跨座式單軌交通車外噪聲源識(shí)別試驗(yàn)研究

薛軍平,杜子學(xué),譚昌鵬

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院,重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,重慶 400074； 3.北京朗德科技有限公司,北京 100101)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，跨座式單軌交通憑借自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在城市軌道交通的建設(shè)與運(yùn)營實(shí)踐中發(fā)揮著越來越重要的作用[1-3]。由于跨座式單軌交通采用膠輪和軌道梁作為走行機(jī)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)的鋼輪鋼軌城市軌道交通(如地鐵、輕軌等)，跨座式單軌列車在各種運(yùn)行狀態(tài)(如啟動(dòng)、制動(dòng)和正線運(yùn)行等)下的車內(nèi)外噪聲具有輻射能量低、噪聲小的特點(diǎn)[4]。但是單軌交通的運(yùn)行環(huán)境條件和線路結(jié)構(gòu)具有特殊性[5]：首先，單軌交通的線路絕大多數(shù)采用高架結(jié)構(gòu)，且布置在城市主干道路中央隔離帶位置處，與道路交通在垂向空間上呈層疊分布；其次，線路的軌道梁間通過指形板連接，軌道梁以簡(jiǎn)支形式通過支座與蓋梁墩柱相連，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通透性強(qiáng)，軌道梁連接處的幾何和剛度不連續(xù)；再則，單軌交通車輛的受流裝置、制動(dòng)裝置、走向機(jī)構(gòu)和牽引傳動(dòng)系統(tǒng)均集中布置在車廂底部的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，并且走行輪系較多，如圖1所示。單軌交通的上述特點(diǎn)決定了其運(yùn)行車外噪聲是城市交通噪聲的重要組成部分，而且與城市道路交通噪聲形成疊加效應(yīng)，加劇交通噪聲對(duì)線路附近區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量的影響[6]。有關(guān)研究表明交通噪聲是城市環(huán)境噪聲的重要噪聲源，長(zhǎng)期暴露于超標(biāo)的噪聲環(huán)境下會(huì)對(duì)人的身心產(chǎn)生不利影響[7-10]。因此，為控制和降低單軌交通車外噪聲，提高其運(yùn)行品質(zhì)，當(dāng)前最重要的前提工作是掌握其主要輻射特征，諸如噪聲源的位置、頻率成分，主次性等，即需要開展噪聲源識(shí)別工作。

圖1 跨座式單軌交通線路和車輛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1 聲學(xué)波束成形法基本原理

聲學(xué)波束成形方法是基于聲陣列測(cè)試系統(tǒng)的一種噪聲源識(shí)別信號(hào)處理技術(shù)[11-12]。其基本原理是利用聲陣列麥克風(fēng)所測(cè)的聲音信號(hào)，按照聲源計(jì)算平面上各聚焦網(wǎng)格點(diǎn)的位置，采用延遲求和算法來獲得信號(hào)源的位置或指向。與聲源真實(shí)位置一致的聚焦網(wǎng)格點(diǎn)位置輸出結(jié)果最大，形成“主瓣峰值”，而不同于聲源真實(shí)位置的聚焦網(wǎng)格點(diǎn)位置，輸出結(jié)果被衰減，形成“旁瓣”，從而有效識(shí)別噪聲源，如圖2所示?；谄矫娌僭O(shè)和線性陣列的經(jīng)典延遲求和波束形成原理如下。

(1)

(2)

式中，c為聲速。

圖2 平面波延遲求和波束形成原理示意

波束形成方法在使用中主要有3個(gè)性能指標(biāo)，分別為空間分辨率、截止頻率和動(dòng)態(tài)范圍?？臻g分辨率是用來表征能準(zhǔn)確區(qū)分兩個(gè)聲源間最小距離的能力，它與陣列直徑、聲源的波長(zhǎng)即頻率和聲源到陣列的距離有關(guān)，由瑞利準(zhǔn)則并經(jīng)過簡(jiǎn)化可得到如下關(guān)系式

(3)

式中，θ為陣列張角；α為陣列系數(shù)；z為聲源到陣列的距離；D為陣列直徑；λ為波長(zhǎng)。而截止頻率由混疊現(xiàn)象引起，是波束形成可準(zhǔn)確識(shí)別信號(hào)的最高頻率，其值越高越好，由空間采樣定理得出截止頻率公式如下

(4)

