（车辆工程专业论文）sfm05型地铁动车噪声预测及声学贡献度分析.pdf

中南人学工程硕上学位论文摘要 摘要 地铁噪声影响了人们的正常生活，为了将地铁噪声限制在一定范围内，相关 机构制定了强制性的地铁噪声验收标准。为了保证地铁噪声符合标准，论文对静、 动态下s f m 0 5 型地铁动车( m 车) 的噪声源、声学载荷、车内外的噪声预测方 法进行了较深入的研究： 建立了s f m 0 5 型地铁动车的声学边界元模型，将静态下地铁的声学载荷加到 动车的声学边界元模型上，求出了静态下动车内、外的声压在不同频率点的声压 分布：静态下动车车内各场点的a 声级在6 0 8 7 - - , 6 9 0 4 d b a 之间变化，车外的a 声级在6 6 7 8 - 7 7 3 8 d b a 间变化。通过噪声源的声学贡献度分析，得出静态下 动车的噪声源主要是动车顶部的空调，要减少静态下动车的噪声，必须控制动车 顶部的空调所发的噪声。 轮轨噪声和车厢壁板振动是动态下动车噪声的重要来源。通过建立列车一轨 道的耦合振动模型，计算了轨道不平顺引起的转向架对车厢支点处激励载荷，通 过谐振分析计算了支点处的激励载荷引起的车厢壁板振动。应用统计能量分析 法，建立了轮轨振动噪声预测模型，预测了轮轨的辐射噪声。将轮轨噪声、车厢 壁板振动及其它噪声作为声学激励载荷，求出了动态下动车内、外噪声在不同频 率点的声压分布：动态下动车内各场点的a 声级在7 1 4 6 - , 7 6 2 8 b a 之间变化， 动态下动车外的a 声压级在7 8 0 5 8 5 6 1 d b a 。动态下动车的车内噪声源主要是 车厢壁板振动、钢轨。要降低动车的车内噪声，必须控制壁板振动所辐射的噪声， 要降低动车的车外噪声，必须控制轮轨的辐射噪声。 讨论了声学贡献度的特点，计算了壁板对车内噪声的贡献度，结果表明： 底板1 、底板2 、底板4 、底板5 对车内噪声的贡献度最大，在底板1 、底板2 、 底板4 、底板5 上喷涂阻尼浆后，动车内各对应场点的a 声级均约降低了1 3 d b a ， 降噪效果比较明显。 关键词地铁；噪声预测；声学贡献度；阻尼降噪 中南大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s u b w a yn o i s eh a sa f f e c t e dt h en o r m a l l i f eo fp e o p l e t or e s t r i c ts u b w a yn o i s ei nc e r t a i n s c o p e ，r e l a t e do r g a n i z a t i o n sh a v ee s t a b l i s h e dm a n d a t o r ya c c e p t a n c es t a n d a r do fs u b w a yn o i s e t oa c c o r dw i t hs t a n d a r dl e v e lf o rs u b w a yn o i s e ，t h o r o u g hr e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do u t a b o u tn o i s es o u r c e s a c o u s t i c a l l o a d sa n dt h ei n t e r n a la n de x t e r n a ln o i s ef o r e c a s tm e t h o df o r s u b w a ym o t o r - v e h i c l e ( mv e h i c l e ) a tr u n n i n ga n ds t a t i cc o n d i t i o n s t h ea c o u s t i c a lb o u n d a r ye l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e df o rs u b w a ymv e h i c l e ，t h e a c o u s t i c a l l o a d so fmv e h i c l ea ts t a t i cc o n d i t i o n sw e r ep u to nt h ea c o u s t i c a lb o u n d a r ye l e m e n t m o d e l ，t h es o u n dp r e s s e sl e v e l ( s p l ) w a so b t a i n e di na n do u t s i d emv e h i c l ea ts t a t i c c o n d i t i o n s i nmv e h i c l et h eas o u n dl e v e l sc h a n g e si nt h er a n g eo f6 0 8 7 - 6 9 0 4d b a o u t s i d emv e h i c l ei nt h er a n g eo f6 6 7 8 - 7 7 3 8d b