车辆的声学设计的任务是合理地利用隔振、减振、隔声和吸声的综合效果,使乘客耳旁和铁路沿线的噪声降低到允许的标准值下。客车的声学设计的顺序一般是:减振一隔振一隔声一吸声。
1 客车内噪声的发生机理
振动和噪声是需要统一研究的。机械振动对车体的破坏一般是低频段(0~50 Hz),越是整体的结构振动,破坏性越大,影响车辆的振动平稳性和舒适性以及疲劳寿命越严重。而噪声源于结构的振动,由于结构的振动引起空气的振动,以波动的形式在空气中传播,成为噪声(声音)。
随着运行速度的提高,轨道不平顺对车辆的激扰力加大,激扰的频域加宽,并且都要传到车体上,使车体的垂向和横向加速度增大,因此,会造成旅客的不适,并且加剧车辆构件的疲劳损坏。
如果车体刚度不足,则固有频率降低,车辆在行驶中容易产生车体共振,从而引起较大噪声。同时,如果转向架与车体隔振措施不佳,也易激发车体振动,从而加剧噪声。
车内的噪声源主要有轮轨噪声、空气动力学噪声等。这些噪声源所辐射的噪声,在车体周围空间形成一个不均匀的声场。
车外噪声要向车内传播,具体途径有2个:一是通过车体及门窗上所有的缝隙直接传人车内;二是车外噪声声波作用于车体的壁板,激发壁板的振动,并向车内辐射噪声。这种辐射噪声的强度与壁板的隔声能力有关,也就是说它服从质量定律的规律。车内噪声主要由空气声、固体声和混响声三部分组成。车辆上几乎所有的噪声源都对车内辐射噪声,加上车体自身产生的噪声及车体对外部噪声的放大作用,使得车内噪声控制成为一项相当复杂的工作。但归纳起来有减弱声源强度、隔绝传播途径和吸声处理几个方面。治理空气声传播主要靠隔声措施,治理混响声传播主要靠吸声措施,治理固体声传播主要靠隔振和减振措施。
2 车体作为弹性体参加振动
车体噪声主要来自2个方面:一是车体振动;二是空气与车身之间的冲击和摩擦。前者引起的噪声受车体结构、车上设备安装方式、各激振源特性等多种因素影响;而后者只受车体外形结构和列车行驶速度的影响。2种噪声对车内外噪声均有影响,在一般情况下,以车体振动噪声的影响为大。
车体振动可分为频率较低的摆动和频率较高的颤动。前者在高速列车中可以通过整治轨道和改进转向架的设计加以有效控制;而后者表现为车体的弹性振动,成为影响旅客舒适度的主要因素。
车体由钢结构、内装材料和车内设备组成。过去在做钢结构计算时,一直把钢结构假设为刚体来进行计算。实际上,在外界轮轨振动的激励下,车体的振动状态十分复杂,经过模态分析和现场测试,发现在轮轨振动的激励下,车体本身成为一种多方向变动的弹性体参加振动。
3 避免车体共振
为了避免车体的固有频率与转向架的振动频率相重合,一般要求在整备状态下车体的最低自振频率要大于10Hz,车体的弯曲振动频率与转向架点头和浮沉振动的频率比值大于1.4。
不同的车体结构,其共振频率有很大差异,车体设计时应正确选取,避免转向架、牵引电机、空调机的共振频率或激振频率与车体各板件的共振频率相一致,同时应将车顶、侧墙、底架的共振频率互相错开,以防止产生强烈的共振噪声。轮轨的激励使车体振动,车体振动会引起牵引电机、空调机等部件的振动,而牵引电机、空调机等部件的振动Y-K过来传给车体。为防止这种“反馈”现象,可采用试验的方法或模态分析的方法决定牵引电机、空调机等部件的最佳安装位置和支承刚度,使整车各部件固有频率实现最佳匹配。
研究表明,25T型客车车体振动噪声的频率为5.3 Hz~16.5 Hz,其中,以车体骨架结构产生的振动噪声在5 Hz~30 Hz的低频范围内,以壁板为主产生的振动噪声在30 Hz~300 Hz的低中频范围内。
一般来说,从车体结构本身出发,解决共振问题有3项措施:(1)改变振动部位结构的固有频率,避开与振源频率接近而产生振动的放大现象,即避开与相连部件固有频率接近的现象;(2)改变结构振动部位的固有振型,从根本上减小振幅;(3)增加结构阻尼以衰减振幅。
4 控制车体辐射的振动和噪声,避免车内共鸣
防止或消除车内共鸣与共振,调整设计车体固有频率,有效利用吸声材料或控制轮轨激励振动传递系统,在噪声反射系统上调节振动特性,以改善车内空腔共鸣问题。
在车体各构件中,板件振动对车身噪声影响最大。这是因为板件的声辐射效率较高。为减弱板件的振动,可给它设置加强筋以提高其刚度;也可加装阻尼材料或贴减振材料,以增加振动的衰减。另外,在板件上涂阻尼材料,降低其声辐射效率,对减少噪声也很有效果。一般说来,涂料覆盖量为0.25 g/cm2时,隔声效果最佳。
5 降低噪声源的噪声辐射
消除或减弱噪声源的噪声辐射,降低每一个噪声源辐射能量,对车内噪声控制都是有利的。如对转向架、受电弓、牵引电机等采取屏蔽处理,可以达到显著的降噪效果;在车下柴油机的屏蔽罩壁板上涂敷阻尼层,可大大降低车内噪声和振动。
6 采用隔声材料和隔声结构,隔绝传播途径
利用隔振、隔声和密封等措施,隔绝噪声传播途径。可利用具有弹性和阻尼的材料隔断振源与车体之间的振动传递;利用加泡沫橡胶垫、阻尼粘胶等改善车体内饰件的隔声性能。这些措施均可以减弱车辆行驶过程中传人车内的噪声。为防止向车内透过二次固体噪声,应在转向架、牵引电机、齿轮箱、柴油发电机、空调机组等振动、噪声源附近的车体上重点加隔声材料,增加这部分车体结构的隔声性能;对在隧道里运行的地铁车辆,为防止通过车辆两侧车窗玻璃向车内传播噪声,应采用双层玻璃窗。
为了有效控制噪声,在结构和材料上还可以采取多种降噪隔声措施,如改进风道结构以降低空调噪声、铝合金车体采用声响衰减率大的双层表皮结构;车顶和侧墙的2层表皮间的桁架内部填充减振树脂发泡、车体地板加装减振材料或在地板上部安装隔声钢板、在车体侧底边的桁架加宽部位充填50%的发泡状减振材料等。
7 采用吸声处理,降低车内混响声
对车内顶板、地板和侧墙板采用吸声处理,如选用软装饰、衬垫时,尽量使用吸声性能好的材料,同时综合考虑隔声和阻尼,都可起到降低车内混响声的作用。
8 在噪声源附近加吸声材料和吸声结构
为肪止轮轨噪声通过空气向外界传播,在转向架的上部和侧面安装裙板并加吸声材料可降低噪声2dB。
9 加强车体的气密性,减少噪声的透射
为防止车外噪声通过空气向车内传递,安装具有气密结构的车窗和密封性好的车门,是减小车内噪声的有效措施之一;再辅以密封措施减小车内壁板的孔隙数和尺寸,可阻断固体传声和削弱气体传声。
10 控制车辆设备的振动和噪声
为了减小车辆的振动和噪声,必须控制大部件的振动和噪声指标,对牵引电机、齿轮箱、柴油发电机、空调机组、风动门、电扇、集便装置的振动和噪声加以控制,提高标准,加强检测,从而减小整车的噪声。