軌道工程車監控室噪聲控制研究

傅 亮，查國濤，顏 猛，賀才春，郭福林

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著我國既有鐵路提速、高速鐵路新建和城市軌道交通建設的高速發展，軌道工程車作為鐵路施工和維修的設備載體，被廣泛應用于工務、橋隧建設、供電、工程等領域，其保有量已與鐵路機車的基本相同[1-3]。由于工作人員在軌道工程車上生活與工作，車內噪聲直接影響工作人員的舒適性，是鐵路軌道工程車工作人員在作業環境中主要的有害因素之一[4]，因此對其進行有效控制，提供一個低噪聲的工作和生活環境，不僅能減輕工作人員的疲勞強度，有利于身心健康，也有利于工作人員之間進行清晰的語音通信。

國內外技術人員對軌道車輛噪聲控制的研究較多，主要包括主動噪聲控制與被動噪聲控制。主動噪聲控制通常在聲場中布置揚聲器作為次級聲源，主動對聲場進行干涉，以達到降低局部聲場噪聲的目的，但容易增加其他部分聲場噪聲，因此其在軌道車輛降噪中應用得較少。被動噪聲控制一般是通過阻尼、吸聲、隔聲與密封等方式吸收與隔離噪聲，以達到使整個聲場噪聲降低的效果[4-5]，被廣泛應用于軌道車輛降噪中。

本文針對鐵路軌道工程車發電車的監控室噪聲過大的問題，以某鐵路軌道工程車為研究對象，通過噪聲產生機理分析及噪聲測試，尋找主要噪聲源，并采用LMS Virtual Lab對發電室與監控室之間的隔墻進行優化設計，優選出一種方案并進行實測效果驗證。

1 發電車噪聲特性分析

鐵路軌道工程車包含3節車廂，分別為發電車、宿營車與工具車。發電車包括發電室、監控室、廚房、會議室與前廳（圖1）。發電車行走時，噪聲源主要包括發電機噪聲、輪軌噪聲與車外流體噪聲；發電車停車時，噪聲源主要為發電機噪聲?？梢?，不論發電車行走還是停車，發電機都一直處于運行狀態，是發電車最主要的噪聲源，因此本文主要研究發電車中發電機噪聲的控制方法。

圖1 發電車車內布置Fig.1 Interior layout of power generation vehicle

發電機噪聲包括機械噪聲、電磁噪聲與氣動噪聲。機械噪聲主要由發電機各運動部件在運轉過程中受氣體壓力和運動慣性力的周期變化所引起的振動或相互沖擊而產生。電磁噪聲主要由旋轉力波和高次諧波的徑向力使定子和轉子發生徑向變形和周期性振動而產生。氣動噪聲主要包括風扇轉動產生的渦流噪聲和旋轉噪聲以及進、排氣管道氣流流動而產生的噪聲。為了得到發電機噪聲特性，在發電車處于靜止狀態時，將發電室中2臺型號一致的發電機以其標準運行工況開啟。結合發電機的結構與周圍環境，在2臺發電機周圍前、左、后、右4個方位布置噪聲測點，共計8個測點。各測點與地面間的高度為1.0 m，距離發電機表面0.5 m，如圖2所示。

圖2 測點布置圖Fig.2 Layout of measurement points

發電機運行工況下，上述8個測點的平均總聲壓級為105.1 dB（A），各測點的平均聲壓級如圖3所示。由圖可知，發電機在不超過6 300 Hz的頻率范圍內的噪聲均在80.0 dB（A）以上，其中100～2 500 Hz之間的噪聲均在88.8 dB（A）以上，因此發電機主要噪聲頻率為 100～2 500 Hz。

圖3 各測點的平均聲壓級頻譜Fig.3 Spectrum of the average sound pressure level at each measurement point

2 監控室噪聲控制分析

發電機是發電室內最主要的噪聲源，而緊鄰發電室的監控室長期有人工作，因此監控室的噪聲環境急需改善。在監控室內布置噪聲測點（圖2中的測點9），通過測量得到監控室的噪聲頻譜（圖4），其主要噪聲的頻率范圍為100～200 Hz。計算各頻率下聲壓級，得到總聲壓級為87.7 dB（A）。為了改善監控室的噪聲環境，根據用戶要求，需要將其噪聲在87.7 dB（A）基礎上降低3 dB（A），即噪聲總能量降低一半。

