動(dòng)車組受電弓開閉口對(duì)車外噪聲影響試驗(yàn)研究

張毅超，尹 皓，伍向陽，劉蘭華，何財(cái)松，韓 立

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081； 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

國(guó)內(nèi)外研究表明，集電系統(tǒng)噪聲是高速鐵路噪聲的重要來源之一，其噪聲主要為氣動(dòng)噪聲、受電弓和接觸網(wǎng)之間摩擦產(chǎn)生的噪聲以及受電弓在極短時(shí)間內(nèi)與接觸網(wǎng)分離產(chǎn)生的電弧噪聲。我國(guó)高速鐵路建設(shè)發(fā)展以來，通過不斷改進(jìn)和優(yōu)化受電弓受流性能及弓網(wǎng)接觸關(guān)系，電弧噪聲已大為減少，摩擦噪聲也大幅降低，隨著高速鐵路運(yùn)行速度提高，氣動(dòng)噪聲占比明顯高于其他噪聲，成為普遍關(guān)注的對(duì)象。

關(guān)于高速鐵路受電弓區(qū)域氣動(dòng)噪聲，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。POISSON F[1]總結(jié)了各國(guó)對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲不同的降噪措施，并分別對(duì)其效果做出了評(píng)價(jià)；NOGER[2]通過試驗(yàn)得出受電弓的主要?dú)鈩?dòng)噪聲源來自于受電弓的弓頭背風(fēng)的一側(cè)；Mitsuru IKEDA[3]對(duì)弓頭經(jīng)過平滑處理、表面使用多孔吸聲材料的特制受電弓進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其相比普通受電弓具有較好的降噪效果；池田充[4]研究介紹了日本新干線針對(duì)受電弓電弧噪聲和氣動(dòng)噪聲相關(guān)降噪措施及其效果；張亞東[5]通過建模對(duì)受電弓氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了受電弓氣動(dòng)噪聲源特性和受電弓各部件對(duì)噪聲貢獻(xiàn)量情況；李田[6]通過建立空氣動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比了高速受電弓在開閉口不同狀態(tài)下流場(chǎng)情況和其動(dòng)力特性；張永升[7]通過風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高速列車運(yùn)行時(shí)，受電弓開閉口狀態(tài)的不同對(duì)弓網(wǎng)接觸壓力和受電弓升力特性影響較大；高陽[8]通過縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)受電弓升降弓狀態(tài)下氣動(dòng)噪聲特性進(jìn)行了研究；郭建強(qiáng)[9]對(duì)設(shè)計(jì)的受電弓結(jié)構(gòu)減振座進(jìn)行數(shù)次試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置對(duì)受電弓噪聲的降噪效果和可靠性；梁永廷[10]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)受電弓施加隔聲罩、吸音板和吸音棉可在全頻段內(nèi)對(duì)隔聲水平進(jìn)行改善；曾昭陽[11]通過建模計(jì)算得出溝槽橡膠復(fù)合隔振結(jié)構(gòu)對(duì)降低由受電弓振動(dòng)引起的車廂噪聲有突出效果；徐志龍[12]將表面光滑的受電弓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成螺紋型非光滑結(jié)構(gòu)，通過建模計(jì)算得出螺紋型非光滑結(jié)構(gòu)能有效降低受電弓氣動(dòng)噪聲；肖友剛[13]研究得出對(duì)受電弓零部件采取尺寸加大、數(shù)量減少的措施可降低其產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲；MITSUMOJI Takeshi[14]研究得出等離子體激勵(lì)器通過控制弓頭的氣流可降低受電弓區(qū)域的氣動(dòng)噪聲；杜健[15]利用模型計(jì)算得出高速列車受電弓遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的指向性相關(guān)特點(diǎn)；柳潤(rùn)東[16]利用寬帶噪聲源模型和聲類比理論，通過數(shù)值模擬混合求解方法得出高速列車氣動(dòng)噪聲源強(qiáng)最大區(qū)域是在轉(zhuǎn)向架、頭車和受電弓區(qū)域；黃凱莉[17]通過建立模型分析計(jì)算得出受電弓區(qū)域主要噪聲源來自受電弓部位的碳滑塊和弓頭；王洋洋[18]通過建立受電弓流體和氣動(dòng)噪聲的仿真模型，在分析氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上引入仿生結(jié)構(gòu)，提出了對(duì)受電弓結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。我國(guó)高速鐵路噪聲源識(shí)別結(jié)果表明：動(dòng)車組運(yùn)行速度為300 km/h及以上時(shí)，集電系統(tǒng)部位逐漸成為聲強(qiáng)級(jí)最高的噪聲源，且隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度提高，集電系統(tǒng)噪聲貢獻(xiàn)進(jìn)一步提升。

