田 彩，張 捷，李志輝，蔣文杰，郭建強(qiáng)，肖新標(biāo)

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266000）

隨著軌道交通行業(yè)的迅速發(fā)展，地鐵車內(nèi)噪聲問題越來越受到人們關(guān)注，如何有效降低地鐵列車的車內(nèi)噪聲成為研究的重點(diǎn)[1-3]。而碳纖維復(fù)合材料由于比強(qiáng)度、比模量高，耐疲勞、耐腐蝕性能好，因而在減重、強(qiáng)度、可設(shè)計(jì)性等多個(gè)方面均具有金屬材料無法媲美的優(yōu)勢，比如：可進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，整體成型，減少車體零部件數(shù)量，減少裝配工作量，從而減少零件數(shù)量，縮短制造周期，降低維修成本；實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)減重，可降低列車運(yùn)行的能量損耗；疲勞性能好，能解決疲勞及裂紋擴(kuò)展問題；同時(shí)隔熱阻燃性能好，這使得碳纖維材料在軌道交通領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢和發(fā)展前景，法國的TGV高速列車在車體上采用了碳纖維和玻璃纖維混合織物夾層結(jié)構(gòu)，使得車體較之鋁合金車體減重25 %，同時(shí)通過線路試驗(yàn)，對(duì)其耐火性以及抗沖擊強(qiáng)度等進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了碳纖維與玻璃纖維復(fù)合材料車體在絕熱性能方面的優(yōu)點(diǎn)[4]；韓國2010年投入商業(yè)化運(yùn)營的TTX 列車的側(cè)墻、端墻、車頂均采用了碳纖維夾層結(jié)構(gòu)，使得車體重量較傳統(tǒng)車體減少30%，并通過系列的測試分析，發(fā)現(xiàn)車體的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、防火安全性、模態(tài)特性等各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求[5]。而在國內(nèi)，目前已經(jīng)完成了次承載件和零部件的研制與應(yīng)用，比如高速列車司機(jī)室頭罩、裙板、受電弓導(dǎo)流罩等[2]，碳纖維材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用正在逐漸從車內(nèi)設(shè)備等非承載結(jié)構(gòu)零件向車體主要承載構(gòu)件如側(cè)墻、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等拓展，從裙板、導(dǎo)流罩等零部件向司機(jī)室、整車車體等大型結(jié)構(gòu)發(fā)展，同時(shí)由于碳纖維材料的質(zhì)量輕，將會(huì)使得國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的輕量化取得突破性進(jìn)展，而隨著結(jié)構(gòu)的輕量化，結(jié)構(gòu)的隔聲和振動(dòng)特性等會(huì)相應(yīng)改變，因此有必要對(duì)碳纖維材料的聲振特性進(jìn)行研究。

Kim 等[6]對(duì)使用碳纖維螺旋多孔結(jié)構(gòu)提高復(fù)合材料的吸聲性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了一種由碳纖維和桑皮紙以螺旋形狀組成的吸聲結(jié)構(gòu)并調(diào)查了它的吸聲性能，特別是在低頻情況下，復(fù)合螺旋形狀的吸聲器上涂上一層碳纖維，具有良好的吸聲效果。張喆[7]以碳纖維復(fù)合材料層合板為研究對(duì)象，通過理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真，建立了碳纖維復(fù)合材料層合板的傳遞損失模型，對(duì)其隔聲特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)厚度相同時(shí)，碳纖維板在中低頻的隔聲能力比鋼板差，而與鋁板相近。Zhang等[8]在實(shí)驗(yàn)室對(duì)相同厚度的鋼、鋁和碳纖維復(fù)合材料的隔聲特性進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)厚度相同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的隔聲效果較差，并基于測試數(shù)據(jù)建立了汽車車內(nèi)噪聲仿真的有限元模型，通過該模型探究了不同材料頂板對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)采用碳纖維復(fù)合材料頂板時(shí)的車內(nèi)聲壓級(jí)與采用其他材料頂板時(shí)的車內(nèi)聲壓級(jí)沒有太大差異。

