验室资助项目( 课题编号：2 0 0 8 s 0 3 7 ) 的资 助。 关键词：高速列车；低频噪声；边界元；吸声和阻尼；贡献度 人迮交通人学i i 学硕+ 学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v ei n t e r i o ra c o u s t i cq u a l i t yo fr a i l w a yp a s s e n g e rc a r ，t h i sa r t i c l et a k et h e c a d c a ec o m m e r c i a ls o f t w a r ea sap l a t f o n n t h eh i g hs p e e dt r a i ns t r u c t u r e s o u n ds y s t e m m o d e li se s t a b l i s h e d r e s e a r c hf o rp r e d i c t i o na n dc o n t r o io fl o w f r e q u e n c yn o i s ei n s i d et h e p a s s e n g e rc a ri sp e r f o r m e do nb a s e do ff e ma n db e m f i r s t l y ，t h ew o r d w i d er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h ev i b r a t i o na n ds o u n da r er e v i e w e d 。a n d n o i s eo fp r o d u c ea n dr a d i a t i o ni nc a ba r ei n t r o d u c e d e v a l u a t i o na b o u tn o i s eo fe m ui s i n t r o d u c e d ，g i v e nt h el o w - 仔e q u e n c yn o i s ei n s i d et h ep a s s e n g e rc a rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no f t h ep r o c e s s s e c o n d l y ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e o ft h es t r u c t u r eb o d ya n dt h ed y n a m i ca i rc a v i t yo f r a i l w a yv e h i c l ew a se s t a b l i s h e d 。t h e nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dc a v i t ym o d eo fr a i l w a y v e h i c l eb o d yw a sa n a l y z e d a n a l y s i so ft h es e a t si n s i d et h ec a v i t yo ft h ea c o u s t i cm o d e a n d p o i n t e do u tt h a tt h es t r u c t u r eo f t h et u n er e s o n a n c ef r e q u e n c y t h e n w i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d h a r m o n i ca n a l y s i su n d e r10 - 2 0 0 h zf o rt h ec a r s t r u c t u r em o d e li sc a r r i e do n t h ee x t r a c t i o np o w e rr e s p o n s er e s u l t i n t e r i o rn o i s el e v e l sa r e d e t e r m i n e du s i n gt h eb o u n d a r ye l e m e n tm e t h o df o rv i b r a t i o nv e l o c i t yo fp a n e l s s p l d i s t r i b u t i o no ft h e p l a n e f i e l d p o i n t su n d e r 10 - 2 0 0 h zw a s g i v e