受電弓開閉口是高速鐵路兩種運(yùn)行工況，高速列車受電弓噪聲相關(guān)研究以仿真建模和風(fēng)洞試驗(yàn)為主，在運(yùn)營(yíng)工況下單獨(dú)分析受電弓氣動(dòng)噪聲研究較少，為進(jìn)一步掌握動(dòng)車組受電弓運(yùn)營(yíng)時(shí)噪聲實(shí)際影響，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)動(dòng)車組車運(yùn)營(yíng)期受電弓在開閉口兩種狀態(tài)下的車外噪聲特性進(jìn)行對(duì)比分析。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取在某高速鐵路橋梁區(qū)段，敷設(shè)雙塊式無砟軌道。試驗(yàn)列車為CR400BF-A型動(dòng)車組，為16節(jié)編組。如圖1所示，CR400BF-A型動(dòng)車組車長(zhǎng)414.3 m，使用CX-GI032型受電弓，該動(dòng)車組受電弓兩弓之間距離為208 m。受電弓升弓后，列車運(yùn)行過程中通過碳滑板與接觸網(wǎng)的接觸來集取電流。高速列車受電弓在升弓狀態(tài)下有開口和閉口兩種工況，如圖2所示，在高速列車運(yùn)行過程中，沒有明確統(tǒng)一規(guī)定要求其受電弓開閉口方向，目前這兩種工況都存在。

圖1 CX-GI032型受電弓

圖2 受電弓開口、閉口狀態(tài)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置

由于試驗(yàn)列車運(yùn)行速度均大于200 km/h，根據(jù)ISO 3095—2013《聲學(xué)鐵路應(yīng)用軌道機(jī)車車輛發(fā)射噪聲測(cè)量》中對(duì)列車運(yùn)行輻射噪聲測(cè)試的相關(guān)規(guī)定[19]，聲學(xué)傳感器放置在距鐵路近側(cè)線路中心線25 m、軌面以上3.5 m處(圖3)。為減少傳聲器故障以及一些隨機(jī)性因素引起的試驗(yàn)結(jié)果偏差，對(duì)應(yīng)測(cè)試位置同時(shí)布設(shè)2個(gè)聲學(xué)傳感器，試驗(yàn)開始前，采用標(biāo)準(zhǔn)聲源對(duì)2個(gè)傳聲器開展校準(zhǔn)和一致性試驗(yàn)，保障試驗(yàn)結(jié)果的一致性。測(cè)點(diǎn)周圍環(huán)境開闊，無類似于積雪和高大植被等吸聲物體，無水、冰、柏油等反射覆蓋物，列車和傳聲器之間無人[20](圖4)，測(cè)試均選擇在晴朗無風(fēng)的天氣條件下進(jìn)行。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：m)

圖4 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

為避免動(dòng)車組其他因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)試期間未發(fā)生車輪鏇修、鋼軌打磨及高級(jí)修等影響車外噪聲的因素，可實(shí)現(xiàn)受電弓開、閉口單因素條件變化時(shí)的測(cè)試分析。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備采用丹麥B&K多通道數(shù)據(jù)采集分析儀，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍為0～160 dB；聲學(xué)傳感器為B&K4189-A21型，靈敏度為50 mv/pa，頻率響應(yīng)范圍為16～20 000 Hz。試驗(yàn)前后均對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。

針對(duì)3列高速動(dòng)車組進(jìn)行跟蹤測(cè)試，跟蹤過程動(dòng)車組編號(hào)分別設(shè)定為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，均為CR400BF-A型高速動(dòng)車組，跟蹤過程中動(dòng)車組均未出現(xiàn)車輪多邊形以及高級(jí)修，鋼軌表面未出現(xiàn)波磨等異常磨耗，測(cè)試過程中詳細(xì)記錄動(dòng)車組受電弓開閉口方式，數(shù)據(jù)分析處理流程如圖5所示，噪聲信號(hào)通過聲學(xué)傳感器進(jìn)入多通道數(shù)據(jù)采集前端，經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件分析計(jì)算，獲得列車通過速度、噪聲聲壓級(jí)、頻譜、時(shí)域和頻域圖形等相關(guān)信息，據(jù)此分析受電弓開口、閉口狀態(tài)對(duì)車外輻射噪聲的影響。

圖5 噪聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析研究

2.1 數(shù)據(jù)分析方法

本次主要采取時(shí)頻分析方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中，頻譜分析主要運(yùn)用快速傅立葉變換(FFT)，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行1/3倍頻程濾波，分析頻率下限設(shè)置為20 Hz，上限為5000 Hz，采用線性計(jì)權(quán)，獲得列車車外噪聲1/3倍頻程頻譜圖。

對(duì)列車通過時(shí)段噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，將采集到的非穩(wěn)態(tài)噪聲信號(hào)使用短時(shí)傅立葉變換(STFT)。加濾波窗對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段，目的是使分段后每一段信號(hào)在其分段內(nèi)波形特性無顯著變化，得到穩(wěn)態(tài)信號(hào)，然后對(duì)每段信號(hào)分別進(jìn)行傅立葉變換(FT)得到時(shí)頻圖。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析

選取速度為295 km/h 的1號(hào)動(dòng)車組進(jìn)行時(shí)域分析。1號(hào)動(dòng)車組受電弓分別以開、閉口狀態(tài)通過測(cè)點(diǎn)時(shí)，線性聲級(jí)時(shí)域變化如圖6所示。

