地鐵調(diào)車室內(nèi)噪聲的同步測(cè)試與分析

王筱野， 蘇燕辰， 靳 行

(1. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031; 2. 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著我國(guó)鐵路科技的飛速發(fā)展，地鐵調(diào)車駕駛員對(duì)司機(jī)室的噪聲環(huán)境要求也逐漸提高。中外對(duì)機(jī)車噪聲的測(cè)試與控制也發(fā)展已久，宋斌[1]在對(duì)東風(fēng)4B型機(jī)車的噪聲測(cè)試中測(cè)試兩端司機(jī)室的噪聲值后，從設(shè)計(jì)和工藝方面提出整改措施；張秀華[2]在兩種型號(hào)的動(dòng)車組車廂中部進(jìn)行噪聲信號(hào)頻譜分析后，發(fā)現(xiàn)隨著車速的提升，車內(nèi)各頻段內(nèi)的聲壓級(jí)逐漸增大；Ahmadian[3]在對(duì)機(jī)車司機(jī)室進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試后評(píng)價(jià)了各種結(jié)構(gòu)修改方式對(duì)司機(jī)室噪聲和振動(dòng)的影響。這些前輩在對(duì)司機(jī)室的噪聲研究中采取了較少傳聲器直接測(cè)試聲壓值或間接分析振動(dòng)對(duì)噪聲的影響，并未從整個(gè)車內(nèi)聲場(chǎng)進(jìn)行分析，本文使用16個(gè)傳聲器同步測(cè)試了車內(nèi)包括一、二位端司機(jī)室以及設(shè)備室噪聲值，更加精準(zhǔn)地了解整個(gè)聲場(chǎng)。當(dāng)獲取了聲場(chǎng)信息后，不僅能反映車內(nèi)噪聲狀況和分布規(guī)律，還能便于使用相關(guān)的理論和方法進(jìn)一步分析聲源對(duì)響應(yīng)點(diǎn)的影響[4-6]。同步測(cè)試車內(nèi)聲場(chǎng)信號(hào)后，由聲壓級(jí)到頻帶逐步細(xì)化的分析，及計(jì)算響應(yīng)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的傳遞率，綜合確定異常頻率[7]。

1 測(cè)試方法與分析原理

1.1 測(cè)試裝置

傳聲器陣同步測(cè)試系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀和傳聲器組成，其中數(shù)據(jù)采集儀使用的是丹麥BBM多通道數(shù)據(jù)采集分析儀，可提供16個(gè)同步采集通道。傳聲器是B&K公司4189型號(hào)的傳聲器，其測(cè)試精度為0.2 dB，由于會(huì)用到較多傳聲器，在實(shí)際的方案設(shè)計(jì)中考慮實(shí)驗(yàn)成本，數(shù)據(jù)的同步性和采集儀端口數(shù)量的限制，最大傳聲器數(shù)量為16個(gè)。

1.2 傳遞率

許多大型設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)無(wú)法測(cè)試其輸入力或者激勵(lì)，而只能測(cè)試響應(yīng)[8]。在噪聲實(shí)驗(yàn)中，也無(wú)法直接測(cè)試到噪聲源的激勵(lì)。傳遞率在一定條件下具有不隨載荷條件和系統(tǒng)部分參數(shù)的變化而改變，故在利用傳遞率分析傳遞關(guān)系時(shí)可作為重要的參考依據(jù)[9-10]。在傳遞率計(jì)算中，選取某個(gè)測(cè)試到的響應(yīng)作為參考響應(yīng)，將其視為激勵(lì)或者輸入，將響應(yīng)點(diǎn)響應(yīng)y(t)與參考點(diǎn)響應(yīng)x(t)的拉普拉斯變換Y(s)與X(s)的比值作為傳遞率：

但在實(shí)際工程中常用傳遞率的估計(jì)值H，即為響應(yīng)點(diǎn)響應(yīng)y(t)與參考點(diǎn)響應(yīng)x(t)的互譜Sxy(s)與參考點(diǎn)響應(yīng)點(diǎn)的自譜Sxx(s)之比[11-13]，其計(jì)算公式為