但是到目前為止，對(duì)于采用碳纖維車體的地鐵車輛的車內(nèi)噪聲特性、關(guān)鍵部件的隔聲和振動(dòng)特性以及碳纖維車體對(duì)地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)的影響所做的研究鮮見報(bào)道。

本文針對(duì)國內(nèi)一種新型碳纖維車體地鐵列車，基于線路試驗(yàn)方法，對(duì)比分析碳纖維車體和鋁型材車體的車內(nèi)噪聲差異、關(guān)鍵部件的聲振特性差異，通過建立車內(nèi)噪聲仿真模型，分析碳纖維車體隔聲和振動(dòng)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，進(jìn)而探討碳纖維車體在輕量化和聲學(xué)性能優(yōu)化上的設(shè)計(jì)問題。

1 試驗(yàn)概況

新型碳纖維車體地鐵列車采用2 動(dòng)2 拖的4 編組形式，其中2車、3車為動(dòng)車，受電弓位于頭尾車司機(jī)室上方區(qū)域，測試車廂為2 車和3 車，其中2 車為碳纖維車體，3 車為鋁型材車體。圖1（a）為列車車內(nèi)噪聲測點(diǎn)以及隔聲的測試區(qū)域示意圖，圖1（b）為A-A斷面的地板振動(dòng)測點(diǎn)示意圖。

圖1 試驗(yàn)測點(diǎn)位置示意圖

2 車內(nèi)噪聲特性分析

圖3給出了地鐵列車在明線以60 km/h 勻速運(yùn)行時(shí)碳纖維車體和普通鋁型材車體車內(nèi)1.2 m 高標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的車內(nèi)噪聲。

圖2 車內(nèi)噪聲頻譜特性

由圖2可見，當(dāng)列車以60 km/h 勻速運(yùn)行時(shí)，碳纖維車體對(duì)應(yīng)的車內(nèi)噪聲總值為66.0 dB(A)，普通鋁型材車體對(duì)應(yīng)的車內(nèi)噪聲總值為64.4 dB(A)，碳纖維車體的車內(nèi)噪聲比普通鋁型材車體的高1.6 dB(A)，車內(nèi)噪聲的顯著頻帶均為200 Hz～1 200 Hz 的1/3倍頻程頻帶。而且，碳纖維車體的車內(nèi)噪聲基本在全頻段均高于普通鋁型材車體。

地鐵列車在明線條件下以60 km/h勻速運(yùn)行時(shí)，列車的主要噪聲源是輪軌噪聲[9]，圖3給出了地鐵列車以明線60 km/h 勻速運(yùn)行時(shí)客室前的車內(nèi)聲源識(shí)別結(jié)果。

圖3 車內(nèi)聲源識(shí)別結(jié)果

由圖3可見，輪軌噪聲通過車體地板進(jìn)入車內(nèi)成為地鐵列車車內(nèi)噪聲的主要來源。當(dāng)輪軌振動(dòng)激勵(lì)相同時(shí)，車內(nèi)噪聲的差異將主要由車體結(jié)構(gòu)材質(zhì)引起的聲振傳遞特性決定。因此，需要對(duì)不同材質(zhì)車體的聲振特性進(jìn)行深入分析。

3 車體的聲振特性對(duì)比分析

3.1 裝備狀態(tài)車體隔聲特性

針對(duì)裝備狀態(tài)下鋁合金和碳纖維兩種材質(zhì)的車體關(guān)鍵部件隔聲特性，采用聲強(qiáng)法進(jìn)行測試對(duì)比分析。聲強(qiáng)法測試隔聲的原理示意圖如圖4（a）所示[11]。通過測試聲源室的聲壓Pi以及接收室或者外部空間測量面的平均法向聲強(qiáng)I，由公式計(jì)算得到測試構(gòu)件的隔聲量。

構(gòu)件的表觀隔聲量為入射到構(gòu)件上的聲功率與透過構(gòu)件（包括直接透射和通過各側(cè)向傳聲路徑透射）的聲功率的比值，取以10為底的對(duì)數(shù)乘以10，這與實(shí)驗(yàn)室樣件隔聲量的定義是一致的。