n a c c o r d i n g t o t bl8 0 9 8 6 a - w e i g h t e dt a t a ls o u n dp r e s s u r e1 e v e lo fs i xr e f e r e n c ep o i n t si nt h ev e h i c l ew e r e v i s u a l l yd i s p l a y e d a sw e l l t h ea c o u s t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fi n t e r i o rv e h i c l ew a s a n a l y z e d ，t h e n , t h ei n f l u e n c eo fs o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a l sf i x e do nt h eb o u n d a r yo fr a i l w a y c a r r i a g ew a sd i s c u s s e d ，a w e i g h t e dt a t a ls o u n dp r e s s u r el e v e lo fs i xr e f e r e n c ep o i n t su n d e r 10 2 0 0 h zf a l l s7 4 6 d bf r o m8 3 9 d b t h e n ，u s i n gt h ec o n c e p to ft h ea c o u s t i cc o n t r i b u t i o n ，t h ee l e m e n ta n dp a n e la c o u s t i c c o n t r i b u t i o na n a l y s i sw h e t h e ro rn o tt h eb o r d e ri n s i d ed a m p i n gm a t e r i a la r ed o n et od e t e r m i n e t h ev e h i c l eb o d yr e g i o no ft h ev e h i c l ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n tc o n t r i b u t i n gm o s tt ot h en o i s e l e v e l si nv e h i c l ec e n t r a lr e f e r e n c ep o 洫t ，i d e n t i f yt h em a i ns t r u c t u r e b o r n en o i s es o u r c e s h e r e b yt h er e s u l t si nt h i sp a p e rc a nb eu s e dt op r o v i d et h e o r e t i c a ld a t af o rs t r u c t u r ea c o u s t i c d e s i g na tl o w - f r e q u e n c y f i n a l l y ，c o n s i d e r e dt h ea i ri n s i d et h ev e h i c l eb o d ys t r u c t u r ea n di n t e r a c t i o n ，r e s e a r c hf o r p r e d i c t i o no fn o i s ei ns t r u c t u r e - a c o u s t i cc o u p l i n gs y s t e mo fr a i lc a r n l em o d ea n a l y s i sf o rt h e s t r u c t u r em o d e l ，a i rc a v i t ym o d e la r ec a r r i e do n ，g i v i n gc o n s i d e r a t i o nt os t r u c t u r e a c o u s t i c c o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ec a r t h e n ，a c o u s t i cc o n t r i b u t i o nc o e f f i c i e n tc a l - b o d yp a n e la t f o c u s e df r e q u e n c i e sa r es t u d i e dt o i d e n t i f yt h