地鐵彈性車(chē)輪降噪效果試驗(yàn)研究

曾江紅 黃 鵬

(1.中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011； 2.江蘇中車(chē)數(shù)字科技有限公司 江蘇 南京 210031)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，尤其是中大城市地鐵車(chē)輛的高速增長(zhǎng)，極大地改善了城市擁堵問(wèn)題[1-2]，促進(jìn)了當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)升級(jí)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。與此同時(shí)，地鐵乘客及沿線居民的噪聲投訴也越發(fā)頻繁，噪聲問(wèn)題已經(jīng)成為制約地鐵車(chē)輛發(fā)展以及提升其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素，而輪軌噪聲是地鐵車(chē)輛的重要噪聲源。彈性車(chē)輪在輪箍和輪心之間嵌入橡膠元件，具有減振降噪的作用[3-4]，下文通過(guò)自主搭建的噪聲測(cè)試裝置，對(duì)自主設(shè)計(jì)的某型地鐵彈性車(chē)輪與剛性車(chē)輪降噪效果進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證地鐵彈性車(chē)輪在地鐵車(chē)輛降噪方面的優(yōu)勢(shì)[5-8]，一方面為解決或者減緩地鐵車(chē)輛噪聲提供一種思路，另一方面也為彈性車(chē)輪在地鐵車(chē)輛上的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 噪聲試驗(yàn)方案

測(cè)試對(duì)象為直徑840 mm的地鐵彈性車(chē)輪和剛性車(chē)輪，通過(guò)在近自由聲場(chǎng)的測(cè)試環(huán)境條件下，分別對(duì)車(chē)輪的徑向和軸向通過(guò)小球錘擊激勵(lì)，測(cè)試各個(gè)傳聲器的聲壓隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，得到噪聲的等效聲壓級(jí)和衰減率。噪聲試驗(yàn)裝置主要包括傳聲器、多通道噪聲測(cè)試采集儀、計(jì)算機(jī)軟件。

1.1 噪聲試驗(yàn)原理

噪聲測(cè)試采集的物理量是聲壓的模擬信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化得到聲壓的數(shù)字信號(hào)，作為結(jié)果數(shù)據(jù)處理的原始數(shù)據(jù)。

1.1.1衰減率測(cè)試原理

將衰減率定義為聲壓級(jí)在被試對(duì)象受到錘擊激勵(lì)時(shí)刻開(kāi)始，至聲壓級(jí)恢復(fù)至背景噪聲時(shí)刻結(jié)束的時(shí)間差，單位為s，其中聲壓級(jí)符號(hào)為L(zhǎng)p，單位為dB。衰減率是反應(yīng)噪聲衰減快慢的指標(biāo)，其表達(dá)式如下：

φ=tend-t0

(1)

式中：φ為衰減率；tend為聲壓恢復(fù)至背景噪聲時(shí)刻；t0為錘擊開(kāi)始，聲壓開(kāi)始紀(jì)錄時(shí)刻。

1.1.2等效聲級(jí)測(cè)試原理

根據(jù)GB/T 3947—1996標(biāo)準(zhǔn)，在評(píng)定脈沖隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定噪聲時(shí)，采用一段時(shí)間內(nèi)的能量平均的方法表示噪聲大小，稱為連續(xù)等效聲壓級(jí)，用符號(hào)Leq表示，等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)用LAeq,T表示，單位為dB。本文所述的等效聲級(jí)特指等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，其表達(dá)式見(jiàn)式(2)：

(2)

式中：T為規(guī)定的測(cè)量時(shí)間段，T=t2-t1，單位為s，這里的時(shí)間段取T=φ；pA(t)為A計(jì)權(quán)瞬時(shí)聲壓，單位為Pa；p0為基準(zhǔn)聲壓，p0=20 μPa。

1.2 試驗(yàn)方案

噪聲測(cè)試選擇在半夜環(huán)境噪聲影響較小的空曠試驗(yàn)車(chē)間進(jìn)行，近似模擬自由場(chǎng)，被試車(chē)輪通過(guò)吊裝帶保持自由懸吊狀態(tài)，激勵(lì)采用金屬小球，小球通過(guò)一個(gè)固定工裝連接，可以在工裝的軸上繞著軸線沿平面擺動(dòng)，控制小球每次的起落位置一致，保證每次小球撞擊激勵(lì)基本一致，每次試驗(yàn)至少得到3組有效數(shù)據(jù)。

