高速列車車外噪聲預測建模與聲源貢獻量分析

王德威，李帥，張捷，韓健，肖新標

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高速列車車外噪聲預測建模與聲源貢獻量分析

王德威1，李帥2，張捷1，韓健1，肖新標1

(1．西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都，610031； 2．中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京，210031)

為研究高速列車車身表面各區(qū)域聲源對列車車外噪聲的貢獻量，基于車外聲源識別和幾何聲學理論，建立高速列車車外噪聲仿真預測模型，并通過ISO標準測點處現(xiàn)場測試結果對其進行校核。利用車外聲源識別結果對車身表面處各區(qū)域聲源聲功率貢獻量進行量化排序，再借助車外噪聲預測模型計算分析各區(qū)域聲源對車外通過噪聲的貢獻量及車外通過噪聲對關鍵區(qū)域聲源強度變化的靈敏度。研究結果表明：當高速列車以300 km/h速度運行時，不同區(qū)域聲源聲功率貢獻量及其對車外通過噪聲貢獻量差異較大，其中輪軌區(qū)域聲源對總聲功率貢獻量和對車外通過噪聲的貢獻量分別為39.1%和37.6%，對列車車外噪聲起到主導作用；其次為車體下部區(qū)域聲源，貢獻量分別為25.7%和34.1%。高速列車車外通過噪聲對輪軌區(qū)域聲源和車體下部區(qū)域聲源變化的靈敏度分別為0.39和0.35，即每降低輪軌區(qū)域噪聲1 dB，可以有效降低車外通過噪聲0.39 dB。

聲學；高速列車；車外噪聲；幾何聲學；聲源貢獻

自20世紀90年代以來，科研工作者對高速列車車外通過時的噪聲進行測試和分析，得到其隨速度變化的演變規(guī)律[1]。MELLET等[2]利用距離軌道7.5 m、軌面1.2 m高處麥克風測得了TGV?Duplex型高速列車在250~350 km/h速度范圍內(nèi)以不同速度運行時車外噪聲，量化分析了列車動車、拖車對測點處噪聲的能量貢獻。GAUTIER等[3]對歐洲國家高速列車在不同速度條件下對噪聲測試結果進行了歸納分析，并基于TGV?Duplex型高速列車車外聲源識別試驗結果，對200，300和350 km/h這3種速度條件下列車的顯著聲源進行了分析。WAKABAYASHI等[4?6]對E2?1000、FASTECH360S和FASTECH360Z型高速列車在不超過360 km/h速度運行時距軌道25 m、地面1.2 m處的噪聲，評價列車聲源降噪措施的有效性。NOH等[7]測得KTX-Sancheon型高速列車以150 km/h和300 km/h速度運行時距離軌道5 m、軌面0.9 m高測點處車外噪聲時間歷程，結果顯示聲壓峰值與高速列車轉向架及車間連接區(qū)域聲壓峰值相等。在280~390 km/h速度范圍內(nèi)，HE等[8]對ISO 3095—2013標準[9]規(guī)定的評價列車車外噪聲3個標準測點處列車通過時段內(nèi)等效連續(xù)A計權聲壓級數(shù)值進行線性回歸分析，得到了各標準測點處通過噪聲隨速度的變化規(guī)律。譚曉明 等[10]通過對CIT500試驗列車在200~350 km/h速度范圍內(nèi)高速列車車外噪聲試驗研究，獲得了通過噪聲與列車運行速度的依賴關系。馬森月等[11?12]將高速列車車外噪聲聲源按高度劃分為一系列區(qū)域，計算得到每個區(qū)域聲源輻射聲功率，研究各區(qū)域聲源對總輻射噪聲的貢獻量。本文作者利用高速列車車外聲源識別結果，對車身表面處各區(qū)域聲源聲功率貢獻量進行量化排序，并基于車外聲源識別和幾何聲學理論，建立高速列車車外噪聲仿真預測模型，研究各區(qū)域聲源對車外通過噪聲的貢獻量以及車外通過噪聲對關鍵區(qū)域聲源強度變化的靈敏度，為高速列車車外噪聲控制提供參考。

1 高速列車車外噪聲預測建模

1.1 幾何聲學理論

幾何聲學中以聲線的概念代替波的概念。聲線代表點聲源發(fā)出的球面波的一部分，并攜帶其代表的立體角內(nèi)的聲能[13]。對于自由輻射的單極子聲源，以均勻球面波的形式輻射聲波，則每條聲線的聲功率可通過下式求得：

