趙新利 賈尚帥 彭 壘 潘德闊

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司，064099，唐山∥第一作者，高級(jí)工程師)

城市軌道交通的車外噪聲對(duì)沿線居民和生態(tài)具有重要影響，是關(guān)系軌道交通綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。城市軌道交通的車外噪聲關(guān)注點(diǎn)有兩個(gè)：① 聲源識(shí)別；② 聲源輻射特性及其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[1-2]建立了高速列車車外噪聲預(yù)測(cè)模型，以聲源識(shí)別結(jié)果作為輸入，研究了車外噪聲源貢獻(xiàn)，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向架區(qū)域和車下區(qū)域?qū)囃庠肼曍暙I(xiàn)最大，且聲學(xué)靈敏度高于其他區(qū)域的聲源。

不難看出，有關(guān)城市軌道交通車外噪聲的研究大多集中于高速列車，對(duì)于中低速磁浮列車的研究較少，而與之相似的地鐵列車噪聲研究又以車內(nèi)噪聲研究居多。因此,研究中低速磁浮列車的車外噪聲有著較大的實(shí)用意義。本文通過(guò)線路試驗(yàn)測(cè)試了中低速磁浮列車的運(yùn)行車外噪聲，并利用聲線追蹤法進(jìn)行了車外噪聲仿真計(jì)算，采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的手段，對(duì)磁浮列車的車外噪聲貢獻(xiàn)進(jìn)行了分析。本研究可為中低速磁浮列車的噪聲控制提供指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1 車外噪聲特性試驗(yàn)

1.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，軌道交通車輛的車外噪聲評(píng)價(jià)測(cè)點(diǎn)設(shè)置要求為：距離軌道中心線7.5 m、鋼軌頂面1.2 m和3.5 m的測(cè)點(diǎn)；距離軌道中心線25.0 m、鋼軌頂面3.5 m的測(cè)點(diǎn)。高速列車的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)一般主要評(píng)價(jià)距離軌道中心線25.0 m處的測(cè)點(diǎn)，地鐵列車則主要評(píng)價(jià)距離軌道中心線7.5 m處的測(cè)點(diǎn)，磁浮列車根據(jù)速度等級(jí)參考地鐵列車。地鐵列車車外噪聲測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵列車車外噪聲測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.2 噪聲特性

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)1和標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)2的位置(見(jiàn)圖1)，分別固定一只自由場(chǎng)麥克風(fēng)，用于監(jiān)測(cè)磁浮列車的通過(guò)噪聲。數(shù)據(jù)采樣頻率為65 536 Hz。列車通過(guò)時(shí)的噪聲計(jì)算公式為：

(1)

Tp=t2-t1

(2)

式中：

LAeq,Tp——列車通過(guò)時(shí)段內(nèi)的等效連續(xù)A聲級(jí)，dB(A)；

t1——車頭進(jìn)入測(cè)點(diǎn)時(shí)間，s；

t2——車尾離開(kāi)測(cè)點(diǎn)時(shí)間，s；

Tp——列車通過(guò)的時(shí)間段，s；

pA(t)——噪聲瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓，Pa；

p0——基準(zhǔn)聲壓，取為20 μPa。

磁浮列車與地鐵列車的車外噪聲頻譜差異對(duì)比如圖2所示。其中：列車運(yùn)行速度均為60 km/h；測(cè)點(diǎn)距離軌道中心線均為7.5 m；地鐵列車的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于距離鋼軌頂面1.2 m和3.5 m處；由于研究性試驗(yàn)的特殊要求，磁浮列車的測(cè)點(diǎn)位于距離鋼軌頂面1.5 m處。

