CN110626364A - 一种轨道车辆冷却系统隔声结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种轨道车辆冷却系统隔声结构及其制作方法，所述轨道车辆冷却系统隔声结构，包括：穿孔面板、背板、隔板和吸声管；通过吸声管与空腔之间形成共振结构，通过调制吸声管的长度和空腔的厚度来控制共振结构，用于吸收冷却塔系统的低频噪声，同时不同的共振结构的共振频率可以调制到不同频率区间，从而拓宽了组合结构的隔声频带宽度。同时本发明提出的隔声结构主要依靠吸声管和空腔之间的共振，吸声管内的阻尼可以增加结构对低频声波的共振吸声作用，从而进一步提升结构对低频声波的吸收。

Description

一种轨道车辆冷却系统隔声结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及轨道车辆技术领域，尤其涉及一种轨道车辆冷却系统隔声结构及其制作方法。

背景技术

轨道车辆的通风冷却系统是轨道车辆的重要组成部分，主要包括风机、换热器、油冷和水冷管路等。随着轨道车辆运行速度的进一步提升，牵引系统需要冷却的功率随之增大，因此需要配置更大冷却功率的冷却系统对其进行冷却。由于冷却功率的增大会带来冷却系统体积和重量的增加，同时也导致冷却系统振动噪声的加剧。

其中，轨道车辆冷却系统的振动噪声主要集中在中低频，传统的冷却系统降噪主要通过多孔介质的吸声隔声性能来隔离或吸收噪声。然而，传统的多孔吸声材料要有效降低低频噪声就必须大幅增大吸声材料的厚度或吸声结构的空腔厚度，并且传统材料控制低频声波时吸声带宽不能覆盖宽频带的低频噪声。

因此如何在冷却系统设备有限厚度内实现低频、宽带、高效吸声，是冷却系统系统噪声控制亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种轨道车辆冷却系统隔声结构及其制作方法，以解决现有技术中隔声结构占据空间较大或无法吸收宽频带低频噪声的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种轨道车辆冷却系统隔声结构，安装在轨道车辆冷却塔的基体板材上，所述轨道车辆冷却系统隔声结构包括：

穿孔面板、背板、隔板和吸声管；

所述背板固定在所述基体板材上；

所述穿孔面板与所述背板相对设置；

所述隔板连接所述穿孔面板和所述背板，形成多个空腔；

所述穿孔面板上设置有多个贯穿孔；

所述吸声管通过所述贯穿孔，插入到所述空腔中，所述吸声管的一端固定在所述穿孔面板上，另一端悬空在所述空腔中。

优选地，所述穿孔面板和所述背板均为铝板、纸板、PVC板或碳纤维板。

优选地，所述穿孔面板的厚度范围为0.5mm-1mm，包括端点值。

优选地，所述穿孔面板的穿孔率为1％-5％，包括端点值。

优选地，所述吸声管的孔内直径为2mm-8mm，包括端点值。

优选地，所述吸声管位于所述空腔内的长度的变化范围为10mm-50mm，包括端点值。

优选地，所述隔板为纸蜂窝板材或铝蜂窝板材。

优选地，还包括子隔板，所述子隔板固定连接所述穿孔面板和所述隔板，形成厚度小于穿孔面板和背板之间厚度的空腔。

优选地，所述空腔的个数为四个，四个空腔的厚度分别为20mm-50mm、50mm-70mm、70mm-80mm、80mm-100mm。

优选地，所有所述空腔的厚度相同。

本发明还提供一种轨道车辆冷却系统隔声结构的制作方法，用于制作形成上面任意一项所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，所述制作方法包括：

对所述轨道车辆冷却系统的辐射噪声进行测试；

拾取所述辐射噪声的时域声波信号，进行傅里叶变换，得到频域声波信号的频谱数据；

对所述频谱数据分析得到所述冷却系统的噪声辐射频段；

基于所述噪声辐射频段，计算得到隔声结构的各部件对应的参数。

优选地，所述对所述频谱数据分析得到所述冷却系统的噪声辐射频段，具体包括：

从所述频谱数据中获取得到所述冷却系统的所有噪声辐射频段；

将所述噪声辐射频段与预设频段范围进行比较，剔除噪声辐射频段较少的频段，得到所述冷却系统的主要的噪声辐射频段。

优选地，所述隔声结构的各部件对应的参数包括：

吸声管的长度、吸声管的直径、空腔的厚度和穿孔面板的穿孔率。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的轨道车辆冷却系统隔声结构，包括：穿孔面板、背板、隔板和吸声管；通过吸声管与空腔之间形成共振结构，通过调制吸声管的长度和空腔的厚度来控制共振结构，用于吸收冷却塔系统的低频噪声，同时不同的共振结构的共振频率可以调制到不同频率区间，从而拓宽了组合结构的隔声频带宽度。同时本发明提出的隔声结构主要依靠吸声管和空腔之间的共振，吸声管内的阻尼可以增加结构对低频声波的共振吸声作用，从而进一步提升结构对低频声波的吸收。

