轨道交通减振降噪技术的应用与发展研究

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　　摘 要：轨道交通具有载客量大、行车速度高、可靠性高等特性而备受大众青睐。随着我国科技和经济实力的不断增强，政府对轨道交通建设愈加重视，并投入了大量人力、物力、财力，不仅促进了城市化进程加快，并且便捷了大众出行方式。然而由于轨道交通车速较快，因此轨道交通运行过程中会伴随着较大的噪声，很容易让乘客感觉到不安和疲倦。基于此背景，本文深入分析了轨道交通车辆的振动和噪声源，接着分析了噪声和振动的测试方法，及降噪技术的应用，最后对减震降噪技术进行了展望，以期为轨道交通减振减噪提供一定的经验指导。
　　关键词：轨道交通;减振降噪;应用;展望
　　中图分类号：U270.16 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0047-02
　　0 引言
　　随着科学技术的不断发展，我国轨道交通越来越成熟和完善，大大提高了人们的出行效率，成为了人们出行的首要选择之一。轨道交通因其运载量大、能耗低、绿色环保及科技含量高等特性成为了各个国家交通运输领域的重点关注对象。在我国的北京、上海、广州、深圳、成都、南京、武汉等大中型城市都大规模地建设了地铁和高铁等类型的轨道交通设施。但是，由于人们的环保意识不断增强及对出行舒适度要求越来越高，轨道交通在运行过程中产生的振动噪声会影响人们的听力及心情，甚至巨大的振动会诱发人体器官的共振，从而导致疾病的发生，对人体造成损坏，这极大影响着人们的出行质量和用户体验。如果不能有效地减振减噪，势必会制约轨道交通的发展。为了有效降低轨道交通的振动和噪声问题，本文分析了轨道车辆的振动源和噪声源，然后在此基础上探讨了减振降噪技术的应用，最后提出了未来轨道交通的发展方向。
　　1 轨道交通车辆的振动与噪声源分析
　　要有效地降低轨道交通振动和噪声问题，必须先认识其振动和噪声的来源，及每个噪声源对总噪声的贡献值。
　　1.1 车外振动源和噪声源
　　这部分噪声主要由轮轨噪声、牵引噪声及空气动力学噪声等组成且噪声的大小由车辆行驶速度决定。在低车速区域，车外主要是轮噪为主，并且其频率在800到2500赫兹之间，而空气动力学噪声主要是在高车速下表现出来的。轮轨噪声是轨道交通最为主要的噪声源之一，其牵引力噪声主要来自与牵引电机和冷却系统风扇。空气动力学噪声则取决于行车速度，随着车速以601gv到801gv的幅度而有规律地增加。并且，当车辆经过隧道时，由于隧道内的空气受到车辆挤压而在隧道产生压力波，从而使得噪声明显增大，尤其是在车辆上感受最为明显[1]。
　　1.2 车内振动和噪声源
　　轨道交通车内的振动和噪声很难像车外那样进行分类甄别，并且影响车外的声振源同样会影响车内的振动和噪声。一般来说，车内噪声是各种电机设备噪声和外部噪声共同作用的集合，其主要噪声源来自车内的空调、风机、压缩机、变频器和变流器等。而外部的噪声主要是由轮轨噪声、空气动力学噪声组成。另外，车外的脉冲压力也会引起车内的噪声。
　　2 噪声与振动测试分析