圖2 磁浮列車與地鐵列車的車外噪聲頻譜Fig.2 Exterior noise spectrum of maglev train and metro train

當(dāng)列車運(yùn)行速度為60 km/h時(shí)，地鐵的車外通過(guò)噪聲約為80 dB(A)，磁浮的車外通過(guò)噪聲約為75 dB(A)。磁浮列車的車外噪聲比地鐵列車低5 dB(A)左右。由圖2可知：磁浮列車的車外噪聲主要在中心頻率為80～1 000 Hz的1/3倍頻帶，且該頻帶磁浮列車的聲壓級(jí)明顯低于地鐵列車；地鐵列車的車外噪聲峰值主要在中心頻率為500 Hz和2 000 Hz的1/3倍頻帶，磁浮列車的車外噪聲峰值主要在中心頻率為1 250 Hz的1/3倍頻帶。

文獻(xiàn)[3-4]的研究結(jié)果表明，軌道交通車輛在中低速運(yùn)行時(shí)的噪聲源主要為輪軌噪聲，其顯著頻帶為中心頻率為500～2 000 Hz的1/3倍頻帶。但磁浮列車的車外主要噪聲源貢獻(xiàn)尚不明確，故有必要通過(guò)試驗(yàn)與仿真的方法進(jìn)行深入研究。

2 車外噪聲仿真建模

2.1 理論方法

軌道交通車輛的車外噪聲仿真建模方法很多，包括有限元-邊界元方法、統(tǒng)計(jì)能量分析和聲線追蹤法等。其中，聲線追蹤法無(wú)論在預(yù)測(cè)精度還是在計(jì)算效率方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，本文采用聲線追蹤法對(duì)磁浮列車的車外噪聲進(jìn)行建模分析。聲線追蹤法是用聲線來(lái)表示點(diǎn)聲源以球面波發(fā)射聲波的形式，其原理如圖3所示。

圖3 聲線追蹤法原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of sound ray tracing method

聲線沿直線按聲速朝一定方向傳播。當(dāng)遇到阻抗與空氣不同的界面時(shí)，聲線會(huì)發(fā)生鏡像反射或擴(kuò)散反射，在拐角或邊界面頂點(diǎn)處可能伴有衍射現(xiàn)象。當(dāng)聲線發(fā)生反射時(shí)，部分聲能被吸收，剩下的聲能由反射聲線攜帶。對(duì)于光滑界面，即界面上的起伏比波長(zhǎng)尺度小得多，反射服從鏡像反射規(guī)律。發(fā)生鏡像反射的聲線幅值取決于界面的法向聲阻抗率和聲線的入射角?；诼暰€追蹤法建立磁浮列車的車外噪聲模型可以考慮不同區(qū)域的聲源特性，以及聲源在傳播過(guò)程中與界面發(fā)生的相互作用關(guān)系。

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)一列三節(jié)編組的中低速磁浮列車實(shí)際幾何尺寸，考慮軌道結(jié)構(gòu)，建立磁浮列車的車外噪聲預(yù)測(cè)模型，如圖4所示。磁浮列車和軌道以實(shí)際結(jié)構(gòu)作為幾何邊界，以材料屬性體現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征。地面設(shè)置為混凝土介質(zhì)，考慮其吸聲及反射。模型輸入主要聲源激勵(lì)包括：受電靴/供電軌系統(tǒng)、空調(diào)機(jī)組、空壓機(jī)、輔助逆變器、牽引逆變器、充電機(jī)和懸浮電源。其中：受電靴/供電軌系統(tǒng)為磁浮列車運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵噪聲源，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試獲得60 km/h速度級(jí)下，受電靴/供電軌系統(tǒng)的聲壓級(jí)；其他聲源為設(shè)備噪聲，采用包絡(luò)法測(cè)試設(shè)備以額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離散點(diǎn)聲壓獲得其聲功率。

圖4 磁浮列車的車外噪聲預(yù)測(cè)模型Fig.4 Prediction model of maglev train exterior noise

受電靴/供電軌系統(tǒng)聲源和其他各設(shè)備聲源的1/3倍頻程頻譜如圖5所示。以點(diǎn)聲源的形式將上述聲源激勵(lì)加載到磁浮列車的車外噪聲預(yù)測(cè)模型中。在距離軌道中心線7.5 m、鋼軌頂面1.5 m處，沿車身縱向布置一系列的聲學(xué)場(chǎng)點(diǎn)，計(jì)算車外輻射噪聲。當(dāng)磁浮列車運(yùn)行速度為60 km/h時(shí)，車外噪聲的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，磁浮列車車外噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在頻譜分布規(guī)律上基本一致，且吻合度較高，噪聲總值差異在2 dB(A)以內(nèi)。仿真模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)結(jié)果是可信的。

