350km/h工況下受電弓拖車噪聲傳遞路徑及 貢獻(xiàn)量分析

中圖分類號(hào)：U266.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.056

文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0198-05

0 引言

動(dòng)車組的提速發(fā)展會(huì)伴隨著車內(nèi)外噪聲加大，高噪聲環(huán)境對(duì)人體健康會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，如聽力受損、精神緊張等。動(dòng)車組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，服役時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)聲和空氣聲種類較多且影響不一，目前國(guó)內(nèi)已掌握初步的動(dòng)車組車內(nèi)外噪聲特性，并研制出部分降噪手段，但在高速條件下引起的輪軌激勵(lì)區(qū)域、受電弓區(qū)域、轉(zhuǎn)向架等重要區(qū)域產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)和空氣噪聲仍然過(guò)大，降噪效果欠佳，掌握目標(biāo)點(diǎn)（客室端部或中部1.6m高）噪聲源貢獻(xiàn)量有助于為噪聲控制提供一些依據(jù)[1-5]。

OTPA分析方法應(yīng)用于動(dòng)車組方面較晚，近年國(guó)內(nèi)研究人員也逐步采用OTPA分析方法進(jìn)行聲源對(duì)自標(biāo)點(diǎn)貢獻(xiàn)的量化分析，但是對(duì)于計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證方面的研究還較少?；谝陨蟽牲c(diǎn)，本文以國(guó)內(nèi)某型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的受電弓拖車作為研究對(duì)象，對(duì)該車廂的噪聲傳遞路徑及噪聲貢獻(xiàn)量開展研究工作，為相關(guān)行業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐[6-7]。

1基礎(chǔ)知識(shí)

1.1 OTPA理論基礎(chǔ)

近幾年國(guó)內(nèi)科研組人員陸續(xù)采用OTPA方法對(duì)動(dòng)車組的噪聲傳遞路徑及噪聲貢獻(xiàn)量方面進(jìn)行分析，該方法需要以動(dòng)車組的結(jié)構(gòu)聲和空氣聲作為激勵(lì)，以客室座椅作為響應(yīng)點(diǎn)。本文數(shù)據(jù)處理分為兩步：第一步是求解傳遞函數(shù)；第二步是TPS（TransferPathSynthesis），將實(shí)測(cè)的原始數(shù)據(jù)加傳遞函數(shù)擬合出各噪聲源的貢獻(xiàn)量。分析流程如圖1所示。

圖1反映的步驟如下：

（1）采集原始數(shù)據(jù)，這需要選取合適的激勵(lì)源與響應(yīng)點(diǎn)。

（2）獲取傳遞函數(shù)，公式如下：

式中： H_ak?H_βn 一振動(dòng)激勵(lì)和聲激勵(lì)到響應(yīng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)； 一一振源、聲源（在動(dòng)車組傳遞路徑研究中振源大都為輪軌激勵(lì)的振動(dòng)、受電弓振動(dòng)、設(shè)備振動(dòng)等，聲源大都為輪軌噪聲、車表面噪聲、設(shè)備噪聲等）；P_n 1 第 n 個(gè)測(cè)試步響應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)；k，m 1 振動(dòng)激勵(lì)的數(shù)目、聲激勵(lì)的數(shù)目；n 1 測(cè)試步數(shù)。

針對(duì)激勵(lì)源信號(hào)量級(jí)不一致，對(duì)各個(gè)信號(hào)需進(jìn)行歸一化處理。另外，動(dòng)車組噪聲源復(fù)雜并不為單一，會(huì)相互耦合串?dāng)_，需對(duì)其進(jìn)行修正，公式為：

[H]=[A]^-1[P]

通過(guò)奇異值分解來(lái)對(duì)式中矩陣A進(jìn)行求逆。需要說(shuō)明的是，要同時(shí)捕捉激勵(lì)源和響應(yīng)點(diǎn)的信號(hào)。

根據(jù)奇異值奇，參考點(diǎn)響應(yīng)矩陣A表達(dá)式為：

A∈R^m×n 為參考點(diǎn)響應(yīng)矩陣； U∈R^m×m 為單位正交矩陣； S∈R^m×n 為奇異值對(duì)角陣； S=[diag（σ₁，σ₂，…，σ_a）0]，0 代表為零矩陣， a=min（m，n） ，并滿足 σ₁≥_σ2≥…≥σ_a≥0