em a i ns t r u c t u r e b o r n en o i s es o u r c e s ，t h e s t r u c t u r ew a sm o d i f i e dt oa c h i e v eb e a e rn o i s er e d u c t i o ne f f e c t , g i v e st h eg u i d a n c ec o m m e n t f o rt h es t r u c t u r ea c o u s t i c sd e s i g n j j 摘要 k e yw o r d s ：h i g hs p e e dt r a i n ；l o w - f r e q u e n c yn o i s e ：b e m ；s o u n da b s o r p t i o na n d d a m p i n g ：a c o u s t i cc o n t r i b u t i o 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重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 知识产权单位属大连交通大堂，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。 本人授权大连交通大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： 涨磊 导师签名：确珏 日期： 醒年 ) - j 目 愿日 日期：山d 年j , zj 目 腰日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 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交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：面长磊 日期： 名年p 月7 吕日 绪论 绪论 1 1 本文研究的工程应用背景和意义 随着世界范围内能源的紧张、环境的恶化、高速铁路的作用已越来越突出。为了在 与其他交通运输方式竞争中取得有力地位，铁道运输必须实现安全、准点、快速和舒适 化。然而随着列车的提速，机车车辆振动响应加耐1 1 ( 参见表1 1 ) ，导致由车体振动产 生的结构噪声增加，使列车的舒适性恶化【2 圳。 表1 1 机车车辆动力响应 t a b l e1 1d y n a m i cr e s p o n s eo f r o l l i n gs t o c k 奎蕉壁垒：! j ! 箜! 鲤墼烈蛰巡塑堂i 鲨 脱轨系数g e o 1 0良1 2o 1 2n 1 5啦t 7o 1 80 1 90 2 0o 2 2 钝重藏载率p po 3 s & ；4o 2 4n 3 辛n 4 10 4 10 4 70 4 7乱5 5 2 王 噩向加速度，( m 。：， 轨7 2 盘7 6o 甾l 。0 71 2 9l 。4 41 5 71 7 2l - 舛 磊嚣 横向加速度，( m ，0 ) 1 1 1 3t 0 5 1 - 2 1 o 9 6 1 。5 11 4 8 1 7 11 6 5 竺二竺竺篓薹至三至薹兰兰主薹羔薹釜羔 脱轨系数q p 戗l d 1 40 1 7o 1 70 - 1 6o 1 8o 2 40 1 9o 2 0 t 口 轮重减敛率p 0 2 90 2 , 1o 3 0 0 3 1n 驾0 1 4 2乱4 6o 驺o 耋! 整向加遽度，( 盈气3 ) o ，3 60 3 50 3 ：50 4 2n 4 5o 5 6o 8 51 2 01 7 4 。 茹蒜 横向抽逶度，( 趣 ) o 5 1让赞0 3 4仉4 3m3 30 3 7札3 9o 3 11 9 3 一指标蓑啬：够s 3 ：瑚7 1 焉；豁1 5 i 凳怒掣7 7 譬1 5 蒙2 5 扛：带的表示超限了。 高速列车车内噪声环境是决定乘客舒适度重要因素之一，目前欧洲和日本将噪声作 为评定高速列车舒适度的一项指标，规定列车高速运行时，车内噪声值，一等车不超过 6 5 d b ( a ) ，二等车不超过6 8 d b ( a ) 。实验研究表明1 3 j ：随着我国列车速度的提高， 车内噪声逐渐升高，低频噪声突出( 参见图1 1 ，图1 1 为典型的高速列车车内六个测点 随列车速度的提高的声压级的大小，车厢内噪声测点参考t b l8 0 9 8 6 ，b 和e 点在车厢 中部，a 和d 点在车厢端部，c 和f 点在玻璃门外车厢之间的接头处，其中传声器a ，b ，c 点高度为1 2 m ，d ，e ，f 点传声器高度为1 6 m 。) 