式中：為每條聲線的聲功率；為聲壓振幅；為聲線數(shù)量；為空氣密度；為聲速。

聲線沿直線以聲速朝一定的方向傳播。當遇到阻抗與空氣不同的界面時，聲線發(fā)生鏡像反射或擴散反射，在拐角或邊界面頂點處可能伴有衍射現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 聲線與界面的相互作用

當聲線發(fā)生反射時，部分聲能被吸收，剩下的聲能由反射聲線攜帶。對于光滑的界面即界面上的起伏比波長小得多時，反射服從鏡像反射規(guī)律。發(fā)生鏡像反射的聲線幅值取決于界面的法向聲阻抗率和聲線的入射角。聲線入射角為的界面吸聲系數(shù)與法向聲阻抗率之間存在如下關系：

式中：α為界面吸聲系數(shù)；n為界面法向聲阻抗率；為聲線入射角。

1.2 預測模型介紹

高速鐵路線路中橋梁占絕大部分比例[14]?；趲缀温晫W理論，建立圖2所示高速列車車外噪聲預測模型，其中參數(shù)包括列車、高架線路邊界、吸聲邊界和聲源特性等。

圖2 高速列車車外噪聲預測模型

高架線路軌面距地面高度為10.5 m。模型考慮了列車和橋梁結構，忽略了疏松土壤地面的反射。計算頻率范圍為200~5 000 Hz，空氣密度=1.225 kg/m3，空氣中聲速=340 m/s，大氣溫度為20 ℃，相對濕度為38%，背景噪聲聲壓級為54.2 dB。結構材料法向聲阻抗率n和吸聲系數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 結構材料的法向聲阻抗率Zn[15]

表2 混凝土結構吸聲系數(shù)(混響室測試值)[15]

1.3 聲源參數(shù)設置

對于運行車輛聲源定位和強度分析，聲陣列技術提供了一種高效實用的工具[16?17]。

本文利用基于波束形成算法的B&K 78通道輪輻式傳聲器陣列測試系統(tǒng)，在室外空曠場地下，測得高速列車勻速通過無聲屏障橋梁路段時車身表面各位置處聲強分布特征。陣列中心位于距軌面1.2 m高、距線路中心線7.5 m處。結合高速列車聲源分布特征和車輛結構，將車身表面劃分為輪軌區(qū)域、受電弓區(qū)域、空調(diào)設備區(qū)域、車體下部區(qū)域、車間連接區(qū)域、車頭/車尾區(qū)域、車身表面區(qū)域、車頂其他區(qū)域、排障裝置區(qū)域共9類。其中，輪軌區(qū)域覆蓋車輪和鋼軌，受電弓區(qū)域覆蓋受電弓和接觸網(wǎng)。當高速列車以300 km/h速度運行時，在200~5 000 Hz頻率范圍內(nèi)，全頻帶聲強云圖及區(qū)域劃分如圖3所示。

由圖3可見：當高速列車以300 km/h速度運行時，顯著聲源位于輪軌區(qū)域、受電弓區(qū)域和車間連接區(qū)域，這與參考文獻[18?19]中的結論一致。測得最大聲強級位于第5節(jié)車輛后端轉向架，次大聲強級位于第2節(jié)車輛前端轉向架處；其下依次位于頭車前端轉向架處和第6節(jié)車輛受電弓位置。

對各區(qū)域聲源聲功率貢獻量進行量化分析，圖4所示為高速列車以300 km/h速度運行時各區(qū)域聲源聲功率占總聲功率的百分比。

(a) 頭車和第2節(jié)車輛；(b) 第3節(jié)車輛和第4節(jié)車輛；(c) 第5節(jié)車輛和第6節(jié)車輛；(d) 第7節(jié)車輛和尾車

由圖4可見：輪軌區(qū)域聲源對總聲功率貢獻量最大，為39.1%；其次為車體下部區(qū)域聲源，聲功率貢獻量為25.7%；車身表面區(qū)域、車頂其他區(qū)域、受電弓區(qū)域聲源輻射聲功率貢獻量分別為18.3%，5.7%和4.5%，對總輻射噪聲貢獻相對較?。卉囬g連接區(qū)域、空調(diào)設備區(qū)域、車頭/車尾區(qū)域、排障裝置區(qū)域聲源聲功率貢獻量分別為2.5%，1.9%，1.5%和0.9%，對總輻射噪聲貢獻量很小。值得注意的是，雖然第6節(jié)車輛工作狀態(tài)下受電弓所在區(qū)域噪聲顯著，但由于區(qū)域面積占比較小，導致聲功率貢獻量較小。

