多铰接100%低地板有轨电车隔声降噪方案分析及优化

刘鸿宇， 殷立阳， 王秀丹， 孟凡帅， 卢海超

(中车唐山机车车辆有限公司， 河北唐山 064000)

多铰接100%低地板有轨电车为100%客室通道地板面无台阶通过，全部客室通道地板面水平或坡度不大于6%、在地面轨道线路上运营，且可以与其他地面交通车辆混行、地板面高度小于或等于350 mm及由若干车辆模块组成的电动车辆。为了车辆以后可以满足国际及国内降噪标准，本次研究的噪声指标选取最为严苛的VDV154标准：车辆以60 km/h的速度下匀速运行，空调部分功率运行(半载)的情况下客室内噪声值≤68 dB(A)，司机室内噪声值≤65 dB(A)。

1 现状调查

为了更好的分析多铰接100%低地板有轨电车隔声降噪问题，调研了上海正在运营的张江有轨电车作为噪声水平参考车，并进行了噪声摸底测试。

测试工况：张江有轨电车实际运行速度约为60 km/h，空调出风口处噪声为怠速情况下噪声，其他位置点噪声测量为行驶工况。

张江有轨电车噪声测试点分布位置如图1所示，主要是为了评估由轮轨噪声、贯通道泄漏噪声、电弧弓噪声源引起的舱内噪声。

图1 张江有轨电车噪声测点

表1 张江有轨电车测试结果

备注：M01:车辆前部麦克风朝上; M02:车辆前部麦克风朝下; M03:车辆中部麦克风朝上;

M05:车辆后部麦克风朝上; M06:车辆后部麦克风朝下; M07:车辆贯通道麦克风朝上;

M08:车辆贯通道麦克风朝下; M09:空调出风口; M10:受电弓下部麦克风朝上。

由表1结果可以看出，M02、M06、M08麦克风处噪声值较高。由麦克风对应的位置可知，轮轨噪声通过地板以及贯通道传递到客舱，为客舱噪声的主要来源。而顶部受电弓及空调口噪声相对轮轨噪声较低。因此，在对多铰接100%低地板有轨电车进行声学仿真分析中，轮轨噪声作为主要的噪声激励源施加载荷，受电弓噪声及空调噪声作为附加噪声激励源施加载荷。

2 原因分析

针对张江有轨电车的测试结果，采用“头脑风暴法”，利用因果分析图(又称“鱼骨图”，见图2)，从整车的角度分析主要的噪声源，找出了个9主要噪声源。

图2 噪声源鱼骨图

轮轨噪声[1]：轮轨噪声包括轮轨滚动噪声、轮轨冲击噪声和啸叫声。滚动噪声是车轮踏面与钢轨顶面存在凹凸不平时，车轮和钢轨产生相互受迫振动造成的[2]；冲击噪声为车轮经过轨道缝隙或其他不连续面时产生的噪声；啸叫声是列车曲线行驶时，由于挤压外轨产生的摩擦及车轮在钢轨上滑动产生的噪声。

牵引电机噪声：牵引电机噪声主要包括空气动力性噪声、机械噪声和电磁噪声。空气动力性噪声主要为冷却风扇产生的风噪；机械噪声主要为轴承和电刷引起的；电磁噪声为转子在电磁力作用下旋转产生旋转力波和脉冲力波，从而使定子产生振动辐射噪声。

空调机组噪声：空调机组噪声主要为压缩机工作噪声、风扇噪声、风道噪声、进出口噪声。

受电弓噪声：受电弓噪声主要为行驶过程中自身的空气动力噪声、离线产生的火花噪声、滑板与接触导线间产生的滑动噪声。

空气动力学噪声：当车速达到100 km/h以上，空气阻力噪声就会为整个列车的主要噪声源。作者研究的多铰接100%低地板有轨电车及张江有轨电车均在60 km/h条件下运行测试，所以空气动力学噪声可以忽略不计。

齿轮箱噪声：齿轮箱噪声一般分为冲击噪声、齿轮摩擦噪声和振动辐射噪声。冲击噪声由于在齿轮轮齿啮合时，由于齿轮之间的碰撞冲击产生的噪声；摩擦噪声为齿轮之间相对滑动造成的；振动辐射噪声是在齿轮啮合作用力下引起壳体等系统振动，从而产生振动辐射噪声。

牵引辅助箱(电器柜)噪声：电气设备噪声主要由开关式集成电路、电机、散热风扇、信号发生器、逆变器、制动电阻等电器设备产生的噪声。

制动噪声：车辆发生制动而产生的噪声。

从张江有轨电车的测试结果及各个噪声源的分析中，发现轮轨噪声为主要噪声源，张江有轨电车作为多铰接100%低地板有轨电车的噪声水平参考车；同时，多铰接100%低地板有轨电车运行速度为60 km/h，且辅助设备均设置在车顶区域，车下大设备以转向架轮轨为主；可以发现轮轨噪声为多铰接100%低地板有轨电车主要噪声源。

