中低速磁浮列車噪聲機(jī)理及控制研究

中車唐山機(jī)車車輛有限公司 李穎華 高 明 張 麗

我國自新世紀(jì)以來，城市軌道交通建設(shè)的步伐從未停止。21世紀(jì)初輪軌與磁浮的十年之爭也逐漸落下了帷幕，在高速列車領(lǐng)域幾乎被輪軌耦合形式列車所占領(lǐng)。但隨著列車速度的不斷提升，輪軌耦合始終受到粘著蠕滑力的制約，其最高運(yùn)行速度也受到相應(yīng)的限制。而磁浮列車由于其采用懸浮裝置浮于軌道上，與軌道間沒有輪軌接觸并采用直線電機(jī)驅(qū)動，故其不受傳統(tǒng)軌道交通上輪軌耦合的限制。因這一優(yōu)勢近年來磁浮列車的發(fā)展也是十分迅猛，當(dāng)前磁浮列車的主要領(lǐng)域為城市內(nèi)中低速磁浮交通為主。由于其還具有運(yùn)行平穩(wěn)、過曲線能力及爬坡能力強(qiáng)等特點(diǎn)，逐漸受到多個國家的關(guān)注與研究。國內(nèi)而言，北京磁浮S1線和長沙磁浮快線早已實現(xiàn)了商業(yè)運(yùn)營。在國外，日本TKL線和韓國仁川機(jī)場線也投入使用。磁浮列車根據(jù)其懸浮原理可分成電動懸?。‥lectro-magnetic Suspension）、電磁懸?。‥lectro-magnetic）、高溫超導(dǎo)磁懸浮及永磁-電磁混動懸浮。當(dāng)前中低速磁浮列車普遍采用常導(dǎo)EMS電磁懸浮系統(tǒng)。

隨著中低速磁浮列車在城市軌道交通中的普及，其在運(yùn)營過程中的噪聲也普遍受到外界的關(guān)注。據(jù)前期對列車車內(nèi)、車外及輔助設(shè)備進(jìn)行的初期噪聲測試，獲取了噪聲的聲場分布及頻譜特征。本文通過理論分析，首先對中低速磁浮列車的主要噪聲源進(jìn)行聲源識別，再通過試驗方式確定其主要噪聲源并進(jìn)行機(jī)理分析，并根據(jù)噪聲的產(chǎn)生及作用機(jī)理提出了相應(yīng)的解決方案。

1 中低速磁浮列車噪聲主要聲源

根據(jù)前期大量的文獻(xiàn)對于軌道交通車輛噪聲機(jī)理研究和試驗測試分析：車輛在行駛過程中，噪聲主要來源于車體外部結(jié)構(gòu)的氣動噪聲、牽引供電裝置的電磁噪聲以及輪軌耦合和傳動裝置耦合的機(jī)械噪聲，來源較多，成分較為復(fù)雜，且這些噪聲的成分占比與列車的運(yùn)行速度有關(guān)。啟停低速區(qū)域主要由牽引電磁噪聲引起，平穩(wěn)運(yùn)行中速階段主要由輪軌噪聲主導(dǎo)，而高速運(yùn)行時噪聲成分主要為氣動噪聲。由于本文研究的對象為中低速磁浮列車，其不存在輪軌接觸關(guān)系與傳動齒輪箱。經(jīng)過前期的預(yù)測試，尖銳的高頻噪聲主要集中在列車的啟停階段，啟停期間速度較低，氣動噪聲并不明顯，故進(jìn)一步分析在啟停期間電磁噪聲為其主要的噪聲成分。而在平穩(wěn)運(yùn)行階段，高頻尖銳噪聲并不明顯，主要的噪聲成分為氣動噪聲。

1.1 電磁噪聲

對于中低速磁浮列車而言，由于其沒有輪軌粘著驅(qū)動，則直線電機(jī)作為其驅(qū)動系統(tǒng)具有唯一性和不可替代性，但由于車輛現(xiàn)在采用逆變器進(jìn)行變頻調(diào)速這一功能，使得輸入直線電機(jī)的牽引電流含有大量諧波，造成直線電機(jī)的高頻振動，使得車輛在加速或者減速過程中，直線電機(jī)作為主要的噪聲源。且有與直線電機(jī)常常為高頻振動，其噪聲頻率較高，聲音也較為尖銳刺耳，使得磁浮列車乘客的乘車舒適度及磁浮列車線路附近居民的居住舒適度降低，故直線電機(jī)的高頻振蕩噪聲問題也愈發(fā)的受到研究和關(guān)注。