a f r o mt h er e s u l t so ft h ea c o u s t i c a l c o n t r i b u t i o na n a l y s i so fn o i s es o u r c e ，t h em a i ns o u r c ei sa i r - c o n d i t i o na tr o o fa ts t a t i c c o n d i t i o n sf o rmv e h i c l e t or e d u c et h en o i s eo fmv e h i c l ea ts t a t i cc o n d i t i o n s ，t h en o i s ef r o m a i r - c o n d i t i o nm u s tb ec o n t r o l l e d w h e e lr a i ln o i s ea n dt h ep a n e lv i b r a t i o no fr a i l w a yc a r r i a g ea r et h ei m p o r t a n ts o u r c e sf o r mv e h i c l en o i s e t h ev e h i c l e - t r a c kc o u p l i n gd y n a m i c sm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h el o a d s c a u s e db yt r a c ki r r e g u l a r i t i e sw e r ec a l c u l a t e df o rt h ef u l c r u mp l a c e so fr a i l w a yc a r r i a g e b y h a r m o n i ca n a l y s i st h ep a n e lv i b r a t i o n so fr a i l w a yc a r r i a g ew e r eo b t a i n e d u s i n gs t a t i s t i c a l e n e r g ya n a l y s i s ，w h e e l - r a i lv i b r a t i o nn o i s ew a sf o r e c a s t t a k i n gw h e e l r a i ln o i s e ，t h ep a n e l v i b r a t i o no fr a i l w a yc a r r i a g ea n do t h e rn o i s es o u r c e sa sa c o u s t i c a ll o a d t h es o u n dp r e s s e s l e v e lw a so b t a i n e di na n do u t s i d emv e h i c l ea tr u n n i n gc o n d i t i o n s i nmv e h i c l et h eas o u n d l e v e l sc h a n g e si nt h er a n g eo f7 1 4 6 - 7 6 2 8 b a o u t s i d emv e h i c l ei nt h er a n g eo f7 8 0 5 - - 8 5 6 l d b a f r o mt h er e s u l t so f t h ea c o u s t i c a lc o n t r i b u t i o na n a l y s i so fn o i s es o u r c e t h em a i n s o u r c ei sw h e e lr a i la n dt h ep a n e lv i b r a t i o na tr u n n i n gc o n d i t i o n s a tr u n n i n gc o n d i t i o n s ，t o r e d u c et h en o i s ei nmv e h i c l e ，t h ep a n e lv i b r a t i o nm u s tb ec o n t r o l l e d t or e d u c et h en o i s e o u t s i d emv e h i c l e t h en o i s e sf r o mw h e e la n dr a i lm u s t b ec o n t r o l l e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fa c o u s t i c a lc o n t r i b u t i o nd e g r e ew a sd i s c u s s e d t h ea c o u s t i c a l c o n t r i b u t i o no fp a n e lw e r ec a l c u l a t e df