圖6 1號(hào)動(dòng)車組(V=295 km/h)在開、閉口狀態(tài)下列車通過時(shí)域變化曲線

由圖6可知，受電弓通過測(cè)點(diǎn)時(shí)列車通過輻射噪聲能量達(dá)到最大值，受電弓噪聲對(duì)輻射噪聲總聲級(jí)有著不容忽視的影響。同時(shí)在動(dòng)車組受電弓通過時(shí)段，開閉口兩種狀態(tài)下聲能量有較大差異。

進(jìn)一步對(duì)1號(hào)動(dòng)車組以開、閉口兩種狀態(tài)通過測(cè)點(diǎn)時(shí)段進(jìn)行時(shí)頻對(duì)比分析，如圖7所示。

圖7 1號(hào)動(dòng)車組開、閉口不同狀態(tài)下車外噪聲時(shí)頻(線性計(jì)權(quán))

由圖7可知，在閉口狀態(tài)下受電弓通過時(shí)(圓圈標(biāo)記處)比開口狀態(tài)通過時(shí)在時(shí)頻圖中亮度更大，代表其聲壓級(jí)更大。通過光標(biāo)讀數(shù)表明：開閉口不同狀態(tài)下40 Hz聲壓級(jí)差異最大，在受電弓前弓和后弓通過時(shí)刻，閉口狀態(tài)下比開口狀態(tài)下聲壓級(jí)分別大2.9 dB和2.6 dB。這也表明，受電弓開閉口狀態(tài)對(duì)聲級(jí)有較大影響。

圖8為1號(hào)動(dòng)車組通過測(cè)點(diǎn)時(shí)，距鐵路下行線軌道中心線25 m、軌面以上3.5 m處受電弓在開閉口工況下的輻射噪聲頻譜圖。

圖8 1號(hào)動(dòng)車組、開閉口不同狀態(tài)下車外噪聲頻譜(V=295 km/h)

由圖8可知，動(dòng)車組在各頻段閉口狀態(tài)下等效聲級(jí)普遍高于開口狀態(tài)。兩者差異主要體現(xiàn)在低頻區(qū)段，在頻率為40 Hz時(shí)差異最大，聲壓級(jí)差達(dá)到3 dB。

通過計(jì)算進(jìn)一步對(duì)1號(hào)動(dòng)車組受電弓在開口和閉口兩種狀態(tài)下線性計(jì)權(quán)下聲能量進(jìn)行對(duì)比分析，比較分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 1號(hào)動(dòng)車組在開、閉口不同狀態(tài)下列車通過聲壓平方對(duì)比(V=295 km/h)

從圖9可以看出，1號(hào)動(dòng)車組運(yùn)行速度為295 km/h時(shí)，在氣動(dòng)噪聲占重要作用的20～200 Hz低頻頻段內(nèi)受電弓閉口狀態(tài)聲能量明顯高于開口狀態(tài)；尤其是40 Hz，閉口狀態(tài)下聲能量相比開口狀態(tài)下高出近1倍。

導(dǎo)致閉口狀態(tài)與開口狀態(tài)下的聲級(jí)存在差異的原因，主要是由于采用閉口方式運(yùn)行時(shí)，在受電弓鉸接處和弓頭后端均會(huì)產(chǎn)生較大的漩渦，亦即閉口狀態(tài)的渦流強(qiáng)度大于開口狀態(tài)，因而導(dǎo)致閉口狀態(tài)噪聲相對(duì)較大[21]。國(guó)外的相關(guān)研究結(jié)果也證明了這一結(jié)果[22]：當(dāng)受電弓膝部與列車運(yùn)行方向呈逆流時(shí)(即閉口狀態(tài))，由受電弓頭、絕緣子以及在框架和下臂之間的相互作用在很大程度上會(huì)影響聲輻射。鑒于此，高速鐵路動(dòng)車組在日常運(yùn)營(yíng)時(shí)，應(yīng)盡量采用開口狀態(tài)運(yùn)行。

3 結(jié)論

結(jié)合高速鐵路運(yùn)行組織開展試驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路運(yùn)營(yíng)線路受電弓開閉口狀態(tài)單因素條件下噪聲特性對(duì)比分析，可為高速鐵路受電弓噪聲仿真、控制及優(yōu)化提供基礎(chǔ)驗(yàn)證數(shù)據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。主要研究結(jié)論如下。

(1)閉口狀態(tài)下噪聲能量在各頻段普遍高于開口狀態(tài)，特別在氣動(dòng)噪聲起重要作用的低頻頻段，二者差異最為明顯，聲壓級(jí)差值最大能達(dá)到3 dB。

(2)閉口狀態(tài)噪聲相對(duì)較大，主要是因?yàn)殚]口狀態(tài)的渦流強(qiáng)度大于開口狀態(tài)。因此，高速鐵路動(dòng)車組在日常運(yùn)營(yíng)時(shí)，應(yīng)盡量采用開口狀態(tài)運(yùn)行。