火连交通人学 ：学硕十学位论文 l o o 1 8 0 羁 6 0 邂 4 0 最2 0 囱】2 0 k m h 1 6 0 呦 口2 0 0 k m h 调查表明：车内的噪声会严重影响旅客乘车的舒适度，损害驾驶员的听力，使驾驶 员迅速疲劳，对车辆行驶安全构成极大的威胁，而且振动噪声能够引起轨道客车某些部 件的早期疲劳损坏，从而会降低轨道客车的使用寿命，并在一定程度上会制约轨道交通 的发展【4 7 1 。为此，相关部门一直在寻找减小振动和降低噪声的各种方法，以改善旅客 列车的舒适性能。目前，对车内噪声控制普遍采用对物理样机进行实验测量，然后实施 相关措施来降低噪声的方法，显然这将耗时、耗力、耗材，并且这种降噪改进往往需要 经过多轮“声学设计试验测试修改设计”才能达到预期目的。 近年来，国内外学者利用有限元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 和统计能量分析法 ( s e a ) 等数值方法在汽车和船舶工业的振动和噪声问题方面作了大量的研究工作，获 得了显著成就【8 1 2 】。由于车室内噪声包括：由经车体孔缝处直接从外部穿透到车内的空 气声、外界噪声源作用于车身壁板，从而使壁板受迫振动辐射产生的固体辐射声以及前 两部分声波在车内经多次反射而形成的混响声，所以车室内声学问题非常复杂【6 】。目前 在轨道车辆行业，对车内场噪声预测的研究还处于起步阶段1 8 - 9 。 因此，在我国轨道车辆行业的高速发展时期，在产品研制的设计阶段，结合国内 外车室内噪声控制研究最新成果开展对高速列车结构一声系统的室内低频噪声预测与 控制研究，总结出车内中低频结构噪声的预测分析与控制方法，澄清车室内噪声形成机 理和寻找引起结构辐射噪音的主要噪声源，有的放矢地进行结构修改，这不仅对轨道车 辆类结构声学设计具有重要的指导意义，也将提高企业的创新能力、竞争能力。 1 2 国内外研究现状 车身结构低频声学设计以降低车内噪声，从而提高车辆乘坐的声学舒适性为目的。 它涉及到结构动力学、腔体声学、振动声辐射问题等诸多学科领域。世界发达国家都十 2 绪论 分重视这一问题，研究人员采用了不同的方法和理论对不同条件下的各种结构的振动和 噪声进行了研究，取得了较大发展，进而可以应用到铁路客车车内噪声的研究中f 1 0 - 1 3 。 对结构声学的数值分析方法可以分为：有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ) 和 边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ( b e m ) ) ，它们适用于中低频激励作用下复杂结构 振动与声幅射的计算分析。能量方法是统计能量分析( s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ( s e a ) ， 适用于中高频率激励作用下结构振动与声幅射的计算分析。 从二十世纪五十年代开始，有限元方法一问世就很快地应用到声辐射问题的计算 中，19 6 6 年g l a d w e l l 和z i m m e r m a n n 建立了一种关于结构声学理论的能量公式，把声 音视为连续介质的弹性体，用余能定理导出板的振动与声、薄膜振动与声耦合的理论表 达公式，但仅限于简单几何形状的物体1 8 驯。7 0 年代初期，国外已经开始研究板状结构 振动，离板状结构一定距离、一定角度空间某点声压的预测公式，然后进一步探索板处 于流体中时，在二者的相互作用下，板所辐射声功率的预测方法1 1 。8 0 年代初期，美 国通用公司的s u n g 和n e f s k e 应用有限元方法对完整车身内部结构噪声进行了分析，并 首次考虑了车身结构和声场的耦合作用 9 - 1 0 j 。但是有限元法在处理三维声辐射问题时需 划分三维空间网格，初期建模和计算工作量庞大，同时采用边乔截断来计算无限域的声 辐射问题会带来误差，这是有限元法的不足。 从7 0 年代开始，科学工作者开始应用边界元方法进行声场预测1 9 1 引。通过边界积分 方程在边界上离散进行求解的b e m 方法，具有计算精度高，数据准备简单等特点，而 且它能使问题的维数降低一维；且只需边界离散化，而不像有限元法需将区域离散化， 可大大减轻建模的时间，提高计算效率。此外，b e m 方法比f e m 方法更多地应用了解 析分析结果，所以其计算精度也比f e m 方法高。9 0 年代初期，边界元法已被应用到轿 车车内声场的计算，国外最早建立过轿车车内声腔的二维边界元模型，对车内声场进行 了近似的分析计算。由于边界元方法的显著特点，从而使其一出现就得到了迅速发展。 s e a 法是最近4 0 年发展起来的解决高频问题的有效方法，它把研究对象从用随机 参数描述的总体中抽取出来，对被研究对象的具体细节参数不感兴趣，关心时域、频域 和空间上的统计平均值，采用“能量 的观点，统一解决振动和声场问题，与有限元法 不同，它只能获得某个子系统的整体平均噪声水平。 