o ri n t e r i o rn o i s e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea c o u s t i c a l c o n t r i b u t i o no ff i r s t , s e c o n d ，f o u r t h ，f i f u lp a n e la tf l o o ra r eg r e a t e s tf o ri n t e r i o rn o i s e ，a f t e r d a m p i n gm a t e r i a l sw e r ec o v e r e do nt h el u s t , s e c o n d ，f o u r t h ，f i f t hp a n e la tf l o o r , t h en o i s ei n mv e h i c l er e d u c e s1 3d b a k e yw o r d s ： s u b w a yt r a i n ；n o i s ep r e d i c t i o n ；a c o u s t i c a lc o n t r i b u t i o n ；n o i s e r e d u c t i o n t t 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究意义 第一章绪论 地铁、轻轨是许多城市的主要交通工具，具有方便、准时、快捷、污染轻、 能耗低、占地少等诸多优势，能有效解决大城市的交通问题，已成为我国城市交 通发展的重要组成部分。但噪声问题会随着地铁发展而加剧，为了限制地铁噪声， 国家制定了地铁噪声标准n 吗1 。城市轨道交通列车噪声限值和测量方法 ( g b l 4 8 9 2 - 2 0 0 6 ) 规定，在标准的测量条件下，地铁噪声标准如表1 - 1 所示n 1 ： 表卜1 地铁列车的噪声标准 招标时，各地铁公司都没有严格执行该标准，而是基本按照规定的试验方法 ( i s 0 3 0 9 5 、i s 0 3 3 8 1 ) 进行测量，再依据情况提出地铁噪声的验收标准h 叫，以 下规定是某地铁公司在招标时的噪声要求： ( 1 ) 列车处于静止状态和自由声场内，所有辅助设备正常运行时，客室内部 沿车辆中心线、距离地板面1 5 米高处测得的噪声水平不超过6 9 d b ( a ) ，在空调 回风口测得的噪声水平不超过7 2 d b ( a ) 。 ( 2 ) 空载列车在静止状态和自由声场内，所有辅助设备正常运行时，沿水 平方向距离走行轨中心线7 5 米，在列车任意一侧，列车长度范围内的任意点测 得的噪声不超过7 2 d b ( a ) 。测试在i s 0 3 0 9 5 规定的自由区域条件下，列车在露天 地面区段进行。 ( 3 ) 列车以正常方式惰行、加速或制动时，客室内部沿轨道中心线、距客 室地板面1 5 米处，噪声水平小于7 4 d b ( a ) ，在空调回风口下方和贯通道附近， 距离墙面不少于0 3 米远处，噪声水平小于7 5 d b ( a ) 。司机室内噪声小于7 7 d b ( a ) 。 地铁以6 0 k m h 的恒定速度运行6 0 s 时，室内噪声水平小于7 3 d b ( a ) 。 ( 4 ) 列车在地面道渣轨道上以正常方式加速、减速或惰行，或以6 0 k m h 的恒定速度运行6 0 s 时，距离轨道中心线7 5 米处，沿水平方向测量，车辆发出 的噪声小于8 0 d b ( a 。 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 地铁噪声成了衡量地铁质量的重要指标之一吣1 4 1 ，在地铁车身设计中，必须 要考核车内的声学舒适性，因此研究地铁噪声，并提出有效的降噪方案，就非常 重要。 1 2 地铁车辆噪声源及传播路径分析 地铁噪声是由各种不同类型噪声合成的。根据噪声源及其发生机构，地铁噪 声可以分为桥梁结构物噪声、轮轨噪声、机器噪声n 纠6 1 等。研究认为，当列车运 行速度为2 1 0 k m h 时，综合噪声为8 0 d b ，其中集电弓噪声为7 4 d b ，车体空气动 力噪声为7 0 d b ，轮轨噪声为7 8 d b ，桥梁结构物噪声为7 1d b z i a 研究结果表明， 列车运行状态不同时，各噪声在综合噪声的必例也不一样。当列车运行速度大于 2 0 0 k m h 时，气动噪声占优；当列车运行速度在6 0 - 2 0 0 k m h 时，轮轨滚动噪声 占优；当列车运行速度小于6 0 k m h 时，列车辅助设备及牵引电机噪声占优引。 我国地铁的区间运行速度一般为6 0 k m h ，最高速度为8 0 k m h 。因此，地铁运行 时的稳态噪声，即轮轨噪声，是我国地铁的主要噪声。 ( 1 ) 轮轨噪声 轮轨噪声可以分为滚动噪声、冲击噪声、尖啸噪声三种n 8 剐。没有缺陷的车 轮在连续的直线型钢轨上滚动时，会发出滚动噪声。这是由车轮和钢轨接触表面 间的表面粗糙度而产生的。当车轮在粗糙的表面滚动时，碰到小的凹槽或凸起处， 必然会引起钢轨或车轮的振动，导致滚动噪声n 引。当擦伤车轮在轨道上滚动、或 车轮在通过道岔、焊缝时所发出的噼啪声或啪哒声，即为冲击噪声n 射。