倪小松，齊玉文，姚 丹，彭來先，肖新標(biāo)

（1.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都610031；2.中車長春軌道客車股份有限公司, 長春130062；3.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都610031)

虛擬軌道列車綜合了現(xiàn)代城市公交和現(xiàn)代軌道交通的優(yōu)點，采用橡膠輪胎承載，與汽車共享道路，不需要建設(shè)專門的鋼軌，建設(shè)周期短，大大減少了建設(shè)和運營成本，同時車廂與傳統(tǒng)軌道車輛相同，可根據(jù)客流變化進行靈活編組，平均1 節(jié)車廂載客量可超過100人。虛擬軌道列車憑借其低建設(shè)運營成本和高載客量，成為了城市軌道交通問題新的解決方案。目前虛擬軌道列車已在株洲、宜賓和永修等城市建成開通，正在建設(shè)或規(guī)劃的城市有上海、哈爾濱、長沙和西安等。虛擬軌道列車同其他交通工具一樣，也會產(chǎn)生噪聲問題，噪聲對乘客心理和生理都會產(chǎn)生影響，虛擬軌道列車輻射的車外噪聲也會對城市產(chǎn)生噪聲污染。虛擬軌道列車作為一種新的城市軌道交通工具，對其相關(guān)研究公開發(fā)表的還很少，且主要在安全性、穩(wěn)定性、運動和動力學(xué)性能方面[1-3]，噪聲特性方面的研究更是未見報道。

虛擬軌道列車是一種正在快速發(fā)展的交通工具，相關(guān)部門需要掌握虛擬軌道列車車內(nèi)外噪聲水平，從而制定噪聲限值標(biāo)準，以推進虛擬軌道列車規(guī)范化發(fā)展。另外，其噪聲特性及形成機理目前還尚不明確。因此，掌握虛擬軌道列車車內(nèi)外噪聲水平，研究虛擬軌道列車噪聲特性和機理對相關(guān)部門制定車內(nèi)外噪聲標(biāo)準和控制列車噪聲具有重要意義。

本文基于現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，首先分析虛擬軌道列車車內(nèi)外總值特性。進而參考相關(guān)噪聲限值標(biāo)準對車內(nèi)外噪聲水平進行了評價分析。然后結(jié)合車內(nèi)聲源識別結(jié)果、車內(nèi)噪聲頻譜特性和聲振傳遞特性，初步探討了車內(nèi)噪聲形成機理。在此基礎(chǔ)上給出了車內(nèi)減振降噪的建議。

1 試驗概況

以我國某型3 節(jié)編組虛擬軌道列車為研究對象，依據(jù)GB 14892[4]中的試驗要求和方法進行車內(nèi)噪聲試驗，依據(jù)GB/T 7892－2003[5]中的試驗要求和方法進行車外噪聲試驗。試驗主要包含以下4項內(nèi)容：車內(nèi)噪聲測試、車外噪聲測試、車內(nèi)聲源識別測試、車內(nèi)振動測試。本次測試在標(biāo)準環(huán)形線路段進行。

為了解虛擬軌道列車車內(nèi)噪聲特性，分別在Mc車和TP 車上共6 個測點位置布置了聲學(xué)傳感器。圖1 為車內(nèi)噪聲測點示意圖“,”表示車內(nèi)噪聲測點，布置在車體中心線距地板面1.2 m高處。

圖1 車內(nèi)噪聲測點示意圖

為了解虛擬軌道列車車外輻射噪聲特性，在距離車體中心線7.5 m 處、距地面高1.5 m 處布置聲學(xué)傳感器。圖2為車外噪聲現(xiàn)場測試圖，“”表示車外噪聲測點。

圖2 車外噪聲測點示意圖

為獲得車內(nèi)噪聲來源和聲源傳遞路徑，采用50通道球形聲陣列對車內(nèi)進行聲源識別測試，在Mc車客室前、客室中和客室后位置對聲源進行準確定位；分別在Mc車客室前、客室中和客室后這3個截面的地板、側(cè)墻、車窗（車門）和頂板位置布置振動傳感器，獲取車內(nèi)振動特性。部分現(xiàn)場測試照片如圖3所示。

圖3 部分現(xiàn)場測試照片

2 車內(nèi)外噪聲水平及評價分析

該型虛擬軌道列車最高設(shè)計時速為70 km/h，本次測試的最高速度為52.5 km/h（最高設(shè)計時速的75%），分別測試了虛擬軌道列車以52.5 km/h 勻速運行時車內(nèi)外噪聲。并對車速為20 km/h和40 km/h時的車外噪聲進行了測試。

