城際動(dòng)車組輪軌噪聲特性及影響試驗(yàn)研究*

徐俊杰

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006）

隨著城際動(dòng)車組線路的大規(guī)模建設(shè)和運(yùn)營，噪聲污染問題日益突出。車輛噪聲主要分為輪軌噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、空氣動(dòng)力噪聲、結(jié)構(gòu)物振動(dòng)噪聲和其他噪聲。目前，國內(nèi)外已對(duì)此進(jìn)行了大量軌道車輛車內(nèi)及輪軌噪聲的測試研究。陳俊豪等[1]對(duì)地鐵車內(nèi)噪聲特性展開試驗(yàn)研究，分別測試不同速度下的地鐵車內(nèi)噪聲。薛紅艷等[2]通過對(duì)地鐵車內(nèi)噪聲進(jìn)行測試，分析車內(nèi)同一工況不同位置的噪聲分布規(guī)律。孫金棟等[3]對(duì)車內(nèi)噪聲水平進(jìn)行了調(diào)查分析，明確了輪軌噪聲是地鐵列車車內(nèi)噪聲的主要影響因素。研究表明，輪軌噪聲在鐵路噪聲中占有很高的比例，因此開展輪軌噪聲測試對(duì)于減振降噪技術(shù)的研究非常關(guān)鍵[4-6]。故本文分別對(duì)某型城際動(dòng)車組進(jìn)行輪軌噪聲、車內(nèi)噪聲、軸箱加速度、車輪粗糙度測試，并分析動(dòng)車、拖車在不同速度等級(jí)下的噪聲變化及特定速度下的頻譜特性，為城際動(dòng)車組減振降噪提供建議。

1 測試方案設(shè)計(jì)

1.1 測試對(duì)象及設(shè)備

測試對(duì)象為某型4 輛編組（2M2T）城際動(dòng)車組，該車最大設(shè)計(jì)速度為160 km/h。分別在80 km/h、100 km/h、120 km/h、140 km/h 及160 km/h 速度級(jí)對(duì)輪軌噪聲、車內(nèi)噪聲、車輪粗糙度和軸箱振動(dòng)加速度進(jìn)行測試。測試車輪表面粗糙度的設(shè)備為德國BBM 公司生產(chǎn)的m|wheel 車輪粗糙度測試系統(tǒng)，車輛噪聲和軸箱振動(dòng)加速度測試采用德國BBM 公司研發(fā)的PAK 測試分析系統(tǒng)和PAK Mobile MK II 聲學(xué)采集儀。

1.2 測點(diǎn)布置方案

測點(diǎn)布置如圖1、圖2 所示，分別在1 車（動(dòng)車）二位轉(zhuǎn)向架和2 車（拖車）一位轉(zhuǎn)向架上布置振動(dòng)加速度及噪聲測點(diǎn)。分別在動(dòng)車和拖車轉(zhuǎn)向架四個(gè)車輪上各安裝一個(gè)聲傳感器測量輪軌噪聲，并在其斜對(duì)角軸箱上各布置一個(gè)加速度傳感器測量軸箱振動(dòng)，車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)（1 車二位端和2 車一位端）處布設(shè)一個(gè)麥克風(fēng)測量標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)（坐姿1.2 m）處的噪聲，車內(nèi)地板上布置一個(gè)加速度傳感器測量車內(nèi)地板振動(dòng)，車輪粗糙度測試系統(tǒng)測試1 車（動(dòng)車）二位轉(zhuǎn)向架和2 車（拖車）一位轉(zhuǎn)向架上的全部車輪。

圖1 動(dòng)車（1車）測點(diǎn)示意圖

圖2 拖車（2車）測點(diǎn)示意圖

2 數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 噪聲測試及評(píng)價(jià)

根據(jù)ISO 3095:2013《聲學(xué)—鐵路應(yīng)用—軌道車輛發(fā)出的噪聲測量》（Acoustics—Railway applications—Measurement of noise emitted by railbound vehicles）[7]和ISO 3381:2021《鐵路應(yīng)用—聲學(xué)—軌道車輛內(nèi)部的噪聲測量》（Railway applications—Acoustics—Noise measurement inside railbound vehicles）[8]的測量及數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)車內(nèi)噪聲和輪軌噪聲測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均。為了反映人對(duì)噪聲的響度感覺，采用某一連續(xù)穩(wěn)態(tài)聲的等效A 聲壓級(jí)LAeq,T作為評(píng)價(jià)量，單位為分貝（dB），具體計(jì)算如式（1）所示。

式中，PA(t)為噪聲瞬時(shí)A 計(jì)權(quán)聲壓，單位為Pa；p0為基準(zhǔn)聲壓，取20 μPa。

2.2 車輪粗糙度測試及評(píng)價(jià)

