地铁车辆主动降噪措施可行性研究

地铁车辆主动降噪措施可行性研究

孟庆举1,张一帆2,曹艳艳3

1.3.中车大连机车车辆有限公司  辽宁大连  116022

2. 西安市轨道交通集团有限公司 陕西西安  710000

摘  要  近年来，地铁车辆降噪措施成为一项主要的研究课题，车辆噪声的控制水平直接影响到乘客和司乘人员的舒适性。传统的噪声控制方法对中高频噪声的控制效果明显，但对低频噪声的控制效果不好。因此提出了通过声波干涉相消原理来控制车辆噪声的主动降噪的方法。主动降噪方式可有效降低低频噪声。在地铁车辆上，主动降噪技术在司机室有一定的可行性，其中司机室座椅降噪方案是一项可行性较高的方向。

关键词 主动降噪舒适性低频噪声  司机室座椅降噪

1  前言

根据控制噪声的方法不同，控制噪声的手段分为两类：主动降噪和被动降噪。

被动降噪：无源噪声控制机理。利用材料或结构进行噪声控制，一般利用材料进行吸声、隔声、降噪或者利用消声器；如现在车辆上使用的防寒隔音材料、陶瓷纤维和降低车辆振动的措施都属于被动降噪方法。

主动降噪：有源噪声控制机理。基于声波干涉相消原理，通过作动器（如扬声器、压电堆等）产生与初始噪声反相声波来降噪。对噪声比较行之有效的主动控制方法一般按照传感器与控制驱动进行划分，包括：

主动振动控制：多采用振动加速度传感器或者压电薄膜进行测量，作动器广泛采用记忆合金材质或压电薄膜。比如在直升机变速箱到驾驶室的主要结构噪声传递路径是通过变速箱支撑支柱，支柱的横向振动取决于静态载荷，但纵向振动对该载荷相对不敏感，因此为了减少固体传声，可通过磁致伸缩致动器的在弹性变形纵向方向进行主动的振动控制[1]。

主动结构声控制：ASAC与AVC的作动器相同，但是目的不同。相对AVC，优点是可以显著减少控制通道和特定应用中所消耗的控制功率。需要一组分布在空间内的误差传感器来检测总声功率辐射作为最小化误差参数，允许参考信号通过作动器进行音调调节，通过针对性的抑制模态，在低频区域，可以很好相消干涉相邻奇数的模态辐射声，而且还会出现反向共振。相关文献表明，在结构被充分激励的情况下，噪声最少可以减少8．1dB，通过ASAC进行一体化的控制时，作动器和传感器位置通过优化[1]。

主动噪声控制：所有的声音都由一定的频谱组成，如果可以找到一种声音，其频谱与所要消除的噪声完全一样，只是相位刚好相反，就可以将这噪声完全抵消掉，如图1所示。此种技术现已在耳机以及汽车行业上普遍应用[1]。

图1 主动噪声控制原理

本次主要研究主动噪声控制技术在地铁车辆上应用的可行性。

2  主动噪声控制基本原理

主动噪声控制系统一般需要采集被控初级声场的声音信息，通常称为参考信号。参考信号送到前馈控制器，经过前馈控制器处理后，产生一个相应的控制信号y(n)，驱动喇叭输出该声音信号，通过次级通路，产生次级声场y＇(n)，和实际通过物理途径传到误差传感器的信号d(n)相叠加，误差传感器获取初级声场和次级声场叠加形成的合成信号e(n)，并送到前馈控制器中，前馈控制器根据算法实时计算出次级声源信号y(n)。其控制目标为使误差传感器检测到的误差信号e(n)的均方误差最小，实现最优控制[2]。原理图见图2。

图2 控制算法原理框图

3  地铁车辆主动降噪技术可行性分析

根据调研，ANC主动降噪技术有以下两种研究方向：

①全空间降噪：现主要应用在汽车上，使用麦克风采集发动机噪声，通过车内扬声器发出抵消声，从而实现车内整体空间降噪，如图3。

图3 汽车整车空间降噪示意图

②局部空间降噪：主要应用于降噪座椅和降噪耳机，座椅局部区域降噪，如图4所示。

图4 司机座椅降噪示意

针对地铁车辆，按上述两个方向对客室和司机室进行分析：

3.1 客室全空间主动降噪可行性分析

主动降噪控制技术成功针对低频段线谱噪声实现了指定区域的噪声控制，同时控制目标的空间特性对主动降噪的效果也有较大的影响。若对地铁车辆客室进行全空间的控制，即需要通过布置足够数量的误差传感器和扬声器来实现。图5 为螺旋桨飞机舱室的主动降噪研究试验，因飞机舱体和城轨车辆的舱体线性尺寸大小相近，同时舱体内部的降噪对象都为乘客。因此选用飞机的舱室内与城轨车辆的客室内部进行主动降噪的可行性进行分析。

