动车组受电弓区域被动降噪技术研究

梁永廷，徐福生，闫 鹏，杨 帅，曹 源

（1.中车唐山机车车辆有限公司，唐山 063035；2.北京科英精益技术有限公司，北京 100070；3.北京交通大学 轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，北京 100044）

高速动车组车内噪声水平是动车组乘坐舒适性的重要指标之一，也是一直困扰轨道车辆行业技术人员技术研究的难点之一，世界上主要的高速铁路国家都规定了本国的高速动车组车内噪声限值[1]。通过噪声特性的测试结果表明，动车组高速行驶时，受电弓区域噪声相对客室中部较为严重，是车内噪声治理的重点区域。

一般而言，高速动车组车内噪声根据其传播途径的不同，可以分为空气传播和结构传播两种主要形式[2]。其中，采用新型外装隔声结构和提高内装材料的隔声量主要是针对空气传播路径进行车内噪声治理的有效方法。

外装结构主要是结合车外既有空间在声源与车体之间加装隔声结构，从而降低车内噪声。提高内部装材料隔声量则主要通过高性能的声学材料加以实现。本文以受电弓平顶作为研究对象，从上述两个方面进行研究，探究新结构及新材料的应用对受电弓区域整体隔声量的影响。为优化车内声场环境提供方法借鉴和理论依据。

1 受电弓平顶组合结构隔声测试

1.1 隔声测试及数据分析

依据国家标准GB/T19889.3－2005《建筑和建筑构件隔声测量第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量》[3]，利用双混响室法，对平顶结构样件进行隔声特性测试，测试方法如下：

将试件置于测试洞口内，用螺栓加以固定并密封。12面无指向性声源、传声器及其之间相互位置的技术要求满足GB/T19889.3－2005。

（1）将声源置于声源室内分别获取声源室和接收室内各频带的平均声压级分别为La和Lb。

（2）将声源置于接收室内测试接收室内的混响时间T[4-5]，根据式 （1），可求得试件的隔声量。

式中，R为隔声量，单位为dB；La为声源室内平均声压级，单位为dB；Lb为接收室内平均声压级，单位为dB；S为试件表面积，单位为m2；T为接收室内混响时间，单位为s；V为接收室的容积，单位为m3。

在工程上一般采用计权隔声量Rw作为被测试件隔声量的单值评价标准。根据国家标准GB/T50121-2005《建筑隔声评价标准》[6]，将已测隔声构件在1/3倍频程下的隔声曲线与规定的参考曲线族进行比较，得到试件的计权隔声曲线，取该曲线在500 Hz频率下的隔声量作为计权隔声量Rw。

采用PULSE Labshop作为隔声测试数据分析系统，由于对测试数据处理分析时，需要打开多个测试文件，人工读取和处理数据相当复杂，为了保证数据处理的准确性和高效性，降低人工处理数据的错误率，采用Matlab对PULSE Labshop进行了二次开发，通过程序自动识别不同的工程文件，从而实现数据文件的自动批量处理：（1）通过Matlab的Actxserver函数启动PULSE OLE服务器；（2）通过OpenProject函数打开PULSE数据分析模板；（3）通过相关句柄获取测试数据，从而实现数据处理与输出，获得修正后的隔声量频谱[7]。

1.2 隔声测试方案及测试结果

针对高速动车组平顶结构隔声性能要求并综合考虑重量、空间的限值，初步设计了5种平顶结构组合方案，方案内容，如表1所示。其中，方案1为基础方案。方案2～方案5作为对比方案。分别探究轻质吸音棉、超薄吸音板等新材料和隔声罩等新结构对平顶结构隔声性能的影响。需要说明的是，方案内容从上至下即为实验样件从外到内的顺序，即最上部分面对声源一侧，最下部分为背离声源一侧。

表2给出了5种受电弓平顶结构组合方案的测试结果。根据结果可以得出，随着新结构的应用及新材料的加入，整体结构方案的隔声量也逐步提高，下面通过对比分析各方案之间的隔声量曲线图，来说明新结构及新材料对组合方案的整体影响。

表1 受电弓平顶结构组合方案

表2 平顶组合方案计权隔声量

1.3 隔声量曲线对比及分析

（1）对比方案2与方案1，计权隔声量提高了1.4 dB，其隔声量曲线，如图1所示，从曲线对比中可以看出方案2的隔声量在各频段均有提升，尤其是在噪声处理较难的低频段125～400 Hz有较为显著的提高。

图1 方案1与方案2隔声量对比曲线

方案2相对于方案1在面对声源一侧增加了新型隔声结构隔声罩。隔声罩是一款可以根据车体外部结构进行定制的降噪产品，其安装部位在车体外侧，不占用车体内部空间。因为隔声罩的面密度较大，根据质量定律，隔声量与材料表面密度的对数成正比，所以隔声罩的隔声能力也较强，其计权隔声量可达到40 dB，隔声量曲线，如图2所示，并且隔声罩的安装位置在声源与车体之间，让其能够让噪声在进入车体之前就被大量的反射而过滤掉，从而提高受电弓平顶处整体的隔声效果。