一般概念上，往往认为边界上振动大的部位是车内噪声的主要声源，但是忽视了由 于边界上各单元的振动相位不同给车内声场带来的影响。有时虽然进行了结构修改，但 却对乘坐室内噪声降低得不到满意的结果，美国福特汽车公司的一些研究学者对该问题 进行了初步研究。对于封闭空间某些特定点，需要进一步通过贡献度分析判别形成该点 声压的主要噪声源，为结构修改提供依据。 火连交通人学：t ：学硕十学1 _ 7 ：论文 进入9 0 年代以来，由于电子计算机技术的飞速发展。高速、大容量、小体积的计 算机工作站的出现，工作站上使用的各种软件系统也纷纷推向市场。在有限元分析软件 中，1 9 7 0 年成立于美国宾夕法尼亚匹兹堡的a n s y s 公司，发展了著名的a n s y s 有限 元分析软件，该软件通过了n a s a ，f o r d ，g e 等大公司大工程的检验，其分析精度、 可靠性、稳定性等各指标都达到了极高的水平。1 9 9 5 年通过i s 0 9 0 0 1 质量认证，成为 目前唯一一个通过此类认证的软件系统。而在声学分析方面，a n s y s 有其独特的优势， 建立了流体和声学单元库，考虑了结构与空气相互作用的计算问题，使得结构声学相 互耦合问题的建模分析更为快捷方便。由于其强大的前后处理功能及计算能力，所以受 到国内外用户的广泛欢迎。 此外，目前市场上噪声分析软件最好的之一是l m s 公司开发的s y s n o i s e ，它用 于进行振动一流体模型分析，可以计算模型的声学响应，如声压、声强及声功率等。它 采用最先进的有限元及边界元方法，可以同时建立多个模型。还可以与其它的有限元声 学软件相结合，进行降噪优化分析。它还拥有强大的前后处理功能，可以将计算结果以 云纹图、变形图或向量图的形式表达，绘制声场中任意点的响应函数曲线。 a n s y s 其网格前处理和结构振动分析功能十分强大且非常成熟，在轨道车辆动力学 计算方面也有成功构应用，但它的声学计算功能模块弱；s y s n o i s e 软件利用边界元法解 决声学问题非常全面，但它没有有限元和边界元网格生成前处理功能、而且其单元库也 不丰富、流一圆耦合技术还不成熟掣2 7 j ，所以，上述软件无法独立完成对轨道车辆振动 声学的精确分析。为解决轨道车辆振动声学分析问题，本文采用有限元与边界元接力分 析的方法，将a n s y s 和s y s n o i s e 这两套软件交替使用。近年来，在汽车和船舶业振动 和噪声问题研究方面，国内学者利用有限元、边界元等数值方法作了大量的研究工作， 获得了显著的成就【1 蚰4 1 。吉林工业大学汽车系利用有限元方法分析了载重汽车驾驶室在 路面激励和发动机激励下产生的噪声，并分析了设置吸声材料与未设置前比较的减声效 果；重庆大学汽车工程系的汪斌等对某微型货车驾驶室进行了结构一声场耦合分析与降 噪设计，该研究也取得了很好的降噪效果；上海交通大学船舶与海洋工程学院杨德庆研 究了船舶有限元分析模型的建模、船舶振动频响分析方法以及动力计算结果与声学边界 元模型接口技术，分析了某船近场振动声学特性【1 9 】；西北工业大学刘鹏利用有限元边 界元方法研究了卡车驾驶室的振动与内部声辐射，建立了驾驶室耦合振动的有限元模 型，并计算了模型的湿模态以及在激励源的作用下引起的驾驶室壳板振动响应1 2 l j ；朱桂 华等应用统计能量分析方法以车辆驾驶室为研究对象，研究板件结构驾驶室的振动能量 及固体声的传递，分析了该结构的振动功率流的特点，并计算了板件振动向室内辐射的 噪声陋l 。 4 绪论 1 3 本文研究的主要内容 本文将以高速客车为研究对象，运用有限元和边界元结合的方法对客车室内中低频 结构噪声进行预测与控制研究，为轨道客车低噪声设计提供理论支持，探索车内噪声预 测分析与控制的可行办法，最终提高车室内噪声品质。主要内容包括： 1 、客车室声一固系统的模态分析 客车车身受n ； i - 界激励后引起车身壁板振动，同时车身壁板的振动还要受到驾驶室 空腔流体介质( 空气) 的制约，壁板振动产生噪声，再经过室内空腔的放大或衰减，反过 来产生的噪声同样在车身壁板上放大或抑制壁板的振动，外界激振力输入后经过这样的 耦合后传到受声点，才形成最终的车内噪声。所以，单独考虑车身结构本身的振动模念 或单独考虑驾驶室空腔声学模态都不能十分准确反映力一振动、振动一声、声一振动这 样的系统耦合特性。而应该将车身结构振动和室内空腔流体介质( 空气) 耦合起来考虑其 耦合系统的模态参数。强迫振动下车室内部各点的总压力响应取决于各个内部模态被激 励的方式，因此在预测声学响应之前进行声学模态分析十分必要 2 9 - 3 0 。 2 、车身激励载荷分析 车身所受到的外部激励或者动载荷是分析车室内声场的必要条件。轨道客车行驶过 程中，其动力学特性是非常复杂的，为了获得比较全面的车身激励响应结果，对客车转 向架支点处施加横向、纵向、垂向三个方向的单位载荷，进行1 0 - 2 0 0 h z 的谐响应分析。 