基于OTPA 方法某地鐵車輛制動(dòng)噪聲測(cè)試研究

袁 場(chǎng)， 曹云麗*， 宛鵬翔， 周盛林

（1.南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 210031； 2.米勒貝姆振動(dòng)與聲學(xué)系統(tǒng)（北京）有限公司， 北京 100000）

0 引言

城市軌道交通車輛的車內(nèi)噪聲是一種綜合噪聲，其主要來(lái)源有輪軌噪聲、設(shè)備噪聲、氣動(dòng)噪聲以及電磁噪聲等。 為降低車內(nèi)噪聲，提高乘客舒適度，需結(jié)合聲/振源、傳播路徑以及受者，建立綜合噪聲聲源、傳遞路徑解析以及噪聲影響評(píng)估手段。

目前， 最為經(jīng)典的能夠有效辨識(shí)主要激勵(lì)源和振動(dòng)噪聲傳遞特性的解析方法為傳遞路徑分析（TPA，Transfer Path Analysis）[1-2]。TPA 方法主要涉及三個(gè)關(guān)鍵的問題：頻響函數(shù)的獲取、 工作載荷的識(shí)別與TPA 結(jié)果的評(píng)價(jià)，其中各路徑工作載荷激勵(lì)大小獲取較為復(fù)雜。 在實(shí)際工程應(yīng)用中， 獲取路徑點(diǎn)激勵(lì)力最有效且應(yīng)用最廣泛的方法是間接測(cè)量法， 根據(jù)原理不同可分為復(fù)剛度法（Complex Stiffness Method CSM）與逆矩陣法（Matrix Inversion Method MIM）[3]。 復(fù)剛度法測(cè)量時(shí)基于結(jié)構(gòu)預(yù)載荷、邊界條件以及環(huán)境參數(shù)等因素，并考慮溫度、結(jié)構(gòu)非線性等因素影響，因此在實(shí)際使用中復(fù)剛度法參數(shù)的獲取比較困難。 逆矩陣法是TPA 方法中路徑工作載荷識(shí)別應(yīng)用最廣泛的一種方法，其通過獲取路徑點(diǎn)工作載荷實(shí)現(xiàn)，故其具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。 逆矩陣法在使用過程中，除需要獲取無(wú)振動(dòng)激勵(lì)設(shè)備狀態(tài)下的頻響曲線，還需要增加傳遞函數(shù)指示測(cè)點(diǎn)，且要求指示測(cè)點(diǎn)數(shù)量不少于傳遞路徑個(gè)數(shù)， 因此測(cè)試過程復(fù)雜且工作量大， 這一缺陷一定程度上制約了逆矩陣法的推廣應(yīng)用[4]。 因此，若能實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下激勵(lì)源的識(shí)別，則能極大提高試驗(yàn)測(cè)試的工作效率，工況傳遞路徑法（OTPA：Operational Transfer Path Analysis）[5-7]的提出與應(yīng)用有效的實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

OTPA 方法利用設(shè)備運(yùn)行工況下的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)建立分析模型，解決了傳統(tǒng)傳遞路徑分析方法的缺陷。 結(jié)合奇異值分解矩陣處理技術(shù)[8]，有效解決數(shù)據(jù)中的干擾噪聲和相關(guān)性，消除了多聲源通道信號(hào)之間的相互串?dāng)_，提高數(shù)據(jù)的有效性， 實(shí)現(xiàn)各路徑振動(dòng)噪聲的解耦， 實(shí)現(xiàn)了噪聲、振動(dòng)源的快速定位、占比分析。

本文就某地鐵車輛用夾鉗制動(dòng)單元-鋁合金制動(dòng)盤制動(dòng)噪聲，測(cè)試應(yīng)用工況傳遞路徑方法（OTPA），有效解決地鐵車輛客室內(nèi)制動(dòng)噪聲測(cè)試存在的多聲源通道信號(hào)之間的串?dāng)_問題，建立制動(dòng)噪聲測(cè)試評(píng)估能力，實(shí)現(xiàn)夾鉗制動(dòng)單元-鋁合金制動(dòng)盤制動(dòng)噪聲特性測(cè)試與分析。