圖4 監控室噪聲頻譜Fig.4 Noise spectrum of monitor room

2.1 隔墻結構

如圖5所示，發電室到監控室的噪聲主要通過兩者之間的隔墻與隔聲門進行傳遞，尤其是隔墻，離發電機較近且面積較大，通過隔墻的噪聲傳遞路徑對監控室噪聲的貢獻量較大，因此隔墻的隔聲性能對監控室內噪聲起到至關重要的作用。為了降低監控室的噪聲，需要對隔墻結構進行優化設計。

圖5 隔墻位置及結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of location and structure of the partition wall

目前，發電室隔墻具體結構如下：16 mm輕質墻板、1.5 mm空氣層、30 mm吸聲棉、1.5 mm阻尼片和2 mm鋼板。其中，16 mm輕質墻板由1 mm酚醛面板、14 mm酚醛泡沫和1 mm酚醛面板構成，各隔墻材料參數如表1所示。

表1 隔墻各材料參數Tab.1 Material parameters of the partition wall

2.2 隔墻結構優化與分析

2.2.1 隔墻隔聲性能仿真分析

實際工程應用中，可以通過測試與仿真分析等手段獲得隔墻結構的隔聲性能。其中，隔聲性能測試可采用“混響室-消聲室”方法，仿真分析可用有限元分析方法。

圖6示出混響室-消聲室隔聲量測試示意，其中混響室為發聲室，半消聲室為接受室。在混響室和半消聲室之間的壁面上開1個窗口，用于安裝被測隔墻結構試件，試件尺寸為0.83 m×0.83 m。將無指向性聲源放置在混響室中并發出穩定的白噪聲，在混響室中形成均勻的擴散聲場。

圖6 混響室-消聲室隔聲量測試示意Fig.6 Schematic diagram of sound insulation volume test of the reverberation chamber-anechoic chamber

通過測量混響室的平均聲壓級和半消聲室一側試件表面的平均聲強級，計算出試件的隔聲量R，如式（1）所示。隔墻結構隔聲量測試安裝如圖7所示。

圖7 隔墻結構隔聲測試安裝示意Fig.7 Schematic diagram of acoustic insulation test installation of the partition wall structure

式中：Lp——混響室各傳聲器測點的平均聲壓級；LI——半消聲室一側試件表面的平均聲強級。

為了模擬隔聲性能測試過程，在LMS Virtual Lab中建立隔墻結構隔聲仿真計算模型（圖8）?；祉懯也捎冒l聲側空氣聲學網格模擬、半消聲室采用接收側空氣聲學網格模擬，隔墻結構網格定義在兩者之間，聲源采用分散布局在半徑為12 m的球面上的12個面聲源來模擬，聲波依次通過混響室聲學網格和隔墻結構網格到達半消聲室聲學網格，通過讀取隔墻結構發生側與接收側的聲功率來計算隔聲量。

圖8 隔墻結構隔聲量仿真分析模型Fig.8 Simulation analysis model of sound insulation of the partition wall structure

隔墻結構隔聲量仿真與測試結果對比如圖9所示，測試和仿真得到的隔聲量曲線趨勢一致，結果較為接近，總體上隔墻仿真分析結果能夠滿足工程分析要求。

圖9 隔墻結構隔聲量仿真與測試結果對比Fig.9 Comparison of sound insulation volume simulation of the partition wall structure with test results

2.2.2 隔墻結構優化分析

監控室的主要噪聲集中在100～200 Hz，因此對隔墻結構進行優化設計，主要是加強隔墻低頻隔聲效果，尤其是100～200 Hz的隔聲效果。

根據隔聲理論可知，隔墻低頻隔聲性能主要受隔墻面密度、內部吸聲與阻尼等因素的影響，因此可以通過增加隔墻內部各結構材料（輕質墻板、鋼板、吸聲棉與阻尼片）厚度以改變隔墻參數，從而提高隔墻低頻隔聲性能。