3 、客车车体声一固系统的声学响应分析 、 分析由该激励载荷作用引起客车车身壁板的结构振动，确定车内辐射噪声的分布情 况，进而求出特定观察点在激振频率范围内的不同频率处的声压值和相应的噪声量级， 从而达到预测车内噪声的目的。 4 、客车车身壁板振动声学贡献度分析 轨道客车运行情况下，在只考虑固体传播途径对车内噪声的影响时，最终影响客车 内部中低频噪声和振动特性的主要因素是车身所有板件的振动和声学特性。所有壁板生 成的声压叠加产生了内部总声压，然而车身板件的不同部位对于室内空间任意位置声压 的贡献是不同的，它不仅与该部位振动幅值有关，而且还与振动相位、振动部位与声场 中观测点之间的相对位置等有关。为降低噪声而试图在结构修改之前进行不同车身板件 的声学贡献分析，选择和优先控制对内部声场影响较大的壁板的振动是取得良好降噪效 果的关键。 人连交通大学i - 7 ：硕十学位论文 2 1 声学基础 第二章高速车室内噪声控制及评定方法 2 1 1 声学基本概念 声音是由物体的振动而产生的，振动的物体是声音的声源。振动在弹性介质( 气体、 固体和液体) 中以波的形式传播，这种弹性波叫声波。人们日常听到的声音，通常是来 自空气所传播的声波1 3j - 3 2 。 声音的频率( f ) ：声源在每秒内振动的次数称为声音的频率，单位为赫兹。 声音的周期( t ) ：完成一次振动的时间称为周期。 声音的波长( 九) ：在介质中，声波振荡一个周期所传播的距离为波长。 波长、声速( c o ) 与频率的关系为： 九= ( 2 1 ) 声音分为三个区域： 次声：频率低于2 0 h z 的声波称为次声； 可听声：频率在2 0 - - 2 0 ，0 0 0 h z 之间的声波称为可听声； 超声：频率高于2 0 ，0 0 0 h z 的声波称为超声； 声学参量有以下基本概念： 1 ) 声压、有效声压、声强和声功率 媒质在无声扰动的声学状态，可用压强、密度及温度等状态参数来描述。当存在声 扰动时，在组成媒质的分子的杂乱运动中就附加了一个有规律的运动，使得微元体积内 有时流入的质量多于流出的质量，有时又反过来，即微元体内的媒质一会儿稠密，一会 儿又稀疏。显然这样的变化过程可以用微元体内压力、密度及温度及质点速度等的增量 来描述。 声压p ：无声扰动时，媒质中的压强风称为静压强；设受声扰动后媒质的压强为p ， 则有声扰动时，媒质中的压强与静压强的差值便称为声压，( 即p = p p o ) 声压是时 间和空间的函数。 声场中某空间点声压随时间的变化称为瞬时声压。当声音传入人耳后，由于鼓膜的 惯性作用，人耳实际上辨别不出声压的起伏，即人耳听到的声音不是瞬时声压值作用的 结果，而是一个有效的声压值。有效声压：是一段时间内瞬时声压的均方根值，即 6 第二二章高速下室内噪卢控制及评定方法 p =( 2 2 ) 对于正、余弦声波，有效声压p = 2 ，p 。为声压幅值。在实际使用中，如不 加以说明，我们所说的声压通常是有效声压的简称。声压的单位为尸口。j 下常人耳刚刚 能听到声音的声压叫听阙声压，其值为2 1 0 一p a ；刚刚使人耳产生疼痛感觉的声压叫 痛阙声压，其值为2 0 p a 。 声波传到原先静止的媒介中，一方面使媒介质点在平衡位置附近来回振动，同时在 媒质中产生了压缩和膨胀，前者使媒质具有振动动能，后者使媒质具有形变位能，两者 之和就是因扰动使媒质得到的声能量。扰动传走，声能量也跟着转移，因此，可以说声 波的传播过程实质上是声能量的传播过程。单位体积的声能量称为声能密度，即： 1 1 ，、 s2 p 0 ( v + 鬲p ) ( 2 3 ) 单位体积的平均声能量为平均声能密度f ： ( 2 4 ) 其中p t ，为有效声压。 声功率缈：声源在单位时间内辐射出的总声能量称为声功率； 平均声能量流( 或平均声功率) 形：单位时间内通过垂直于声传播方向上面积为s 的平均声能量。 w = g c o s ( 2 5 ) 声强( 或平均声能量流密度) ，：垂直于声传播方向的单位面积上通过的平均声能 量流。 ，= 确= 立 p o c o ( 2 6 ) 声强是具有方向的量，它的指向就是声传播方向。在实际情况下，有很多因素影响 声强和声压，例如声源的指向性，声波在传播过程中发生的反射、折射、衍射和吸收等 7 立懈 = 一 大连交通人学i ：学硕+ 学位论文 现象。这说明声强和声压的测量值与环境有关，对一个声源，在不同的场合、不同方向、 不同测点，所测得的声强和声压值可能是不同的。这就给客观、准确地评价不同声源的 声学特性带来了困难。但是，无论怎样，同一个声源在不同的环境下所辐射的声功率则 是一个不变的量，反映了声源的声学特性。因此，对声学测量结果，往往采用声功率来 进行评价。 如果声源辐射的面积为s ，通过此面积的声强为，则声功率形为： w = j ，搬 ( 2 7 ) s 2 ) 声级的定义 声压级l 。t 有效声压与基准声压之比的常用对数的2 0 倍，即： 上。= 2 0 l g 上( 2 8 ) r p q 单位为分贝( d b ) ，其中：p 为待测声压的有效值，p 。