式中，c為聲速；d為陣列麥克風(fēng)間距；θ為陣列張角。易知，陣列張角θ和傳聲器間隔d越大，截止頻率就越低。動(dòng)態(tài)范圍則定義為最大旁瓣相對(duì)于主瓣峰值的差值，此性能與陣列的形式相關(guān)。由于最大旁瓣會(huì)產(chǎn)生鬼影，因此最大旁瓣越小，動(dòng)態(tài)范圍越寬，聲源定位的精度就越高。

波束形成法適宜中長(zhǎng)距離、中高頻及大型聲源的測(cè)量，也可對(duì)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)及運(yùn)動(dòng)聲源進(jìn)行聲源識(shí)別。本文基于波束形成方法對(duì)跨座式單軌交通列車運(yùn)行車外噪聲源進(jìn)行識(shí)別和分析。

2 試驗(yàn)方案設(shè)置

2.1 跨座式單軌交通車輛和軌道

作為本次的試驗(yàn)對(duì)象，重慶跨座式單軌交通列車為6輛編組，兩車為一單元，動(dòng)力比為3∶1，每節(jié)車廂由2個(gè)轉(zhuǎn)向架支撐，每個(gè)轉(zhuǎn)向架上安裝4條走行輪、4條導(dǎo)向輪和2條穩(wěn)定輪，車輛編組配置如圖3所示。轉(zhuǎn)向架為無揺枕結(jié)構(gòu)的2軸轉(zhuǎn)向架，結(jié)構(gòu)緊湊特殊，分為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架通過空氣彈簧支撐車體，而列車的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和走行機(jī)構(gòu)等通過不同的連接方式固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上[13]，如圖4所示。

圖3 6輛編組車輛配置

圖4 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

跨座式單軌交通地面線路采用高架結(jié)構(gòu)，軌道為預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁(PC梁)，長(zhǎng)度22～24 m，采用標(biāo)準(zhǔn)截面(1.5 m×0.85 m寬)。軌道梁間用金屬指型板進(jìn)行連接，并通過金屬支座以簡(jiǎn)支形式固定在橋墩蓋梁之上?？缱絾诬壗煌ㄗ咝休喸谲壍懒荷线\(yùn)行，而水平輪分布在軌道兩側(cè)起導(dǎo)向和穩(wěn)定作用。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試方案

本試驗(yàn)采用的聲陣列測(cè)試分析系統(tǒng)由環(huán)形麥克風(fēng)陣列、數(shù)采設(shè)備、校準(zhǔn)器和計(jì)算機(jī)等硬件和軟件組成，其中環(huán)形麥克風(fēng)陣列直徑為75 cm，沿周向均勻布置48個(gè)1/4英寸麥克風(fēng)，陣列中心安裝有高分辨率相機(jī)。該系統(tǒng)推薦的聲源測(cè)試距離為0.5～5 m，相應(yīng)的頻率范圍500 Hz～20 kHz，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)20～40 dB。

根據(jù)跨座式單軌交通列車、線路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和試驗(yàn)實(shí)際條件，試驗(yàn)分別對(duì)列車底部和側(cè)面車外噪聲源進(jìn)行識(shí)別，相應(yīng)的聲陣列現(xiàn)場(chǎng)布置如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)陣列平面距離軌道梁底面和側(cè)面約5 m，列車行駛速度約60 km/h，采樣頻率為192 kHz。

圖5 聲陣列現(xiàn)場(chǎng)布置

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 列車底部噪聲源測(cè)試結(jié)果及分析

3.1.1 底部噪聲頻域波束形成噪聲源分析

列車運(yùn)行通過試驗(yàn)位置時(shí)，所測(cè)底部噪聲的頻譜圖和時(shí)頻圖如圖6和圖7所示。由圖6可知，列車運(yùn)行時(shí)底部輻射噪聲頻率主要分布在800～2 000 Hz 1/3倍頻程范圍內(nèi)，最大的輻射噪聲頻率為1 250 Hz。從圖7可見，在750～1 700 Hz和3 500～7 500 Hz頻段內(nèi)的噪聲在時(shí)間上不連續(xù)，具有沖擊特性。為掌握此兩頻段內(nèi)噪聲源的輻射位置，在上述兩個(gè)頻段范圍內(nèi)分別選取兩處噪聲較突出的典型時(shí)間段(時(shí)段1～時(shí)段4)，如圖7所示，運(yùn)用頻域波束形成方法，對(duì)此兩類離散沖擊噪聲進(jìn)行識(shí)別和定位。