但在現(xiàn)場測試中，考慮到側(cè)向傳聲等因素對(duì)結(jié)果的影響，用表觀聲強(qiáng)隔聲量R1來表示構(gòu)件的隔聲特性[10]。R1的定義如式（1）所示，本文后續(xù)所述隔聲量均為表觀聲強(qiáng)隔聲量。

式中：Lp1為聲源室內(nèi)的平均聲壓級(jí)；S為隔離聲源室和接收室的構(gòu)件面積；Lin為外部空間測量面的平均法向聲強(qiáng)級(jí)；Sm為測量面的總表面積；S0取值1.0 m2。

其中：Lp1由式（2）計(jì)算得到[11]。

圖4 試驗(yàn)測試示意圖

式中：p為聲壓，單位為：Pa；p0為基準(zhǔn)聲壓，取為20 μPa；Tm為積分時(shí)間，單位為s。

Lin由式（3）計(jì)算得到[11]。

式中：I為聲強(qiáng)，單位為W/m2；n為指向測量面外部的法向單位矢量；I0為基準(zhǔn)聲強(qiáng)，取值為10-12W/m2。

當(dāng)列車靜置，關(guān)閉所有輔助系統(tǒng)，測試裝備狀態(tài)下不同車體地板的隔聲性能，測試位置為碳纖維車體和鋁型材車體車內(nèi)噪聲測試斷面處的地板結(jié)構(gòu)，本文中車體裝備狀態(tài)下的隔聲測試主要參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB T 31004.2-2014《聲學(xué) 建筑和建筑構(gòu)件隔聲聲強(qiáng)法測量 第2 部分 現(xiàn)場測量》。測試中所有車門關(guān)閉，盡可能排除由于人為因素造成的漏聲?，F(xiàn)場測試布置如圖4（b）所示，將整節(jié)車廂作為聲源室，將測試地板區(qū)域劃分為3 個(gè)子面，利用12 面體揚(yáng)聲器系統(tǒng)構(gòu)建車內(nèi)的擴(kuò)散聲場，在測試區(qū)域附近位置布置6 個(gè)麥克風(fēng)傳感器來測試車內(nèi)的聲壓，使用聲強(qiáng)探頭測量每一個(gè)子面中點(diǎn)的法向聲強(qiáng)。

將測試得到的車內(nèi)聲壓通過式（2）計(jì)算得到車內(nèi)的平均聲壓級(jí)LP1。同時(shí)測試用的聲強(qiáng)探頭為面對(duì)面式雙傳聲器聲強(qiáng)探頭，通過2 個(gè)距離很近的傳聲器測試聲壓，由式（4）計(jì)算得到聲強(qiáng)。由式（4）和式（3）聯(lián)立計(jì)算得到Lin。

式中：f為頻率；Im[G12(f)]為2個(gè)傳聲器信號(hào)間互譜的虛部；d為2個(gè)傳聲器的間距。

通過式（1）計(jì)算即可得到地板的表觀聲強(qiáng)隔聲量。

圖5給出了不同車體地板在橫向上的隔聲分布特性，圖6給出了各個(gè)測點(diǎn)取算術(shù)平均的碳纖維車體和鋁型材車體地板的三分之一倍頻程隔聲特性對(duì)比。

圖5 裝備狀態(tài)下地板隔聲特性

圖6 裝備狀態(tài)下車體地板隔聲頻譜特性

由圖5可知，在橫向分布特性上，碳纖維車體地板的隔聲量在43 dB 左右，鋁型材車體地板的隔聲量在46 dB 左右，碳纖維車體地板在橫向上表現(xiàn)為左右兩側(cè)隔聲性能比中間區(qū)域略好，而鋁型材車體則相反，碳纖維車體地板的橫向隔聲特性出現(xiàn)這種差異主要是因?yàn)閷?duì)于碳纖維地板車體，在車體與地板連接的局部區(qū)域?qū)⑸舷旅善ず穸仍龊竦狡胀ǖ匕鍏^(qū)域的2 倍，從而導(dǎo)致地板兩側(cè)的隔聲量比中間區(qū)域略好，而對(duì)于鋁型材車體，則是通過焊接將車體與地板進(jìn)行裝配，鋁型材地板的表面吸聲處理以及內(nèi)地板的結(jié)構(gòu)布置均一致，地板橫向隔聲特性的差異和橫向結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。