本发明从冷却系统的低频辐射频率特征出发，通过将冷却系统辐射的低频噪声的频段进行划分，针对各个子频带分别设计高效隔声结构，从而达到从减振降噪机理上抑制冷却系统低频辐射噪声的问题。同时本发明通过多层材料的声传递矩阵理论，给出了高效隔声结构的设计理论。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种轨道车辆冷却系统隔声结构剖面结构示意图；

图2为图1所示轨道车辆冷却系统隔声结构的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种轨道车辆冷却系统隔声结构剖面结构示意图；

图4为本发明实施例提供的再一种轨道车辆冷却系统隔声结构剖面结构示意图；

图5为图4所示轨道车辆冷却系统隔声结构的俯视结构示意图；

图6为图2所示的轨道车辆冷却系统隔声结构和相同质量的壁板结构以及三聚氰胺泡沫的正入射隔声量对比；

图7为图2所示的轨道车辆冷却系统隔声结构的吸声系数；

图8为图3所示的轨道车辆冷却系统隔声结构和相同质量的壁板结构以及三聚氰胺泡沫的正入射隔声量对比；

图9为本发明实施例提供的一种轨道车辆冷却系统隔声结构的制作方法。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，传统的冷却系统降噪装置体积较大，且无法实现宽频带，覆盖低频噪声。

发明人发现出现上述现象的原因是，传统的吸声材料是通过材料内部的孔隙结构对入射声波产生粘性耗散，材料对声波的粘性作用最终转化成热量，从而实现对声波的吸收。由于传统材料的粘性作用只对高频的声波产生大的阻尼，材料的内部孔隙的边界层基本不能对低频声波产生粘性作用，因而传统材料无法吸收低频噪声。

而且，冷却塔的低频振动噪声主要是分布在500Hz以下的低频噪声，传统材料如三聚氰胺泡沫等吸声材料存在低频吸声性能的不足，同时传统隔声材料如金属铝板、钢板等结构受到质量作用定律的限制，也存在低频隔声量不足。因此亟需从冷却塔的低频辐射噪声的频率特性出发，设计高效低频共振隔声结构，提高传统材料和结构的低频隔声性能。

为提升传统多孔材料的低频吸声性能，本发明提供一种轨道车辆冷却系统隔声结构，其特征在于，安装在轨道车辆冷却塔的基体板材上，所述轨道车辆冷却系统隔声结构包括：

穿孔面板、背板、隔板和吸声管；

所述背板固定在所述基体板材上；

所述穿孔面板与所述背板相对设置；

所述隔板连接所述穿孔面板和所述背板，形成多个空腔；

所述穿孔面板上设置有多个贯穿孔；

所述吸声管通过所述贯穿孔，插入到所述空腔中，所述吸声管的一端固定在所述穿孔面板上，另一端悬空在所述空腔中。

本发明提供的轨道车辆冷却系统隔声结构，包括：穿孔面板、背板、隔板和吸声管；通过吸声管与空腔之间形成共振结构，通过调制吸声管的长度和空腔的厚度来控制共振结构，用于吸收冷却塔系统的低频噪声，同时不同的共振结构的共振频率可以调制到不同频率区间，从而拓宽了组合结构的隔声频带宽度。同时本发明提出的隔声结构主要依靠吸声管和空腔之间的共振，吸声管内的阻尼可以增加结构对低频声波的共振吸声作用，从而进一步提升结构对低频声波的吸收。

本发明从冷却系统的低频辐射频率特征出发，通过将冷却系统辐射的低频噪声的频段进行划分，针对各个子频带分别设计高效隔声结构，从而达到从减振降噪机理上抑制冷却系统低频辐射噪声的问题。同时本发明通过多层材料的声传递矩阵理论，给出了高效隔声结构的设计理论。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种轨道车辆冷却系统隔声结构，安装在轨道车辆冷却塔的基体板材上，所述轨道车辆冷却系统隔声结构包括：