車輪粗糙度測量試驗(yàn)參照BS EN 15610:2019《鐵路應(yīng)用—聲學(xué)—與噪聲產(chǎn)生相關(guān)的軌道和車輪粗糙度測量》（Railway applications—Acoustics—Rail and wheel roughness measurement related to noise generation）[9]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。車輪粗糙度數(shù)據(jù)表示成圓周長度的函數(shù)r(x)，對(duì)車輪表面粗糙度數(shù)據(jù)r(x)進(jìn)行濾波預(yù)處理，并進(jìn)行功率譜計(jì)算，得到粗糙度r(λ)頻譜，其中λ為波長。計(jì)算粗糙度1/3 倍頻程波長譜，即計(jì)算每個(gè)1/3 倍頻程頻帶范圍內(nèi)所有波長對(duì)應(yīng)r(λ)的均方根值rrms，得到粗糙度水平Lr，如式（2）所示。

式中，Lr的單位為dB；r0為車輪表面粗糙度參考值，取1 μm。

2.3 振動(dòng)加速度測試及評(píng)價(jià)

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631-1:1997《機(jī)械振動(dòng)和沖擊—人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)估—第1 部分：一般要求》（Mechanical vibration and shock—Evaluation of human exposure to whole-body vibration—Part 1:General requirements）[10]中的規(guī)定，振動(dòng)加速度VAL的計(jì)算公式為：加速度與基準(zhǔn)加速度之比以10 為底的對(duì)數(shù)乘以20，如式（3）所示，單位為dB。

式中，a為振動(dòng)加速度有效值，單位為m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，取1×10-6m/s2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同速度級(jí)下的車內(nèi)噪聲特性

1 車二位端1.2 m 坐姿標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)和2 車一位端1.2 m 坐姿標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)車內(nèi)噪聲隨速度變化曲線圖如圖3 所示。從圖3 中可以看出：1 車（動(dòng)車）車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)聲壓級(jí)平均高于2 車（拖車）車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)約3 dB；速度低于140 km/h 時(shí)，聲壓級(jí)增加不是很明顯，但是在140 km/h~160 km/h 之間聲壓級(jí)隨速度的增加顯著增大。

圖3 不同速度級(jí)下車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲特性

3.2 不同速度級(jí)下輪軌噪聲特性

根據(jù)規(guī)定的測量及數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)車內(nèi)噪聲和輪軌噪聲測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，可得到不同速度級(jí)下1車和2車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲聲壓級(jí)。

1 車和2 車輪軌噪聲與轉(zhuǎn)向架中心區(qū)域噪聲隨速度變化曲線圖分別如圖4、圖5 所示。從圖中可以看出，1 車轉(zhuǎn)向架各測點(diǎn)噪聲值隨著速度增加顯著增加，2 車轉(zhuǎn)向架各測點(diǎn)噪聲值也隨著速度增加而增加，但增幅不明顯，結(jié)合1 車是動(dòng)車、2 車是拖車的具體情況，說明轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲可能與車輛動(dòng)力裝置的布置有關(guān)，建議加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力裝置的減振降噪處理。

圖4 1車轉(zhuǎn)向架區(qū)域輪軌噪聲特性

圖5 2車轉(zhuǎn)向架區(qū)域輪軌噪聲特性

3.3 不同車輛輪軌噪聲與軸箱振動(dòng)頻譜特性

由于輪軌噪聲在3 500 Hz 之后較小，為了解釋不同車輛的輪軌噪聲特性，以速度160 km/h 為例，本次頻域特性分析的頻率范圍為2 Hz~3 500 Hz。

1 車3 軸左側(cè)車輪輪軌噪聲1/3 倍頻程圖、軸箱振動(dòng)頻譜圖、車輪不圓度極坐標(biāo)圖、車輪多邊形階次圖分別如圖6~9 所示。從圖中可以看出：1）3 軸左側(cè)輪軌噪聲主要集中在800 Hz~2 000 Hz 頻段，峰值出現(xiàn)在中心，頻率為1 250 Hz 左右的頻帶，總的聲壓級(jí)為120.2 dB（A）；2）3 軸左側(cè)軸箱的振動(dòng)加速度為21.76 m/s2，并出現(xiàn)了4 個(gè)明顯的峰值，峰值頻率分別為75 Hz、262 Hz、856 Hz、1 162 Hz，由圖7 可知輪軌接觸所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲在262 Hz 左右對(duì)軸箱振動(dòng)影響比較明顯；3）由車輪不圓度極坐標(biāo)圖和車輪多邊形階次圖可看出，該車輪并未出現(xiàn)明顯的車輪多邊形。