圖6 列車底部噪聲1/3倍頻程頻譜

圖7 列車運(yùn)行底部噪聲時(shí)頻分析

首先在3 500～7 500 Hz頻段內(nèi)選取的時(shí)間段1和時(shí)間段2進(jìn)行噪聲源定位，對(duì)應(yīng)的噪聲源識(shí)別結(jié)果如圖8所示。

圖8 時(shí)段1和時(shí)段2內(nèi)的底部噪聲源位置

在圖8中兩時(shí)間段內(nèi)的輻射噪聲均來自車廂最底部裙板和軌道梁之間，聲源在位置上呈線狀離散分布。經(jīng)過分析得知：兩處聲源位置均與列車正極受電弓位置相一致，由于單軌交通受電弓與接觸網(wǎng)間是剛性接觸，列車運(yùn)行時(shí)在軌道不平順的作用下致使弓網(wǎng)間也產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生沖擊噪聲。弓網(wǎng)間的沖擊振動(dòng)可有接觸網(wǎng)的沖擊磨損痕跡得到驗(yàn)證，如圖9所示。另外也可以由胎軌近場(chǎng)噪聲頻譜對(duì)比得以印證，跨座式單軌列車的受電弓安裝在固定穩(wěn)定輪的轉(zhuǎn)向架框架上，距離穩(wěn)定輪較近，如圖10所示。因此穩(wěn)定輪近場(chǎng)噪聲中含有較大成分的弓網(wǎng)噪聲，走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪近場(chǎng)噪聲頻譜如圖11所示，從3 500 Hz開始，穩(wěn)定輪近場(chǎng)噪聲均大于走行輪和導(dǎo)向輪噪聲，此結(jié)果是由于穩(wěn)定輪近場(chǎng)噪聲中含有較多弓網(wǎng)噪聲而造成的。

圖9 接觸網(wǎng)受沖擊后的痕跡

圖10 胎軌近場(chǎng)噪聲測(cè)試布置

圖11 胎軌近場(chǎng)噪聲頻譜

而對(duì)于750～1 700 Hz頻段內(nèi)的噪聲源的識(shí)別，選取的典型時(shí)間段3和時(shí)間段4所對(duì)應(yīng)的噪聲源識(shí)別結(jié)果如圖12所示。

圖12 時(shí)段3和時(shí)段4內(nèi)的底部噪聲源位置

圖12中兩個(gè)時(shí)間段的噪聲源均集中的位于車廂最底部裙板中心與軌道梁接觸位置附近，此位置處除弓網(wǎng)外，集中的布置了列車的走行輪系，包括走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪，結(jié)合考慮此頻率范圍[14]，可知此頻段內(nèi)的主要聲源為胎軌噪聲。

3.1.2 底部噪聲時(shí)域波束形成噪聲源分析

對(duì)于6節(jié)編組的單軌列車來說，其兩節(jié)車為一個(gè)單元，共有3個(gè)單元，每個(gè)單元的車輛配置基本相同。為避免重復(fù)計(jì)算和分析工作，在時(shí)域波束形成噪聲源識(shí)別過程中，以Mc2和M3車構(gòu)成的單元為例，對(duì)兩車的噪聲源進(jìn)行分析。

Mc2、M3車的時(shí)域波束形成噪聲源識(shí)別結(jié)果如圖13所示。結(jié)果顯示：兩車的聲源(噪聲源1～噪聲源6)均位于車廂最底部裙板與軌道梁之間，但不同的是Mc2車的噪聲源位于軌道梁的內(nèi)側(cè)，而M3車的噪聲源位于軌道梁的外側(cè)。這主要與車輛受電弓的安裝位置有關(guān)，Mc2車的兩個(gè)受電弓安裝在軌道梁內(nèi)側(cè)的穩(wěn)定輪固定支架上，而M3車的兩個(gè)受電弓則固定在軌道梁外側(cè)的穩(wěn)定輪支架上，因此，在一定程度上可以說受電弓的布置位置決定了最大噪聲源的位置。

圖13 Mc2和M3車底部噪聲源識(shí)別結(jié)果

同時(shí)對(duì)Mc2和M3車識(shí)別出的各噪聲源(噪聲源1～噪聲源6)A計(jì)權(quán)1/3倍頻程聲壓級(jí)進(jìn)行了提取，兩車各聲源(噪聲源1～噪聲源6)的聲壓級(jí)頻譜曲線總體趨勢(shì)是一致的，如圖14所示。