對(duì)角矩陣[S]是減少耦合干擾的主要元素，一般將輸入信號(hào)中微小值作為干擾信號(hào)源并忽略，微小值處理后的矩陣 [S_r] ：

新構(gòu)造的主分量矩陣為：

響應(yīng)點(diǎn)處的聲壓信號(hào) [P] 由式（6）表示：

[P]=[T_r][C]

[C] 是 T_r] 的系數(shù)矩陣：

獲得傳遞函數(shù)矩陣：

[H]=[V_r][C]=[V_r][S_r]^-1[U_r][P]

（3）該環(huán)節(jié)是TPS計(jì)算，將實(shí)測(cè)的動(dòng)車組噪聲原始數(shù)據(jù)加傳遞函數(shù)擬合出各噪聲源的貢獻(xiàn)量，如圖2所示。

徑，主要傳遞的噪聲路徑是部件產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)聲和空氣聲，將噪聲分化為結(jié)構(gòu)聲和空氣聲的自的是為了后續(xù)提供針對(duì)性更強(qiáng)的降噪方法，如空氣聲可采用增加吸聲、隔聲等手段降噪。在本次試驗(yàn)中，由于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組在高速運(yùn)行條件下，動(dòng)車、拖車、受電引車、不同車主控，在車廂一、二端部得到的噪聲大小都有所不同，本試驗(yàn)選取噪聲較嚴(yán)重的受電弓拖車作為研究對(duì)象，標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)選取受電弓拖車端部（1.6m高，受電弓端），工況條件為1車主控、時(shí)速 350km/h

本次試驗(yàn)的激勵(lì)源包過(guò)空氣聲和結(jié)構(gòu)聲區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)處的空氣聲主要包括輪軌噪聲、車體表面噪聲、設(shè)備艙噪聲、受電弓噪聲和轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲；結(jié)構(gòu)聲主要來(lái)自轉(zhuǎn)向架區(qū)域受電弓區(qū)域、設(shè)備艙區(qū)域。受電弓的結(jié)構(gòu)聲主要是受電弓座傳遞至車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)；轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)聲一般是車下連接處振動(dòng)產(chǎn)生（抗側(cè)滾扭桿、空氣彈簧等）；設(shè)備艙的結(jié)構(gòu)聲主要是變壓器振動(dòng)通過(guò)吊桿傳至車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)?；谶@些激勵(lì)源構(gòu)建出了OTPA模型[8-11]，如圖3所示。

將試驗(yàn)獲得的動(dòng)車組車內(nèi)外各噪聲源數(shù)據(jù)作為激勵(lì)源輸入，受電弓車客室端部目標(biāo)點(diǎn)作為響應(yīng)輸出，通過(guò)傳遞函數(shù)矩陣可以分析出各噪聲源貢獻(xiàn)量大小。

2標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組噪聲試驗(yàn)

試驗(yàn)選定的是我國(guó)某型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，其最大運(yùn)營(yíng)時(shí)速可達(dá)到 350km/h 在此工況下各噪聲源增幅很大，目前國(guó)內(nèi)已掌握初步的動(dòng)車組車內(nèi)外噪聲特性，并研制一定的對(duì)應(yīng)手段，但在高速條件下引起的輪軌激勵(lì)區(qū)域、受電弓區(qū)域、轉(zhuǎn)向架等區(qū)域產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)和空氣噪聲仍然偏大。這些噪聲的傳遞路徑主要有空氣、振動(dòng)、輻射三種，如圖4所示。

1.2標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組OTPA模型

客室內(nèi)噪聲由于出廠動(dòng)車組氣密性很好，可排除掉車外噪聲通過(guò)車門等縫隙直接傳遞到目標(biāo)點(diǎn)這一條路

由于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組氣密性良好，故通過(guò)縫隙直接傳遞的空氣聲路徑剔除，客室內(nèi)的主要噪聲來(lái)自于各板件振動(dòng)傳遞，車外噪聲源輻射引起的聲震耦合振動(dòng)傳遞到客室內(nèi)，固有的車外設(shè)備在動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的固體振動(dòng)傳遞到客室內(nèi)。部分傳感器布置如圖5所示。