1.3 測(cè)試步驟

在樣車室內(nèi)布置了16個(gè)傳聲器組成的傳聲器陣，其中兩端司機(jī)室測(cè)點(diǎn)高度為1.5 m，中間設(shè)備室測(cè)點(diǎn)高度為0.5 m，傳聲器均用三腳架支撐固定，具體位置如圖1及表 1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)示意圖

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在空曠安靜的場(chǎng)地，實(shí)驗(yàn)開始之前使用聲校準(zhǔn)器對(duì)每一個(gè)傳聲器進(jìn)行校準(zhǔn)，將采樣率設(shè)置為32 768 Hz。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)工況為750，1 000，1 200，1 500，1 800，2 100 r/min，每個(gè)工況測(cè)試90 s。

2 結(jié)果與討論

各個(gè)工況聲壓級(jí)統(tǒng)計(jì)見表 2，可見隨著柴油機(jī)提速，各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)均在升高，同時(shí)，離柴油機(jī)越近，聲壓值越大，在柴油機(jī)附近2 100 r/min時(shí)噪聲值達(dá)113.6 dB(A)。如圖2(a)所示，一位端司機(jī)室測(cè)點(diǎn)噪聲值隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，噪聲值的升高幅度并不大，最大噪聲值只是76.4 dB(A)，在各工況下均在國(guó)標(biāo)限制值78 dB(A)以內(nèi)[14-15]；如圖2(b)所示，二位端司機(jī)室在1 500，1 800，2 100 r/min工況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)噪聲值急劇增大，1 500 r/min時(shí)最低噪聲值為82 dB(A)，2 100 r/min時(shí)最高已達(dá)到92 dB(A)，均已超標(biāo)。

表1 測(cè)點(diǎn)命名與注釋

表2 車內(nèi)噪聲各測(cè)點(diǎn)各工況聲壓級(jí)dB(A)

以1/3倍頻程中心頻率劃分Nyquist頻率以內(nèi)的頻帶，使用傳聲器陣采集到的聲壓信號(hào)繪制樣車室內(nèi)各個(gè)工況下的等頻帶聲壓級(jí)云圖。部分云圖如圖3所示，基本所有的頻帶云圖都符合聲輻射的指向性，但在2 100 r/min工況下，以63 Hz為中心頻率的頻帶出現(xiàn)了異常，二位端司機(jī)室的聲壓級(jí)值高于柴油機(jī)附近的聲壓級(jí)值，見圖3(a)。對(duì)63 Hz為中心頻率的頻帶下異常原因進(jìn)行分析，利用傳遞率分析二位端司機(jī)室測(cè)點(diǎn)噪聲與柴油機(jī)噪聲的聯(lián)系。

圖2 等頻帶聲壓級(jí)云圖

在Nyquist頻率以內(nèi)，對(duì)出現(xiàn)了異常頻帶的二位端司機(jī)室測(cè)點(diǎn)與柴油機(jī)附近測(cè)點(diǎn)計(jì)算傳遞率以分析兩者之間的傳遞關(guān)系。以柴油機(jī)二位側(cè)靠近二位端，柴油機(jī)一位側(cè)靠近二位端2個(gè)測(cè)點(diǎn)作為參考響應(yīng)點(diǎn)，以二位端司機(jī)室所有4個(gè)測(cè)點(diǎn)作為響應(yīng)點(diǎn)，得到的傳遞率譜如圖4，顯而易見，在以柴油機(jī)附近2個(gè)測(cè)點(diǎn)作為參考響應(yīng)點(diǎn)，對(duì)二位端司機(jī)室各測(cè)點(diǎn)噪聲傳遞率均在59 Hz達(dá)到最大，傳遞率分別為4.04和4.91，而59 Hz也正好在1/3倍頻程中心頻率63 Hz（56.2～70.8 Hz）內(nèi)，同時(shí)對(duì)比觀察到，所有頻率在從設(shè)備室傳遞到二位端司機(jī)室的過(guò)程中所有頻率都以較低的傳遞率進(jìn)行傳遞，而59 Hz卻以較高的傳遞率進(jìn)行傳遞。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖4 傳遞率譜

