动车组车内吸声特性研究

动车组车内吸声特性研究

宫井香

唐山轨道客车有限责任公司，河北 唐山 063035

1前沿

使用吸声材料是一种重要的控制噪声的方法，动车组内部各面板及乘客座椅等是主要的吸声材料，如何选取吸声材料以达到车内噪声的设计标准是一项重要的工作，因此研究动车组内部吸声特性对动车组噪声控制具有重要作用，对噪声设计具有重要参考价值。

2 吸声测试基本理论

吸声测试有多种方法，主要有三类：驻波管法、自由声场法和混响室法。前两种方法所测为垂直入射或斜入射吸声系数；后者所测为无规入射吸声系数，同时还可应用于房间整体吸声测试，因此本节内容为选取混响室法对车内混响时间及吸声系数进行测试分析。

由于空气的粘滞作用，声压在空气中的自由衰减我们可以视为单自由度有阻尼自由振动系统，空气中声压的衰减振动曲线的包络线为，其中与吸声系数有关。其衰减规律如下图1所示。

图1 声压随时间变化曲线

根据声压级定义，有：

根据换底公式，对上式（1.19）右式上下取以为底的对数，有：

式中，为一常数。从上式可以看出，声压级随时间的衰减为线性衰减。

高速列车室内为一有界封闭空间，有界空间存在混响是一重要声学特征。假设声源发声一段时间，切断声源后，声在室内将逐渐衰减，高速列车内部吸声材料分布均匀，吸声材料的吸声特性可等效到整个客室空间，声压级同样符合线性衰减规律。设声源终止时刻，此时室内的平均声能密度为。假设封闭空间的平均吸声系数为，声波在墙面不断反射，室内的平均声能密度经第一次反射后为，经N次反射后声能密度为。房间的平均自由程为，则1秒内反射的次数应该是声速除以平均自由程，即：

而t秒发生的反射次数应该是：

于是在t秒后的平均声能密度就变为：

将上式改写为声压的形式即为：

式中，为t时刻室内声压有效值的平方；为初始时刻室内声压有效值的平方。

混响时间定义为当声源停止后从初始声压级降低60dB或声能量衰减到原来的倍所需的时间，用符号来表示。按其的定义则有：

由此解得：

如果取，则可得：

如果室内吸声系数较小，满足，那么上式可取近似为：

上式最早是由美国声学家赛宾从实验室获得，因此命名为赛宾公式。赛宾公式是目前混响测试方面应用最广泛的理论。

3车内吸声特性分析

图2 a)、b)、c)、d)分别为声源至于距车底板0.3m时测点1、2、3、4，三分之一倍频程线性声压级在断开声源后随时间衰减变化规律的三维频谱图，本论文成果要求在较宽的频带范围内都可使用，因此频带范围选定为100Hz至4000Hz。

a) 测点1                   b) 测点2

c) 测点3                   d) 测点4

图2 三分之一倍频程声压级衰减变化三维频谱图

在工程实际中声源开启时的声压级很难达到比背景噪声高出60dB，所以一般计算或再乘以相应的比值获得，声源切断前车内声压级与声源切断后车内声压级差值在大多数频段均大于30dB但不足60dB，所以本文计算的是通过获得；同时可以看出切断声源后，各频带的衰减开始时间略有不同。由于声压级为线性衰减，所以对各频带取不同时间段做线性拟合。图2为测试点2在160Hz和2500Hz频带的原始声压级信号和拟合声压级衰减线，该过程通过Matlab编程实现。

从图3可以看出，经过处理后的声压级衰减信号基本符合理论所推导的线性衰减规律。并且可以看出在低频区对噪声干扰的比高频区高，并且由于低频区的声模态要比高频稀疏，由此导致在未切断声源时，低频的声压级波动大于高频。

a) 160Hz                b) 2500Hz

图3 声压级衰减曲线及拟合线

三种声源位置分析获得的车内混响时间及吸声系数如下图4所示。

图4混响时间（s）及吸声系数

由图4可知，三个声源位置所测的混响时间及吸声系数存在差异，但总体趋势相同，在100Hz-1000Hz之间的混响时间总体上小于1250Hz之后的混响时间。声源距车地板0.3m时，混响时间最小值出现在630Hz，最大值在4000Hz，平均混响时间为0.26s,吸声系数为0.32；声源距车地板1.5m时，混响时间最小值出现在315Hz，最大值出现在1600Hz，平均混响时间为0.28s，吸声系数为0.31；声源距车顶板0.3m时，混响时间最小值出现在160Hz，最大值出现在1250Hz，平均混响时间为0.26s，吸声系数为0.31。对三组数据进行平均获得考虑不同声源位置的平均混响时间及吸声系数，如下图1.31所示。

图5平均混响时间及吸声系数

由图5可知，混响时间与吸声系数存在反比例关系，在160Hz吸声系数最高为0.35；在 1600Hz吸声系数最低为0.27；从总体来看，100Hz-1000Hz中低频区的吸声系数普遍高于1250Hz及以后，这与车内噪声主要集中在中低频的规律相符。