圖5 聲源的1/3倍頻程頻譜Fig.5 1/3 octave spectrum of sound sources

圖6 磁浮列車車外噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 車外噪聲貢獻(xiàn)分析

基于第2節(jié)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后的磁浮列車車外噪聲預(yù)測(cè)模型，對(duì)磁浮列車車外噪聲貢獻(xiàn)進(jìn)行分析。

3.1 聲場(chǎng)云圖

在距離軌道中心線7.5 m處，沿車身縱向方向建立垂直于地面的面網(wǎng)格，用于觀察距離軌道中心線7.5 m處的輻射聲場(chǎng)。磁浮列車車外輻射聲場(chǎng)云圖如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)磁浮列車運(yùn)行速度為60 km/h時(shí)，車外噪聲主要表現(xiàn)為車下區(qū)域較高，特別是受電靴/供電軌系統(tǒng)所在位置對(duì)應(yīng)的車下區(qū)域。由此可知，受電靴/供電軌系統(tǒng)噪聲是磁浮列車車外噪聲的主要噪聲源。

圖7 磁浮列車車外輻射聲場(chǎng)云圖

3.2 頻譜貢獻(xiàn)

為了進(jìn)一步明確受電靴/供電軌系統(tǒng)噪聲以及其他設(shè)備噪聲對(duì)磁浮列車車外噪聲的貢獻(xiàn)，依次只考慮一個(gè)聲源的激勵(lì)加載，計(jì)算對(duì)比車外噪聲特性。車外噪聲頻譜貢獻(xiàn)如圖8所示。由圖8可知：受電靴/供電軌系統(tǒng)接觸噪聲在中心頻率為200 Hz以上的1/3倍頻帶，且均對(duì)車外噪聲呈主要貢獻(xiàn)狀態(tài)，這和受電靴/供電軌系統(tǒng)噪聲本身呈現(xiàn)明顯的中高頻特性有關(guān)；相對(duì)于受電靴/供電軌系統(tǒng)，其他設(shè)備噪聲對(duì)車外噪聲貢獻(xiàn)較低。在中心頻率為200 Hz以上的1/3倍頻帶，按照聲源貢獻(xiàn)大小排序，依次為空調(diào)機(jī)組、輔助逆變器、牽引逆變器、懸浮電源及空壓機(jī)。充電機(jī)主要在低頻部分對(duì)車外噪聲有一定貢獻(xiàn)。

圖8 車外噪聲頻譜貢獻(xiàn)Fig.8 Contribution of exterior noise frequency spectrum

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)線路試驗(yàn)測(cè)試了磁浮列車的車外噪聲，并對(duì)比分析了磁浮列車與地鐵列車的車外噪聲特性差異。基于仿真模型，研究了磁浮列車的車外噪聲貢獻(xiàn)。主要獲得以下結(jié)論：

1) 當(dāng)列車運(yùn)行速度為60 km/h時(shí)，磁浮列車的車外噪聲比地鐵列車低5 dB(A)左右；

2) 磁浮列車的車外噪聲主要表現(xiàn)為車下區(qū)域較高，受電靴/供電軌系統(tǒng)噪聲是主要噪聲源；

3) 測(cè)試數(shù)據(jù)的1/3倍頻程分析表明，受電靴/供電軌系統(tǒng)接觸噪聲在200～5 000 Hz頻帶對(duì)車外噪聲呈主要貢獻(xiàn)；

4) 相對(duì)于受電靴/供電軌系統(tǒng)，其他設(shè)備噪聲對(duì)車外噪聲貢獻(xiàn)較低；

5) 控制磁浮列車的車外噪聲應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注受電靴/供電軌系統(tǒng)的減振降噪設(shè)計(jì)。