淺談降低城市軌道車輛內部噪聲的措施
摘要：基于噪聲對人體的危害，提高乘客在乘坐城市軌道車輛時的舒適性，本文簡單分析了城市軌道車輛的噪聲源，著重討論了城市軌道車輛內部噪聲的控制方法和措施。
關鍵詞：城市軌道 車輛內部 噪聲控制
1.前言
隨著我國經濟的飛速發展，城市的規模和城市中的人口數量不斷擴大。交通問題已經成為困擾城市發展規劃和百姓出行的主要問題，為了緩解交通問題帶來的壓力，我國各大中城市相繼建立了地鐵、輕軌、單軌等城市軌道交通項目。城市軌道車輛以其快速、準時、舒適等優點受到了廣大群眾的青睞。
城市軌道交通車輛在運營中不可避免地會產生噪聲，車輛內部的噪聲會直接影響著乘客乘坐的舒適性，噪聲達到一定的強度會對工作人員、乘客等造成損害。持續不間斷的高噪聲會給人體帶來壓力感、疲勞感，甚至造成損傷神經、聽力等不可挽回的后果。本文簡單介紹了城市軌道車輛的主要噪聲源，重點討論了車輛內部噪聲的控制方法和控制措施。
2. 城市軌道車輛噪聲源分析
城市軌道車輛的噪聲源主要有：
（1）輪軌噪聲
鋼軌與輪軌之間相互作用而產生的聲響。這種相互作用在車輪和軌道相接觸處產生力的作用，造成車輪和軌道的振動而向外輻射聲波。輪軌噪聲有3種主要類型：摩擦噪聲、撞擊噪聲和轟鳴噪聲（或滾動噪聲）。每一種均由相對應的機械結構所產生。
（2）車輛非動力噪聲
車輛非動力噪聲主要指制動系統中在實施制動時閘瓦與制動盤之間摩擦振動，它激發制動閘瓦片、閘瓦托架以及制動盤等產生自激振動形成輻射噪聲。
（3）牽引動力系統噪聲
牽引系統設備運轉所產生的噪聲，包括牽引電機及其冷卻風扇、齒輪箱以及空氣壓縮機的噪聲，它是城市軌道交通主要的噪聲。牽引系統的噪聲，特別是電機冷卻風扇的噪聲，隨列車運行速度的提高而增長，其程度往往要大于輪軌噪聲。
（4）高架軌道噪聲
由高架結構的振動而輻射的振動與噪聲。當列車行駛在高架結構上時，輪軌相互作用所產生的振動通過軌道傳遞給支承結構，將激發高架結構梁、柱的振動而輻射噪聲，特別帶有"空腔"的結構如箱形梁起到樂器"共鳴箱"的作用，二次輻射的噪聲不可忽視。支承結構將噪聲向周邊地區進行傳播，它比之列車行駛于一般的路堤帶坡度道床時所產生的噪聲級要高得多，一般要高20dB（A）。
此外還有空氣動力噪聲。隨著列車速度的提高，列車車頭以及在列車上各個突出和凹入的部分，車頂的受電弓等，在空氣中高速移動時，壓力空氣在非恒定的氣流中發生變化，從而產生空氣動力噪聲。
3. 城市軌道車輛噪聲控制方法和措施
對城市軌道車輛噪聲的控制方法主要包括噪聲源控制和噪聲傳播控制。
3.1 噪聲源控制
對噪聲源的控制包括：
（1）影響輪軌摩擦噪聲最主要的因素有曲線半徑、轉向架軸距、車輪振動阻尼特性，以及輪軌表面之間的粘著系數和所采用的材料等，如采用減摩材料代替鑄鐵制動塊，.采用盤面制動代替踏面制動，磨去軌面的高低不平等方法均能有效地控制輪軌踏面的不平順性，（2）采用彈性車輪、充氣橡膠車輪、阻尼車輪、彈性踏面車輪等降低輪軌間動態作用力及振動水平，降低車輛的結構輻射噪聲。通過采用剛度大、阻尼系數高的鋼軌墊片、.增加鋼軌阻尼、增加鋼軌吸振器、埋入式鋼軌及鋼軌截面形狀優化（如矮鋼軌、窄軌腳）等措施降低鋼軌振動水平，降低鋼軌輻射噪聲。通過減小輪軌接觸面的粗糙度來降低輪軌轟鳴噪聲。
（2）通過提高輔助設備零部件的加工精度和安裝精度，優化其減振系統，降低振動水平，從而降低這類機組設備振動引起的結構輻射噪聲。
（3）為深入研究高架軌道噪聲，可建立3種不同類型的高架軌道噪聲的數學模型，即在鋼板梁上有混凝土板的結構；鋼板梁上有軌枕板的結構，以及在開式鋼腹板梁上有軌枕板的結構。同時針對這3種高架鐵路進行現場測量，結果發現，在高頻狀態下，鋼軌為主要噪聲源，而中頻的主要聲源是鋼板梁。所以為大幅度地降低噪聲級，就必須同時降低鋼軌和鋼板梁的噪聲。