由圖6可見，除了在400 Hz～630 Hz 頻段內(nèi)碳纖維地板的隔聲量略高于鋁型材地板之外，在200 Hz～1 600 Hz 的車內(nèi)噪聲顯著頻段，碳纖維車體地板的隔聲量均低于鋁型材車體，而在1 600 Hz～3 150 Hz 頻段內(nèi)，碳纖維車體地板的隔聲量高于鋁型材車體。

3.2 車體振動(dòng)特性分析

圖7給出了鋁型材和碳纖維車體地鐵列車在以60 km/h勻速運(yùn)行時(shí)的車內(nèi)地板垂向振動(dòng)特性。

圖7 車體內(nèi)地板垂向振動(dòng)特性

由圖7可見，碳纖維車體內(nèi)地板的振動(dòng)加速度級(jí)總值比鋁型材車體內(nèi)地板的高3 dB。在200 Hz～1 600 Hz 的車內(nèi)噪聲顯著頻帶內(nèi)，碳纖維車體內(nèi)地板的振動(dòng)均高于鋁型材車體內(nèi)地板的振動(dòng)，兩種車體內(nèi)地板的振動(dòng)加速度級(jí)相差3 dB～7 dB。

3.3 聲振特性對(duì)車內(nèi)噪聲的影響

為了分析不同材料車體地板隔聲和振動(dòng)特性對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，基于SEA方法[12]，基于地鐵列車車體幾何結(jié)構(gòu)尺寸，通過合理劃分車體和車內(nèi)外聲腔子系統(tǒng)，建立車內(nèi)噪聲仿真分析模型[13]，要求每個(gè)子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)足夠多（至少大于5）以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將輔助設(shè)備的聲功率以及仿真得到的轉(zhuǎn)向架聲源激勵(lì)（如圖8(a)所示）加載到對(duì)應(yīng)的外聲腔子系統(tǒng)，將實(shí)測的結(jié)構(gòu)振動(dòng)激勵(lì)（如圖8(b)所示）加載到車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，將實(shí)測的車體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)隔聲特性加載到子系統(tǒng)之間的連接。考慮到碳纖維車廂和鋁型材車廂關(guān)于中心線對(duì)稱布置，兩種車體的幾何結(jié)構(gòu)尺寸一致，可以通過給模型分別加載不同車體的材料屬性、聲源激勵(lì)、結(jié)構(gòu)激勵(lì)以及隔聲特性參數(shù)來模擬不同車體聲振特性對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。圖9給出了地鐵列車車內(nèi)噪聲仿真模型。

為了探究不同車體地板隔聲和振動(dòng)特性對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，先對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖10給出了不同車體車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)噪聲仿真與試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比。

圖8 模型激勵(lì)輸入?yún)?shù)

圖9 車內(nèi)噪聲仿真模型

由圖10可見：不同車廂車內(nèi)噪聲的仿真結(jié)果與測試結(jié)果在頻率分布上趨勢一致，碳纖維車體車內(nèi)噪聲總值僅相差0.5 dB(A)，鋁型材車體車內(nèi)噪聲總值僅相差1.1 dB(A)，證明本文建立的仿真模型有效。

基于車內(nèi)噪聲仿真分析模型，探究不同車體地板隔聲和振動(dòng)特性對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。表1給出了不同車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔總的功率輸入情況，圖10給出了不同車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔功率輸入的頻譜分布情況。