当碰到上 述情形之一时，轮对的垂直速度将产生变化，导致轮轨接触面发生极大的作用载 荷，引起钢轨和车轮振动，导致轮轨辐射声音。尖啸声是一种高频强噪声，它包 括多音调和纯音，轨道曲率半径对其音调有很大影响n 舢。尖叫声与车轮及车辆通 过曲线有关，因为转向架约束车轮，导致车轮不能在正切于钢轨的情形下运转， 即车轴偏离曲线径向位置，引起车轮沿轨道滚动时滑过轨头，产生轮轨接触面的 空转或粘着，导致车轮共振，于是产生强窄频带尖叫声。减少轨道表面粗糙度， 可减轻滚动噪声，提高铁路曲率半径，有利于减少尖啸声，采用焊接长钢轨，有 利于降低冲击噪声u 引。 轮轨噪声源可看做有限长线声源，由连续互不相干的偶极子组成，位于线路 中心线上方、比路面高0 2 5 m ，其长度为列车全长n 引。轮轨噪声的影响因素包括 列车长度、列车速度、牵引吨位等运转参数，还包括线路状态、等级和构造。轮 轨噪声峰值主要集中在1 2 5 2 0 0 0 h z 之间，以低、中频成分为主。研究表明，钢 中南大学工程硕上学位论文第一章绪论 轨辐射的低、中频噪声，对轮轨噪声的贡献大；车轮辐射的高频噪声，对轮轨噪 声的贡献非常小n 引。所以针对钢轨采取减振方法，以减少轮轨噪声，是可行的。 ( 2 ) 机器噪声 冷却风扇噪声：在采用电车驱动时，通过地板传播到客室内的噪声很大。在 日本新干线，为降低重心，空调器安装在车体下面，采用在地板中布置管道的方 式馏。因而，主要承受乘客体重的客室地板与承受气密载荷的车体底架地板构成 了双层结构，这种双层结构发挥了很好的隔音效果。 牵引电机及冷却风机噪声：牵引电机采取了强制风冷方式。在自我通风方 式下，牵引电机在比较低的速度运转时，冷却风量很小。为了保持良好冷却形式， 流动风量在高速运转时大于需要量，产生的噪声会变得很大魄1 。对于运行时间较 长的新干线列车，大都采用这种强制风冷方式。然而，在这种强制风冷方式下， 停车时的鼓风噪声较大。 电磁噪声：地铁主电路通常采用交流感应电机，该电机使用、m f 方式。在 较低调制频率时，该电机的电流波形难以形成清晰的正弦曲线，所以电机产生了 高频成分的力矩脉动，成为噪声源乜。在e 2 1 0 0 0 中，使用了i g b t 进行调制， 以尽可能提高调制频率，从而降低噪声。 转向架轴接头噪声：转向架轴接头存在结构性间隙。在惰行时，这种结构性 间隙会成为重要噪声源乜。为了减少这种噪声，应尽量用软材料塞满，以减少间 隙。 ( 3 ) 牵引噪声 牵引噪声是机车所特有的，指机车动车组、各种辅助设备在运行时所产生的 空气动力噪声、机械性噪声和电磁噪声。电力机车、蒸汽机车和内燃机车的牵引 噪声声级及其频谱不同。内燃机车牵引噪声源主要为牵引电机、柴油机和冷却风 扇空压机噪声；电力机车牵引噪声主要来源于变压器、电机、整流器等，其机械 性噪声和电磁噪声频带宽，声压级在7 0 9 s d b ( a ) 之间：蒸汽机车的锅炉排气噪 声是喷注噪声，高频噪声占主要成分嘲。距排气口5 m 处，声压级在1 2 0 1 3 0 d b ( a ) 之间，影响范围很宽，是强噪声源。烟囱排烟噪声以中、低频噪声为主，在距烟 囱口5 m 处，声压级达1 1 8 d b ( a ) 。 4 ) 制动噪声 机车、车辆采用的基础制动形式对制动噪声产生很大的影响。当前，我国机 车、车辆的基础制动采用闸瓦抵压车轮踏面的形式实现。低速时，踏面的粗糙引 起闸瓦压力振动，轮辐与闸瓦压力激励轮辐，使轮辐成为声辐射体，辐射窄带 ( 4 5 - s k h z ) 高频噪声，测点距车轮6 5 m ，其声压级可达9 0 1 0 d b ( a ) 瞰1 。 3 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 地铁噪声的传播路径分固体传播、空气传播二种途径，因此按噪声传播机理， 车内噪声可分为固体声和空气声两大类娩引。在车室内部，这两类噪声经过车室壁 面多次反射，形成混响声，从而提高了噪声级。固体声指从轮轨等噪声源发出的 噪声，以振动形式传播到车体构架等处，从而在车体内部振动，产生一次固体传 播噪声蚴；另一种形式是从噪声源以放射状发出的噪声，利用空气为媒介，传播 到车体侧墙、地板等处，使上下墙板、车内地板、车窗等振动，从而使车体内部 空气振动，产生二次固体传播噪声乜羽。随不同频率成分变化，固体传播和空气传 播噪声能量的比例因车型结构而有所差别。空气声是以空气为媒介，将噪声源发 出的噪声从车窗、车体的缝隙传播到车内。研究表明，一般情况下，5 0 0 h z 以 下的中频噪声，主要通过固体传播；而8 0 0 h z 以上的中、高频噪声，主要以空 气为媒介，传播到车内 2 4 o 而各影响因素，均以固体传播、空气传播两种方式影 响车内噪声。研究表明，在车厢密封性能良好的情况下，由结构振动产生的固体 声，以及由反射产生的混响声占据主导地位。此外，车身内部空腔所包围的空气 声学模态，对车内噪声有很大影响，但车内噪声的决定性影响因素，则是车身结 构的振型、阻尼、固有频率等模态参数。 为了降低车内噪声，人们从提高车体隔声、吸声性能入手，采取了不少措施， 如：在乘客座椅上布置吸声丝织品；将吸声附面安装在行李架上；将吸声材料贴 附在车底下；在内外顶板间、内外墙板间，填充高性能吸声材料；采用双层中空 玻璃结构，提高车窗玻璃的隔声量；采用双层浮置地板结构，阻隔驱动装置噪声 和轮轨噪声；在车体金属表面涂刷阻尼层，以抑制车体振动产生的噪声等心1 2 4 1 。 