中低速磁浮列車車外噪聲特性及聲源貢獻測試分析

趙新利 賈尚帥 彭 壘 潘德闊

(中車唐山機車車輛有限公司，064099，唐山∥第一作者，高級工程師)

城市軌道交通的車外噪聲對沿線居民和生態(tài)具有重要影響，是關(guān)系軌道交通綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。城市軌道交通的車外噪聲關(guān)注點有兩個：① 聲源識別；② 聲源輻射特性及其對標準點的噪聲貢獻。文獻[1-2]建立了高速列車車外噪聲預(yù)測模型，以聲源識別結(jié)果作為輸入，研究了車外噪聲源貢獻，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向架區(qū)域和車下區(qū)域?qū)囃庠肼曍暙I最大，且聲學(xué)靈敏度高于其他區(qū)域的聲源。

不難看出，有關(guān)城市軌道交通車外噪聲的研究大多集中于高速列車，對于中低速磁浮列車的研究較少，而與之相似的地鐵列車噪聲研究又以車內(nèi)噪聲研究居多。因此,研究中低速磁浮列車的車外噪聲有著較大的實用意義。本文通過線路試驗測試了中低速磁浮列車的運行車外噪聲，并利用聲線追蹤法進行了車外噪聲仿真計算，采用仿真與試驗相結(jié)合的手段，對磁浮列車的車外噪聲貢獻進行了分析。本研究可為中低速磁浮列車的噪聲控制提供指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1 車外噪聲特性試驗

1.1 測點布置

根據(jù)相關(guān)標準規(guī)定，軌道交通車輛的車外噪聲評價測點設(shè)置要求為：距離軌道中心線7.5 m、鋼軌頂面1.2 m和3.5 m的測點；距離軌道中心線25.0 m、鋼軌頂面3.5 m的測點。高速列車的動態(tài)試驗一般主要評價距離軌道中心線25.0 m處的測點，地鐵列車則主要評價距離軌道中心線7.5 m處的測點，磁浮列車根據(jù)速度等級參考地鐵列車。地鐵列車車外噪聲測點布置示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵列車車外噪聲測點布置示意圖

1.2 噪聲特性

根據(jù)標準點1和標準點2的位置(見圖1)，分別固定一只自由場麥克風(fēng)，用于監(jiān)測磁浮列車的通過噪聲。數(shù)據(jù)采樣頻率為65 536 Hz。列車通過時的噪聲計算公式為：

(1)

Tp=t2-t1

(2)

式中：

LAeq,Tp——列車通過時段內(nèi)的等效連續(xù)A聲級，dB(A)；

t1——車頭進入測點時間，s；

t2——車尾離開測點時間，s；

Tp——列車通過的時間段，s；

pA(t)——噪聲瞬時A計權(quán)聲壓，Pa；

p0——基準聲壓，取為20 μPa。

磁浮列車與地鐵列車的車外噪聲頻譜差異對比如圖2所示。其中：列車運行速度均為60 km/h；測點距離軌道中心線均為7.5 m；地鐵列車的兩個測點分別位于距離鋼軌頂面1.2 m和3.5 m處；由于研究性試驗的特殊要求，磁浮列車的測點位于距離鋼軌頂面1.5 m處。

圖2 磁浮列車與地鐵列車的車外噪聲頻譜Fig.2 Exterior noise spectrum of maglev train and metro train

當列車運行速度為60 km/h時，地鐵的車外通過噪聲約為80 dB(A)，磁浮的車外通過噪聲約為75 dB(A)。磁浮列車的車外噪聲比地鐵列車低5 dB(A)左右。由圖2可知：磁浮列車的車外噪聲主要在中心頻率為80～1 000 Hz的1/3倍頻帶，且該頻帶磁浮列車的聲壓級明顯低于地鐵列車；地鐵列車的車外噪聲峰值主要在中心頻率為500 Hz和2 000 Hz的1/3倍頻帶，磁浮列車的車外噪聲峰值主要在中心頻率為1 250 Hz的1/3倍頻帶。

文獻[3-4]的研究結(jié)果表明，軌道交通車輛在中低速運行時的噪聲源主要為輪軌噪聲，其顯著頻帶為中心頻率為500～2 000 Hz的1/3倍頻帶。但磁浮列車的車外主要噪聲源貢獻尚不明確，故有必要通過試驗與仿真的方法進行深入研究。

2 車外噪聲仿真建模

2.1 理論方法

軌道交通車輛的車外噪聲仿真建模方法很多，包括有限元-邊界元方法、統(tǒng)計能量分析和聲線追蹤法等。其中，聲線追蹤法無論在預(yù)測精度還是在計算效率方面都具有獨特的優(yōu)勢。因此，本文采用聲線追蹤法對磁浮列車的車外噪聲進行建模分析。聲線追蹤法是用聲線來表示點聲源以球面波發(fā)射聲波的形式，其原理如圖3所示。

圖3 聲線追蹤法原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of sound ray tracing method

聲線沿直線按聲速朝一定方向傳播。當遇到阻抗與空氣不同的界面時，聲線會發(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。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。對于光滑界面，即界面上的起伏比波長尺度小得多，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?；诼暰€追蹤法建立磁浮列車的車外噪聲模型可以考慮不同區(qū)域的聲源特性，以及聲源在傳播過程中與界面發(fā)生的相互作用關(guān)系。