在使用16通道傳聲器陣同步測(cè)試地鐵調(diào)車室內(nèi)噪聲后，準(zhǔn)確得到室內(nèi)各點(diǎn)聲壓級(jí)，并發(fā)現(xiàn)其一位端司機(jī)室噪聲值在各個(gè)工況下均達(dá)標(biāo)，二位端司機(jī)室噪聲值在750，1 000，1 200 r/min 3個(gè)工況下達(dá)標(biāo)，在1 500，1 800，2 100 r/min 3個(gè)工況下超標(biāo)。在使用各工況同步噪聲信號(hào)繪制的所有1/3倍頻程等頻帶云圖分析中，發(fā)現(xiàn)在2 100 r/min下，63 Hz中心頻率的等頻帶云圖出現(xiàn)了二位端司機(jī)室聲壓級(jí)值大于了作為主要噪聲源的柴油機(jī)附近的噪聲值。為了對(duì)63 Hz為中心頻率的頻帶下異常原因的分析利用傳遞率分析二位端司機(jī)室測(cè)點(diǎn)噪聲與柴油機(jī)噪聲的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)以柴油機(jī)附近2個(gè)測(cè)點(diǎn)作為參考響應(yīng)點(diǎn)，對(duì)二位端司機(jī)室各測(cè)點(diǎn)噪聲傳遞率均在59 Hz達(dá)到最大，傳遞率分別為4.04和4.91，而59 Hz也正好在1/3倍頻程中心頻率63 Hz（56.2～70.8 Hz）內(nèi)。證明在分析樣車室內(nèi)噪聲時(shí)，使用較繁瑣但形象的等頻帶云圖分析與較簡(jiǎn)便易行的傳遞率計(jì)算都可以分析出異常頻帶，得出的結(jié)果均可以為后續(xù)地鐵調(diào)車的降噪工作提出有效的理論參考。

[1]宋斌. 東風(fēng)_(4B)型機(jī)車司機(jī)室隔音降噪控制整改[J]. 鐵道機(jī)車與動(dòng)車, 1998(2): 26–29.

[2]張秀華. 動(dòng)車組內(nèi)噪聲測(cè)試及結(jié)果分析[J]. 鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生, 2015, 5(6): 270–272.

[3]AHMADIAN M, VENEZIA J J. An experimental evaluation of noise and vibrations in modern locomotive cabs[C]//Railroad Conference, 2000. Proceedings of the 2000 ASME/IEEE Joint. IEEE, 2000: 153–165.

[4]馬馳, 陳建峰, 葉永. 基于四元十字陣的分布式聲源定位實(shí)驗(yàn)研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2013, 32(11): 52–54.

[5]宋宮琨. 基于麥克風(fēng)陣列的室內(nèi)語(yǔ)音定位算法研究[D]. 南京: 南京信息工程大學(xué), 2016.

[6]陸灝銘, 陳瑋, 劉壽寶. 基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2012, 31(4): 79–81.

[7]徐東鋒, 基于振動(dòng)傳遞率函數(shù)和統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究[D]. 青島: 青島理工大學(xué), 2015.

[8]張潔, 林建輝, 高品賢. 高速鐵路振動(dòng)及噪聲測(cè)試技術(shù)[M].成都: 西南交通大學(xué)出版社, 2010: 27–29.

[9]張昱, 朱彤, 周晶. 對(duì)功率譜密度傳遞率作用原理的探究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào), 2016, 29(6): 992–1002.

[10]陳家寶, 刁延松, 任紅. 基于傳遞率函數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究[J]. 結(jié)構(gòu)工程師, 2015, 30(4): 32–40.

[11]SHIBATA, NOBUYUKI. Effect of shelf aging on vibration transmissibility of anti–vibration gloves[J]. Industrial health,2017, 55(6): 575–579.

[12]韓杰. 基于傳遞率的工作模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法的研究[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2012.

[13]王彬星, 鄭四發(fā), 李傳兵, 等. 車內(nèi)噪聲傳遞率建模及計(jì)算[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷, 2014, 34(4): 693–698.

[14]鐵道機(jī)車和動(dòng)車組司機(jī)室噪聲限值及測(cè)量方法: GB/T 3450–2006 [S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006.

[15]鐵道機(jī)車輻射噪聲限值: GB/T13669–2006 [S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006.