虚拟轨道列车运行噪声特性及评价分析

2022-04-21倪小松齐玉文彭来先肖新标

噪声与振动控制 2022年2期

倪小松，齐玉文，姚丹，彭来先，肖新标

（1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031；2.中车长春轨道客车股份有限公司, 长春130062；3.西南交通大学机械工程学院，成都610031)

虚拟轨道列车综合了现代城市公交和现代轨道交通的优点，采用橡胶轮胎承载，与汽车共享道路，不需要建设专门的钢轨，建设周期短，大大减少了建设和运营成本，同时车厢与传统轨道车辆相同，可根据客流变化进行灵活编组，平均1 节车厢载客量可超过100人。虚拟轨道列车凭借其低建设运营成本和高载客量，成为了城市轨道交通问题新的解决方案。目前虚拟轨道列车已在株洲、宜宾和永修等城市建成开通，正在建设或规划的城市有上海、哈尔滨、长沙和西安等。虚拟轨道列车同其他交通工具一样，也会产生噪声问题，噪声对乘客心理和生理都会产生影响，虚拟轨道列车辐射的车外噪声也会对城市产生噪声污染。虚拟轨道列车作为一种新的城市轨道交通工具，对其相关研究公开发表的还很少，且主要在安全性、稳定性、运动和动力学性能方面[1-3]，噪声特性方面的研究更是未见报道。

虚拟轨道列车是一种正在快速发展的交通工具，相关部门需要掌握虚拟轨道列车车内外噪声水平，从而制定噪声限值标准，以推进虚拟轨道列车规范化发展。另外，其噪声特性及形成机理目前还尚不明确。因此，掌握虚拟轨道列车车内外噪声水平，研究虚拟轨道列车噪声特性和机理对相关部门制定车内外噪声标准和控制列车噪声具有重要意义。

本文基于现场实验数据，首先分析虚拟轨道列车车内外总值特性。进而参考相关噪声限值标准对车内外噪声水平进行了评价分析。然后结合车内声源识别结果、车内噪声频谱特性和声振传递特性，初步探讨了车内噪声形成机理。在此基础上给出了车内减振降噪的建议。

1 试验概况

以我国某型3 节编组虚拟轨道列车为研究对象，依据GB 14892[4]中的试验要求和方法进行车内噪声试验，依据GB/T 7892－2003[5]中的试验要求和方法进行车外噪声试验。试验主要包含以下4项内容：车内噪声测试、车外噪声测试、车内声源识别测试、车内振动测试。本次测试在标准环形线路段进行。

为了解虚拟轨道列车车内噪声特性，分别在Mc车和TP 车上共6 个测点位置布置了声学传感器。图1 为车内噪声测点示意图“,”表示车内噪声测点，布置在车体中心线距地板面1.2 m高处。

图1 车内噪声测点示意图

为了解虚拟轨道列车车外辐射噪声特性，在距离车体中心线7.5 m 处、距地面高1.5 m 处布置声学传感器。图2为车外噪声现场测试图，“”表示车外噪声测点。

图2 车外噪声测点示意图

为获得车内噪声来源和声源传递路径，采用50通道球形声阵列对车内进行声源识别测试，在Mc车客室前、客室中和客室后位置对声源进行准确定位；分别在Mc车客室前、客室中和客室后这3个截面的地板、侧墙、车窗（车门）和顶板位置布置振动传感器，获取车内振动特性。部分现场测试照片如图3所示。

图3 部分现场测试照片

2 车内外噪声水平及评价分析

该型虚拟轨道列车最高设计时速为70 km/h，本次测试的最高速度为52.5 km/h（最高设计时速的75%），分别测试了虚拟轨道列车以52.5 km/h 匀速运行时车内外噪声。并对车速为20 km/h和40 km/h时的车外噪声进行了测试。