客室噪聲尤其受電弓下的端部區(qū)域噪聲影響比較大，由于車廂左右對(duì)稱，實(shí)際測(cè)量只需要在受電弓車廂的端部（受電弓端方）半邊區(qū)域布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)即可，涵蓋側(cè)墻（測(cè)點(diǎn)7、8）、車內(nèi)底板（測(cè)點(diǎn)4、9）、頂板（測(cè)點(diǎn)1）、斷面中央（測(cè)點(diǎn)3、6）、斷面中上（測(cè)點(diǎn)2、5）這些區(qū)域振動(dòng)輻射的聲壓，能較詳細(xì)地反映出該斷面的噪聲分布狀態(tài)。具體測(cè)點(diǎn)位置如圖6所示。

某型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的受電弓拖車客室二位端部（受電弓端）設(shè)置斷面，測(cè)試分析客室內(nèi)受電弓下方斷面的噪聲分布情況。該型動(dòng)車組350km/h恒速下受電弓車內(nèi)噪聲斷面測(cè)點(diǎn)噪聲值如表1所示。

350km/h 速度級(jí)下受電弓拖車客室端部斷面測(cè)點(diǎn)頻譜圖如圖7所示。

3時(shí)速 350km/h 受電弓拖車噪聲特性及貢獻(xiàn)量分析

3.1時(shí)速 350km/h 噪聲特性

3.1.1帶受電弓拖車車內(nèi)噪聲分析由于受電弓車聲源復(fù)雜，客室內(nèi)噪聲偏大，因此在通過(guò)表1和圖7分析可得如下結(jié)論：

受電弓拖車客室二端（受電弓端）布置的9個(gè)斷面采集點(diǎn)，其所能反映的噪聲頻譜涵蓋31. 5～8000Hz ，主要的噪聲源成分頻率分布在 50～315Hz ，屬于低頻噪聲，最大噪聲來(lái)自底板測(cè)點(diǎn)9，為71dB（A），最小噪聲來(lái)自斷面中央測(cè)點(diǎn)3，為67dB（A），聲壓級(jí)相差4dB（A），其余測(cè)點(diǎn)包含側(cè)墻（7、8測(cè)點(diǎn)）、車頂（1測(cè)點(diǎn)）底板（9測(cè)點(diǎn)）斷面中央（3、6測(cè)點(diǎn)）等的聲壓級(jí)也在 2～3 dB（A），造成這種差異化的原因也是50～315Hz內(nèi)的噪聲引起的。

3.1.2帶受電弓拖車車外噪聲分析

為分析受電弓拖車車外噪聲特性，分別在輪軌、受電弓和車體表面布置對(duì)應(yīng)的傳聲器和振動(dòng)加速器，采集數(shù)據(jù)并處理獲得1/3倍頻程圖。

二位端（受電弓端）表面聲、受電弓區(qū)域和轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的1/3倍頻程圖如圖8所示。由圖8可知，車體表面噪聲頻帶主要出現(xiàn)在 800～2000Hz ，在1000Hz時(shí)噪聲出現(xiàn)峰值，峰值為121.2dB（A），總聲壓級(jí)為129.6dB（A）；在受電弓區(qū)域，噪聲主要集中在中高頻段，2500Hz時(shí)出現(xiàn)噪聲峰值，為126.3dB（A），總聲壓級(jí)為135.1dB（A）；在轉(zhuǎn)向架區(qū)域，噪聲主要集中在中高頻段，1250Hz時(shí)出現(xiàn)峰值，為111.3dB（A），總聲壓級(jí)為120.3 dB（A）。

3.2OTPA模型有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證OTPA模型有效性，需對(duì)OTPA擬合的結(jié)果和實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，由于測(cè)試的數(shù)據(jù)含有聲壓和振動(dòng)加速度兩種量綱，為了保證主成分分析的正確性，需對(duì)采集的參數(shù)進(jìn)行歸一化數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)再傳入OTPA的輸入系統(tǒng)，求解出傳遞關(guān)系函數(shù)。需要說(shuō)明的是，做PCA（主成分分析）時(shí)，要排除一些奇異值小的分量，降低干擾。

