曾江紅 黃 鵬

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011； 2.江蘇中車數(shù)字科技有限公司 江蘇 南京 210031)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，尤其是中大城市地鐵車輛的高速增長，極大地改善了城市擁堵問題[1-2]，促進了當?shù)禺a(chǎn)業(yè)升級和經(jīng)濟快速發(fā)展。與此同時，地鐵乘客及沿線居民的噪聲投訴也越發(fā)頻繁，噪聲問題已經(jīng)成為制約地鐵車輛發(fā)展以及提升其市場競爭力的重要因素，而輪軌噪聲是地鐵車輛的重要噪聲源。彈性車輪在輪箍和輪心之間嵌入橡膠元件，具有減振降噪的作用[3-4]，下文通過自主搭建的噪聲測試裝置，對自主設計的某型地鐵彈性車輪與剛性車輪降噪效果進行試驗對比，驗證地鐵彈性車輪在地鐵車輛降噪方面的優(yōu)勢[5-8]，一方面為解決或者減緩地鐵車輛噪聲提供一種思路，另一方面也為彈性車輪在地鐵車輛上的推廣應用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 噪聲試驗方案

測試對象為直徑840 mm的地鐵彈性車輪和剛性車輪，通過在近自由聲場的測試環(huán)境條件下，分別對車輪的徑向和軸向通過小球錘擊激勵，測試各個傳聲器的聲壓隨時間變化的趨勢，得到噪聲的等效聲壓級和衰減率。噪聲試驗裝置主要包括傳聲器、多通道噪聲測試采集儀、計算機軟件。

1.1 噪聲試驗原理

噪聲測試采集的物理量是聲壓的模擬信號，通過模數(shù)轉化得到聲壓的數(shù)字信號，作為結果數(shù)據(jù)處理的原始數(shù)據(jù)。

1.1.1衰減率測試原理

將衰減率定義為聲壓級在被試對象受到錘擊激勵時刻開始，至聲壓級恢復至背景噪聲時刻結束的時間差，單位為s，其中聲壓級符號為Lp，單位為dB。衰減率是反應噪聲衰減快慢的指標，其表達式如下：

φ=tend-t0

(1)

式中：φ為衰減率；tend為聲壓恢復至背景噪聲時刻；t0為錘擊開始，聲壓開始紀錄時刻。

1.1.2等效聲級測試原理

根據(jù)GB/T 3947—1996標準，在評定脈沖隨時間變化的不穩(wěn)定噪聲時，采用一段時間內(nèi)的能量平均的方法表示噪聲大小，稱為連續(xù)等效聲壓級，用符號Leq表示，等效連續(xù)A計權聲壓級用LAeq,T表示，單位為dB。本文所述的等效聲級特指等效連續(xù)A計權聲壓級，其表達式見式(2)：

(2)

式中：T為規(guī)定的測量時間段，T=t2-t1，單位為s，這里的時間段取T=φ；pA(t)為A計權瞬時聲壓，單位為Pa；p0為基準聲壓，p0=20 μPa。

1.2 試驗方案

噪聲測試選擇在半夜環(huán)境噪聲影響較小的空曠試驗車間進行，近似模擬自由場，被試車輪通過吊裝帶保持自由懸吊狀態(tài)，激勵采用金屬小球，小球通過一個固定工裝連接，可以在工裝的軸上繞著軸線沿平面擺動，控制小球每次的起落位置一致，保證每次小球撞擊激勵基本一致，每次試驗至少得到3組有效數(shù)據(jù)。