穿孔面板、背板、隔板和吸声管；

所述背板固定在所述基体板材上；

所述穿孔面板与所述背板相对设置；

所述隔板连接所述穿孔面板和所述背板，形成多个空腔；

所述穿孔面板上设置有多个贯穿孔；

所述吸声管通过所述贯穿孔，插入到所述空腔中，所述吸声管的一端固定在所述穿孔面板上，另一端悬空在所述空腔中。

需要说明的是，本发明实施例中不限定空腔的具体个数，可以根据实际情况进行设计。本发明实施例中也不限定穿孔面板、背板、隔板和吸声管的具体材质，下面结合具体实施例对本发明实施例中提供的隔声结构进行详细说明。

请参见图1和图2，其中，图1为本发明实施例提供的一种轨道车辆冷却系统隔声结构剖面结构示意图；图2为图1所示轨道车辆冷却系统隔声结构的俯视结构示意图；本实施例中空腔包括4个，在其他实施例中还可以设置为其他数量。隔声结构包括穿孔面板2、吸声管3、隔板4和背板5。其中，背板5固定在冷却系统基体板材1上，穿孔面板2上有周期分布的穿孔；吸声管3直接插入到穿孔面板的穿孔内；隔板可以是纸蜂窝、铝蜂窝等轻量化板材，用于分割形成四种共振结构的空腔，其中穿孔面板2和隔板3以及背板5通过胶粘连，吸声管3通过穿孔面板的穿孔直接插入到穿孔内，通过胶与穿孔面板固定。其中吸声管的孔内直径d为2mm-8mm，吸声管的长度可以根据实际需要控制噪声的频率特征去设计，吸声管长度的变化范围为10mm-50mm；穿孔板的穿孔率σ为1％-5％，隔板的厚度为1mm；穿孔面板2和背板5的材质相同，均可以是薄铝板、纸板、PVC板和碳纤维板等，其厚度为0.5mm-1mm；其中四种共振单元具有的空腔厚度相等，空腔的厚度均为20mm-50mm。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，隔声结构还可以包括子隔板，所述子隔板固定连接所述穿孔面板和所述隔板，形成厚度小于穿孔面板和背板之间厚度的空腔。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种轨道车辆冷却系统隔声结构剖面结构示意图；该装置由带四种局域共振腔组成。包括穿孔面板2，吸声管3、隔板4和背板5。穿孔面板2上有周期分布的穿孔；吸声管3直接插入到穿孔面板的穿孔内；隔板可以是纸蜂窝、铝蜂窝等轻量化板材，用于分割形成四种共振结构的空腔，其中穿孔面板和隔板以及背板通过胶粘连，吸声管通过穿孔面板的穿孔直接插入到穿孔内，通过胶与面板固定。其中吸声管的孔内直径d为1-8mm，吸声管的长度为10mm-50mm；穿孔面板的穿孔率σ为1％-5％，隔板4的厚度为0.6mm-1mm；穿孔面板2和背板5的材质相同，均可以是薄铝板、纸板、PVC板和碳纤维板等，其厚度为0.5mm-1mm。

本发明实施例中与图1和图2中所示的隔声结构不同的是，还包括固定连接隔板4和穿孔面板2的子隔板40，通过调节子隔板40的位置，可以形成厚度不同的四种空腔，其中四种空腔的厚度分别是为20mm-50mm、50mm-70mm、70mm-80mm、80mm-100mm。

需要说明的是，本发明实施例中不限定空腔的个数，例如图4和图5所示，空想个数还可以为8个，或者更多或者更少，具体空腔个数以及穿孔的分布情况、吸声管长度以及隔板的厚度，空腔的厚度均根据实际情况进行设置即可。只要吸声管与空腔之间形成共振结构，通过调节隔声结构的参数，实现吸收低频噪声即可。本发明实施例中对具体参数不进行限定。

为了验证本发明实施例中提供的轨道车辆冷却系统隔声结构的实际效果，发明人通过实验得到验证，请参见图6-图8，其中，图6为图2所示的轨道车辆冷却系统隔声结构和相同质量的壁板结构以及三聚氰胺泡沫的正入射隔声量对比；图7为图2所示的轨道车辆冷却系统隔声结构的吸声系数；图8为图3所示的轨道车辆冷却系统隔声结构和相同质量的壁板结构以及三聚氰胺泡沫的正入射隔声量对比。