1 OTPA 分析理論基礎(chǔ)

傳統(tǒng)TPA 分析方法基于線性、時(shí)不變及互易性假設(shè)建立動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型， 將所有激勵(lì)源Fi看作線性系統(tǒng)的輸入，乘以傳遞函數(shù)Hi，再根據(jù)疊加原理可得系統(tǒng)相應(yīng)R：

與之相比OTPA 動(dòng)力學(xué)模型需要在每個(gè)傳遞路徑處選取1 個(gè)參考點(diǎn)（如圖1），假設(shè)參考點(diǎn)處響應(yīng)為ai，目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)響應(yīng)同樣為R，那么：

聯(lián)合式（1）和式（2），可得：

令

基于時(shí)不變系統(tǒng)T 應(yīng)為定常矩陣，有：

通過多轉(zhuǎn)速工況實(shí)驗(yàn)獲得不同激勵(lì)載荷組下的響應(yīng)，

令：

有效測(cè)試工況數(shù)n 大于或等于m 時(shí)，式（6）求逆或偽逆可得到式（9），從而獲得唯一解傳遞率矩陣T。 此外，按照以上公式計(jì)算所得傳遞率函數(shù)是相互耦合的， 同時(shí)含有部分測(cè)試噪聲等干擾信號(hào)， 從而無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算各部件或激勵(lì)源的貢獻(xiàn)率。 因此需要首先針對(duì)式（7）中求逆矩陣做奇異值分解（SVD）[8]，在進(jìn)行奇異值分解的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了主分量的分析 （PCA，Principle components analysis），從而實(shí)現(xiàn)函數(shù)的解耦和干擾噪聲的消除。

針對(duì)X 矩陣奇異值分解（SVD）后得到：

式中：U 是m×n 的正交矩陣，S 是m×m 的對(duì)角矩陣 （對(duì)角線均為特征值），V 是m×m 的正交矩陣，則：

在OTPA 模型應(yīng)用時(shí)，需要注意保證有效計(jì)算工況數(shù)目大于等于傳遞路徑數(shù)， 從不同的角度計(jì)算統(tǒng)計(jì)可以分析不同的貢獻(xiàn)量，如結(jié)構(gòu)聲、空氣聲貢獻(xiàn)，不同噪聲源部件貢獻(xiàn)等。

2 基于OTPA 制動(dòng)噪聲分析

2.1 OTPA 模型建立

地鐵列車噪聲來(lái)源比較復(fù)雜， 主要噪聲源包括輪軌系統(tǒng)、車輛動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛風(fēng)噪等，通過結(jié)構(gòu)、空氣不同形式路徑傳輸?shù)杰噧?nèi)，疊加成車內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)噪聲。 建立OTPA 分析模型可根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)簡(jiǎn)化，考慮列車進(jìn)站噪聲主要來(lái)自于電機(jī)、減速器、輪軌、轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)裝置。 因此建立OTPA 分析模型如圖2 所示，測(cè)試方案如表1，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)如圖3 所示。 車內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置參考 《GBZ/T 189.8—2007 工作場(chǎng)所物理因素測(cè)量第8 部分：噪聲》，傳聲器固定在三腳架上，距離地面1.2m。

圖2 OTPA 分析模型

圖3 測(cè)點(diǎn)示意圖

某列車運(yùn)營(yíng)常規(guī)制動(dòng)方式為電空混合制動(dòng)， 即首先啟動(dòng)電制動(dòng)，轉(zhuǎn)速降至一定階段后啟動(dòng)夾鉗制動(dòng)單元-鋁合金制動(dòng)盤進(jìn)行制動(dòng)。 本文制動(dòng)噪聲測(cè)試采用米勒貝母公司的BBM MKII 高精度數(shù)據(jù)采集儀及PAK 振動(dòng)噪聲分析軟件進(jìn)行試驗(yàn)采集， 具體試驗(yàn)布點(diǎn)方案及示意圖如表1 與圖3 所示。

2.2 OTPA 模型檢驗(yàn)

依據(jù)OTPA 分析和奇異值分解理論， 基于商業(yè)集成的BBM PAK 振動(dòng)噪聲系統(tǒng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到解耦的傳遞率函數(shù)， 代入?yún)⒖键c(diǎn)運(yùn)行工況計(jì)算車內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲信號(hào)并與原始車內(nèi)測(cè)試信號(hào)對(duì)比驗(yàn)證模型可用性。第四站制動(dòng)過程行駛及制動(dòng)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)為例，測(cè)試值和計(jì)算值對(duì)比分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 制動(dòng)噪聲計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