　　噪声和振动的测试分析是优化振动降低噪声的有效工具，通过测量来评估现有产品的噪声和振动水平，并根据实验结果来进一步制定后续噪声和振动的优化方案。关于车外的噪声测量通常是用单个麦克风来进行测量，但是对于高速列车还需要考虑多普勒效应、列车周围湍流运动以及地面等因素对噪声的影响，车外声压级可根据ISO3095-2005标准进行测量，关于车内噪声的测量在实际测试中可参考ISO3381-2005（E）的标准来开展。图1为车辆内部噪声测点布置图。驾驶室的噪声测点距底板高1.2m，客车内噪声测点同时在1.2m的高度布置5个传感器，其中第一个位于转向架上方主要测量转向架的噪声，最后一个位于2节车厢接头的通道处用于测量连接处的噪声，其余位于这2个测点之间等距布置[2]。
　　3 轨道交通车辆的减振降噪技术应用
　　3.1 减振降噪方式
　　空气是噪声的转播媒介，振动则是通过固体的振动来传递的。因此减振降噪可分为吸音、隔音、吸振和隔振。
　　（1）吸音减噪：在密闭空间布置吸声材料。常用的吸音材料是吸音棉。该吸音原理是吸音棉有无数空气组成的微孔，可以缓冲和吸声噪声和振动。除了专门的吸音棉以外，棉花、海绵泡沫塑料等都可以作为吸音材料，从而降低噪声和振动。
　　（2）隔音减噪：在噪声源周围安装格挡物来达到降低噪声的目的。如果格挡物能完全将声源隔离成为墙体，则降噪效果取决于墙体的隔音性能，隔音量越大，噪声越低;隔音板越靠近声源，隔音效果越好。
　　（3）吸振减噪：在振动源添加子系统，使得振动源某一频率的振动得到控制，称为动力吸振。常用的动力吸振主要是采用动力吸振器来吸收振动的能量，动力吸振器主要有非线性动力吸振器、阻尼动力吸振器、无阻尼动力吸振器和复合动力吸振器等4种。非线性动力吸振器在吸振方面的效果通常比线性更好，主要是其利用劲度非线性设计和阻尼非线性设计的隔振和吸振装置来实现吸振。阻尼动力吸振器不受频带的影响，適用范围比无阻尼动力吸振器更宽，因此也被称为宽带吸振器。复合动力吸振器是通过将多组动力吸振器进行合理的组合而形成的，其具有吸振频带宽的特点，其通过合理分布每组的共振频率及恰当的设计参数能很好地降低振动[3]。
　　（4）隔振减噪：其为一种通过减弱固体声的传递，来衰减振动能量在振源和防振体之间添加的弹性连接过程。一般地，轨道交通如地铁，高铁和轻轨等采用的隔振材料主要是橡胶，软木和毡类等。除此之外，液压减震器和空气弹簧也有所运用。国内外的大多数轨道交通（地铁、铁路和高铁等）都采用金属弹簧和橡胶作为弹性元件，而轻轨则采用空气弹簧和金属橡来达到减振的目的，其减振效果非常好。
　　3.2 减振降噪材料的选择
　　一般来说，轨道交通车辆中常用的吸声材料有纤维多孔吸声材料、共振吸声材料和薄板薄膜等。纤维多孔吸声材料有大量的空隙且相互之间连通，孔隙深入材料内部。薄板薄膜也能一定程度上吸声，如木板、金属板做成的天花板或者墙板等，这种材料利用了共振吸声原理来实现减振和吸声的功能。发生共振时，薄板会剧烈振动大量吸声。靠共振吸声的材料有柔性材料（泡沫等主要吸声中频噪声）、膜状材料（塑料膜、帆布和人造革主要吸声低中频率噪声）、板状材料（胶合板、硬质纤维和石棉水泥板等主要吸收低频噪声）以及穿孔板（在板材上打孔主要吸声中频噪声）。通过复合使用上述几种材料，能大大提高吸收范围和吸声吸声，极大程度上可以降低噪声和振动。 　　3.3 减振降噪措施