但这都是定性认识，至于凭经验采取这些降噪措施后，乘客室内的噪声具体降低 了多少，人们尚不清楚。显然，在这种情况下，很难采取最有效措施，降低乘客 室内噪声。 1 3 轮轨噪声计算研究进展 r e m i n g t o n 是对轮轨噪声研究较早的学者，r e m i n g t o n e l 2 5 2 9 】基于轮轨间的相 互作用，全面地阐释了轮轨噪声的产生机理，建立了轮轨滚动噪声预测模型。 t h o m p s o n 2 9 - 3 3 】发展并扩展了r e m i n g t o n 的早期模型。t h o m p s o n 指出，轮轨间 的相互作用引起了车轮、钢轨振动，而钢轨通过轨下胶垫及扣件将振动传给轨枕。 因此，t h o m p s o n 在新模型中加入了轨枕所辐射的噪声。模型中，t h o m p s o n 将钢 轨模型扩展为轨道模型，在轨道模型中，用t t m o s h e n k o 梁代替了r e m i n g t o n 模 型中的e u l e r 梁，从而更真实地反映了钢轨的高频噪声成份。以改进后的 t h o m p s o n 模型为基础，欧洲铁路研究所( e r v a ) 组织相关人员开发出了一个名为 t w i n s ( t r a c k w h e e li n t e r a c t i o nn o i s es o 胍) 的轮轨滚动噪声预报系统p 4 如j ，并 4 中南大学工程硕上学位论文第一章绪论 将改进后模型称为t w i n s 模型。在欧洲，该系统己成为预测轮轨噪声水平、指 导新线新车的低噪声设计，以及既有线降噪改造的主要工具。德国慕尼黑m i i l l e r b b m 公司g o r l i c h 教授开发的刚m 模型也是一个轮轨滚动噪声预测模型1 3 副。具 有与r e m i n g t o n 模型基本相同的工作原理。模型中车辆部分包括车轮，簧上质量 ( 1 4 构架+ 1 8 车体) ，轨道部分则由钢轨、轨枕、垫层和道床组成。用线性弹簧 表示的线性模型代表轮轨接触，求解在频域中进行【3 卯。r i m 模型和t w i n s 模型 均建立在r e m i n g t o n 模型基础上，是r e m i n g t o n 模型的发展和完善。各种模型的 关键思想是：激发轮轨振动的根源是轮轨表面不平顺，而轮轨噪声的直接原因是 轮轨振动1 j 5 1 。 国内学者也投入极大热情研究了轮轨噪声，并得出了很多成果【3 纠9 1 。徐志胜 运用多体动力学动力学理论、噪声辐射及传播理论，建立了轮轨噪声预测模型， 并编写了轮轨噪声预测软件s t t i n ，预测并评价了轮轨噪声【1 8 , 3 6 】。刘林芽基于 r e m i n g t o n 模型，建立了一个比较系统的轮轨高频振动模型，并预测了我国既有 线轮轨噪声3 7 j 。所有这些研究成果都是以钢轨、车轮、轨枕为研究对象，预测 的是轮轨向环境的辐射噪声。而轮轨激励下车厢壁板振动所辐射的噪声，至今尚 未见相关报道。实际上，车厢壁板振动所产生的声辐射是一个重要的噪声源。因 此，研究并控制由轮轨激励激励引起的车厢壁板振动，就很有必要。 1 4 轮轨噪声控制研究进展 轮轨噪声控制涉及到车轮、车辆、轨枕等多方面。在欧美国家，己利用软件 开发减振降噪设备、指导新线设计、旧线改造工作。欧洲铁路研究所曾利用 t w i n s 模型软件进行了o f w h a t 项目研究，该项目研究内容是通过给钢轨安装 阻尼器，优化轨下胶垫刚度，以及改进轮对形状，以降低轮轨噪芦3 5 】。从1 9 9 6 年开始，由英国、西班牙、荷兰、德国、法国和瑞典的声学与振动研究所组成的 b r i t e e u r a m 研究小组，进行了s i l e n tf r e i g h t r 和s i l e n tt r a c k 的项目研 究，目标是进一步降低货物列车的噪声。其中s i l e n tf r e i g h t r 的主要研究内 容是：优化轮对形状、在轮对上加阻尼、安装阻尼器、穿孔，达到降低车辆上部 结构噪声的目的；计入轮轨横向表面几何形态的影响；对轮对建立更准确的噪声 辐射模型，并嵌入到t w i n s 中【3 5 l 。s i l e n tt r a c k 的主要研究内容是：研究钢 轨不平顺产生、增长以及钢轨振动的辐射机理；优化有关钢轨横断面形状、轨下 胶垫、轨枕、扣件参数；给钢轨安装吸振器，增加钢轨阻尼对轨道噪声的影响【3 5 1 。 国内、外为控制轮轨噪声，主要在车辆结构、轨道结构等方面采取了相关措 施1 4 1 4 9 1 ： 5 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 采用无缝钢轨 通过焊接，将标准轨变成长钢轨，缩减接头数量，采用无缝线路，使列车运 行阻力减少1 0 - - 2 0 ，减少脉冲激励源，从而使接头冲击引起的振动与噪声减 少。测试表明：无缝线路的噪声比有缝线路的噪声，低i o d b ( a ) 3 2 1 。 ( 2 ) 采用重型钢轨 列车受重型钢轨的冲击相对较小。