由于磁浮車輛在加減速過程中的機(jī)械特性要求，需要使用牽引逆變器對車輛進(jìn)行變頻調(diào)速。但這種供電方式也給直線電機(jī)帶來了許多不穩(wěn)定的工作因素。在牽引逆變器變頻供電的條件下，使得大量的高頻電流諧波出現(xiàn)在直線電機(jī)的初級之中，這些諧波的頻率成分主要集中在開關(guān)頻率及其倍頻上。磁浮列車主要依靠交變的行波磁場推進(jìn)運(yùn)行，而高頻的電磁諧波也會影響行波磁場的電磁波的幅值及頻率階數(shù)，從而造成電磁激振力的產(chǎn)生。這些高頻的電磁激振力的頻率成分可能與直線電機(jī)某些固有模態(tài)的振動頻率相近，從而造成了高頻共振，產(chǎn)生了高頻噪聲。

1.2 氣動噪聲

中低速磁浮列車氣動噪聲主要集中于車體表面裝置或者車底某些特殊結(jié)構(gòu)位置?，F(xiàn)存研究表明，氣動噪聲由于所處的機(jī)械結(jié)構(gòu)位置不同，產(chǎn)生機(jī)理也是不相同的。其產(chǎn)生機(jī)理大致可分為兩類，其一為氣體湍流流動產(chǎn)生的噪聲，其二為氣體氣流經(jīng)過機(jī)械結(jié)構(gòu)的表面摩擦而產(chǎn)生的的噪聲。

對于氣體湍流噪聲，在中低速磁浮列車運(yùn)行過程中，氣體會在頭車和尾車車身表面存在湍流層，會對車體產(chǎn)生波動載荷，造成車體的受迫振動，從而使整個車體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動及噪聲輻射。但這種噪聲對于高速列車較為明顯，對于中低速磁浮列車的車體總體車外輻射噪聲影響較小。

氣體氣流經(jīng)過機(jī)械結(jié)構(gòu)的表面摩擦而產(chǎn)生的的噪聲主要位置在受流器受電靴間、車輛連接處、懸浮架和風(fēng)機(jī)設(shè)備上。列車在行進(jìn)過程中氣流與上述的機(jī)械零部件相互產(chǎn)生力的作用而引起了非穩(wěn)態(tài)的氣流振動。這種振動的產(chǎn)生因素比較復(fù)雜，還有待進(jìn)一步試驗和研究。

2 中低速磁浮列車噪聲水平及產(chǎn)生機(jī)理分析

2.1 中低速磁浮列車噪聲水平

為獲取磁浮列車車底噪聲聲場分布及主要頻率幅值成分占比，現(xiàn)對北京地鐵S1線中低速磁浮列車進(jìn)行正線測試。本次測試將一節(jié)車中十個直線牽引電機(jī)編為1-10號，試驗分別測定了1-10#電機(jī)位置噪聲，即一共需要10個噪聲傳感器，將這10個噪聲傳感器編為N1-10號，分別測定對應(yīng)點(diǎn)位的噪聲。噪聲傳感器安裝位置如圖1所示。

圖1 噪聲傳感器安裝布局示意圖

經(jīng)過噪聲測試試驗，獲得其噪聲聲壓級水平如表1所示。典型噪聲聲壓級時頻分析如圖2所示。

表1 噪聲聲壓級水平數(shù)據(jù)

圖2 典型噪聲聲壓級時頻圖

列車在行駛過程中，很明顯在加速段和制動段聲壓級變化尤為明顯，范圍保持在78.4dB到115.6dB之間。其中9#電機(jī)，10#電機(jī)處噪聲聲壓級較為明顯，最高到達(dá)了115.6dB。從整個過程中可以看出，典型噪聲聲壓級頻譜中1000Hz的頻率成分占比最大。9#電機(jī)和10#電機(jī)噪聲聲壓級相對較大可能是其位于車輛連接處。