从图6可以看出：本发明提出的轨道车辆冷却系统隔声结构(即图2中低频共振结构)加上壁板(即图2中的冷却塔的基体板材1)和相同质量的壁板结构(冷却塔的基体板材1)结构相比，可以提高100Hz-500Hz的低频隔声量，同时从图7可以看出，轨道车辆冷却系统隔声结构(即图7中的薄层共振隔声结构)在160Hz-380Hz以上吸声系数均大于0.5，可见本发明提出的轨道车辆冷却系统隔声结构具有低频宽带的高效吸声、隔声性能，并且整个吸声、隔声结构的尺寸仅仅是控制声波波长的1/28，达到了体积较小的薄层材料控制大波长的目的。冷却系统的振动噪声主要集中在低频500Hz以内，本发明提出的低频隔声、吸声结构可以有效地吸收和隔离冷却系统系统的低频100Hz-500Hz辐射噪声，从而达到对冷却系统的噪声控制。

从图8可以看出：本发明提出的第二种薄层低频共振结构(也即本发明实施例图3所示的结构)加上壁板(即图2中的冷却塔的基体板材1)和相同质量的壁板结构(冷却塔的基体板材1)相比，可以提高100Hz-300Hz的低频隔声量，同时本发明提供的隔声结构和传统的三聚氰胺泡沫加上冷却塔的基体板材相比可以大大提高100Hz-1000Hz的隔声量，可见局域共振结构在低频的频率区间内具有高效的隔声性能，并且整个隔声结构的尺寸仅仅是控制声波波长的1/26，达到了薄层材料控制大波长的目的。此外通过调节隔板厚度来实现不同空腔厚度的设计，可以进一步使得组合结构吸声、隔声的频率调制到低频，从而实现对不同频率区间声波的抑制。

本发明提供的轨道车辆冷却系统隔声结构，包括：穿孔面板、背板、隔板和吸声管；通过吸声管与空腔之间形成共振结构，通过调制吸声管的长度和空腔的厚度来控制共振结构，用于吸收冷却塔系统的低频噪声，同时不同的共振结构的共振频率可以调制到不同频率区间，从而拓宽了组合结构的隔声频带宽度。同时本发明提出的隔声结构主要依靠吸声管和空腔之间的共振，吸声管内的阻尼可以增加结构对低频声波的共振吸声作用，从而进一步提升结构对低频声波的吸收。

基于相同的发明构思，本发明还提供一种轨道车辆冷却系统隔声结构的制作方法，用于制作形成上面实施例中所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，如图9所示，所述制作方法包括：

S101：对所述轨道车辆冷却系统的辐射噪声进行测试；

S102：拾取所述辐射噪声的时域声波信号，进行傅里叶变换，得到频域声波信号的频谱数据；

S103：对所述频谱数据分析得到所述冷却系统的噪声辐射频段；

为了避免数据处理过多，本发明实施例中，可以仅基于冷却系统的主要噪声辐射频段进行计算得到隔声结构的各个部件对应的参数，得到冷却系统的噪声辐射频段具体包括：

从所述频谱数据中获取得到所述冷却系统的所有噪声辐射频段；

将所述噪声辐射频段与预设频段范围进行比较，剔除噪声辐射频段较少的频段，得到所述冷却系统的主要的噪声辐射频段。

S104：基于所述噪声辐射频段，计算得到隔声结构的各部件对应的参数。

其中，所述隔声结构的各部件对应的参数包括：吸声管的长度、吸声管的直径和穿孔面板的穿孔率等参数。

具体的，本发明实施例中的轨道车辆冷却系统隔声结构可以通过传递矩阵的方法来设计，以图1所示的轨道车辆冷却系统隔声结构设计为例，轨道车辆冷却系统隔声结构的理论设计方法包括：

步骤一：根据冷却系统辐射噪声的主要辐射频率集中在000Hz-500Hz，因此将图2中的四种共振结构的共振频率分别设置在200Hz-260Hz、260Hz-320Hz、320Hz-400Hz、400Hz-500Hz之间。

步骤二、第一个低频共振结构(即空腔)的声阻抗Z_p1为：

Z_p1＝r_p+jωm_p-jcot(ωD/c) (1)

其中，穿孔面板常数为：

上述的各个式子中，r_p为相对声阻率，m_p为相对声质量，ρ为空气密度，c为空气中的声速，ω为角频率，t为吸声管的长度，d是吸声管的直径；p为面板的穿孔率；f为声波频率，h为空气的粘滞系数，D为空腔的厚度。