圖6 1車3軸左側(cè)輪軌噪聲1/3倍頻程

圖7 1車3軸左側(cè)軸箱振動(dòng)頻譜特性

圖8 1 車3軸左側(cè)車輪不圓度極坐標(biāo)圖

圖9 1車3軸左側(cè)車輪多邊形階次圖

2 車2 軸右側(cè)車輪輪軌噪聲1/3 倍頻程圖、軸箱振動(dòng)頻譜圖、車輪不圓度極坐標(biāo)圖、車輪多邊形階次圖分別如圖10~13 所示。從圖中可以看出：1）2 軸右側(cè)輪軌噪聲主要集中在800 Hz~3 150 Hz 頻段，峰值出現(xiàn)在中心，頻率為2 000 Hz 左右的頻段，總的聲壓級(jí)為123.6 dB（A）；2）2 軸右側(cè)軸箱的振動(dòng)加速度為28.83 m/s2，并出現(xiàn)了2 個(gè)明顯的峰值，峰值頻率分別為75 Hz、900 Hz，由圖11 可知輪軌接觸所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲在75 Hz、900 Hz 左右對(duì)軸箱振動(dòng)影響比較明顯；3）由車輪不圓度極坐標(biāo)圖和車輪多邊形階次圖可以看出，該車輪出現(xiàn)了明顯的偏心現(xiàn)象，但是并未出現(xiàn)明顯的車輪多邊形。

圖10 2車2軸右側(cè)輪軌噪聲1/3倍頻程

圖11 2車2 軸右側(cè)軸箱振動(dòng)頻譜特性

圖12 2車2軸右側(cè)車輪不圓度極坐標(biāo)圖

圖13 2 車2軸右側(cè)車輪多邊形階次圖

3.4 不同車輛車內(nèi)地板振動(dòng)頻譜特性

1 車和2 車車內(nèi)地板振動(dòng)各速度級(jí)下的頻譜圖分別如圖14、圖15 所示，可以看出1 車和2 車車內(nèi)地板的振動(dòng)規(guī)律基本相同，均在75 Hz 附近出現(xiàn)了明顯的峰值，與軸箱振動(dòng)的峰值頻率近似對(duì)應(yīng)。

圖14 1車車內(nèi)地板振動(dòng)頻譜特性

圖15 2車車內(nèi)地板振動(dòng)頻譜特性

3.5 不同車輛車內(nèi)噪聲與車內(nèi)地板振動(dòng)相關(guān)性分析

1 車和2 車車內(nèi)地板振動(dòng)與車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲相關(guān)性分別如圖16、圖17 所示，可以看出1 車車內(nèi)地板振動(dòng)與車內(nèi)噪聲在75 Hz左右頻帶上的相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.8 以上，在500 Hz~900 Hz 頻率范圍內(nèi)的相關(guān)性系數(shù)較其他頻率更突出；通過之前的車內(nèi)地板頻譜圖也可以看出，在該頻率范圍內(nèi)，車內(nèi)地板的振動(dòng)比其他頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)更大，說明1 車車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲在75 Hz 左右頻帶以及500 Hz~900 Hz 的頻帶上跟車下傳至車內(nèi)地板的振動(dòng)相關(guān)性強(qiáng)，可以對(duì)車內(nèi)地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)隔振。2 車車內(nèi)地板振動(dòng)與車內(nèi)噪聲在75 Hz 左右頻帶上的相關(guān)性系數(shù)也達(dá)到0.8 以上，在500 Hz~1 000 Hz 頻率范圍內(nèi)的相關(guān)性系數(shù)較其他頻率更加突出，說明2 車情況與1 車類似，2 車車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲也是在75 Hz 左右頻帶以及500 Hz~900 Hz 的頻帶上跟車下傳至車內(nèi)地板的振動(dòng)相關(guān)性強(qiáng)。

圖16 1車地板振動(dòng)與車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲相關(guān)性

圖17 2車地板振動(dòng)與車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲相關(guān)性

4 結(jié)果

對(duì)某型城際動(dòng)車組進(jìn)行了輪軌噪聲、車內(nèi)噪聲、軸箱加速度、車輪粗糙度測試，通過數(shù)據(jù)分析得出了以下結(jié)果：

1）對(duì)比分析各速度級(jí)下不同車輛車內(nèi)噪聲水平，1車（動(dòng)車）車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)聲壓級(jí)平均約高于2車（拖車）車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)聲壓級(jí)3 dB。

2）1 車轉(zhuǎn)向架各測點(diǎn)噪聲值隨著速度增加顯著增加，2車轉(zhuǎn)向架各測點(diǎn)噪聲值也隨著速度增加而增加，但增幅不明顯，結(jié)合1 車是動(dòng)車、2 車是拖車的具體情況，說明轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲可能與車輛動(dòng)力裝置的布置有關(guān)，建議加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力裝置的減振降噪處理[11-12]。

3）車內(nèi)地板和軸箱均在75 Hz 左右發(fā)生了明顯振動(dòng)，車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲在75 Hz 左右頻帶與車下傳至車內(nèi)地板的振動(dòng)相關(guān)性大于0.8，建議對(duì)地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔振優(yōu)化。