2.2 模型驗證

根據(jù)一列三節(jié)編組的中低速磁浮列車實際幾何尺寸，考慮軌道結(jié)構(gòu)，建立磁浮列車的車外噪聲預(yù)測模型，如圖4所示。磁浮列車和軌道以實際結(jié)構(gòu)作為幾何邊界，以材料屬性體現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征。地面設(shè)置為混凝土介質(zhì)，考慮其吸聲及反射。模型輸入主要聲源激勵包括：受電靴/供電軌系統(tǒng)、空調(diào)機組、空壓機、輔助逆變器、牽引逆變器、充電機和懸浮電源。其中：受電靴/供電軌系統(tǒng)為磁浮列車運行時的關(guān)鍵噪聲源，通過試驗臺測試獲得60 km/h速度級下，受電靴/供電軌系統(tǒng)的聲壓級；其他聲源為設(shè)備噪聲，采用包絡(luò)法測試設(shè)備以額定功率運轉(zhuǎn)時的離散點聲壓獲得其聲功率。

圖4 磁浮列車的車外噪聲預(yù)測模型Fig.4 Prediction model of maglev train exterior noise

受電靴/供電軌系統(tǒng)聲源和其他各設(shè)備聲源的1/3倍頻程頻譜如圖5所示。以點聲源的形式將上述聲源激勵加載到磁浮列車的車外噪聲預(yù)測模型中。在距離軌道中心線7.5 m、鋼軌頂面1.5 m處，沿車身縱向布置一系列的聲學(xué)場點，計算車外輻射噪聲。當磁浮列車運行速度為60 km/h時，車外噪聲的預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖6所示。由圖6可知，磁浮列車車外噪聲預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果在頻譜分布規(guī)律上基本一致，且吻合度較高，噪聲總值差異在2 dB(A)以內(nèi)。仿真模型預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果具有很好的一致性，驗證了預(yù)測結(jié)果是可信的。

圖5 聲源的1/3倍頻程頻譜Fig.5 1/3 octave spectrum of sound sources

圖6 磁浮列車車外噪聲預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果對比

3 車外噪聲貢獻分析

基于第2節(jié)經(jīng)過驗證后的磁浮列車車外噪聲預(yù)測模型，對磁浮列車車外噪聲貢獻進行分析。

3.1 聲場云圖

在距離軌道中心線7.5 m處，沿車身縱向方向建立垂直于地面的面網(wǎng)格，用于觀察距離軌道中心線7.5 m處的輻射聲場。磁浮列車車外輻射聲場云圖如圖7所示。由圖7可知，當磁浮列車運行速度為60 km/h時，車外噪聲主要表現(xiàn)為車下區(qū)域較高，特別是受電靴/供電軌系統(tǒng)所在位置對應(yīng)的車下區(qū)域。由此可知，受電靴/供電軌系統(tǒng)噪聲是磁浮列車車外噪聲的主要噪聲源。

圖7 磁浮列車車外輻射聲場云圖

3.2 頻譜貢獻

為了進一步明確受電靴/供電軌系統(tǒng)噪聲以及其他設(shè)備噪聲對磁浮列車車外噪聲的貢獻，依次只考慮一個聲源的激勵加載，計算對比車外噪聲特性。車外噪聲頻譜貢獻如圖8所示。由圖8可知：受電靴/供電軌系統(tǒng)接觸噪聲在中心頻率為200 Hz以上的1/3倍頻帶，且均對車外噪聲呈主要貢獻狀態(tài)，這和受電靴/供電軌系統(tǒng)噪聲本身呈現(xiàn)明顯的中高頻特性有關(guān)；相對于受電靴/供電軌系統(tǒng)，其他設(shè)備噪聲對車外噪聲貢獻較低。在中心頻率為200 Hz以上的1/3倍頻帶，按照聲源貢獻大小排序，依次為空調(diào)機組、輔助逆變器、牽引逆變器、懸浮電源及空壓機。充電機主要在低頻部分對車外噪聲有一定貢獻。

圖8 車外噪聲頻譜貢獻Fig.8 Contribution of exterior noise frequency spectrum

4 結(jié)語

本文通過線路試驗測試了磁浮列車的車外噪聲，并對比分析了磁浮列車與地鐵列車的車外噪聲特性差異?；诜抡婺Ｐ?，研究了磁浮列車的車外噪聲貢獻。主要獲得以下結(jié)論：

1) 當列車運行速度為60 km/h時，磁浮列車的車外噪聲比地鐵列車低5 dB(A)左右；

2) 磁浮列車的車外噪聲主要表現(xiàn)為車下區(qū)域較高，受電靴/供電軌系統(tǒng)噪聲是主要噪聲源；

3) 測試數(shù)據(jù)的1/3倍頻程分析表明，受電靴/供電軌系統(tǒng)接觸噪聲在200～5 000 Hz頻帶對車外噪聲呈主要貢獻；

4) 相對于受電靴/供電軌系統(tǒng)，其他設(shè)備噪聲對車外噪聲貢獻較低；

5) 控制磁浮列車的車外噪聲應(yīng)該重點關(guān)注受電靴/供電軌系統(tǒng)的減振降噪設(shè)計。