圖4 各區(qū)域聲源聲功率貢獻量(A計權)

將輪軌區(qū)域、車體下部區(qū)域、車身表面區(qū)域和車頂其他區(qū)域沿車身方向進一步劃分為一系列子區(qū)域。每個區(qū)域簡化等效為位于車身表面附近的單極子聲源，聲源輻射聲功率根據(jù)區(qū)域面積計算得到。聲源區(qū)域劃分及仿真預測模型中等效聲源數(shù)量和高度如表3所示，等效聲源沿車身方向位置位于所對應區(qū)域中 線上。

2 高速列車車外噪聲預測分析

2.1 計算結果及分析

選擇ISO 3095—2013標準[9]規(guī)定的距離線路中心線7.5 m、軌面以上3.5 m高標準測點1及距離線路中心線25 m、軌面以上3.5 m高標準測點2作為對比對象。在標準測點1和標準測點2處，列車通過時段內(nèi)噪聲時間歷程及通過時段內(nèi)等效連續(xù)A計權聲壓級數(shù)值預測結果與實驗結果分別如圖5和圖6所示。

式中：p=2?1，為列車通過時間；1和2分別為列車通過起、止時間；pA()為噪聲瞬時A計權聲壓級。

由圖5和圖6可以看出：標準測點1和標準測點2處列車通過時段內(nèi)噪聲時間歷程預測結果與試驗結果吻合較好。同時，標準測點1處列車通過時段內(nèi)等效連續(xù)A計權聲壓級預測結果比試驗結果高0.5 dB，標準測點2處列車通過時段內(nèi)等效連續(xù)A計權聲壓級預測結果比試驗結果高0.2 dB。這主要是由于預測模型對試驗環(huán)境進行了簡化造成的?？傮w來看，該模型能夠比較準確地預測高速列車車外噪聲。

2.2 聲源貢獻量分析

基于高速列車車外噪聲仿真預測模型，分析各區(qū)域聲源對車外通過噪聲貢獻。各區(qū)域聲源對通過噪聲貢獻量可通過下式求得：

表3 聲源區(qū)域劃分及等效聲源設置

1—預測結果，=99.6 dB；2—試驗結果，=99.1 dB。

1—預測結果，=92.1 dB；2—試驗結果，=91.9 dB。

式中：p為第類區(qū)域聲源對標準測點處車外通過噪聲貢獻量；Aeq,Tp()為第類區(qū)域聲源單獨作用時，標準測點處列車通過時段內(nèi)等效連續(xù)A計權聲壓級。

選擇標準測點2為分析對象，圖7所示為各區(qū)域聲源對測點處車外通過噪聲貢獻量計算結果。

由圖7可見：輪軌區(qū)域聲源對車外通過噪聲貢獻量最大，為37.6%；其次是車體下部區(qū)域聲源，貢獻量為34.1%；車身表面區(qū)域、車頂其他區(qū)域、受電弓區(qū)域聲源對車外通過噪聲貢獻量分別為14.4%，4.6%和4.1%，合計占總噪聲的23.1%，對車外通過噪聲有一定貢獻；車間連接區(qū)域、空調(diào)設備區(qū)域、車頭/車尾區(qū)域、排障裝置區(qū)域聲源貢獻量分別為2.3%，1.6%，0.8%和0.5%，對車外通過噪聲的貢獻量很小。

圖7 各區(qū)域聲源對車外通過噪聲貢獻量

結合圖4和圖7可知：各區(qū)域聲源對車外通過噪聲貢獻量與各區(qū)域噪聲聲功率貢獻量存在對應關系，即聲功率貢獻量越大，對車外通過噪聲的貢獻量也越大。高速列車車外噪聲主導聲源為輪軌區(qū)域聲源，其次為車體下部區(qū)域聲源。