2.1 聲壓級總值特性

下面給出了52.5 km/h 車速工況下虛擬軌道列車Mc 車和TP 車客室前、客室中和客室后的總值結(jié)果，如圖4所示。

由圖4 可見，Mc 車噪聲大于TP 車噪聲，這是由于Mc車車下布置電傳動系統(tǒng)等輔助設(shè)備裝置，導(dǎo)致聲源強度大于TP 車。兩節(jié)車廂客室噪聲呈現(xiàn)出兩端大中間小的趨勢，這是因為客室兩端區(qū)域下方為胎地噪聲源區(qū)域。車內(nèi)最大噪聲在Mc 車客室前位置處，為69.5 dB（A），車內(nèi)最小噪聲在TP 車客室中位置處，為67.5 dB（A），差值為2 dB（A）。

圖4 車內(nèi)聲壓級總值水平

圖5 給出了虛擬軌道列車各個速度工況下，距離車中心線7.5 m、距地面高1.5 m 處噪聲測點的總值結(jié)果。并根據(jù)車外噪聲水平與列車速度之間的關(guān)系對測試數(shù)據(jù)進行了擬合，如式（1）所示。

圖5 車外噪聲與列車運行速度的關(guān)系

式中：lg(v/v0)為無量化速度，v0=20 km/h，為參考速度。a為增長率，b為常數(shù)。

由圖5 可見，測試數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)R2為0.97，R2越趨近于1說明該擬合關(guān)系越能很好反映車外噪聲與列車速度之間的關(guān)系。

虛擬軌道列車牽引系統(tǒng)與傳統(tǒng)軌道車輛一致，根據(jù)軌道車輛牽引系統(tǒng)噪聲對列車運行速度的依賴關(guān)系可知，其隨速度對數(shù)增加的增長率約為10[6]。

虛擬軌道列車采用橡膠輪胎承載，在公路上行駛，將由膠輪與地面作用產(chǎn)生的胎地噪聲替代傳統(tǒng)軌道車輛的輪軌噪聲。胎地噪聲可細分為泵浦噪聲、沖擊噪聲和道路噪聲，其中泵浦噪聲和沖擊噪聲聲壓級隨速度對數(shù)的增長率均約為40，道路噪聲聲壓級隨速度對數(shù)增加的增長率約為30[7]。

圖5 中，虛擬軌道列車噪聲隨速度對數(shù)增加的增長率為17.3，說明車外噪聲應(yīng)該是受到牽引系統(tǒng)和胎地作用產(chǎn)生的道路噪聲的影響。

2.2 相關(guān)噪聲限值標(biāo)準介紹

虛擬軌道列車集合了城市軌道車輛和城市公交技術(shù)特點，主要承擔(dān)城市公共交通載客與運輸任務(wù)。目前相關(guān)部門還沒制定虛擬軌道列車車內(nèi)外噪聲限值標(biāo)準?？蓞⒖棘F(xiàn)代城市軌道交通和城市客車噪聲限值標(biāo)準來評價虛擬軌道列車車內(nèi)外噪聲水平。

我國城市軌道交通車內(nèi)噪聲限值及測量方法主要參照GB14892－2006[4]中的規(guī)定進行。該標(biāo)準沒有對列車速度做出明確區(qū)分，規(guī)定明線線路客室（距地板高度1.2 m）噪聲限值為75 dB（A）。我國城市軌道交通車外噪聲限值及測量方法主要參照GB/T 7928－2003[5]中的規(guī)定進行。該標(biāo)準規(guī)定了列車以60 km/h 勻速運行時，距軌道中心線7.5 m、距軌面1.5 m高處噪聲限值為80 dB（A）。

根據(jù)GB/T 25982－2010[8]對客車車內(nèi)噪聲限值及測量方法的規(guī)定：當(dāng)城市客車發(fā)動機前置時，駕駛區(qū)噪聲不應(yīng)超過86 dB（A），乘客區(qū)噪聲不應(yīng)超過86 dB（A）；當(dāng)城市客車發(fā)動機后置時，駕駛區(qū)噪聲不應(yīng)超過78 dB（A），乘客區(qū)噪聲不應(yīng)超過84 dB（A）。

2.3 噪聲評價及限值建議

結(jié)合本次車內(nèi)外噪聲測試結(jié)果，下面給出了虛擬軌道列車車內(nèi)外噪聲水平與相關(guān)噪聲限值標(biāo)準的對比，如表1所示。