3 方案分析及优化

通过前期的实际调研、搜集的数据和多铰接100%低地板有轨电车三维模型，初步制定了仿真的过程及思路：

(1)依据Creo三维软件绘制出多铰接100%低地板有轨电车三维模型，根据其三维模型划分子系统；

对于多铰接100%低地板有轨电车的声学仿真是基于统计能量法，需要将车身、内装等结构划分成子系统，使用功率流平衡方程描述子系统间的相互作用，从而预测车内声腔子系统的声压值。统计能量分析中，子系统是一些相似共振模态组成的模态群，从统计意义上把大系统分解成若干个便于分析的子系统。模型中具体分成了车顶，侧墙，地板，车窗，车门等结构子系统，子系统的尺寸参数都是依据多铰接100%低地板有轨电车三维模型。

(2)设置相邻子系统之间的连接；

子系统和子系统之间存在能量传递，比如侧墙和车顶，侧墙和车内声腔等，模型中需要明确这些传递关系。仿真软件中可以根据几何关系自动建立，还有很多地方需要额外的设置，比如某些位置的声传递损失等等。

(3)施加噪声振动源激励；

激励源是仿真模型的输入，如：轮轨噪声，电机噪声，空调噪声等，有了噪声的输入，结合模型中定义的子系统间能量的传递关系，就可以得到我们关心的每个子系统的能量以及车内声压值。

(4)计算噪声响应：

此次仿真用的是基于统计能量的仿真方法，用的商用软件VAone。过程是：将车辆建立基于统计能量的子系统，设置子系统声学参数，在对应的位置施加噪声振动源激励，求解关心位置(子系统)的声压。统计能量方法广泛用于轨道车辆和汽车行业，是预测车内噪声、指导声学设计的有效且可靠的工具。

通过此思路对原始状态和降噪后状态进行仿真分析。

3.1 原始状态噪声仿真分析

多铰接100%低地板有轨电车仿真模型如图3所示：

图3 多铰接100%低地板有轨电车噪声仿真模型

将客舱划分为声腔子系统，并在电车顶部施加空调噪声、受电弓噪声激励载荷，底部施加轮轨噪声激励载荷，由于部分部位噪声频谱无法获取，因此参照类似多铰接100%低地板有轨电车车型的噪声频谱，图4是此次参考车辆轮轨和受电弓噪声频谱，图5、表2是此次的仿真的激励载荷施加的相应位置。

图4 仿真模型轮轨噪声和受电弓噪声激励频谱

图5 多铰接100%低地板有轨电车断面结构信息

表2 舱壁断面结构描述

3.2 隔声降噪方案及仿真分析

针对多铰接100%低地板有轨电车主要噪声源。设计5个隔声降噪方案，并对比不同方案隔声降噪效果，如表3、图6。

3.3 各方案噪声仿真分析结果

根据各步骤的隔声降噪方案，选取各舱室最中间位置点噪声作为噪声水平数值，噪声仿真结果统计如表4和图7所示。

由表4和图7可知，方案3中地板采用的吸声棉、隔声垫、吸声棉、阻尼浆、穿孔板的组合方案对舱室降噪的效果最高，驾驶室、MC舱、F舱、TP舱分别下降了9.2 dB、10.7 dB、5.4 dB、10.7 dB。这是因为三明治吸隔声结构不仅能有效地吸收来自电车底部的轮轨噪声，同时也能很好的阻隔底部噪声往车内的传播。在侧墙内部增加吸声棉，由于在与客舱之间还有2 mm铝板的内饰板，很大程度减弱了吸声棉对客舱吸声效果。虽然侧墙内部增加吸声棉能提高侧墙的隔声量，但是对客舱噪声影响很小，这是因为底部噪声主要是通过地板透射到舱内。所以结合工作量及成本方面考虑，方案3为最优方案。

表3 隔声降噪设计方案

图6 隔声降噪设计方案

图7 各方案舱室噪声对比柱状图

图8 噪声分布云图

表4 各方案舱室噪声仿真结果统计表 dB(A)

由图8噪声云图可以看出，离轮轨越近的区域，噪声越大，所以MC舱和TP舱相对于其他舱室噪声值高。

如图9所示，为不同方案下MC舱室噪声对比曲线，可以看出，采取方案3后中高频噪声值有了很大程度的降低。

图9 不同方案下MC舱室噪声频谱曲线对比

3.4 地板隔声量分析

由于轮轨噪声为电车的主要噪声源，并且位于电车底部，因此，地板的隔声性能的高低决定了底部噪声对车内的穿透能力。如图10所示，为地板不同方案的隔声量仿真结果。

由图10可以看出，采用吸隔声组合的三明治结构(吸声棉+隔声垫+吸声棉)后，中高频隔声量有很大程度的提高。虽然只单独增加吸声棉对隔声量几乎无影响，但是通过将吸声棉布置在噪声源侧，可以很大程度减弱和吸收噪声源的辐射噪声。