圖10 模型的有效性驗(yàn)證

由表1可知：碳纖維車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔的輸入功率有81%來自地板空氣聲路徑，有7%來自側(cè)墻空氣聲路徑，有10 %來自地板結(jié)構(gòu)聲路徑；而鋁型材車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔的輸入功率有55%來自地板空氣聲路徑，有24%來自側(cè)墻空氣聲路徑，有10 %來自地板結(jié)構(gòu)聲路徑。由此可知：碳纖維車廂的車內(nèi)噪聲主要受地板隔聲的影響，而鋁型材車廂的車內(nèi)噪聲主要受地板和側(cè)墻隔聲的影響，地板的振動(dòng)聲輻射對(duì)于兩種材料車廂車內(nèi)噪聲的影響較小。

由圖11可知，碳纖維車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔的功率輸入在全頻段基本均來自地板空氣聲路徑；而鋁型材車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔的功率輸入在50 Hz～200 Hz 頻段以及800 Hz～1 600 Hz 頻段內(nèi)主要來自地板空氣聲路徑，在200 Hz～800 Hz頻段內(nèi)主要來自側(cè)墻空氣聲路徑。

4 輕量化問題淺析

文中碳纖維車廂的車內(nèi)噪聲較之鋁型材車廂高1.6 dB(A)，但碳纖維車廂總重量為4.48噸，鋁型材車廂總重量為6.10噸，整體減重26.5%，碳纖維材料在地鐵列車的輕量化設(shè)計(jì)上有很大的可用空間。通過前面的分析可知：提高碳纖維車體地板隔聲量可以降低車廂車內(nèi)噪聲，則可以在碳纖維地板添加5 mm隔聲墊來提高地板隔聲量，5 mm隔聲墊的隔聲量總值為32.5 dB，單位面積質(zhì)量為6.65 kg[14-15]，而文中碳纖維車體地板的隔聲量為43 dB，與隔聲墊隔聲量相差10 dB，根據(jù)疊加隔聲量差值對(duì)結(jié)構(gòu)隔聲量的影響研究[14]，疊加之后的碳纖維車體地板的隔聲量為45 dB 左右，與鋁型材車體地板相近，此時(shí)碳纖維車廂質(zhì)量增加為4.83 噸，相對(duì)于鋁型材車體仍可減重20 %，碳纖維車體在地鐵列車上仍有很大的應(yīng)用前景。

表1 轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔的功率貢獻(xiàn)率/（%）

圖11 車內(nèi)聲腔的功率輸入

5 結(jié)語

基于國內(nèi)一種新型碳纖維車體地鐵列車，基于線路試驗(yàn)方法，對(duì)比分析碳纖維車體和鋁型材車體的車內(nèi)噪聲差異、關(guān)鍵部件的聲振特性差異，通過建立車內(nèi)噪聲仿真分析模型，明確碳纖維車體隔聲和振動(dòng)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，進(jìn)而探討碳纖維車體在輕量化和聲學(xué)性能優(yōu)化上的設(shè)計(jì)問題。得到的主要結(jié)論如下：

（1）碳纖維車體的車內(nèi)噪聲比普通鋁型材車體的車內(nèi)噪聲高1.6 dB(A)，車內(nèi)噪聲的顯著頻帶均為200 Hz～1 200 Hz的1/3倍頻程頻帶。

（2）碳纖維車體地板隔聲量總值比鋁型材車體地板低3 dB左右；碳纖維車體地板的振動(dòng)加速度級(jí)總值比鋁型材車體地板高3 dB；碳纖維車廂車內(nèi)噪聲主要受地板隔聲的影響，而鋁型材車廂車內(nèi)噪聲主要受地板和側(cè)墻隔聲的影響，地板的振動(dòng)聲輻射對(duì)于2種車廂車內(nèi)噪聲的影響較小。

（3）碳纖維車廂較之鋁型材車廂整體減重26.5%，可通過在碳纖維車體地板施加5 mm的隔聲墊來降低車內(nèi)噪聲，此時(shí)碳纖維地板的隔聲量與鋁型材地板相近，但碳纖維車體仍可減重20%。

由于試驗(yàn)條件限制，裝備狀態(tài)下車體關(guān)鍵部件的隔聲測試以及地鐵車內(nèi)噪聲傳遞路徑的試驗(yàn)分析還有待進(jìn)一步的研究。