表1 虛擬軌道列車噪聲與限值標(biāo)準對比

根據(jù)虛擬軌道列車車內(nèi)噪聲測試結(jié)果，客室噪聲最大為69.5 dB（A），參考城市軌道交通噪聲限值標(biāo)準，比限值小5.5 dB（A）左右。參考城市客車噪聲限值標(biāo)準，比發(fā)動機后置時的城市客車噪聲限值小14.5 dB（A）。根據(jù)車外噪聲與列車運行速度噪聲擬合結(jié)果，預(yù)計列車以60 km/h 勻速運行時，車外噪聲為68.5 dB（A），比現(xiàn)代城市軌道交通標(biāo)準中的限值小11.5 dB（A）。根據(jù)相關(guān)噪聲限值標(biāo)準可知，對于車內(nèi)噪聲，城市客車車內(nèi)噪聲限值較為寬松，且客車車內(nèi)噪聲限值及測量方法主要針對有發(fā)動機的汽車，主要根據(jù)發(fā)動機位置確定噪聲限值，而虛擬軌道列車無發(fā)動機，采用電力驅(qū)動。因此，制定虛擬軌道列車車內(nèi)噪聲限值標(biāo)準時不建議采用該標(biāo)準中的測試方法和限值規(guī)定。推薦參考現(xiàn)代城市軌道交通車內(nèi)外噪聲限值標(biāo)準的規(guī)定制定虛擬軌道列車噪聲標(biāo)準。與輪軌作用相比，胎地作用產(chǎn)生的虛擬軌道列車走行部噪聲源較小。且虛擬軌道列車多采用低地板設(shè)計，車輪區(qū)域用裙板進行半封閉包圍，減小了走行部聲源對車外的影響。因此，建議可適當(dāng)減小虛擬軌道列車車外噪聲限值。

3 車內(nèi)噪聲特性及機理分析

為下一步對車內(nèi)減振降噪提供指導(dǎo)方向，需對車內(nèi)聲源分布特性與聲源傳遞路徑進行分析，研究車內(nèi)噪聲形成機理。由車內(nèi)噪聲測試結(jié)果可知，Mc車客室前為車內(nèi)噪聲重點控制區(qū)域，下面對Mc車客室前噪聲形成機理進行分析。

3.1 車內(nèi)聲源分布特性

本次聲源識別測試采用的是B&K 的剛性球形聲學(xué)陣列。球形聲學(xué)陣列是基于平面波聲源模型和波速形成方法處理信號，采用球諧函數(shù)聲場分解和重構(gòu)方法，快速實現(xiàn)聲源可視化的一種聲源識別方法[9]。在測試時，通過鑲嵌在剛性球表面上的麥克風(fēng)陣列測量球表面的聲壓，進而可建立陣列表面的聲場，通過廣角相機拍攝測試空間的背景圖像。在支持測試設(shè)備的數(shù)據(jù)后處理軟件中，將捕獲的車廂內(nèi)部的三維空間網(wǎng)格化，通過波束成形處理從球面陣列收集的聲信號，并計算每個網(wǎng)格點的聲壓。再現(xiàn)車輛內(nèi)部的三維空間中的聲場云圖。使用拼接方法將球面陣列表面相機拍攝的圖像組合在一起，形成完整的三維空間圖片，并使用統(tǒng)一的球坐標(biāo)將聲壓云圖像精確地匹配到測試現(xiàn)場，從而實現(xiàn)聲源的可視化。圖6給出了虛擬軌道列車以52.5 km/h運行時Mc 車客室前的全頻段（50 Hz～5 000 Hz）A 計權(quán)聲源識別聲壓云圖。聲壓云圖的動態(tài)顯示范圍統(tǒng)一為5 dB（A），云圖中顏色越亮的區(qū)域代表此處的聲壓越大。

圖6 全頻段聲源識別結(jié)果

由圖6可見，客室前噪聲源分布較廣，噪聲主要來源于地板區(qū)域。圖7 給出了虛擬軌道列車以52.5 km/h運行時Mc車客室前1/3倍頻程圖。

圖7 客室前噪聲1/3倍頻程圖

聲壓級總值由全頻段噪聲疊加計算得出，一般定義頻帶內(nèi)最大聲壓級10 dB（A）以內(nèi)的聲壓級所對應(yīng)的頻帶區(qū)間噪聲為顯著區(qū)間，噪聲總值大小由該區(qū)間噪聲能量大小決定。由圖7 可見，客室前噪聲能量主要集中在中心頻率315 Hz～1 000 Hz 的1/3倍頻程頻帶，在500 Hz頻帶出現(xiàn)了顯著的噪聲峰值。圖8給出了500 Hz頻帶內(nèi)，Mc車客室前聲源識別結(jié)果。聲壓云圖的動態(tài)顯示范圍與圖6的一致。