图10 不同方案地板隔声量仿真结果

图10只针对地板隔声量的研究，选取的隔声降噪方案分别是原方案、方案1、方案2、方案3和方案5。对于只研究地板隔声量，方案3和方案4地板隔声降噪结构一致，地板隔声量结果一致，因此没有对方案4再次进行模拟仿真分析测试。

3.5 方案结论

从分析结果得出以下结论：

(1)方案3较原结构，驾驶室、MC舱、F舱、TP舱噪声值分别下降了9.2 dB、10.7 dB 、5.4 dB、10.7dB。

(2)原结构地板平均隔声量较低，为28.06 dB，低于参考值42 dB，通过方案3布置三明治吸隔声结构后能提高到44.4 dB；

综上所述，故选用方案3对多铰接100%低地板有轨电车进行隔声降噪。

4 方案实施介绍

经过以上仿真分析，最终选用方案3进行整车隔声降噪方案的制定，具体方案包括穿孔板设计选用、吸声材料的选用、隔声垫材料选用、阻尼浆材料的选用。图11为穿孔板的设计：

图11 穿孔板设计

穿孔板与车体的连接方式为拉铆连接，穿孔板铝板穿孔率选用在50%～70%之间[3]，经过试验验证，穿孔率在此范围内噪声衰减效果最好。

吸隔声材料中阻尼浆选用2 mm阻尼浆喷涂在车体底部，吸声棉+隔声垫+吸声棉三明治夹心结构黏接在客室地板底面并用防寒钉辅助固定，防止因时间过久三明治隔声结构脱落，最后再用穿孔板封堵底部。

5 效果评价

经过此次多铰接100%低地板有轨电车整车隔声降噪结构优化及方案的实施，从理论上验证了良好的隔声降噪情况；驾驶室、MC舱、F舱、TP舱噪声分别下降了9.2 dB、10.7 dB、5.4 dB、10.7dB，隔声降噪效果显著，很大程度的改善了乘客乘车体验；从实际上验证了方案的可行性以及可操作性。此次隔声降噪方案的优化，为后续多铰接100%低地板有轨电车整车隔声降噪提供了强有力的设计依据。

6 仿真分析方案的局限性

仿真分析是建立在理论分析的基础上，没有考虑到实际施工情况和实际车体结构，现阶段轨道交通设计理念为“轻量化”、“节能化”车辆。多铰接100%低地板有轨电车轻量化车体结构，如图12所示，车体结构开设较多的减重孔，由于各种条件限制，部分位置可能无法实施之前的隔声降噪方案，特别在两处地板位置，第1处为MC、TP车转向架处的地板梁位置，第2处为MC、F车渡板下部车体位置，由于地板骨架梁为多孔洞结构，并且地板在这些地方没有和骨架梁直接连接，即为悬空状态，同时这些悬空的空间没有任何隔声吸声方案，造成地板下方的噪声源没有任何阻隔直接传递到地板。

图12 多铰接100%低地板有轨电车轻量化车体结构

由于多铰接%100低地板有轨电车车体设计孔洞或缝隙，就会对整体的隔声效果造成很大的影响，也会与仿真分析结果产生一定的差异；如图13所示，随着频率的增加通孔越多隔声量越小。

图13 缝隙对隔声的影响

因此，实际的降噪效果还需要考虑到多铰接100%低地板有轨电车实际车体结构以及车底部各大设备的安装位置及安装形式，是否会影响隔声降噪方案的实施。

7 后续设计建议总结

(1)可以考虑减少与地板接触的地板梁部位的开孔；一定要避免安装完地板后形成地板悬空；可以向地板梁设计部门提出需求，梁上的开孔需要兼顾后续的隔声降噪方案实施，避免因为空间限制而无法使用任何隔声降噪方案。

(2)在同一试验条件下对不同的车体方案进行声学试验，更准确地评估不同材料车体的声学性能(传统结构、复合材料结构等)。

(3)测试保存样车振动噪声试验数据，依据试验数据分析车内振动噪声频段能量分布和主要的传播路径。

(4)为了更好的提高声学性能，建议在项目前期进行气密性设计与分析，同时也能避免后期因为气密性问题对车体重新进行密封操作。

文中通过前期的实际调研、大数据分析、模拟仿真分析及模型仿真局限性分析的方法，确定多铰接100%低地板车辆噪声源并制定合理的措施以及分析可能将会出现的问题，措施实施后整车的隔声降噪效果良好，为后续城轨车辆隔声降噪方案的制定提供有效的依据，同时模型仿真局限性分析及建议为后续城轨车辆隔声降噪方案的制定提供有效的参考。