綜上，結合輕量化原則與工程實踐的可行性，對隔墻的聲學結構提出如下優化方案：在隔墻增加相同重量的情況下，分別改變隔墻內部各結構的厚度，計算不同優化措施下隔墻的隔聲量變化情況，獲取最佳的優化手段。在增加相同重量的前提下，增加隔墻各部分結構的厚度，通過LMS Virtual Lab仿真分析，得到不同優化措施下隔墻結構隔聲量的變化情況（圖10和表2）。其中，增加阻尼片或鋼板的厚度后，各頻段所增加的隔墻隔聲量均在1 dB（A）以內；增加輕質墻板厚度、增加吸聲棉厚度后，增加了100 Hz和160～6 300 Hz的隔墻隔聲量，尤其160～400 Hz頻率范圍內的低頻隔聲量，在200 Hz頻率時增加了6.1 dB（A）。

表2 不同隔墻優化措施下隔墻結構增加的A計權隔聲量Tab.2 Amount of sound insulation of the A weight increased by the partition wall structure under different partition wall optimization measures

圖10 不同隔墻優化措施下隔墻結構所增加的隔聲量Fig.10 Amount of sound insulation increased by the partition wall structure under different partition wall optimization measures

可見，相對增加隔墻阻尼片、輕質板與鋼板的厚度，增加吸聲棉厚度對監控室的降噪效果影響是最為顯著的。這是因為隔墻的隔聲效果主要取決于由隔墻中隔聲結構的隔聲性能和吸聲棉的吸聲性能。隔墻的隔聲結構包括輕質墻板、鋼板與阻尼片，三者的面密度較高，隔聲性能較好；吸聲結構為吸聲棉，其厚度僅為30 mm，吸聲效果有限，若再增加15 mm厚度，則可大幅提高吸聲棉層的吸聲效果，尤其是低頻吸聲效果。因此，在增加隔墻各部分結構相同重量的前提下，選擇將吸聲棉的厚度增加15 mm作為隔墻結構的優化方案，其能以較低的成本取得更好的隔聲效果。

3 隔墻結構優化實測效果驗證

為驗證所提方案的有效性，根據第2.2節的分析結果，對發電室與監控室間的隔墻結構進行優化。在發電車處于靜止狀態時，將發電室中兩臺型號一致的發電機按照標準運行工況開啟，測試監控室的噪聲大小，得到隔墻優化前后監控室的噪聲頻譜，如圖11所示。結果顯示，監控室噪聲總聲壓級為84.6 dB（A），不同頻率下的降噪量分別為1～5 dB（A），總降噪量為3.1 dB（A），降噪效果明顯，達到用戶提出的監控室降噪3.0 dB（A）的目標要求。

圖11 隔墻優化前后的監控室的噪聲頻譜Fig.11 Noise spectrum of the monitoring room before and after partition wall optimization

4 結語

針對軌道工程發電車的監控室噪聲過大的問題，本文以某發電車為對象，采用LMS Virtual Lab對發電室與監控室之間的隔墻進行優化設計并實測效果驗證，得到的結論如下：

（1）發電車處于靜止狀態時，發電機運行工況下，發電室總聲壓級為105.1 dB（A），主要噪聲頻率為100～2 500 Hz；監控室總聲壓級為87.7 dB（A），主要噪聲頻率為100～200 Hz。

（2）采用LMS Virtual Lab對發電室與監控室之間的隔墻進行隔聲性能仿真分析，通過對比測試和仿真結果可知，兩者隔聲量曲線趨勢一致，結果較為接近，總體上隔墻仿真分析結果能夠滿足工程分析要求。

（3）在增加隔墻各部分結構相同重量的前提下，選擇增加吸聲棉厚度15 mm為隔墻結構的優化方案，能以較低的成本取得更好的降噪效果，監控室噪聲在不同頻率下的降噪量分別為1～5 dB（A），總降噪量為3.1 dB（A），降噪效果明顯，達到監控室降噪目標3.0 dB（A）的要求。

后續將對軌道工程車進行系統聲學仿真分析，通過實驗與仿真的對比分析，建立準確的噪聲預估模型，從而快速準確地對軌道工程車進行噪聲控制。