例如，若用6 0 k g m 钢轨替换5 0 k g m 钢 轨，钢轨的每米重量比原来的增大1 1 8 倍，钢轨的垂向刚度比原来的增加1 5 8 倍，这样可使因列车冲击而发生的振动减少1 0 。因此，采用重型轨道板、重型 枕、重型轨等，增加轨道的综合抗弯刚度，可以使轨道结构的振动和噪声显著降 低f 3 2 1 。 ( 3 ) 采用钢轨减振器 为减少轨道噪声，最成功的技术是采用钢轨减振器。在这种减振方式中，多 个钢板条用橡胶粘接于钢轨上，并可调整，在1 0 0 0 赫兹范围内，其减振效果非 常好。这种减振器适用于柔软的钢轨垫板，因为这种钢轨垫板可以将沿轨道纵向 传播的振动衰减至最小值p 甜。 ( 4 ) 采用抑振降噪型钢轨 。 近年来，欧洲城市轨道交通中使用了带阻尼材料与弹性垫层的抑振降噪型钢 轨，这种钢轨在轨腰轨颚附近，粘贴了阻尼材料，增大了钢轨阻尼，可明显抑振 降噪。测试表明，采用弹性钢轨，噪声可降低4 - - - 8 方( 响度单位) 。在开发板式 轨道时，荷兰研制了s a 4 2 型矮轨，该轨轨头形状与u i c 5 4 相似，并采用了嵌入 式轨道结构技术。这种低噪声嵌入式钢轨高8 c m ，每米仅重4 2 k g 。由于这种钢 轨矮粗，列车通过时钢轨腹板的振动频率较低，有效增加了轨道的抑振减噪效果， 与采用u i c 5 4 钢轨的有碴轨道比较，噪声减少约5 - 一7 d b ( a ) 3 2 1 。 ( 5 ) 采用新型轨下基础 为了减振，各国都对整体道床与碎石道床做了许多改进工作，研制了多种减 振型式的轨下基础。主要内容如下：1 ) 基于整体道床，研制了短轨枕包套式和 弹性长轨枕道床，这两种道床可有效提高整体道床的弹性性能。2 ) 基于碎石道床， 研制了道渣垫道床和弹性轨枕道床，前者通过在道渣底下设置橡胶垫，以增加道 床弹性，从而有效降低道渣振动，后者是在枕下增加橡胶垫，与普通碎石道床相 比，可减振5 - - , 1 5 d b 。3 ) 采用抗振型板式轨道，在新干线的一些特殊地段，在 轨道板下面加铺了橡胶垫，水泥沥青砂浆灌注在橡胶垫和底层混凝土之间。该轨 道的噪声水平相当于有渣轨道的噪声水平【3 h 2 1 。 ( 6 ) 采用减振型无碴轨道结构 r 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 减振型无碴轨道在减振降噪方面，具有比较好的效果，在些具有特殊要求 的地段，可优先采用。隧道会引起地面重要建筑物的振动，为了减少这种振动， 瑞士在b o e t z b e r g 隧道内，修建了l v t 低振动无碴轨道。这种l v t 的减振型轨 道结构在英吉利海峡海底隧道也被采用。为了在需要减振降噪的特殊线路使用 r h e d a 型无碴轨道，德国用1 2 r a m 厚的弹性垫层代替原设置的隔离层。经测试， 其噪声水平相当于有碴轨道的噪声水平。日本开发了防振g 型等板式轨道1 3 2 1 。 ( 7 ) 钢轨涂油 为了减少轮轨之间的摩擦，降低轮轨噪声水平，应定期将润滑油涂在钢轨表 面，减少轮轨之间的接触摩擦。此种方法不仅可以降低钢轨磨耗，延长钢轨使用 寿命，而且可降低钢轨的振动噪声水平【3 2 1 。 此外采用减振型扣件( 包括剪切型、低刚度型和压缩型等) 、垫板，增加轨道 弹性，也有利于降低噪声。对于整体道床来说，扣件弹性的影响就更加重要。 ( 8 ) 采用钢轨打磨技术 二十世纪五六十年代，就已经使用钢轨打磨技术。现在，钢轨打磨技术已成 为重载、高速铁路的常规养护维修技术，普遍应用于世界各国的铁路养护、维修 中。通过打磨，使轮轨表面光滑，可有效减少轮轨间的激扰，达到降低轮轨滚动 噪声的目的【3 胡。 ( 9 ) 采用弹性车轮 弹性车轮是指将弹性材料设置在车轮轮毂与轮箍之间，使车轮具有阻尼和径 向柔性，隔断和减少车轮振动。同时，弹性车轮噪声频率的主成分会向高频区转 移，因此，如果能降低弹性车轮的高频噪声成分，降噪效果会更理想，现在，降 低高频噪声易于降低低频噪声。但受限于橡胶的耐久性、耐热性，目前仅使用于 中、低速列车上p 2 1 。 ( 1 0 ) 采用合理的车轮形状 经过长期研究车轮形状，德国的科研机构发现车轮滚动圆直径、车轮腹板形 式、腹板厚度、腹板与轮辋过渡部分的曲率，及轮毂之间过渡部分的曲率都显著 影响着车轮噪声。因此，德国铁路根据该结论设计了低噪声车轮，该车轮形状与 标准车轮相似，但显著地降低了其辐射的噪声水平。其降噪效果相当于弹性车轮， 是一项较理想的降低车轮噪声水平的方法。此外，国外已出现了曲形踏面轮对， 这种轮对从轮缘到踏面采用连续过渡形式。滚动时，轮缘相对速度小，产生的尖 叫声低。曲形踏面已被英国、德国铁道部门定为标准轮箍外形。我国也在加紧研 制曲形踏面及与其配合的轨项外形1 3 2 1 。 7 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 ( 1 1 ) 采用吸振车轮 在隔断或缓冲轮轨间的冲击方面，弹性车轮的效果很理想，但并没有吸收车 轮振动。国外正在研究吸振车轮，这种车轮将阻尼材料粘贴在其外侧，但这种车 轮并不能有效地吸收低频振动，未能投入使用。为防止阻尼材料在列车高速运行 时脱落，急需研发高性能的阻尼涂料【3 2 1 。 ( 1 2 ) 采用轮缘润滑器 在轮缘与钢轨接触部分，采用轮缘润滑器对其进行喷油润滑，可有效降低轮 轨噪声。