图2 隔声罩隔声量曲线

（2）对比方案3与方案2，计权隔声量提高了1.4 dB，其隔声量曲线，如图3所示，从曲线对比中可以看出方案3相对于方案2的隔声量在各频段均具有提升，在800 Hz以上中高频段的提升尤其明显。

图3 方案2与方案3隔声量对比曲线

方案2相对于方案1在结构内侧增加了高性能轻质吸音棉。高性能轻质吸音棉是高分子化学和电气工程的技术融合所开发的新型材料，其按照吸声原理可归类为多孔吸声材料中的泡沫材料，当声音在其内部的孔洞和间隙之间传播时，由于摩擦和粘滞力的作用，使相当一部分声能转化为热能，从而使声波衰减，反射声减弱达到吸声的目的。它的吸声性能约为传统聚氨酯吸音棉的2.8倍，三聚氰胺的1.3倍，其吸声系数曲线，如图4所示。密度仅为27 kg/m3，在达到很好降噪效果的同时，又不会增加太多的重量，符合目前车辆的轻量化要求。并且本次实验方案中加入空气层，根据詹沛等人对含空气层与多孔材料的复合结构隔声特性研究[8]，空气层以及多孔材料对复合结构的隔声性能有积极的影响。

图4 轻质吸音棉吸声系数曲线

（3）对比方案4与方案2，计权隔声量提高了1.7 dB，其隔声量曲线如图5所示，从曲线对比中可以看出方案4相对于方案2的隔声量在各频段均具有提升，在400 Hz以下低频段和1 000 Hz以上高频段的提升最为明显。

图5 方案2与方案4隔声量对比曲线

（4）方案4相对于方案2在结构内侧增加了高性能超薄吸音板。高性能超薄吸音板按照吸声原理可归类为多孔吸声材料中的吸声金属材料。它在低频到高频有着极其优异的吸声性能，尤其是在较难处理的低频段有着良好的表现，其吸声系数曲线，如图6所示，并且其厚度仅为1.8 mm，不会占用大量车内空间。高性能超薄吸音板的对受电弓平顶整体隔声量的影响与高性能轻质吸音棉大致相同，都是将声能转化成热能消散掉，进而使隔声量得到提高。

图6 超薄吸音板吸声系数曲线

（5）对比方案5与方案2，计权隔声量提高了1.9 dB，其隔声量曲线，如图7所示，从曲线对比中，可以看出方案5相对于方案2的隔声量在全频段都有了提升与加强。

图7 方案2与方案5隔声量对比曲线

方案5相对于方案2在结构中同时增加了高性能轻质吸音棉和高性能超薄吸音板，隔声量曲线对比结果表明轻质吸音棉和铝纤维吸音板，在吸音效果上进行了互补叠加，使得受电弓平顶处的隔声量从低频到高频整体都得到了提高。

2 结束语

通过5组受电弓平顶组合方案的隔声测试结果分析，可以得到以下结论：

（1）在受电弓平顶基础结构中单独施加隔声罩可以使整体结构获得1.4 dB的隔声量提升效果；继续增加轻质吸音棉，可以使整体结构隔声量再提高1.4 dB；在基础结构中同时施加隔声罩及超薄吸音板，可以获得3.1 dB的隔声提升效果；同时在基础结构中施加隔声罩、轻质吸音棉和超薄吸音板，可以使整体隔声量提高3.3 dB。

（2）在受电弓平顶隔声结构的设计中，可以将不同类型的吸声材料和空气层进行搭配组合，来提升整体结构全频段的隔声量。

本文研究结论可为动车组受电弓结构的隔声设计提供实验依据。

[1] Noise creation limits for railways[S].[S.1.] UIC Subcommission Nosie and Vabrations,2002.

[2] EADE P W, HARDY A E J.Railway vehicle internal noise [J].Journal of Sound and Vibration, 1997,51(3):403-415.

[3] 全国声学标准化委员会.建筑和建筑构件隔声测量第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量：GB/T 19889-2005 [S].北京：中国标准出版社，2007.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.室内混响时间测量规范：GB/T 50076-2013[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2014.

[5] 尹力军, 叶年发, 潘立超,等. 铁路车站大空间混响时间的测试与分析[J]. 铁路计算机应用，2013， 22（5）：37-40.

[6] 中华人民共和国建设部.建筑隔声评价标准：GB/T 50121-2005 [S].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[7] 卢 瑜. Pulse振动测试软件的后续开发[J]. 宇航计测技术,2009, 29（4）：71-73.

[8] 詹 沛，白国锋，牛军川，等. 含空气层与多孔材料的复合结构隔声特性研究[J]. 应用声学，2014，33（5）：426-432.