图5 飞机舱室的主动降噪示意图

如图6所示为螺旋桨飞机的典型噪声频谱。噪声频率呈现出典型的线谱特征，同时噪声的主能量频率在107Hz的低频区间段。主动降噪的控制方案为，在机舱约5m×2m×2m的空间范围内，布置共20只次级声源在舱内两侧壁板，布置22只误差传声器在乘员操作台面，对5个操作台的乘员头部活动区域约0.5m×0.3m×0.3m的空间范围进行噪声控制。经过装机验证测试，实现了3.6～4.7dB(A)的平均降噪量。在噪声主频率107.5Hz处实现了15dB(A)以上的降噪量。

图6 涡桨飞机舱内降噪量频谱

以上述的飞机舱室控制方案为基础对比，因城轨车辆的运行噪声频率比螺旋桨飞机的频率高，从理论上城轨车辆客室内要达到飞机舱室的降噪效果，在相同空间范围内（5m×2m×2m），预计次级声源需要从20只至少增加至43只，误差传声器需至少要从22只增加至48只。同时，需要按比例增加与之匹配的电声器件数量。若对一节地铁车厢进行全空间采用主动降噪，仅次级声源和误差传声器就需要上百只，而且线路布置更加复杂。

地铁车辆与飞机舱室内的乘客分布以及可能的误差传感器和次级声源的布置存在以下不同：

1）侧墙区域：因为车门、车窗占据了整车绝大部分侧墙区域，因此在侧面布置主动降噪设备的所剩空间极小。

2）侧顶区域：测定版去除部分LCD显示器占有区间外，可以布置安装主动降噪设备。

3）顶部区域：顶部因为照明、风道占据绝大部分空间，无主动降噪设备安装的所需空间。

综上所述，在客室内部仅少许空间能够安装主动降噪的设备，远低于预期所需的上百个设备布置点，因此在客室内全空间区域进行主动降噪无可行性。

3.2 司机室内主动降噪可行性分析

司机室的主动降噪的目标为降低司机头部区域的噪声，现分析有以下两种方式：

①通过安装在司机室顶板、前部和侧部的次级声源来获得降噪。

②可以将次级声源安装在司机室座椅靠背上，仅针对司机室耳朵周围的较小空间进行降噪。

以下对两种降噪方法的可行性进行分析：

3.2.1司机室全空间主动降噪

司机室内的噪声源来自四面八方，无主导来波方向，且车厢内的车顶、前部、侧面、底板、后部都有噪声来源，若采取整个司机室的全空间主动降噪控制，误差传感器和次级声源将布置在前方侧顶板、司机室侧墙板、司机室顶板等位置。如图7所示。

图7司机室全空间降噪设备安装图

经过在试验线路上选取5个区段进行测试，司机室全空间降噪量数值如表1所示。

表 1 全局降噪方案试验结果/dBA

3.2.2 司机室局部空间主动降噪

整个司机室只有司机的耳朵区域为降噪控制目标，而司机耳朵距离司机室座椅靠背的距离在可行的安装位置里最近。因此，司机室采用局部空间的主动降噪的有较大的可行性。通过在司机室座椅靠背顶部安装误差传感器和次级声源，采用主动控制技术，可以在司机室耳朵周边形成一个“静音区”，设备布置见图8。

图 8 司机室局部降噪设备安装图

选取相同的5个区段进行测试，司机室局部降噪量数值如表2所示。

表 2 局部降噪方案试验结果/dBA

从降噪量测量结果来看，全局降噪方案明显差于局部降噪方案，且系统复杂度大大高于局部降噪方案，因此全局降噪不适合用于控制司机室噪声，应采用局部降噪方案；

4 结论

目前来看，在地铁车辆上，主动降噪技术在司机室有一定的可行性，其中司机室座椅局部降噪方案是一项可行性较高的方向。但所需控制的轮轨噪声频率相对较高，且轮轨噪声传递到控制目标区域途径复杂[3]。上述结果仅仅是在试验线路上进行一次试验得出的结果，具体的主动控制降噪效果和主动降噪设备对司机室影响未知，还需要通过大量的试验来进行验证。

参考文献

[1]  林森．高速列车主动降噪方法研究与对比分析[J]．电声技术，2019，43(6)：36—38．

[2]  高攀，董孝卿，陈彪，蒋成成，田朋溢.高速动车组主动降噪技术的探索与应用.铁道机车车辆，2018,38（5）:12-14,21.

[3]  陈萍，罗情平，郭建强.青岛地铁3号线北段噪声测试分析.铁道车辆,2018,56(4):27-30.