圖8 500 Hz頻帶內(nèi)聲源識別結(jié)果

由圖8可見，在峰值頻帶500 Hz處，聲源也主要分布在地板區(qū)域。

3.2 聲源傳遞路徑分析

噪聲按傳播路徑不同可以分為結(jié)構(gòu)傳聲和空氣傳聲，車外聲源可以通過結(jié)構(gòu)傳聲和空氣傳聲這兩種方式向車內(nèi)傳遞噪聲。結(jié)構(gòu)傳聲的大小主要受到車體各結(jié)構(gòu)部件隔振特性的影響，空氣傳聲大小主要受到車體各結(jié)構(gòu)密閉性和隔聲吸聲性能的影響[10]。為探究噪聲主要是通過結(jié)構(gòu)路徑還是空氣路徑向車內(nèi)傳遞噪聲，圖9給出了虛擬軌道列車Mc車客室前斷面聲振傳遞特性頻譜。

由圖9 可見，客室前斷面在噪聲顯著頻帶（315 Hz～1 000 Hz）振動加速度能量較大，且在噪聲峰值500 Hz 中心頻帶內(nèi)（447 Hz～562 Hz），客室前斷面都出現(xiàn)顯著的振動峰值。因此初步推斷結(jié)構(gòu)傳聲是客室前噪聲的主要傳遞路徑。

圖9 客室前聲振傳遞特性頻譜

3.3 減振降噪建議

通過分析車內(nèi)聲源識別結(jié)果和聲振傳遞特性發(fā)現(xiàn)，虛擬軌道列車車內(nèi)噪聲主要來源于地板區(qū)域，初步推斷噪聲的傳遞路徑主要為結(jié)構(gòu)傳聲。因此從路徑上可以對地板聲學(xué)特性進行研究，減小振動聲輻射響應(yīng)，從而減小車內(nèi)噪聲。從聲源方面，可以控制車外噪聲源，比如胎地振動源以及電機傳動系統(tǒng)振動源等，通過避開車外振動源和車體結(jié)構(gòu)共振的頻率來減小車體的結(jié)構(gòu)傳聲。

4 結(jié)語

通過對我國某型虛擬軌道列車進行車內(nèi)噪聲、車外噪聲測試、車內(nèi)聲源識別和車內(nèi)振動測試，分析了車內(nèi)外噪聲總值特性，參考相關(guān)的噪聲限值標(biāo)準對虛擬軌道列車車內(nèi)外噪聲水平進行了評價并給出了建議。針對虛擬軌道列車車內(nèi)聲源分布特性和傳遞路徑分析結(jié)果給出了虛擬軌道列車車內(nèi)減振降噪的建議，結(jié)論如下。

（1）虛擬軌道列車Mc 車噪聲大于TP 車，客室噪聲中間大兩端小，車內(nèi)最大噪聲處位于Mc車客室前，為69.5 dB（A），車內(nèi)噪聲最小噪聲處位于TP 客室中，為67.5 dB（A）。

（2）參考相關(guān)噪聲限值標(biāo)準，虛擬軌道列車車內(nèi)噪聲比現(xiàn)代城市軌道交通噪聲限值小5.5 dB（A），比城市客車噪聲限值小16.5 dB（A）。車外噪聲比現(xiàn)代城市軌道交通噪聲限值小11.5 dB（A）。推薦參考現(xiàn)代城市軌道交通噪聲標(biāo)準中的測試方法制定虛擬軌道列車噪聲限值標(biāo)準，車外噪聲限值可適當(dāng)減小。

（3）虛擬軌道列車車內(nèi)噪聲能量主要集中在315 Hz～1 000 Hz 頻段內(nèi)，噪聲主要來源于地板區(qū)域，初步推斷噪聲源主要的傳遞路徑為結(jié)構(gòu)傳聲?？梢酝ㄟ^優(yōu)化地板的振動聲輻射特性和對振動源采取措施來避開與車體結(jié)構(gòu)共振頻率從而減小車內(nèi)噪聲。