350km/h工況下的OTPA擬合值（黑色線）和標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測(cè)值的噪聲頻譜圖如圖9所示。由圖9可知，擬合值和實(shí)測(cè)值的吻合性相當(dāng)高，兩者的走線趨勢(shì)和峰值基本都能做到變化一致。在分析的頻段中，目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)測(cè)噪聲值為70.4dB（A），OTPA擬合下的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)總聲壓級(jí)為69.4dB（A），擬合值只比實(shí)測(cè)值高1dB（A），可見OTPA分析模型是適用于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組噪聲傳遞關(guān)系分析的，可以反映車內(nèi)外噪聲激勵(lì)源和車內(nèi)目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)關(guān)系。

為排除偶然性，對(duì)OTPA擬合值的合理性進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，采集了200km/h和300km/h工況下的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行擬合分析。

200km/h、300km/h這兩個(gè)恒速工況下車內(nèi)二位端標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲實(shí)測(cè)值和擬合值的頻譜曲線對(duì)比如圖10所示。由圖10可知，在這兩個(gè)不同速度工況下，兩者的擬合值和實(shí)測(cè)值的吻合性都非常高，兩工況下的走線趨勢(shì)和峰值基本都能做到變化一致，200km/h工況下，在分析的頻段中，目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)測(cè)噪聲值為61.6dB（A），OTPA擬合下的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)總聲壓級(jí)為60.7dB（A），擬合值只比實(shí)測(cè)值低0.9dB（A）；300km/h工況下，在分析的頻段中，目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)測(cè)噪聲值為67.2dB（A），OTPA擬合下的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)總聲壓級(jí)為66.6dB（A），擬合值只比實(shí)測(cè)值低0.6dB（A）。兩工況下，擬合值和實(shí)測(cè)值差距都沒(méi)超過(guò)1dB（A，可見OTPA分析模型是適用于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組噪聲傳遞關(guān)系分析的，可以反映出車內(nèi)外噪聲激勵(lì)源和車內(nèi)目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)關(guān)系。

3.3 目標(biāo)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析

由前文分析可知，OTPA分析法在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組客室噪聲分析是適合的，可用此方法求解噪聲貢獻(xiàn)量。采用OTPA分析法對(duì)上述空氣聲和結(jié)構(gòu)聲涵蓋的激勵(lì)源信號(hào)進(jìn)行分量求和統(tǒng)計(jì)，可計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)端部（受電弓端）的結(jié)構(gòu)聲為67.6dB（A），空氣聲為68.5dB（A），目標(biāo)擬合值為69.9dB（A），結(jié)構(gòu)聲與目標(biāo)點(diǎn)相差2.3dB（A），空氣聲與目標(biāo)點(diǎn)相差1.4dB（A），誤差總體不大，考慮為相關(guān)串?dāng)_及奇異值分解過(guò)濾導(dǎo)致。

在350km/h速度級(jí)下不同傳遞路徑在整個(gè)分析頻段的貢獻(xiàn)量如表2所示。由表2可知，貢獻(xiàn)量最大的是車體表面噪聲66.2dB（A），屬空氣噪聲，第二是受電弓噪聲65.8dB（A），屬空氣噪聲，第三是受電弓振動(dòng)65.1dB（A），屬結(jié)構(gòu)聲，中心銷振動(dòng)64.2dB（A）排第四，屬結(jié)構(gòu)聲，空氣彈簧振動(dòng)排五61.8dB（A），屬結(jié)構(gòu)聲，其余路徑噪聲相對(duì)較低。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高速條件下引起的輪軌激勵(lì)區(qū)域、受電弓區(qū)域、轉(zhuǎn)向架等強(qiáng)噪?yún)^(qū)域產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)和空氣噪聲仍然偏大的問(wèn)題，以國(guó)內(nèi)某型標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組350km/h恒速為例，采用OTPA方法分析出噪聲貢獻(xiàn)量，為降噪提供數(shù)據(jù)參考支撐。結(jié)果表明：車內(nèi)噪聲源主要集中在50～315Hz，屬于低頻噪聲，車內(nèi)最大噪聲來(lái)自底板振動(dòng)；車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)客室端部（受電弓端）最大空氣噪聲來(lái)自車體表面和受電弓，主要結(jié)構(gòu)聲來(lái)自于受電弓、中心銷振動(dòng)，后續(xù)降噪時(shí)可主要從這些激勵(lì)源進(jìn)行改進(jìn)或控制。 ⑦

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