2.2 中低速磁浮列車噪聲機(jī)理分析

由以上分析，中低速磁浮列車在啟動和制動牽引階段直線電機(jī)電磁振動輻射噪聲對車底噪聲貢獻(xiàn)較大，為主要噪聲源。而在平穩(wěn)運(yùn)行階段，牽引電機(jī)對車底噪聲的貢獻(xiàn)有限，不是主要噪聲源，其噪聲可能由氣動噪聲以及結(jié)構(gòu)機(jī)械噪聲引起。而據(jù)現(xiàn)場投訴反饋得知，車輛在進(jìn)出站期間（即啟停階段），高頻噪聲尤為明顯，而在平穩(wěn)運(yùn)行階段能明顯感到噪聲來自于低頻的機(jī)械結(jié)構(gòu)的碰撞和風(fēng)噪。故由此可分析，車輛在啟停期間的高頻噪聲很有可能由直線牽引電機(jī)懸浮間隙中的高頻電流諧波激發(fā)的高頻電磁激振力引起，而這與逆變器變頻調(diào)速機(jī)制有很大的關(guān)系。

三相異步直線電機(jī)運(yùn)行時，磁浮間隙中存在基波與一系列諧波磁場，它們互相作用除產(chǎn)生引起磁浮列車加速減速的牽引力和制動力外，還會產(chǎn)生許多高次、頻率各不相同的高頻激振電磁力波，這些高頻激振電磁力波作用在初級線圈和次級感應(yīng)板上，使它發(fā)生周期性變形，即產(chǎn)生高頻激振電磁力波頻率的振動，該振動傳至懸浮架及車體其它機(jī)械結(jié)構(gòu)，引起車底機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動和噪聲。當(dāng)高頻激振電磁力波頻率與電機(jī)或懸浮架等機(jī)械結(jié)構(gòu)本身固有頻率相同或接近時，就會引起共振，產(chǎn)生較大的振動和噪聲。

3 中低速磁浮列車噪聲控制

3.1 調(diào)整開關(guān)頻率

由于中低速磁浮列車的高頻噪聲主要由牽引逆變器變頻供電引起的高頻電磁激振力與電機(jī)共振產(chǎn)生，故需要調(diào)整逆變器輸出電流的諧波頻率。由前期的分析可知，噪聲的高頻頻率成分特點(diǎn)主要為集中在逆變器的開關(guān)頻率及其倍頻附近，特變是二倍頻（1000Hz），所以需要調(diào)整逆變器的開關(guān)頻率，也即載波頻率。而載波頻率越高，逆變器輸出的電流高頻諧波成分也就越少，能明顯削弱電機(jī)的高頻振動噪聲。牽引供電系統(tǒng)主要采用SPWM調(diào)制方式，即用一系列的脈沖電壓信號加載于載波之上，其開關(guān)頻率就取決于調(diào)制波和載波的交點(diǎn)。脈沖間間隔越短，周期內(nèi)脈沖個數(shù)便越多，開關(guān)頻率也越高，輸出六階電流波形也就越平滑，但是這樣也會增大對其他設(shè)備的電磁干擾。開關(guān)頻率的設(shè)置對于電機(jī)的控制尤為重要，其大小直接可以影響逆變器輸出電流的品質(zhì)，所以在逆變器工作過程中首先應(yīng)當(dāng)合理地選擇開關(guān)頻率。

開關(guān)頻率越高，逆變器輸出的電流越光滑，電流諧波成分也就越少，從而可以減小直線電機(jī)的振動噪聲，但開關(guān)頻率增大，直線電機(jī)初級的集膚效應(yīng)也就越發(fā)嚴(yán)重。人耳對聲音的敏感范圍在20-20000Hz，所以提高牽引逆變器的開關(guān)頻率至1000Hz或者2000Hz，直線電機(jī)高頻震蕩的頻率也隨之后移，利用人耳對這些高頻噪聲的不敏感，可以顯著地降低噪聲。但開關(guān)頻率的提高，控制電路的功率器件的壽命也會隨之降低。因為提高開關(guān)頻率，就會增加IGBT等電子元器件在單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)，損耗也隨之增加，所以需要同時提高電子元器件的可靠性。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的分析，要特別注意載波頻率及其倍頻不要與電機(jī)的固有模態(tài)振動頻率相重疊而產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生較大噪聲。

為有效降低磁浮列車直線電機(jī)所產(chǎn)生的噪聲，提高開關(guān)頻率的同時延長IGBT的使用壽命，可以采用轉(zhuǎn)換開關(guān)頻率的控制方式對電機(jī)開關(guān)頻率加以控制。也就是說勻速階段采用500Hz的開關(guān)頻率，加速制動階段轉(zhuǎn)換為1000Hz的開關(guān)頻率，具體示意圖如圖3所示。