此外车辆采用盘形制动、轻型复合结构、及保持车轮表面光滑等措施都 有利于降低噪声。另外，采用直线电机系统，对降低噪声，也会产生积极影响。 由于改变了驱动形式，直线电机的转向架系统不需要齿轮箱等传动机构，减少了 许多噪声源，噪声比一般车辆降低1 0 d b ( a ) 1 3 2 1 。 ( 1 3 ) 采用径向转向架 径向转向架在转向架的前后两轴之间采用铰接结构，不同于传统的刚性连 接，该连接使转向架在横向上可以自由活动。径向转向架能使车辆顺利通过曲线， 从而减少轮轨磨耗，并消除传统转向架经过曲线时发出的尖叫声，噪声水平可比 传统车辆降低2 0 d b ( a ) 左右。径向转向架已应用于城市轨道交通中，取得了非常 好的效果【3 2 1 。 1 5 课题的主要研究思路及研究工作 针对地铁噪声研究中存在的问题，及地铁噪声所提出的限制条件，借助声学、 车辆工程学的相关方法和理论，预测地铁车内、车外噪声，并确定各典型噪声源 对车内、车外总噪声的贡献度；通过对车厢面板进行声学贡献度分析，提出合理 降噪方案。具体研究思路及研究工作如下： ( 1 ) 静态下地铁动车的声学响应分析 利用有限元分析软4 爿：a n s y s ，建立地铁动车的有限元模型。然后利用声学分 析软件s y s n o i s e ，将有限元模型处理成边界元模型，将静态下所有噪声源加到动 车的声学边界元模型上，求出动车内、外的声压在不同频率点的声压分布，分析 声压最大点及i s 0 3 3 8 1 和i s 0 3 0 9 5 标准中规定的测试点在不同频率点的声压值， 为降低静态下地铁噪声提供理论依据。 ( 2 ) 地铁动车车一轨道耦合振动分析 中南人学工程硕上学位论文第一章绪论 轮轨系统的振动对车内噪声有重要影响，是计算车体内部声场重要的边界 条件。为此，将轮对、构架、车体模化为多刚体系统，进行多体耦合动力学分 析。通过将车辆部件之间的连接视为弹性阻尼元件连接，钢轨看成由离散轨枕 支承的无限长t i m o s h e n k o 梁，建立列车一轨道多体动力学分析模型。以轨道不 平顺作为激扰条件，应用s i m p a c k 计算地铁动车的振动响应，并将列车在特定 位置处的振动载荷数据提取出来。 ( 3 ) 动态下地铁动车的声学响应分析 将轮轨噪声、车厢壁板的振动及静态下动车所有噪声源加到动车的声学边界 元模型上，求出动态下动车内、外的声压在不同频率点的声压分布，分析声压最 大点及i s 0 3 3 8 1 和i s 0 3 0 9 5 标准中规定的测试点在不同频率点的声压值，为降低 动态下地铁噪声提供理论依据。 ( 4 ) 动车噪声源贡献度及面板分析 分析静态和动态下所有噪声源对车内、车外总噪声的贡献度，并根据静止、 运行条件下限定的车内、车外噪声水平，对动车各噪声源所发出的噪声提出合理 噪声限值，为动车的设备选型提供依据。针对贡献度大的噪声源及声学子系统( 车 底板、车侧板、车顶板、车窗、车门、座椅、车内空腔等) ，提出有效处理措施， 以尽可能降低动车噪声。 9 中南大学工程硕士学位论文 第二章静态下动车的声学响应分析 第二章静态下动车的声学响应分析 列车交付使用前，必须对静态下的噪声进行检测。在设计阶段预测静态下的 列车噪声，并根据预测结果来指导设计，选购设备型号，可改变以往列车生产出 来后，再进行测试，并根据测试结果来修正设计方案的传统思维模式，从而缩短 设计周期，降低设计费用。静态下列车噪声的评判标准为i s o3 3 8 1 ：2 0 0 1 铁路 应用声学轨道车辆内部噪声测量及i s o3 0 9 5 ：2 0 0 1 铁路应用声学轨道车辆 辐射噪声测量标准。具体如下： 1 ) 列车处于静止状态和自由声场内，所有辅助设备正常运行时，客室内部 沿车辆中心线、距离地板面1 5 米高处的噪声水平不超过：6 9 d b ( a ) 。在空调 回风口下方测得的噪声水平不超过：7 2 d b ( a ) 。 2 ) 空载列车在静止状态和自由声场内，所有辅助设备同时运行时，沿水平 方向距离走行轨线路中心线7 5 m 处，在列车任意- - n 、列车长度范围内的任意 点测得的噪音不超过7 2 d b ( a ) 。 正常情况下，动车( m 车) 的噪声值高于拖车( t c 车) 的噪声值，因此只 计算动车的噪声。北京地铁动车噪声，存在外部问题和内部问题。外部问题关注 的是动车噪声对周围环境的影响，其边界法向向内，求解的是外部以至无限域的 声场；内部问题关注的是司乘人员的舒适度，其边界法向向外，研究的是动车的 内部声场【5 0 1 。边界元方法能求解内部问题和外部问题。对于外部问题，在边界 区域上满足d i r i e h l e t 边界条件，在无限大的边界上利用s o m m e r f e l d 辐射条件1 5 u ； 对于内部问题，在边界区域上满足n e 啪锄边界条件【5 2 1 。考虑到边界元法在高频 段计算误差较大，但在中、低频段的计算精度较高【5 3 1 ，而地铁噪声主要集中在 中、低频段。因此，采用边界元法计算动车车内、外部的中、低频段噪声。 2 1边界元法声学计算的控制方程 简谐激励作用下结构振动在外部流体中产生的辐射声压p ( 厂) 满足h e l m h o l t z 方程【5 4 1 ： v 2 p + k 2 p = 0 ( 2 1 ) 在流固面趾，m 满足的边界条件为： 却| o n = 一j p c o v 式中：k 为波数，k = c o c 。