同理也可以求解得到图2中其他三种共振结构的表面声阻抗为：Z_P2,Z_P3,Z_P4。由于声波正入射到共振结构的表面，声波被单个结构吸收概率为1/4，单个吸声结构起到的是分流效应，因此多个共振结构之间为并联结构。根据并联结构的等效电路的理论，四种吸声管共振器的表面声阻抗率为：

则复合结构总的传递矩阵为：

而冷却系统基体面板的质量为M₀，其中Z_M＝jωM₀为冷却系统结构的等效阻抗，则冷却系统基体面板的传递矩阵为：

将共振结构附加在冷却系统的基体板材内壁面之后，根据多层结构的传递矩阵理论可以得到组合结构的传递矩阵为：

则组合结构的隔声量为：

T＝20*log10(abs(T₁₁+T₁₁/Z_a+T₂₁Z_a+T₁₁)/2) (9)

可见，根据上述理论设计方法，能够计算得到轨道车辆冷却系统隔声结构的吸声管的长度、吸声管的直径和穿孔面板的穿孔率等参数。根据这些参数，生产对应的轨道车辆冷却系统隔声结构即可。

本发明从冷却系统的低频辐射频率特征出发，通过将冷却系统辐射的低频噪声的频段进行划分，针对各个子频带分别设计高效隔声结构，从而达到从减振降噪机理上抑制冷却系统低频辐射噪声的问题。同时本发明通过多层材料的声传递矩阵理论，给出了高效隔声结构的设计理论。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (13)

1.一种轨道车辆冷却系统隔声结构，其特征在于，安装在轨道车辆冷却塔的基体板材上，所述轨道车辆冷却系统隔声结构包括：

穿孔面板、背板、隔板和吸声管；

所述背板固定在所述基体板材上；

所述穿孔面板与所述背板相对设置；

所述隔板连接所述穿孔面板和所述背板，形成多个空腔；

所述穿孔面板上设置有多个贯穿孔；

所述吸声管通过所述贯穿孔，插入到所述空腔中，所述吸声管的一端固定在所述穿孔面板上，另一端悬空在所述空腔中。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，其特征在于，所述穿孔面板和所述背板均为铝板、纸板、PVC板或碳纤维板。

3.根据权利要求2所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，其特征在于，所述穿孔面板的厚度范围为0.5mm-1mm，包括端点值。

4.根据权利要求1所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，其特征在于，所述穿孔面板的穿孔率为1％-5％，包括端点值。

5.根据权利要求1所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，其特征在于，所述吸声管的孔内直径为2mm-8mm，包括端点值。

6.根据权利要求1所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，其特征在于，所述吸声管位于所述空腔内的长度的变化范围为10mm-50mm，包括端点值。

7.根据权利要求1所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，其特征在于，所述隔板为纸蜂窝板材或铝蜂窝板材。

8.根据权利要求1所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，其特征在于，还包括子隔板，所述子隔板固定连接所述穿孔面板和所述隔板，形成厚度小于穿孔面板和背板之间厚度的空腔。

9.根据权利要求8所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，其特征在于，所述空腔的个数为四个，四个空腔的厚度分别为20mm-50mm、50mm-70mm、70mm-80mm、80mm-100mm。

10.根据权利要求1所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，其特征在于，所有所述空腔的厚度相同。

11.一种轨道车辆冷却系统隔声结构的制作方法，其特征在于，用于制作形成权利要求1-10任意一项所述的轨道车辆冷却系统隔声结构，所述制作方法包括：

对所述轨道车辆冷却系统的辐射噪声进行测试；

拾取所述辐射噪声的时域声波信号，进行傅里叶变换，得到频域声波信号的频谱数据；

对所述频谱数据分析得到所述冷却系统的噪声辐射频段；

基于所述噪声辐射频段，计算得到隔声结构的各部件对应的参数。

12.根据权利要求11所述的轨道车辆冷却系统隔声结构的制作方法，其特征在于，所述对所述频谱数据分析得到所述冷却系统的噪声辐射频段，具体包括：

从所述频谱数据中获取得到所述冷却系统的所有噪声辐射频段；

将所述噪声辐射频段与预设频段范围进行比较，剔除噪声辐射频段较少的频段，得到所述冷却系统的主要的噪声辐射频段。

13.根据权利要求11所述的轨道车辆冷却系统隔声结构的制作方法，其特征在于，所述隔声结构的各部件对应的参数包括：

吸声管的长度、吸声管的直径、空腔的厚度和穿孔面板的穿孔率。