为参考声压，在空气中， 一般取2 x 1 0 。5 帕。 声强级厶：声强与基准声强之比的常用对数的1 0 倍，即 厶= 1 。l g i i ( 厶= 1 0 - 1 2 w m 2 ) 声功率级厶f ，：声强与基准声强之比的常用对数的1 0 倍，即 驴川g 焉c 晌0 - 1 2 w ， 声压级、声强级和声功率级三者之间的关系： l ，= l ， + 1 0 1 9 ( 4 0 0 p o c o ) 厶= 厶+ 1 0 1 9 s ( s 为声源辐射的面积) 2 1 2 理想流体媒质的三个基本方程 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 声振动作为一种宏观物理现象，满足物理学基本定律，即牛顿第二定律、质量守恒 定律和描述压强、温度、密度关系的物理方程。通过这些数学定律，我们可以定量的描 8 第二章高速印室内噪声控制及评定方法 述声压、质点速度以及密度增量的变化关系，即波动方程。为建立这个方程，对介质及 声传播过程作以下基本假设： ( 1 ) 介质为理想流体，即介质中不存在粘滞性，声波在传播中无能量损耗； ( 2 ) 没有声扰动时，介质在宏观上是静止的，即初速度为零。介质是均匀的，因 此静态压强和静态密度都是常数； ( 3 ) 声波传播时，空气与外界不存在热交换。空气压缩或膨胀的过程是绝热过程； ( 4 ) 声压远小于介质静压强；质点速度远小于声速；质点位移远小于声波波长； 介质密度远小于静态密度。 以上假设在一般情况下足够准确，它们构成了经典声学的理论基础。在经典声学中， 空气被当作理想的流体介质，满足以下三个基本方程： ( 1 ) 运动方程 声波的运动方程给出了声压在声场中的分布规律： 郧：一p 譬 ( 2 1 3 ) u l 式中p 、p 、，分别为声压、介质密度、时间；矿表示质点振动速度，矿= 匕丁+ 1 ，歹+ 匕云， 匕、k 、k 分别是三个坐标轴方向的速度分量，亏：兰丁+ 昙7 + 昙云为微分算子。 c a y 仍 ( 2 ) 连续性方程 即质量守恒定律，它要求在单位时间内，流入与流出介质体积单元的质量差等干体 积单元内质量的增量： _ o p ：一p 话( 2 1 4 ) 一= 一n v v iz 、 a ， 式中p 。为密度的增量。 ( 3 ) 物态方程 物态方程即声波在介质中传播时，介质压缩及膨胀过程中描述其状态变化的物理方 程。若介质为空气，在常温常压下可将其看成理想气体，且在状态变换过程中介质来不 及与临近部分进行热交换，因此，声波在空气中的传播过程相应于理想气体的绝热过程， 其过程方程为： ( p a + p ) ( p + 0 3 = 常数 伽5 1 式中既为空气静态压强，j j 为绝热指数。上式两端对时间微分，得： 9 人迎交通人学j ：学硕十学f 节论文 ( p + p t ) 害川”p ) 等= 。 根据假设，有p p ，p p ，由上式得出物态方程为： 塑：纽型 西po t 酷悟， 其物理意义是空气中的声速，则物态方程可表示为： 望：c 2 一a p 8 t8 t 2 2 车内噪声产生机理及传播途径 车内噪声指行驶的客车车厢内存在的各种噪声。 劳，它对客车乘坐舒适性有重要的影响。 1 、客车内部噪声产生机理 1 ) 轮轨噪声 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 车内噪声极易使乘车人员感到疲 轮轨噪声是铁路客车车辆的主要噪声源。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时的冲击噪声、弯道运行时轮对横爬产生的尖 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。 2 ) 车辆空气动力噪声 空气动力噪声是在车辆运行时，车辆表面涡流压力波动、面层中的涡流拍打车体墙 板及受压电弓罩等引起墙板及受电弓罩的振动而发出的声音。研究表明：空气动力噪声 与速度的5 7 次方成正比，当速度大于3 0 0 k m h 时，空气动力噪声成为主要噪声源。此 外，车辆通过隧道时产生的声压突变也会产生噪声。 3 ) 结构振动及设备噪声 车体的内表面层是主要的声音传播体，由于它们要与钢结构连接，钢结构的振动传 入内部各装饰层，并在其中以弯波的形式传播，各装饰层振动激励空气产生噪声。 另外，各种机械设备如空调、通风、采暖、发电机等工作时亦会产生噪声。 2 、客车内部噪声传播途径及分布 噪声传入车内的途径大致可分为空气传播和固体传播。空气传播声是指车外噪声通 过车体各部分的缝隙传人车内的噪声。固体传播声可分为一次固体声和二次固体声。一 1 0 第二章高速下室内噪声控制及评定方法 次固体声是指钢轨和车轮间的振动通过弹簧系统传给转向架和车体，使地板等振动产生 的噪声。二次固体声是指声源辐射的声能激振车体外壳，使车内地板、下墙板、车窗等 产生振动，并向车内辐射的噪声，即车外噪声通过车体结构传播的透射噪声。