圖14 Mc2和M3車底部各聲源1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線

3.2 列車側(cè)面噪聲源測(cè)試結(jié)果及分析

3.2.1 側(cè)面噪聲頻域波束形成噪聲源分析

列車運(yùn)行側(cè)面噪聲1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線和時(shí)頻如圖15、圖16所示。在圖15中由列車運(yùn)行側(cè)面和底部噪聲的對(duì)比可知，兩者噪聲輻射頻率特性整體趨勢(shì)基本一致，800～2 000 Hz頻率范圍的噪聲占主導(dǎo)，最大的輻射噪聲頻率為1 250 Hz，為胎軌噪聲。但是此頻段范圍內(nèi)的側(cè)面噪聲要高于底部噪聲，即胎軌噪聲向側(cè)面的輻射要大于底部。

圖15 列車運(yùn)行側(cè)面噪聲1/3倍頻程頻譜

圖16 列車運(yùn)行側(cè)面噪聲時(shí)頻分析

在側(cè)面噪聲時(shí)頻圖16中同樣選取750～1 700 Hz和3 500～7 500 Hz兩個(gè)頻段內(nèi)的典型時(shí)間段1和時(shí)間段2進(jìn)行頻域波束形成噪聲源識(shí)別，如圖17所示。時(shí)段1在3 500～7 500 Hz頻段內(nèi)的噪聲源沿接觸網(wǎng)離散的分布在弓網(wǎng)接觸附近，這與列車底部噪聲在該頻段噪聲源位置分布一致，主要噪聲為弓網(wǎng)噪聲；而時(shí)段2在750～1 700 Hz頻段內(nèi)的噪聲源則集中分布于車廂最底部裙板與軌道梁接觸位置的兩側(cè)，此位置是單軌列車走行輪系集中布置位置，由于車廂及裙板的隔聲作用，致使此頻段的胎軌噪聲向裙板的兩側(cè)和底部輻射。

圖17 時(shí)段1和時(shí)段2內(nèi)的側(cè)面噪聲源位置

圖18 Mc2和M3車側(cè)面噪聲源識(shí)別結(jié)果

3.2.2 側(cè)面噪聲時(shí)域波束形成噪聲源分析

Mc2和M3車側(cè)面噪聲時(shí)域波束形成噪聲源識(shí)別結(jié)果如圖18所示，兩車的聲源(噪聲源1～噪聲源3)主要分布在車廂最底部裙板與軌道接觸的兩側(cè)附近。兩車各聲源的1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線如圖19所示，各噪聲源(噪聲源1～噪聲源3)的頻率分布特性基本相同，主導(dǎo)頻段為800～2 000 Hz，為胎軌噪聲。

圖19 Mc2和M3車側(cè)面各聲源1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線

4 結(jié)論

基于跨座式單軌交通線路和車輛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用時(shí)頻波束形成噪聲源識(shí)別方法，對(duì)運(yùn)行列車底部和側(cè)面車外噪聲展開試驗(yàn)研究。主要結(jié)論如下。

(1)運(yùn)行列車車外噪聲源主要位于車廂最底部裙板與軌道梁接觸區(qū)域附近，對(duì)于每節(jié)車輛而言，最大噪聲源則通常出現(xiàn)于安裝有受電弓的裙板位置附近。

(2)500 Hz以上的噪聲源主要由胎軌噪聲和弓網(wǎng)噪聲構(gòu)成，兩者均為不連續(xù)的沖擊噪聲。胎軌噪聲主要分布在800～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)，最大噪聲頻率為1 250 Hz，較集中地從車廂最底部裙板與軌道梁接觸區(qū)域向外輻射；而弓網(wǎng)噪聲則沿軌道梁方向呈線狀離散地分布在弓網(wǎng)接觸區(qū)域，由于該噪聲輻射頻段處于人耳較敏感的高頻段，其降噪控制應(yīng)給予重視。

(3)由于受試驗(yàn)條件和測(cè)試系統(tǒng)性能的限制，本次試驗(yàn)無法針對(duì)低于500 Hz的列車運(yùn)行噪聲進(jìn)行識(shí)別分析，應(yīng)是以后研究關(guān)注的重點(diǎn)。