影响轨道车辆门系统空气声隔声性能分析

陈富云，楚斌

（南京康尼机电股份有限公司 试验检测中心，江苏 南京 210046）

0 引言

中国城市轨道交通经过十几年的快速发展，截止2019年12月底，中国内地有40个城市开通城轨交通，总运行线路达6730.27公里。越来越多的人通过乘坐轨道交通出行。乘坐的舒适性也越来越被关注。门系统作为轨道车辆的重要组成部分，其空气声隔声的好坏直接决定了乘客乘车的舒适性。

在正常的生活中声音传播的方式主要有固体传声和空气传声两种[1-2]。轨道车辆门系统隔声性能指标主要是空气声隔声。所谓空气声隔声是指空气中的声源发声后，激发构件这一媒质的振动，使小部分声能被透射传播到另一空间去[3]。轨道车辆系统空气声隔声测试没有专门的测试标准，目前国内外主要是参考建筑门窗空气声隔声检测方法GB/T 8485-2008和ISO 10140-2:2010，对测试结果的评价方法主要使用GB/T 50121-2005和ISO 717-1:2013。这两个测试方法和评价方法的基本原理是一致的。下面以国标为例，浅析轨道车辆门系统空气声隔声测试中的一些问题。

1 空气声隔声测试原理

隔声量（R）入射到试件上的声功率与透过试件的透射声功率之比值取以10为底的对数乘以10，单位为分贝（dB）。

其中τ为无量纲。τ为透过试件的透射声功率与入射到试件上的入射声功率之比。声功率单位瓦（W）[3-4]。将各中心频率的隔声量与中心频率关系绘制成二维曲线，该曲线称为空气声隔声特性曲线，参见图1。

通过特性曲线可以看出试件在各中心频率（或各频率段）下的隔声性能。在实际使用过程中我们发现，通过隔声曲线看出的隔声量是一组随着频率变化的数值，既不方便使用也很难进行比较。因此有必要规定一种方法，将这一组数值转换成一个能代表所测样品隔声性能的单值量，使得不同样品的隔声性能可以相互比较。为了寻求一个能与人主观感受尽可能接近的单值评价方法，于是就有了隔声指数发、计权隔声量法、A计权声级法、C计权声级法、Z计权声级法等[5]。轨道车辆门系统隔声测试标准GB/T 8485-2008、ISO 10140-2:2010中规定采用计权隔声量的方式来评价被测试样的隔声性能。其规定将测得的空气声隔声量频率特性曲线与GB/T 50121-2005、ISO 717-1:2013中的基准曲线进行比较，得出的单值评价量（Rw），单位为分贝（dB）。

1.1 计权隔声量Rw的确定

计权隔声量的确定加入了人的主观评定因素，能完全反应样品隔声性能的优劣，包括某一个频率带的特殊缺陷也可以看出来。比其它方式评价方式更符合人的听觉特性，能更好的表明样品隔声效果的优劣。隔声量的测量有1/3倍频程测量和倍频程测量之分，轨道交通门系统行业通常采用1/3倍频程测量进行计算计权隔声量。

按照GB/T 50121-2005中的评价方式，计权隔声量Rw的确定方式有数值计算法和曲线比较法两种[3，5-7]。

1.1.1 数值计算法

当测量量为R，且X用1/3倍频程测量时，其相应的单值评价量为Rw必须为满足下式的最大值，精确到1dB：

式中：i—频带的序号，i=1~16，代表100~3150Hz范围内的16个1/3倍频程；

Pi—不利偏差，按下式计算：

式中：Rw—所要求的单值评价量；

Ki—第i个频带的1/3倍频程基准值；

Ri—第i个频带的测量值，精确到0.1dB；

1.1.2 曲线比较法

（1）将一组精确到0.1dB的1/3倍频程空气声隔声测量量在坐标纸上绘制成一条测量量的频谱曲线；

（2）将具有相同坐标比例的的并绘有1/3倍频程空气声隔声基准曲线的透明纸覆盖在绘有实测曲线的坐标纸上，使横坐标相互重叠，并使纵坐标中基准曲线0dB与频谱曲线的一个整数坐标对齐。