3 列車運行速度的影響

隨著列車運行速度的增加，鐵路噪聲也會隨之增加。一般地，輪軌滾動噪聲與列車運行速度所對應的30lg成正比，氣動噪聲與60lg成正比，氣動噪聲隨速度增加更快[20?21]。但是，高速列車運行速度會對各聲源區(qū)域的量化貢獻造成一定影響，目前，人們對相關量化分析還很少。為此，本文將分析速度對各區(qū)域聲源聲功率貢獻量以及速度對各區(qū)域聲源對車外通過噪聲貢獻量的影響。

3.1 對各區(qū)域聲源聲功率貢獻量的影響

利用不同速度下高速列車車外聲源識別結果，分析列車運行速度對各區(qū)域聲源聲功率貢獻量的影響。圖8所示為250，280，300，330和350 km/h5種速度下各區(qū)域聲源輻射聲功率貢獻量。

由圖8可見：在上述5種速度下，對總聲功率貢獻量相對較大的5類區(qū)域均為輪軌區(qū)域、車體下部區(qū)域、車身表面區(qū)域、車頂其他區(qū)域和受電弓區(qū)域。其中，輪軌區(qū)域聲源聲功率貢獻量最大，其次為車體下部區(qū)域聲源。隨著列車運行速度的增加，輪軌區(qū)域和車體下部區(qū)域聲源聲功率貢獻量呈減小趨勢，輪軌區(qū)域聲源貢獻量從41.4%降至37.0%；車體下部區(qū)域聲源貢獻量從28.0%降至25.1%；車身表面區(qū)域、車頂其他區(qū)域和受電弓區(qū)域聲源聲功率貢獻量呈增加趨勢，車身表面區(qū)域聲源貢獻量從15.7%增至19.6%，車頂其他區(qū)域聲源貢獻量從5.6%增至6.0%，受電弓區(qū)域聲源貢獻量從3.5%增至5.3%。這是由于列車運行速度增加時，氣動噪聲增加速度相對于輪軌噪聲更快，導致氣動噪聲顯著的車身表面區(qū)域、車頂其他區(qū)域和受電弓區(qū)域聲源聲功率貢獻量越來越大。

1—輪軌區(qū)域；2—受電弓區(qū)域；3—空調(diào)設備區(qū)域；4—車體下部區(qū)域；5—車間連接區(qū)域；6—車頭/車尾區(qū)域；7—車身表面區(qū)域；8—車頂其他區(qū)域；9—排障裝置區(qū)域。

3.2 對各區(qū)域聲源對車外通過噪聲貢獻量的影響

建立250，280，330和350 km/h 4種速度下高速列車車外噪聲預測模型，分別計算得到各區(qū)域聲源對車外通過噪聲的貢獻量。圖9所示為不同速度下各區(qū)域聲源對通過噪聲貢獻量計算結果。

由圖9可見：各區(qū)域聲源對車外通過噪聲貢獻量及其隨速度的變化趨勢與圖8所示各區(qū)域聲源聲功率貢獻量及其隨速度的變化趨勢相似。

隨著列車運行速度的增加，輪軌區(qū)域和車體下部區(qū)域聲源對車外通過噪聲貢獻量呈減小趨勢，輪軌區(qū)域聲源貢獻量從39.7%降至36.2%，車體下部區(qū)域聲源貢獻量從35.8%降至32.9%；車身表面區(qū)域、車頂其他區(qū)域和受電弓區(qū)域聲源對車外通過噪聲貢獻量呈增加趨勢，車身表面區(qū)域聲源貢獻量從12.3%增至15.6%，車頂其他區(qū)域聲源貢獻量從4.5%增至4.8%，受電弓區(qū)域聲源貢獻量從3.1%增至4.9%。

1—輪軌區(qū)域；2—受電弓區(qū)域；3—空調(diào)設備區(qū)域；4—車體下部區(qū)域；5—車間連接區(qū)域；6—車頭/車尾區(qū)域；7—車身表面區(qū)域；8—車頂其他區(qū)域；9—排障裝置區(qū)域。

4 聲源貢獻靈敏度分析

為了調(diào)查各區(qū)域聲源強度變化對高速列車車外通過噪聲的影響，統(tǒng)計5類區(qū)域聲源聲功率級頻譜200~ 5 000 Hz全頻帶范圍內(nèi)分別減小1，3和5 dB及增加1，3和5 dB共6種條件下標準測點2處列車通過時段內(nèi)等效連續(xù)A計權聲壓級計算結果，如圖10所示。