1.2.1徑向激勵噪聲

被試車輪懸吊，保持其軸線距地面高800 mm，金屬小球從車輪徑向方向做圓弧擺動，撞擊被試車輪的踏面，撞擊點高度與車輪軸線等高，金屬小球直徑選取為50 mm。

分別在徑向和軸向兩側各布置1個測量的傳聲器，徑向距離車輪滾動圓最近點500 mm，軸向距車輪輪箍兩側側面800 mm。傳聲器和小球激勵點具體位置如圖1所示。

圖1 傳聲器測點和激勵位置

其中，聲源在徑向激勵時，徑向測點1是近聲源點，徑向測點3是遠聲源點，軸向測點2和軸向測點4是軸向測點。

1.2.2軸向激勵噪聲

車輪懸吊位置和方式與徑向激勵完全一致，僅在小球激勵位置有所不同，軸向激勵小球撞擊位置為輪箍背面，具體位置如圖1所示。

其中，聲源在軸向激勵時，徑向測點3和軸向測點4是近聲源點，徑向測點1和軸向測點2是遠聲源點。

2 噪聲試驗測試數(shù)據(jù)及處理

通過多次重復試驗，確保所測結果的一致性將多次重復測試得到的時域聲壓值進行均值處理，得到徑向激勵和軸向激勵下彈性車輪與剛性車輪的噪聲特性。

2.1 徑向激勵結果對比

從測試結果看各個測點的時域特性趨勢均接近，對于彈性車輪測點，在受到小球徑向激勵時在1.5 s量級左右快速衰減到背景噪聲聲壓級；而對于剛性車輪，則在6 s量級左右衰減到背景噪聲聲壓級，因此在文中僅展示一個測點的時域結果進行描述，其他結果如表1所示(下同)，圖2為徑向激勵下徑向測點1的噪聲聲壓級時域結果，等效聲級為時間段的積分結果，計算值如表1所示。

圖2 徑向激勵下噪聲聲壓級時域特性

表1 徑向激勵下彈性車輪與剛性車輪噪聲結果對比

從圖2可以看出聲源在徑向激勵作用下，彈性車輪的衰減要比剛性車輪快。

從表1可知，聲徑向激勵作用下，彈性車輪徑向測點平均衰減率為1.50 s，軸向測點的平均衰減率為1.70 s，平均衰減率為1.60 s；剛性車輪徑向測點平均衰減率為6.00 s，軸向測點的平均衰減率為6.50 s，平均衰減率為6.25 s；徑向和軸向測點的衰減率最小差值分別為4.50 s和4.85 s。即在徑向激勵下，彈性車輪的噪聲衰減最少要快4.5 s，并且對于徑向激勵而言，彈性車輪和剛性車輪都呈現(xiàn)出徑向比軸向衰減略快的特征。

在徑向聲源激勵下，彈性車輪的等效聲級值比剛性車輪小，彈性車輪4個測點的平均等效聲級為81.5 dB，剛性車輪的平均等效聲級為92.4 dB，等效聲級最小降幅為5.1 dB。

徑向激勵主要對應車輪直線運動時的輪軌作用，從結果上看彈性車輪之間的橡膠塊在徑向具有較明顯的降噪效果。

2.2 軸向激勵結果對比

圖3為軸向激勵下徑向測點4的噪聲聲壓級時域特性結果，等效聲級的計算結果如表2所示。

圖3 軸向激勵下噪聲聲壓級時域特性

表2 軸向激勵下彈性車輪與剛性車輪噪聲結果對比

從圖3可以看出聲源在軸向激勵作用下，彈性車輪比剛性車輪衰減快。

從表2可知，聲源在軸向激勵作用下，彈性車輪徑向測點平均衰減率為2.43 s，軸向測點的平均衰減率為2.43 s；剛性車輪徑向測點平均衰減率為16.26 s，軸向測點的平均衰減率為16.25 s，徑向和軸向測點的衰減率最小差值分別為13.78 s和13.80 s。即在軸向激勵下，彈性車輪的噪聲衰減至少快13.78 s。

在聲源軸向激勵作用下，彈性車輪的等效聲級比剛性車輪小，彈性車輪的平均等效聲級為79.8 dB，剛性車輪的平均等效聲級為84.7 dB。徑向測點的最小降幅為2.2 dB，軸向測點的最小降幅為2.6 dB。

軸向激勵對應車輪曲線或者過道岔時的輪軌作用，從結果上看彈性車輪在軸向上也有一定的降噪效果。

3 結論

通過對彈性車輪和剛性車輪在4個測試位置的噪聲對比試驗得到以下結論：

(1)在噪聲激勵作用下，彈性車輪的衰減比剛性車輪快；在徑向激勵下，彈性車輪和剛性車輪的平均衰減率分別為1.60 s和6.50 s，彈性車輪衰減率最少快4.50 s；在軸向激勵下，彈性車輪和剛性車輪的平均衰減率分別為2.43 s和16.26 s；軸向激勵下彈性車輪衰減率最少快13.78 s。

(2)在噪聲激勵作用下，彈性車輪的等效聲級比剛性車輪??；在徑向激勵下，彈性車輪平均等效聲級為81.5 dB，剛性車輪平均等效聲級為92.4 dB，徑向激勵下彈性車輪等效聲級最少小5.1 dB；在軸向激勵下，彈性車輪平均等效聲級為79.8 dB，剛性車輪徑平均等效聲級為84.7 dB；軸向激勵下彈性車輪最少小2.2 dB。