（3）将基准曲线向测量量的频谱曲线移动，每步1dB，直至不利偏差之和尽量大，但不超过32.0dB为止。

（4）此时基准曲线上0dB线所对应的绘有测量量频谱曲线的坐标纸上纵坐标的整分贝数，就是改组测量量所对应的单值评价量。

1.2 频谱修正量（C、Ctr）的确定过程

为了更好的表达对不同噪声的隔声性能，根据GB/T 50121-2005的要求，引入粉红噪声频谱修正量和交通噪声频谱修正量，其中：Rw+C表征试件对类似粉红噪声频谱的噪声（中高频噪声）的隔声性能；Rw+Ctr表征试件对类似交通噪声频谱的噪声（中低频噪声）的隔声性能。

频谱修正量Cj必须按照下式进行计算：

式中，j—频谱序号，j=1或2，1为计算C的频谱1，2为计算Ctr的频谱2；

Rw—按照数值计算法和曲线比较法确定的单值评价量；

i—（100~3150）Hz的1/3倍频程序号；

Lij—计算频谱修正量的声压级频谱中给出的第j号频谱的第i个频带的声压级；

Ri—第i个频带的测量量，精确到0.1dB。

根据要求频谱修正量在计算时要精确到0.1dB，最后的结果修约为整数（当测量量在100~3150Hz频率范围以外时，需要按照GB/T 50121-2005 附录B对计算100~3150Hz以外频率范围进行频谱修正量）。

测量出样品在各频谱下的隔声量R后，通过上述方法可以方便的计算出被测样品的计权隔声量及频谱修正量。按照标准要求检测报告中通常用“Rw（C，Ctr）=X1（-X2，-X3）dB”形式表示。

2 应用分析

2.1 面密度对计权隔声的影响

被测样品对空气声隔声的隔绝理论，一直都遵循这“质量定律”。样品的面密度越大，声频越高，则隔声量就越大。通过理论分析，证实被测样品的面密度增加一倍，或噪声频率增加一倍（即提高一个倍频程），隔声量都会相应增加6dB。在实际的使用过程中由于现场隔声的实际情况与理论不一致，导致在实际测试中质量m或者声频f加倍，构件的隔声量增加达不到6dB，通常情况下只能增加（4~5）dB，或者更低。中国建筑科学研究院与南京康尼机电股份有限公司试验检测中心在对同一样品中测试发现，240mm砖墙，双面20mm抹灰，计权隔声量Rw（C，Ctr）=54（-1，-2）dB；双240mm砖墙，双面20mm抹灰，计权隔声量Rw（C，Ctr）=58（-1，-2）dB，样品的面密度加倍后，隔声量只增加了4dB。美国著名声学家哈里斯（M.A.Hariss）在其所著的《噪声控制手册》中就对“质量定律”做了解释，也印证了质量m或者声频f加倍，构件的隔声量增加达不到6dB[8]。

2018年05月检测中心对某批次研究性门板样块进行隔声测试时发现：本批次测试的门板样块外形尺寸一致，唯一区别在于内部填充材料的厚度及放置顺序不同。其中，门板样块1采用：3层PET+2层1.4mm厚隔音毡，样块的面密度24.58（Kg/m2），其计权隔声量为Rw（C，Ctr）=28（-1，-3）dB；门板样块2采用：3层PET+3层1.4mm厚隔音毡，样块的面密度28.31（Kg/m2），其计权隔声量为Rw（C，Ctr）=31（-1，-3）dB；门板样块3采用：3层PET+3层0.8mm厚隔音毡，样块的面密度22.46（Kg/m2），其计权隔声量为Rw（C，Ctr）=27（-1，-3）dB；门板样块4采用：3层PET+2层3.0mm厚隔音毡，样块的面密度31.95（Kg/m2），其计权隔声量为Rw（C，Ctr）=33（-1，-5）dB。通过测试结果发现，在相同的状态下，面密度越大计权隔声量越大，符合“质量定律”，见图1。