提速客车 大量采用固定式车窗和密封性能好的塞拉门，空气传播声较小。车轮和钢轨间的振动通 过轴箱弹簧和空气弹簧传递到车体时，音频范围的振动已大大减弱，一次固体声也较小。 车外噪声的二次固体声占车内噪声的大部分。车外传入车内的噪声会向周围空间传播， 噪声沿车体纵向传播时，由于车体的长度较宽度和高度大得多，其传播规律类似于管道 中的传播，噪声能量随传播距离的衰减速度慢，传播距离远。由于车内噪声主要来自转 向架附近地板，因此车内转向架上方噪声能量大，车体中央的噪声能量小，噪声沿车体 纵向传播时，转向架上方的噪声对车体中央的噪声影响较大。因此，车体中央噪声能量 主要由车外噪声经车体结构传入车内的声能量和车内转向架上方噪声沿车体纵向传播 过来的声能量组成。减小从转向架附近传车内的噪声，不仅可以减小车内转向架上方的 噪声，车体中央的噪声也会相应减小2 。16 1 。 2 3 车内噪声的控制 2 3 1 车内噪声控制的基本方法 降低车内噪声可通过3 种措施来实现：( 1 ) 减小车外噪声源产生的噪声；( 2 ) 增加车 体结构的隔声量；( 3 ) 车内进行吸声处理。减少噪声源是最经济的方法，但难度大。因 此，在声音传递过程中予以阻隔、吸收噪声是一个重要途径。众所周知，车内声场是空 气声、初级固体声和次级固体声的总和。消除空气声，车体必须采用有效的密封措施。 而消除初级固体声则可以在转向架传力途经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 措施来降低次级固体声1 3 1 。3 7 1 。 1 ) 隔声 在工程领域，为了减弱或者消除噪声源对周围环境的干扰，常用木板、金属板、墙 体等固体介质将噪声源与周围环境隔绝开，这种方法称为隔声。常用隔声材料有：钢、 铝、铅、玻璃、有机玻璃、胶合板、木材等。 影响隔声结构性能的因素主要包括三个方面： 隔声材料的品种、密度、弹性和阻尼等。一般来讲，材料的面密度越大，隔声 量就越大，另外增加材料的阻尼可以有效地抑制结构共振和吻合效应引起的隔声量的降 低； 构件的几何尺寸以及安装条件( 包括密封状况) ； 火连交通人学“1 + ：学硕十学位论文 噪声源的频率特性、声场的分布及声波的入射角度。 对于给定的构件，隔声量与声波频率密切相关，一般来讲，低频时隔声性能较差， 高频时隔声性能较好。 由隔声质量定律得知，若想提高单层介质的隔声量，唯一的办法就是增加介质密度 或厚度。这样就带来一个问题，当需要大幅度地提高隔声量时，就需要大量的材料，很 不经济。实践中，人们发现双层介质材料中间央有一定厚度的空气层( 例如：双层窗户) ， 其隔声量会提高许多，这是由于声波经多次反射而使声强逐级衰减的缘故。 2 ) 吸声 吸声材料种类为： 无机纤维材料类：主要有玻璃丝、玻璃棉、岩棉和矿渣棉及其制品； 泡沫塑料类：有米波罗，氨基甲酸脂泡沫塑料等； 有机纤维材料类：这类材料是使用棉、麻等植物纤维来吸声的。如纺织厂的飞 花及棉、麻下脚料，棉絮，稻草等制品。 多孔吸声材料的构造特征：材料内部具有大量的微孔或间隙，而且孔隙细小且在材 料内部均匀分布；材料内部的微孔是互相贯通的，单独的气泡和密闭间隙不起吸声作用： 微孔向外敞开，使声波易于进入微孔内，不具有敝丌微孔仅有凸凹表面的材料不会有好 的吸声性能。 多孔吸声材料的吸声作用主要是：当声波入射到多孔材料表面激发起微孔内的空气 振动时，空气与固体筋络间产生相对运动，由于空气的粘滞性在微孔内产生相应的粘滞 阻力，使振动空气的动能不断转化为热能，从而使声能衰减；在空气绝热压缩时，空气 与孔壁间不断发生热交换，由于热传导的作用，也会使声能转化为热能。吸声材料吸收 的声能e 与入射声能e 的比值称为吸声系数仅： 。 弘e e 。= i - 鲁 ( 2 2 。) e ；e i 、 多孔吸声材料吸声频谱的特点是吸声系数随频率的增加而增大，吸声频谱曲线由低 频向高频逐渐升高，并出现不同程度的起伏，随着频率的升高，起伏幅度逐步缩小，趋 向一个缓慢变化的数值。 3 ) 阻尼控制 在工程实际中，通过在金属结构上涂敷一层阻尼材料或者选用高阻尼合金来抑制振 动、降低噪声的方法，称为振动噪声的阻尼控制。一般金属材料的固有阻尼都是很小的， 因而，常用外加阻尼材料的方法来增大其阻尼，使沿结构传递的振动能量衰减，特别是 1 2 第二章高速午室内噪声控制及评定方法 用来减弱共振附近的振动。阻尼材料或在金属板上粘贴或涂抹，涂料后之所以减振降噪， 主要是由于阻尼能减弱金属板弯曲振动的强度。当结构发生弯曲振动时，其振动能量迅 速传给紧密涂贴在薄板上的阻尼材料，引起阻尼材料内部的摩擦和互相错动。由于阻尼 材料的内摩擦内损耗大，使金属板振动能量有相当一部分转化为热能而耗散掉，从而减 弱薄板的弯曲振动，降低结构噪声辐射。 表面阻尼处理是提高结构阻尼、抑制共振、改善结构抗振降噪性能的有效方法。主 要应用于受弯曲振动为主的厚度不大的