1 ，为边界表面的法向速度分量。 在无限远处，p ( ，) 满足s o r n m e 疵l d 辐射条件： l i m ，( 劫o r + j r ) - - 0 1 0 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 中南大学工程硕士学位论文第二章静态下动车的声学响应分析 式中：，= i 尸一剑，p 为空间中的任意点，g 为结构表面s 上的任意点。 h e l m h o l t z 方程的基本解为1 5 s , 5 6 1 g ( q ，尸) = e - j j o - ( 4 m - ) 利用格林函数和相应的声学边界条件，及h e l m h o l t z 方程的基本解，可得到 用单层势仃和双层势表示的h e l m h o l t z f n q 接边界积分方程1 5 7 】： 尹( 耻珏陋) 掣叫q ) g ( ) 卜 仁4 ) 对式( 2 4 ) 利用边界元进行离散，即可得间接边界元法声学计算方程： l c bc t j ( ： o = 馏 ， 式中：b ，c 和d 为边界表面的声学系数矩阵，仃为声学边界表面的速度脉动向 量，声学边界表面的压力脉动向量；f 和g 为激励向量。 求得边界单元各节点处的盯和后，声强中任意点j 处的辐射声压可用插值 法求得： 娴= p + 6 2 吃( 2 6 ) 式中，a 和b 为插值系数矩阵。 2 2 动车车体结构 s f m 0 5 地铁车体结构采用薄壁筒型整体承载结构。车体由底架、侧墙、车 顶、端墙、车体附件及司机室头部结构组成。车体采用高强度轻型不锈钢钢板材 料，底架端部结构使用耐候钢，车体外金属表面不涂装。动车体底架由牵引梁、 枕梁、边梁、端梁、横梁和波纹地板等组成。动车结构如图2 1 所示。 a ) 视图l 中南火学工程硕士学位论文 第二章静态下动车的声学响应分析 b ) 视图2 图2 - 1s f m 0 5 地铁动车结构图 动车主要技术参数为：轴重：1 4 t ；运行速度：6 0k i n h ；车辆长度：1 9 0 0 0 m m ； 两转向架中心距：1 2 6 0 0 m m ；车体宽度：2 8 0 0 m m ；车辆高度( 距轨面) ： 2 1 0 0m m ；客室地板面距走行轨顶面高度：1 1 0 0i l l m ；固定轴距： 2 3 0 0m m 。 2 3 静态下动车的主要噪声源 静态下动车的噪声源为空调、幅流风机、v v v f 逆变器、及s i v 逆变器等。 动车安装的是制冷能力为2 5 0 0 0k c a l h 的2 台薄型单元式空调机组，每台空调的 噪声限值为9 5d b ( a ) ，采用顶置式安装。空调机组的出风方式为经过风道将冷风 输送到车顶两侧，再通过风道的静压箱将冷风输送到客室。空调通风隔栅安装在 客室顶板两侧，空调风道为方形管道结构，安装在车体内顶板以上，外部为1 5 m m 厚铝板，内部粘贴2 0 m m 厚三聚氰胺保温材。为使客室内的气流尽量均匀，在车 体纵向中心线上，位于中部和两端，通过橡胶减振器在车体钢结构吊梁上安装了 幅流风机。幅流风机的主要技术参数为：尺寸，1 4 1 0 m m ( l ) 2 5 5 r a m ( w ) 1 4 0 m m ( h ) ；转速，1 3 5 0 r m i n 1 0 0r m i n ；风量，1 3 7 m 3 m i n ( 在静压为o p a 时测 定) ；噪音限值为5 1 d b ( a ) ( 风扇正下方0 7 米处测定) 。 2 4 动车所用声学材料的特性及填充位置 北京地铁动采用k p b 3 j 矿棉( 声学参数见表2 一1 ) 和三聚氰胺树脂泡沫( 声学 参数见表2 2 ) 两种吸声材料【5 8 1 。k p b 3 j 矿棉的密度为3 5 k g m 3 ，三聚氰胺树脂泡 沫的密度为l o k g m 3 。根据两种吸声材料的性能差异及噪声源的分布情况，k p b 一3 j 中南大学工程硕士学位论文 第二章静态下动车的声学响应分析 矿棉用于外端、司机室、客室侧墙、车项处吸音隔热；三聚氰胺树脂泡沫用于客 室地板、空调平顶处及客室侧墙双层板区域、客室车顶波纹项板区域及侧顶板背 面。 表2 - 1k p b 3 j 声学参数 表2 2三聚氰胺树脂泡沫的声学参数 频率厚度3 0 m m4 0 m m5 0 m m6 0 m m lo o m m 1 2 5 h z0 1 40 1 8o 2 4o 2 7 0 4 9 2 5 0 h zo 2 8 o 3 70 4 90 7 2o 8 9 5 0 0 h zo 510 7 20 8 31 0 70 9 7 10 0 0 h z0 7 5 o 9 20 9 41 0 9o 9 8 2 0 0 0 h zo 8 90 9 70 9 81 0 41 0 2 4 0 0 0 h z0 8 90 9 70 9 81 0 41 0 1 0 2 4 动车所用阻尼浆的型号为m a d o l e x ，涂敷在车内空调平顶部位及底架下部枕 外及枕内1 5 m 范围内，及动车地板上表面，涂层厚度为2 5 4 - 0 5 m m