图1 不同面密度隔声曲线

通过分析试验数据同时可以发现门板样块3与门板样块4的在面密度相差仅9.49（Kg/m2）时，但其计权隔声量就相差6dB，此结果与“质量定律”有一定的出入。查阅相关文献并结合实际分析：大致认为被测样块是一种复合构件，其计权隔声量的影响因素较多，不能完全按照“质量定律”来评价其计权隔声量。对于这种复杂构件的计权隔声量最有效的评价方式是进行实验检测[5]。

2.2 密封状态对计权隔声的影响

但对于轨道车辆门而言，另一个影响其隔声性能好坏的因素就是密封状态。通过分析大量试验数据发现门四周的密封状态对整个门隔声性能的影响能够达到（2~10）dB。统计分析，（70~85）%不合符要求的试验样品是门密封没有到位，通过简单的调整即可满足要求。还有（10~15）%是样品本身设计或者材料选择不合适，导致不合格。

2017年01月检测中心对国内某个地铁线电动双开内藏移门进行了多种密封方案的隔音测试，其中，无任何密封状态下门系统的计权隔声量仅为Rw（C，Ctr）=18（-1，-1）dB；采用斜0.5°挤压方案时，门系统的计权隔声量为Rw（C，Ctr）=23（0，-1）dB；采用活动胶条方案时，门系统的计权隔声量为Rw（C，Ctr）=21（0，-1）dB；采用双毛刷迷宫方案时，门系统的计权隔声量为Rw（C，Ctr）=23（-1，-1）dB。详细分析这四种不同配置状态，可以发现门系统锁闭状态时的密封程度对整个门系统的隔音量有很大作用，此时隔音量的提高与质量定律无关。

图2 不同密封方案

2.3 样品本身特性对计权隔声的影响

被测样品的隔声量除了与样品面密度、密封性能等因素有关外，还与样品本身特性有关。在进行一些研究性试验室时，门系统内部粘接方式不同，其计权隔声量会有很大差异。图3为同样二个样品，仅蒙皮和填充材料之间的粘接方式不同，其测试结果差异很大。样品1 PET填充+铝蒙皮，计权隔声量为Rw（C，Ctr）=27（-1，-4）dB；样品2 PET填充+铝蒙皮，在铝蒙皮与PET填充使用某种粘胶剂粘结，计权隔声量为Rw（C，Ctr）=22（-1，-2）dB。分析这两个样品的1/3倍频程隔声特性曲线，发现样品1在整个测试频率范围内未出现明显的共振和吻合效应。而样品2的在低频段（125~400Hz）有明显的共振现象存在，在高频段（＞4000Hz）又出现了吻合效应，测试结果也验证了共振和吻合效应对样品计权隔声量的不利影响。

图3 不同粘接方式的特性曲线

3 结论

通过实际测试我们发现：（1）轨道车辆门系统作为复杂构件，与单一材质的测试样品不同，且车门系统的几何尺寸与入射声波波长相比，并不算很大。按照质量定律的假定把它们看成是“无限大”的构件来处理时，所得出的结果与实际测试情况有很大差别；（2）轨道车辆门系统作为活动的装置，与其相接的框之间往往存在漏声缝隙，这些缝隙的存在对门的隔声会产生难以准确估计的影响，建议在测试前参考安装说明书将门系统压条与胶条的调整到合适状态。（3）如果想设计高隔音量的门系统，建议在填充材料的选取上最好选用吸声材料与隔声材料的复合结构，这样可以得到更好的效果。（4）在多层薄板组成复合构件时，应该避免由于各层板太薄，软硬相差较大，而导致复合结构产生共振和吻合频率区的声能透射，使得复合构件隔声量降低。