车体铝型材几何参数对动车组声学特性的研究及其对策

熊 力，李美领，沈立伟，安小平，姜 鑫

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035）

依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》和国家“十三五”科学和技术发展规划，开展具有完全自主知识产权、达到世界先进水平的动车组的研制工作。中车唐山公司联合兄弟工厂和科研院所，研制一列具有产品平台特征的运营速度300 km/h“复兴号”中国标准动车组，如图1所示。该类型动车组具有完全自主知识产权，可实现动车组互联互通及零部件统型，并达到减少备品备件的品种和数量，降低运用维护成本，提升产品的运用经济性。

图1 中国标准动车组

1 车体铝型材几何参数变化情况

相对于之前运行的CRH380B型动车组而言，标准动车组为了实现车辆的轻量化，车体铝型材厚度整体变薄，车辆高度相对提高。标准动车组和CRH380B型动车组的车体横截面对比，如图2所示。

图2 车体横截面对比

标准动车组和CRH380B型动车组车体铝型材厚度的对比见表1。

表1 车体铝型材厚度对比

从表1看出，标准动车组的车体铝型材厚度整体变薄，特别是平顶结构，这将对车辆的隔声性能造成重要影响，同时还将影响车体的结构模态特性。

2 车体的隔声特性分析

标准动车组车体铝型材隔声特性仿真分析基于混合有限元-统计能量法（HybridFE-SEA）和周期子结构原理（Periodic Subsystem）。根据车体地板、平顶、顶板、侧墙的实际尺寸，建立各个部件的隔声仿真分析模型，如图3所示。

图3 标准动车组车体铝型材隔声计算模型

标准动车组车体铝型材隔声特性计算结果，以及和CRH380B型动车组相同位置的隔声特性计算结果对比，如图4所示。

铝型材的材料参数为：密度2700 kg/m3，弹性模量7.1×1010Pa，泊松比0.33。

由图4（a）可见，标准动车组的铝型材地板计权隔声量为20.5 dB，相比于CRH380B型动车组铝型材地板的24.7 dB，降低了4.2 dB。其中隔声量降低的频率范围主要为800 Hz以上的中高频。

由图4（b）可见，标准动车组的铝型材平顶计权隔声量为23.6 dB，相比于CRH380B型动车组铝型材平顶的31.1 dB，降低了7.5 dB。其中，隔声量在整个1/3倍频程都显著降低，这和平顶结构整体变薄有关。

由图4（c）可见，标准动车组的铝型材顶板计权隔声量为20.2 dB，相比于CRH380B型动车组铝型材顶板的19.7 dB，提高了0.5 dB。其中，隔声量主要在中心频率100～315 Hz的1/3倍频带有一定程度的提高。

由图4（d）可见，标准动车组的铝型材侧墙计权隔声量为25.5 dB，相比于CRH380B型动车组铝型材侧墙的22.5 dB，提高了3.0 dB。其中，隔声量主要在中心频率100～630 Hz的1/3倍频带有一定程度的降低，但是在800 Hz以上的中高频有明显的提高。

图4 标准动车组与CRH380B动车组车体铝型材隔声对比

标准动车组车体铝型材厚度相对于CRH380B型动车组而言整体上变薄，但是计算结果显示车体不同结构的隔声特性变化却不一样。一般而言，铝型材结构的隔声量除了与型材厚度有关之外，还受到筋板形式、空腔厚度等结构本身特性的影响。标准动车组车体铝型材的结构横截面如图5所示。不同区域的车体铝型材结构存在一定差异。

图5 标准动车组车体铝型材截面图

为了进一步研究铝型材结构本身的特性对其隔声性能的影响，选取标准动车组铝型材的筋板形式作为研究对象，计算不同筋板形式对铝型材隔声性能的影响。隔声量计算结果如图6所示。

图6 铝型材筋板结构对其隔声特性的影响

由图6（a）可见，将标准动车组地板铝型材的筋板结构由原来的梯形分布改变为三角形分布之后，其计权隔声量由20.5 dB提高到22.9 dB，提高了2.4 dB。其中，隔声量主要在中心频率400～1600 Hz的1/3倍频带有一定程度的提高。

由图6（b）可见，将标准动车组侧墙铝型材的筋板结构由原来的三角形分布改变为梯形分布之后，其计权隔声量由25.5 dB降低到22.8 dB，降低了2.7 dB。其中，隔声量主要在中心频率800～3150 Hz的1/3倍频带有一定程度的提高。

因此，就这2种车体铝型材结构而言，其筋板采用三角形布置相对于梯形布置，有利于提高结构的隔声水平。但是，车体铝型材的隔声机理复杂，针对不同的铝型材结构，应当综合考虑多种参数的相互作用。

3 整改措施

标准动车组车体铝型材结构由于其厚度整体变薄，隔声性能有所降低。为了达到控制车内噪声的目标，车体各个部位的隔声性能需要进一步加强，即结合车体部件的隔声测试优化其隔声方案设计。

针对标准动车组的自身特点，从材料、结构出发，对重点区域进行重点处理、加强设计，综合振动噪声全面控制技术，从隔声、隔振、密封、阻尼、吸声等多方面下手进行减振降噪。

3.1 优化头型的细长比

当列车速度大于250 km/h时，气动噪声越来越重要，随行车速度的增加急速增长。在原CRH380B基础上增加了头型的细长比，这可以有效减小头车的气动噪声，两种头型对比如图7所示。

图7 两种头型对比

3.2 车体喷涂阻尼浆

经过市场调研、对比分析，选用了国外进口公司的阻尼浆，它是一种水基型乳液，具有优良的阻尼特性，有效抑制构件的共振，并可以牢固的吸附在车体内外表面上，即使喷涂了底漆也不影响其黏结强度。

在车体型腔铺设聚氨酯吸音绝热棉，其减噪系数（NRC）达到了0.85。

3.3 “三明治”结构的隔音保温材

轮轨噪声作为一个不可忽视的主要声源，经过对标准动车组进行线路实测，速度350 km/h时，客室内噪声频率主要分布在中低频100～1500 Hz。为此，选定了“三明治”结构的隔音保温材，如图8所示。

图8 车体地板区域隔音结构示意图

4 总结

标准动车组车体铝型材几何参数进行了整改，在车体轻量化上取得显著的效果，但车体质量与振动噪声之间存在的“跷跷板”的关系，分析验证了车体隔声性能有所降低，通过在重点部位的技术改造，整车噪音指标达到了铁总下发2014-50号［1］的要求。文中表明，噪声的控制不能单单依靠某一个部位，需整个系统的整合，才能实现轻量化与降噪的完美结合。