1.2.1徑向激勵(lì)噪聲

被試車(chē)輪懸吊，保持其軸線距地面高800 mm，金屬小球從車(chē)輪徑向方向做圓弧擺動(dòng)，撞擊被試車(chē)輪的踏面，撞擊點(diǎn)高度與車(chē)輪軸線等高，金屬小球直徑選取為50 mm。

分別在徑向和軸向兩側(cè)各布置1個(gè)測(cè)量的傳聲器，徑向距離車(chē)輪滾動(dòng)圓最近點(diǎn)500 mm，軸向距車(chē)輪輪箍?jī)蓚?cè)側(cè)面800 mm。傳聲器和小球激勵(lì)點(diǎn)具體位置如圖1所示。

圖1 傳聲器測(cè)點(diǎn)和激勵(lì)位置

其中，聲源在徑向激勵(lì)時(shí)，徑向測(cè)點(diǎn)1是近聲源點(diǎn)，徑向測(cè)點(diǎn)3是遠(yuǎn)聲源點(diǎn)，軸向測(cè)點(diǎn)2和軸向測(cè)點(diǎn)4是軸向測(cè)點(diǎn)。

1.2.2軸向激勵(lì)噪聲

車(chē)輪懸吊位置和方式與徑向激勵(lì)完全一致，僅在小球激勵(lì)位置有所不同，軸向激勵(lì)小球撞擊位置為輪箍背面，具體位置如圖1所示。

其中，聲源在軸向激勵(lì)時(shí)，徑向測(cè)點(diǎn)3和軸向測(cè)點(diǎn)4是近聲源點(diǎn)，徑向測(cè)點(diǎn)1和軸向測(cè)點(diǎn)2是遠(yuǎn)聲源點(diǎn)。

2 噪聲試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及處理

通過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)，確保所測(cè)結(jié)果的一致性將多次重復(fù)測(cè)試得到的時(shí)域聲壓值進(jìn)行均值處理，得到徑向激勵(lì)和軸向激勵(lì)下彈性車(chē)輪與剛性車(chē)輪的噪聲特性。

2.1 徑向激勵(lì)結(jié)果對(duì)比

從測(cè)試結(jié)果看各個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域特性趨勢(shì)均接近，對(duì)于彈性車(chē)輪測(cè)點(diǎn)，在受到小球徑向激勵(lì)時(shí)在1.5 s量級(jí)左右快速衰減到背景噪聲聲壓級(jí)；而對(duì)于剛性車(chē)輪，則在6 s量級(jí)左右衰減到背景噪聲聲壓級(jí)，因此在文中僅展示一個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域結(jié)果進(jìn)行描述，其他結(jié)果如表1所示(下同)，圖2為徑向激勵(lì)下徑向測(cè)點(diǎn)1的噪聲聲壓級(jí)時(shí)域結(jié)果，等效聲級(jí)為時(shí)間段的積分結(jié)果，計(jì)算值如表1所示。

圖2 徑向激勵(lì)下噪聲聲壓級(jí)時(shí)域特性

表1 徑向激勵(lì)下彈性車(chē)輪與剛性車(chē)輪噪聲結(jié)果對(duì)比

從圖2可以看出聲源在徑向激勵(lì)作用下，彈性車(chē)輪的衰減要比剛性車(chē)輪快。

從表1可知，聲徑向激勵(lì)作用下，彈性車(chē)輪徑向測(cè)點(diǎn)平均衰減率為1.50 s，軸向測(cè)點(diǎn)的平均衰減率為1.70 s，平均衰減率為1.60 s；剛性車(chē)輪徑向測(cè)點(diǎn)平均衰減率為6.00 s，軸向測(cè)點(diǎn)的平均衰減率為6.50 s，平均衰減率為6.25 s；徑向和軸向測(cè)點(diǎn)的衰減率最小差值分別為4.50 s和4.85 s。即在徑向激勵(lì)下，彈性車(chē)輪的噪聲衰減最少要快4.5 s，并且對(duì)于徑向激勵(lì)而言，彈性車(chē)輪和剛性車(chē)輪都呈現(xiàn)出徑向比軸向衰減略快的特征。