圖3 開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換示意圖

3.2 建立聲屏障

在現(xiàn)在城市軌道交通或者公路交通中，聲屏障的建立可以有效的阻斷噪聲的傳播過程，從而有效的降低磁浮列車的運(yùn)行噪聲?？紤]到聲波傳播的機(jī)理，可以考慮在聲屏障中應(yīng)用微孔吸聲技術(shù)，嚴(yán)格密封，這樣便可達(dá)到一個很好的吸聲隔聲效果。或采用半封閉式聲屏障，但這種相對于前者的降噪效果有限，只能降低局部噪聲的大小，對整體噪聲影響不大。

聲屏障的降噪效果與許多因素有關(guān)，包括屏障的防護(hù)程度、噪聲頻率的集中度以及噪聲的建造距離等因素。特別是噪聲頻率的集中度，現(xiàn)有試驗已經(jīng)表明，對2000Hz以上的高頻噪聲降噪效果要比1000Hz左右的噪聲成分好得多。但對于低頻噪聲，由于其波長較長，容易從聲屏障上繞射過去，效果不太理想。通常，聲屏障對高頻噪聲可降低10-15dB。聲屏障的高度由隔噪距離所決定，如果隔噪距離較遠(yuǎn)，聲屏障可適當(dāng)降低，聲屏障高度增加兩倍，噪聲便可降低6dB，還可使聲屏障盡量靠近噪聲發(fā)生源，這樣能取得較好的降噪效果。比如在直線電機(jī)外側(cè)加裝不銹鋼外殼，可以適當(dāng)降低噪聲的傳播，屬于靠近聲音源減噪。正如前面所說，多孔材料具有噪聲吸收的功能，電機(jī)外殼材料也可以采用多孔吸聲材料，盡量減少噪聲外泄。首先確定噪聲外泄的成分，然后適當(dāng)選取吸聲材料，最后制作合適的外殼。

3.3 電機(jī)外側(cè)加裝外殼

上一節(jié)說明可以在直線電機(jī)外或者車輛裙擺上設(shè)計出隔聲罩，可以在聲音傳播的途徑上有效的阻隔噪聲，降低噪聲幅值。如圖4所示，聲波總能量為E0，傳遞至固體介質(zhì)上，反射出E1的能量，部分含有E2的能量的聲波能夠透過介質(zhì)繼續(xù)傳播。然后由于隔聲罩中的吸聲材料含有空隙和細(xì)小纖維，聲波在材料中振動摩擦轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，繼而被吸收和耗散。

圖4 聲能傳播過程

材料的吸聲系數(shù)也對降噪效果至關(guān)重要，居民區(qū)離磁浮列車線路越近，吸聲材料的吸聲系數(shù)也就越大。為了減輕就近噪音對居民的影響，需在直線電機(jī)隔聲罩內(nèi)加貼吸聲系數(shù)大的吸聲材料。

在各種吸聲材料中，多孔性吸聲材料對于中高頻噪聲吸收效果好，結(jié)合吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計，適當(dāng)增加厚度和容重，其對低頻噪聲的吸聲性能也能有明顯改善。

直線電機(jī)熱量需要迅速耗散，對其直線電機(jī)隔聲罩做蜂窩狀處理，在隔聲的同時也保證直線電機(jī)良好的散熱環(huán)境。具體的隔音效果和散熱效果需要進(jìn)一步做相關(guān)試驗進(jìn)行量化分析。

本文通過分析，中低速磁懸浮列車啟停階段的噪聲主要由于其變頻調(diào)速系統(tǒng)引入的高頻電流諧波的電磁激振力引起電機(jī)及懸浮架的高頻振動產(chǎn)生。所以本文試驗重點(diǎn)在通過實時同步測試磁浮列車直線電機(jī)噪聲、電流及懸浮架振動的數(shù)據(jù)，從噪聲數(shù)據(jù)入手，通過對啟停階段噪聲時域、頻域的分析，確定其高頻噪聲頻率幅值及主要分布頻段，再主要針對這個頻段對電流及振動進(jìn)行時頻相關(guān)性分析。通過頻率成分的相關(guān)性，探明噪聲與電流高次諧波、懸浮架高頻振動的關(guān)聯(lián)關(guān)系，分析直線電機(jī)噪聲的發(fā)生規(guī)律及發(fā)生機(jī)理，根據(jù)其噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，提出調(diào)整開關(guān)頻率、建立聲屏障和電機(jī)外側(cè)加裝外殼等降噪優(yōu)化措施。