城际动车组噪声控制与方法研究

城际动车组噪声控制与方法研究

张鑫

中车株洲电力机车有限公司   湖南株洲     412000

一、引言

城际轨道交通作为区域轨道交通网的重要组成部分，具有广阔的市场前景。目前城际动车内部噪声的治理更多地依赖于问题导向的被动噪声控制。由于车厢内噪音评估系统的不断完善以及业主对标准噪音要求的日益增加，这些被动的噪音控制手段已无法在根源上实现城际动车组的减振降噪。

本文浅谈城际动车组内部低噪声控制方法，包括空调通风系统、内部吸声(混响)、车辆隔声(密封)、线路条件等。有助于实现城际动车组内部噪声设计目标，在现有基础上降低3-5dB (A)，为今后更加完善、系统的城际动车组内部低噪声正向设计和内部噪声问题研究提供科学依据和参考。

二、城际动车噪声分析

根据国内外对铁路噪声的理论研究和试验，铁路噪声主要包括了牵引噪声、轮轨噪声和气动噪声。铁路噪声的主要来源取决于列车的具体运行形式，而列车的运行速度也对噪声辐射影响深远:当动车组的最高运行速度低于35km/h时，牵引噪声将起主导作用;轮轨噪声主要集中在低速区域，其能量集中在800 ~ 2 500 Hz频率范围内。当动车组的最高运行速度超过250 km/h时，气动噪声将占主导地位。

1. 轮轨噪声

轮轨噪音分为滚动噪音、冲击噪声和曲线啸叫。

轮轨的噪音是由轮轨表面粗糙度引起的轮轨与轨枕的震动，并经由周围气流向外扩散。滚动噪声的大小与列车的速度有关。车速越高，滚动的噪音就越大。一般情况下，列车滚动噪声的A加权声压级与列车速度V值的对数成正比:

式中:Lp0为车辆时速小于V零小时的声压级;N是常量，其绝对值的大小约为25~35左右。

对于地板的减振降噪结构的研究，转向架区域的噪声最有意义，而传递到转向架上方车架的轮轨噪声会有一定的衰减，因此有必要根据线路试验值对转向架上方的噪声进行预测。

当车轮通过曲线半径较小的直线时，在轮轨粘着作用下会产生一种音调较高的噪声，即曲线啸叫。现阶段，高速列车采用无缝钢轨来降低轮轨碰撞噪声。因此，高速动车组轮轨噪声的主要形式是轮轨滚动噪声。

2. 弓网噪声

受声弓区是高速列车的主要噪声来源之一。受电弓突出于车身表面结构，从而干扰了气流，产生了气动噪声。通过增加隔声板和优化受电弓结构，可以控制受电弓产生的气动噪声。受电弓系统产生的噪声包括受电弓滑板与接触线网之间的摩擦噪声、受电弓高速运动伴随的气动噪声、受电弓瞬间脱机引起的火花电弧放电噪声。

3. 气动噪声

气动噪声的声压场增长速度大约为车速的六次方。目前关于气动噪声的计算方法主要有2种，一种是直接噪声模拟法(Direct Noise Computation，DNC)；而第二种则是混合计算法。随着速度的增加，速度明显加大，在设计阶段也要考虑到对车身结构振动的影响。

4. 振动辐射噪声

高速列车动力波动会产生结构激励噪声，列车内部的弹性结构在激励作用下会产生振动响应。当振动能量传递到结构表面时，周围空气会发生波动，形成声辐射。超速行驶时，高铁列车群辐射噪声的主频范围为，辐射方向相对稳定。构件的周期性冲击和摩擦容易形成结构振动和噪声。阻尼材料可以改变车身部件的振动幅度和相位。高速列车的其他噪声源包括设备噪声、悬挂系统载荷激励噪声、碰撞摩擦噪声、架空结构噪声等。

三、城际动车组噪声控制方法

城际动车噪声频率高低分为三个维度，低频状态下主要为模态控制，中频状态下以阻尼减振为主，高频状态下隔声+吸声组合进行控制。噪声频率与控制方法关系如图1所示。

图1.噪声频率与控制方法关系

针对城际动车噪声机理分析，从四个方面实施降噪:

1. 空调通风系统

整个出风口的噪声分布沿纵向呈减小趋势。前端噪声分布迅速减小，后端噪声分布逐渐平缓减小，风管各出口声功率LWi计算

对送风风管结构进行优化。通风系统仿真结果表明（图2），配电箱内涡流明显，出口气流流速大且集中在出口区域。送风风道出风口附近的两排腰形孔被堵塞(出风口流速略有降低)，来降低空调直接进入客室的噪音。

图2.送风道优化前后对比

2. 车内吸声(混响)

吸声处理选用吸声性能好的内饰材料，座衬尽量采用吸声性能好的材料。在车体结构之间大量的填充材料可以有效地提高吸声效果，如车顶、车体侧板及车顶和风道。

客室采用了弹性支撑的地板和内饰面板，并采用了隔音吸声性能良好的材料。采用柔性和弹性连接相结合的方式，阻断和抑制噪声的传递。

吸声材料的选择通常要考虑材料本身的吸声特性和密度特性。对于同一种材料，两者的增长规律基本一致，吸声性能会体现在对截面隔声的贡献上，而密度的大小则体现在工艺安装施工上。因此城际动车组吸声材料的选择会综合考虑以上两个因素，根据不同的安装区域采用不同的安装材料。

3. 车辆隔声

动车隔断隔声设计是控制车内噪声的重要组成部分，根据车辆断面结构主要包括地板、侧墙、车顶及外端断面结构。在降噪控制设计过程中，可首先分析主要噪声源的频谱特性和断面的隔声特性，然后根据分频控制和等声压级设计的原则做改进设计，通过隔声材料的选择和结构优化设计来提高该频段的降噪效果。通过对不同阻尼材料和安装结构的隔声特性进行对比，不同阻尼材料和安装结构的隔声特性和振动传递特性显现出一致性。

4. 线路条件

(1)打磨，减小轨面粗糙度

隧道内以轮轨噪声为主，如果轮轨噪声降低3dBA(直线);隧道内车内平均可降低1.7dBA;转向架位置降低约2dBA。

(2)全隧道表面吸声

全隧道表面吸声可从三个方面实施，首先用新的降噪结构覆盖整个隧道壁面，其次新型降噪结构设计用周期性多孔吸声结构，宽带吸声性能良好，可吸收隧道内7dBA的混响噪声，降低隧道内部3dBA的噪声。

四、结语

针对城际动车组噪声控制设计过程中存在的问题，结合以往动车组试验和线路运行试验数据，分析了城际动车组的噪声源和传输特性。将城际动车组的噪声源和传播特性分为轮轨噪声、弓网噪声、气动噪声和振动辐射噪声四类。通过空调通风系统、车内吸声、车内隔音、线路条件改善等技术手段制定噪声控制方案，为城际动车后续设计提供降噪优化方案，为动车噪声控制提供更多有益参考。

五、参考文献

[1]王婉莹.城际铁路功能定位及特性研究[J].铁道工程学报，2017，34(06):74-77.

[2]王康.高速动车组噪声检测及降噪技术研究[D].西南交通大学，2014.

[3] 张捷.高速列车车内低噪声设计方法及试验研究[D].西南交通大学.2018.

[4]梁君海，王冰松，王东镇，钊守宾.城际动车组噪声研究[J].机车电传动，2015.

[5]潘刚毅.250 km/h城际动车组低噪声设计技术[J].城市轨道交通研究，2019.

[6]胡士华.高速动车组噪声主动控制技术研究[D].华东交通大学，2019.