　　（1）车体侧墙处的减振降噪：第一，减振。轨道交通车辆的侧墙振动主要是由于金属薄板受激发产生的振动现象，而金属板自身的阻尼很小，因此声辐射效率很高。为了降低这种类型的振动和噪声，通常使用的办法是在薄板上喷涂高内阻的粘弹性材料，如橡胶、沥青或高分子材料等。当车身侧壁的金属板振动时，在阻尼的作用下，一部分能量转变为热能使振动衰减，从而降低振动和噪声。此外在选择高阻尼材料时，不仅要考虑中低频减振和吸声效果较好的材料，同时还应该考虑材料的隔热、防潮等特性。第二，降噪。对于降低车身侧壁的噪声，不仅要考虑侧墙的隔音和吸音特性，还要考虑车窗和车门的密封性。为了降低这种类型的噪声，在我国的轨道交通车辆上通常根据车身轻吸音材料量化要求，在侧板涂抹阻尼胶并以此填充海绵体和泡沫等，从而形成复合阻抗作用，使得侧墙的振动和噪声得到衰减。另外，在选择材料时还应兼顾材料的防潮、隔热以及防火等特性，综合考虑后择优选取。
　　（2）车下设备的减振降噪：车下设备的噪声主要来自车体下部的大型设备比如：牵引变流器、变压器、空压机等等。而一般减少车下设备噪音的主要措施改善车身机构，也可以在这些大型设备上使用新型的减振器，利用隔音或则吸音材料将这些大型设备的声音屏蔽起来。车下振动和噪声主要来自轮轨、主电机、齿轮和转向架周围的动力噪声和振动。首先提高轨道的平整度可大幅降低滚动噪声。日本新干线列车的轨道下铺设了一层与道碴相似的具有吸音效果的材料，其主要是由垃圾焚烧的残渣组成的，是一种非常廉价的降噪材料，通过使用这种材料可以将噪声降低约3分贝左右。其次，在轨枕和混凝土填充物之间的缝隙添加弹性材料也可降低噪音和振動。轨道车辆在运行时由于车轮高速旋转且轨道表面并非光滑且轮轨还存在一定的缺陷等原因将导致产生滚动噪声。
　　（3）转向架的减振降噪：为了保证车辆在转向时具有较大的稳定性，同时保证转向架的可靠耐久，必须尽可能地降低转向架的振动和噪声。在实际运用中，通常在高速列车上采用一系和二系弹簧悬挂、三向油压减震器以及技术来降低转向架的振动和噪声。同时为了实现较小的横向振动，高速列车还采用了轴向间隙更小的圆锥滚子轴承。此外，为了提高列车通过曲线的稳定性和舒适性，在转向架上还安装有非线性的空气弹簧，这使得当列车在走直线时空气弹簧较柔软，而当列车走曲线时，空气弹簧较硬从而在整体上改善列车的舒适度。另外，通过加大空气弹簧左右安装间距，还能有效地提高列车的抗侧滚能力。
　　4 减振技术发展方向
　　未来轨道交通的减振方向主要从主动控制和被动控制两个方面着手。主动方面的减振控制主要是通过优化轨道的结构、提高轨道尺寸计算的精度，通过控制振动源和噪声源以达到降低轨道噪声的目的，可以优化车轮的结构，车轮采用无缝接轨，同时定期打磨钢轨等，从源头上降低轨道振动的噪声。而被动控制降低噪声是未来轨道交通发展的重要方向之一，被动控制主要是采用了振动、噪声隔离或噪声的吸收技术等，从根源上吸收噪声或者切断噪声波，通过控制轨道振动噪声达到降低的作用。同时，在轨道中挖减振动沟和设置隔震槽、设置隔声屏障也是未来轨道减震技术发展的主要方向。
　　5 结语
　　随着科学技术的发展，轨道交通已深入国民的生产生活中，改变了人们的出行方式。但是由于存在较大的振动和噪声，对人们乘坐的舒适性提出更高要求，降低振动和噪声成为了目前轨道交通行业的研究重点之一。对此，业内人士需要深入发现与研究轨道交通的噪声与振动来源，并不断完善车内外及转向架的减振降噪技术，为减振降噪技术提供足够的经验指导。
　　参考文献
　　[1] 吴刚.地铁列车振动和噪声源分析及减振降噪措施[J].科技与创新，2014（05）：28-29.
　　[2] 杨弘.高速列车减振降噪技术研究[J].铁道车辆，2006（02）：9-14+45.
　　[3] 汤晏宁.城市轻轨车辆车内噪声分析及降噪研究[D].大连：大连交通大学，2005.
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