（4）風洞試驗表明，物體產生的空氣動力噪聲與空氣的流速呈6次方關系增加。通過對車頭形狀的流線型處理，對于突出于車體的某些設備或裝置的結構進行改進或將其移到可用隔音罩予以屏蔽的車體下部，均可抑制非恒定渦流的發生，降低空氣動力噪聲。
根據上述分析可知，從噪聲源著手進行控制是主動治本的方法，但由于技術水平和條件的限制，有時很難達到理想的噪聲控制的效果。因此還必須在其傳播途徑上采取適當的控制措施，以期達到滿意的噪聲控制效果。
3.2 噪聲傳播控制
噪聲傳播控制，包括吸聲、隔聲和消聲。它通過特殊的材料及其結構設計使車體外部噪聲入射到車體表面時被轉化成以下主要部分：1）一部分被反射；2）一部分在經過車體時被轉化成其它形式的能量或波形而被吸收。如：其中一部分被貼附于車體上的高阻尼材料轉化成熱能而被損耗了，另一部分轉換為結構輻射噪聲或其它形式的波形；3）最后剩下的一部分透過車體進入車輛內部。噪聲傳播過程中的能量分配見圖1。根據能量守恒定律，設入射聲能為E，反射聲能為E1，損耗聲能為E2，波形轉化能量為E3，透過聲能為E4，則有：
E=E1+E2+E3+E4
反射聲能與入射聲能之比越大，材料的隔聲性能越好；而透過聲能與入射聲能之比越小，則材料的吸聲性能就越好。
下面介紹在城軌車輛內部噪聲控制中幾種常用的控制噪聲傳播的方法和措施。
3.2.1 車體的聲學處理
（1）車體的阻尼隔聲處理。
目前，城市軌道車輛多采用鋁合金車體，為了起到阻尼制振和隔聲的作用，在鋁型材的空腔內充入高阻尼粘彈性阻尼材料，或在車體內表面噴涂阻尼涂料，通過對鋁合金車體進行約束阻尼處理或自由阻尼處理，提高車體結構阻尼、抑制共振，達到減振降噪的目的。
自由阻尼處理是將一層一定厚度的粘彈阻尼材料粘貼于金屬基體表面上。當結構產生彎曲振動時，阻尼層隨基本結構一起振動，在阻尼層內部產生拉-壓變形，如圖2b所示。根據阻尼材料的耗能機理，當阻尼材料內部產生交變應力時，阻尼材料就會將有序的機械能轉化為無序的熱能，從而起到耗能的作用。自由阻尼結構如圖3所示。
約束阻尼處理在自由阻尼處理的阻尼層外側表面再粘貼一彈性層，這一彈性層應具有遠大于阻尼層的彈性模量。當阻尼層隨基本結構層一起產生彎曲振動而使阻尼層產生拉-壓變形時，由于敷貼在外側彈性層的彈性模量遠大于阻尼層的彈性模量，因此這一彈性層將起到約束阻尼層的拉-壓變形的作用，所以這一彈性層被稱為約束層，而受彈性層約束的阻尼層被稱為約束阻尼層。由于阻尼層與基本結構層接觸的表面所產生的拉-壓變形不同于與約束層接觸的表面所產生的拉-壓變形，從而在阻尼材料內部產生剪切變形，如圖3b所示。因此約束阻尼處理結構中，阻尼層不僅承受拉-壓變形，還同時承受剪切變形，它們都能起到耗能作用。約束阻尼結構比自由阻尼結構耗散更多的能量，因此具有更好的減振降噪效果。約束阻尼結構如圖3所示。
輕量化的鋁合金車體，振動較大，采用高阻尼粘彈性材料進行阻尼處理，吸振效果十分明顯，同時隔離噪聲的性能也會得到大大的提高。
（2）車輛內部的吸聲處理。
在側墻金屬基體和客室內墻板之間以及車頂和風道之間填充玻璃棉或吸聲海綿等微孔吸聲材料，衰減車輛內部的混響噪聲，降低車輛內部總噪聲級。側墻填充結構如圖4所示，車頂填充結構如圖5所示。