通過對(duì)比分析OTPA 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值可知， 信號(hào)頻域和時(shí)域吻合度都比較好， 尤其是頻域能量集中部分近似重合， 本文建立的OTPA 分析模型能夠有效解析地鐵車輛客室內(nèi)制動(dòng)噪聲測(cè)試存在的多聲源通道信號(hào)之間的串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)夾鉗制動(dòng)單元-鋁合金制動(dòng)盤制動(dòng)噪聲測(cè)試。

3 制動(dòng)噪聲分析

為分析夾鉗制動(dòng)單元-鋁合金制動(dòng)盤制動(dòng)噪聲能量分布，對(duì)制動(dòng)噪聲進(jìn)行1/3 倍頻程分析，以第四站制動(dòng)過程測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 制動(dòng)噪聲1/3 倍頻程分析

通過分析可知，制動(dòng)過程噪聲總值為59.4dB（A），其中3150Hz 頻段噪聲值為56dB（A），能量較突出（占比46%），因此對(duì)該噪聲頻率分布現(xiàn)象做OTPA 分析， 確定噪聲源與路徑。 針對(duì)3150Hz 噪聲能量進(jìn)一步的利用OTPA 方法進(jìn)行聲源及傳遞路徑分析。根據(jù)整體噪聲貢獻(xiàn)分析可知，行駛過程中結(jié)構(gòu)聲和空氣聲都有，其中結(jié)構(gòu)聲占主導(dǎo)，剎車制動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)聲占絕對(duì)主導(dǎo)。 通過對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行分析可知，行駛過程中結(jié)構(gòu)聲全部由輪軌噪聲導(dǎo)致，而制動(dòng)時(shí)噪聲是由夾鉗制動(dòng)單元-鋁合金制動(dòng)盤摩擦制動(dòng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)聲，具體分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 噪聲傳遞路徑分析

為進(jìn)一步確認(rèn)各制動(dòng)噪聲源差異特性， 對(duì)各夾鉗制動(dòng)單元-鋁合金制動(dòng)盤摩擦制動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)度進(jìn)行分析。通過分析可知，最大噪聲源為前右側(cè)鋁合金制動(dòng)夾鉗單元，該鋁合金機(jī)械夾鉗制動(dòng)單元-鋁合金制動(dòng)盤出現(xiàn)的3150Hz 左右的制動(dòng)噪聲在行業(yè)內(nèi)稱為高頻制動(dòng)嘯叫噪聲，屬于摩擦噪聲，具體分析結(jié)果如圖7 所示。

圖7 基于OTPA 詳細(xì)部件噪聲貢獻(xiàn)分析

4 結(jié)論

本文針對(duì)某地鐵車輛客室內(nèi)制動(dòng)噪聲測(cè)試方法及其特性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試分析與研究，得到以下結(jié)論：

（1）基于工況傳遞路徑法（OTPA）進(jìn)行地鐵車輛夾鉗制動(dòng)單元-鋁合金制動(dòng)盤制動(dòng)過程噪聲測(cè)試，能夠有效解決地鐵車輛客室內(nèi)制動(dòng)噪聲測(cè)試存在的多聲源通道信號(hào)之間的串?dāng)_問題，解析制動(dòng)噪聲特性，為后續(xù)制動(dòng)噪聲特性研究與方案優(yōu)化提供了測(cè)試研究的基礎(chǔ)。

（2） 某地鐵車輛用夾鉗制動(dòng)單元-鋁合金制動(dòng)盤制動(dòng)過車存在顯著制動(dòng)噪聲，制動(dòng)過程噪聲總值為59.4dB（A），其中3150Hz 頻段制動(dòng)噪聲值為56dB（A），能量較突出（占比46%），存在制動(dòng)嘯叫特征。

（3）某地鐵車輛行駛過程中結(jié)構(gòu)聲和空氣聲都有，其中結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)噪聲占主要，制動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)聲占絕對(duì)主導(dǎo)。