1—輪軌區(qū)域；2—車體下部區(qū)域；3—車身表面區(qū)域；4—車頂其他區(qū)域；5—受電弓區(qū)域。

由圖10可見：當各區(qū)域聲源聲功率級變化量相同時，對車外通過噪聲的影響幅度不一。進一步對計算結果進行線性擬合，得到回歸方程：

采用回歸方程斜率表示列車車外通過噪聲對各區(qū)域聲源變化的靈敏度。各區(qū)域聲源對應回歸方程斜率、截距和相關系數(shù)2計算結果如表4所示。

由表4可知：當各區(qū)域聲源聲功率級頻譜在?5~ 5 dB之間變化時，輪軌區(qū)域聲源和車體下部區(qū)域聲源變化對列車車外通過噪聲的影響較大，靈敏度分別為0.39和0.35，換言之，每降低輪軌區(qū)域噪聲1 dB，可以有效降低車外通過噪聲0.39 dB；車身表面區(qū)域、車頂其他區(qū)域和受電弓區(qū)域聲源變化對列車車外通過噪聲的影響較小，靈敏度分別為0.16，0.05和0.05。

表4 回歸方程斜率b、截距a和相關系數(shù)R2

5 結論

1) 當列車以300 km/h速度運行時，輪軌區(qū)域聲源聲功率貢獻量最大，為39.1%；其次為車體下部區(qū)域，聲功率貢獻量為25.7%。

2) 采用本文建立的高速列車車外噪聲仿真預測模型，所得標準測點1處列車通過時段內(nèi)等效連續(xù)A計權聲壓級預測結果比試驗結果高0.5 dB，標準測點2處列車通過時段內(nèi)等效連續(xù)A計權聲壓級預測結果比試驗結果高0.2 dB，說明該仿真預測模型能夠比較準確地預測高速列車車外噪聲。

3) 當高速列車以300 km/h速度運行時，輪軌區(qū)域聲源對車外通過噪聲貢獻量最大，為37.6%；其次是車體下部區(qū)域聲源，貢獻量為34.1%。

4) 高速列車車外噪聲主導聲源為輪軌區(qū)域聲源，其次為車體下部區(qū)域聲源。每降低輪軌區(qū)域噪聲 1 dB，可以有效降低車外通過噪聲0.39 dB。

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Prediction of external noise of high-speed train and analysis of noise source contribution

WANG Dewei1, LI Shuai2, ZHANG Jie1, HAN Jian1, XIAO Xinbiao1

(1. State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. CRRC Nanjing Puzhen Co. Ltd., Nanjing 210031, China)

In order to study the contributions of the noise sources in different high-speed train body areas to the external noise, the model for predicting and simulating the external noise of high-speed train was established based on the external noise source identification of train and the theory of geometrical acoustics. The prediction model was checked by the results measured at the filed positions according to ISO standard. Furthermore, the contributions of the noise sourcesin different train body areas to the total sound powerwere quantitatively sorted based on the results of train noise source identification. The contributions of noise sourcesin different train body areas to the pass-by noise of train and the sensitivities of pass-by noise to changes in the intensity of noise sources in key areas were calculated and analyzed by using the prediction model. The results show that when the high-speed train runs at the speed of 300 km/h, the contributions of noise sourcesin different areas to total sound power and the contributions to the pass-by noise of train are quite different. The contributions of noise sources in wheel-rail area to the total sound power and pass-by noiseare 39.1% and 37.6%, respectively, which play a dominant role in the production of the external noise, and follows by the noise sources in the lower area of train body follow, which are 25.7% and 34.1%, respectively. The sensitivities ofpass-by noiseto the changes in the intensity of noise sourcesin the wheel-rail area and the lower area of train body are 0.39 and 0.35, respectively. In other words, the pass-by noise can effectively reduce 0.39 dB if the sound power level of noise sources in wheel-rail area decreases every 1 dB.

acoustics; high-speed train; external noise; geometrical acoustics; noise source contribution

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.12.026

U 271.91

A

1672?7207(2018)12?3113?08

2018?01?09；

2018?03?25

國家自然科學基金資助項目(U1434201，51475390)；國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB1200503-02，2016YFB1200506-08) (Projects(U1434201, 51475390) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(2016YFB1200503-02, 2016YFB1200506-08) supported by the National Key R&D Program of China)

肖新標，博士，副研究員，從事鐵路噪聲與振動研究；E-mail：xinbiaoxiao@163.com

(編輯 劉錦偉)