吸聲材料（結構）的吸聲機理主要是：首先是粘滯性和內摩擦的作用，由于聲波傳播時，質點振動速度各處不同，存在著速度梯度，使相鄰質點間產生相互作用的粘滯力或內摩擦力。對質點運動起阻礙作用，從而使聲能不斷轉化為熱能。其次是熱傳導效應，由于聲波傳播時媒質質點疏密程度各處不同，因而媒質溫度也各處不同，存在著溫度梯度，從而相鄰質點間產生了熱量傳遞，使聲能不斷轉化為熱能。以上表面，吸聲與大多數其他“吸收”不同，吸聲材料不能把聲音從空氣中“吸”出來，聲音是一種能量形式，只有它主動進入耗散的媒質，也即只有當聲音通過微孔傳到吸聲材料內部時，才能起吸收作用。
（3）車體底板的減振降噪處理。
由于機械結構振動及其引起的噪聲主要通過靠近轉向架附件的底板傳到車輛內部，所以車體底板，尤其是靠近轉向架附近底板的制振、隔聲處理非常重要。通常在這些部位貼附高阻尼板材，抑制地板振動，衰減振動引起的結構輻射噪聲，同時在整個地表面安裝隔音卷材，提高地板結構的隔聲量，隔離輪軌噪聲傳入車輛內部，降低車輛內部的總噪聲級。
3.2.2 玻璃窗的隔聲處理
為了提高窗戶的隔聲量主要是要提高窗扇玻璃的隔聲量和解決好窗縫的密封處理。一般人們常認為中空玻璃的隔聲性能很好，其實這是一種誤解。因為，常用的中空玻璃大多由兩塊3～6㎜厚的玻璃相距5～12㎜組成。這么小的中空距離，使得兩玻璃間的空氣層呈現為較強的“剛性”，沒有起到“空氣彈簧”的作用，也就喪失了一般雙層板構造的優點。另外雙層結構存在著共振，而這很小的中空距離使共振現象產生在中、低頻，致使隔聲量有所下降。
為提高玻璃隔聲性能，可采用疊合玻璃和夾層玻璃的方法。疊合玻璃是用兩片或三片玻璃疊合在一起充當厚玻璃使用，此時，隔聲性能要比同厚度的單層玻璃好。夾層玻璃又稱為夾膠玻璃，它是以透明薄膠片將兩片或三片玻璃粘合在一起。
窗戶的隔聲，除了要設計合適的窗戶結構和選用隔聲量較好的玻璃以外，還應注意窗戶縫隙的密封處理和玻璃的安裝方式。采用密封性、抗老化性及耐溫性能良好的密封材料對窗戶（及車門）縫隙進行嚴格的密封處理，能達到良好的隔聲效果。
3.2.3 車門的隔聲處理
城市軌道車輛每輛車的車門很多，有4個、8個、10個，因此車門是噪聲傳播的主要途徑之一。為了增強車門的密封性，有效的隔斷噪聲的傳播，最好采用塞拉門。另外，由于車門的啟閉要求，使得它的隔聲性能不同于一般的勻質材料，它不僅依賴于門扇的隔聲性能，而且受門扇與車框之間縫隙的影響，所以應選擇密封性能好，耐老化的密封條對門縫進行密封處理，提高車門的隔聲性能。
3.3 空調系統的聲學處理
空調系統在調節客室內溫度、給乘客創造舒適的環境的同時，氣體的流動也產生了噪聲。空調系統可采用下面兩種方法進行降噪：第一，在空調機組的出風口處增加消音裝置；第二、在風道的內部貼吸音材料。風道結構如圖6所示。
另外，由于車輛連接處是噪聲的主要來源，因此必須在貫通道上采取有效的隔音措施，例如采用雙層棚布及在貫通道和車鉤支承面之間增加耐磨材料等方法有效地降低噪聲。為了有效地控制噪聲在車輛內部傳遞，通常在座椅背面貼附消音板（座椅消音板如圖7所示），增強座椅等內飾物的吸聲效果，降低車輛內部總噪聲級。
4. 結束語
城市軌道車輛噪聲源多，噪聲成分復雜，車輛內部的噪聲控制是一項復雜的工程。在噪聲控制過程中，應采用多種方法和措施相結合的辦法，其中噪聲源控制是積極主動的，但技術要求高，難度大，噪聲控制效果也有一定的限度，而噪聲傳播控制，因其具有無需改造現有結構、投入相對較少、施工簡單方便，無需維修保養等優點，可作為城市軌道車輛噪聲控制的一個重要手段。
參 考 文 獻
[1] 張振淼.城市軌道交通車輛（第1版）[M].北京：中國鐵道出版社，1998
[2] 孫慶鴻，張啟軍，姚慧珠.振動與噪聲的阻尼控制（第1版）[M].北京：機械工業出版社，1993
[3] 馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊（第1版）[M].北京：機械工業出版社，2002