在徑向聲源激勵(lì)下，彈性車(chē)輪的等效聲級(jí)值比剛性車(chē)輪小，彈性車(chē)輪4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均等效聲級(jí)為81.5 dB，剛性車(chē)輪的平均等效聲級(jí)為92.4 dB，等效聲級(jí)最小降幅為5.1 dB。

徑向激勵(lì)主要對(duì)應(yīng)車(chē)輪直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的輪軌作用，從結(jié)果上看彈性車(chē)輪之間的橡膠塊在徑向具有較明顯的降噪效果。

2.2 軸向激勵(lì)結(jié)果對(duì)比

圖3為軸向激勵(lì)下徑向測(cè)點(diǎn)4的噪聲聲壓級(jí)時(shí)域特性結(jié)果，等效聲級(jí)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖3 軸向激勵(lì)下噪聲聲壓級(jí)時(shí)域特性

表2 軸向激勵(lì)下彈性車(chē)輪與剛性車(chē)輪噪聲結(jié)果對(duì)比

從圖3可以看出聲源在軸向激勵(lì)作用下，彈性車(chē)輪比剛性車(chē)輪衰減快。

從表2可知，聲源在軸向激勵(lì)作用下，彈性車(chē)輪徑向測(cè)點(diǎn)平均衰減率為2.43 s，軸向測(cè)點(diǎn)的平均衰減率為2.43 s；剛性車(chē)輪徑向測(cè)點(diǎn)平均衰減率為16.26 s，軸向測(cè)點(diǎn)的平均衰減率為16.25 s，徑向和軸向測(cè)點(diǎn)的衰減率最小差值分別為13.78 s和13.80 s。即在軸向激勵(lì)下，彈性車(chē)輪的噪聲衰減至少快13.78 s。

在聲源軸向激勵(lì)作用下，彈性車(chē)輪的等效聲級(jí)比剛性車(chē)輪小，彈性車(chē)輪的平均等效聲級(jí)為79.8 dB，剛性車(chē)輪的平均等效聲級(jí)為84.7 dB。徑向測(cè)點(diǎn)的最小降幅為2.2 dB，軸向測(cè)點(diǎn)的最小降幅為2.6 dB。

軸向激勵(lì)對(duì)應(yīng)車(chē)輪曲線或者過(guò)道岔時(shí)的輪軌作用，從結(jié)果上看彈性車(chē)輪在軸向上也有一定的降噪效果。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)彈性車(chē)輪和剛性車(chē)輪在4個(gè)測(cè)試位置的噪聲對(duì)比試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

(1)在噪聲激勵(lì)作用下，彈性車(chē)輪的衰減比剛性車(chē)輪快；在徑向激勵(lì)下，彈性車(chē)輪和剛性車(chē)輪的平均衰減率分別為1.60 s和6.50 s，彈性車(chē)輪衰減率最少快4.50 s；在軸向激勵(lì)下，彈性車(chē)輪和剛性車(chē)輪的平均衰減率分別為2.43 s和16.26 s；軸向激勵(lì)下彈性車(chē)輪衰減率最少快13.78 s。

(2)在噪聲激勵(lì)作用下，彈性車(chē)輪的等效聲級(jí)比剛性車(chē)輪??；在徑向激勵(lì)下，彈性車(chē)輪平均等效聲級(jí)為81.5 dB，剛性車(chē)輪平均等效聲級(jí)為92.4 dB，徑向激勵(lì)下彈性車(chē)輪等效聲級(jí)最少小5.1 dB；在軸向激勵(lì)下，彈性車(chē)輪平均等效聲級(jí)為79.8 dB，剛性車(chē)輪徑平均等效聲級(jí)為84.7 dB；軸向激勵(lì)下彈性車(chē)輪最少小2.2 dB。