2.1 声压级总值特性

下面给出了52.5 km/h 车速工况下虚拟轨道列车Mc 车和TP 车客室前、客室中和客室后的总值结果，如图4所示。

由图4 可见，Mc 车噪声大于TP 车噪声，这是由于Mc车车下布置电传动系统等辅助设备装置，导致声源强度大于TP 车。两节车厢客室噪声呈现出两端大中间小的趋势，这是因为客室两端区域下方为胎地噪声源区域。车内最大噪声在Mc 车客室前位置处，为69.5 dB（A），车内最小噪声在TP 车客室中位置处，为67.5 dB（A），差值为2 dB（A）。

图4 车内声压级总值水平

图5 给出了虚拟轨道列车各个速度工况下，距离车中心线7.5 m、距地面高1.5 m 处噪声测点的总值结果。并根据车外噪声水平与列车速度之间的关系对测试数据进行了拟合，如式（1）所示。

图5 车外噪声与列车运行速度的关系

式中：lg(v/v0)为无量化速度，v0=20 km/h，为参考速度。a为增长率，b为常数。

由图5 可见，测试数据与拟合结果的相关系数R2为0.97，R2越趋近于1说明该拟合关系越能很好反映车外噪声与列车速度之间的关系。

虚拟轨道列车牵引系统与传统轨道车辆一致，根据轨道车辆牵引系统噪声对列车运行速度的依赖关系可知，其随速度对数增加的增长率约为10[6]。

虚拟轨道列车采用橡胶轮胎承载，在公路上行驶，将由胶轮与地面作用产生的胎地噪声替代传统轨道车辆的轮轨噪声。胎地噪声可细分为泵浦噪声、冲击噪声和道路噪声，其中泵浦噪声和冲击噪声声压级随速度对数的增长率均约为40，道路噪声声压级随速度对数增加的增长率约为30[7]。

图5 中，虚拟轨道列车噪声随速度对数增加的增长率为17.3，说明车外噪声应该是受到牵引系统和胎地作用产生的道路噪声的影响。

2.2 相关噪声限值标准介绍

虚拟轨道列车集合了城市轨道车辆和城市公交技术特点，主要承担城市公共交通载客与运输任务。目前相关部门还没制定虚拟轨道列车车内外噪声限值标准。可参考现代城市轨道交通和城市客车噪声限值标准来评价虚拟轨道列车车内外噪声水平。

我国城市轨道交通车内噪声限值及测量方法主要参照GB14892－2006[4]中的规定进行。该标准没有对列车速度做出明确区分，规定明线线路客室（距地板高度1.2 m）噪声限值为75 dB（A）。我国城市轨道交通车外噪声限值及测量方法主要参照GB/T 7928－2003[5]中的规定进行。该标准规定了列车以60 km/h 匀速运行时，距轨道中心线7.5 m、距轨面1.5 m高处噪声限值为80 dB（A）。

根据GB/T 25982－2010[8]对客车车内噪声限值及测量方法的规定：当城市客车发动机前置时，驾驶区噪声不应超过86 dB（A），乘客区噪声不应超过86 dB（A）；当城市客车发动机后置时，驾驶区噪声不应超过78 dB（A），乘客区噪声不应超过84 dB（A）。

2.3 噪声评价及限值建议

结合本次车内外噪声测试结果，下面给出了虚拟轨道列车车内外噪声水平与相关噪声限值标准的对比，如表1所示。

表1 虚拟轨道列车噪声与限值标准对比

根据虚拟轨道列车车内噪声测试结果，客室噪声最大为69.5 dB（A），参考城市轨道交通噪声限值标准，比限值小5.5 dB（A）左右。参考城市客车噪声限值标准，比发动机后置时的城市客车噪声限值小14.5 dB（A）。根据车外噪声与列车运行速度噪声拟合结果，预计列车以60 km/h 匀速运行时，车外噪声为68.5 dB（A），比现代城市轨道交通标准中的限值小11.5 dB（A）。根据相关噪声限值标准可知，对于车内噪声，城市客车车内噪声限值较为宽松，且客车车内噪声限值及测量方法主要针对有发动机的汽车，主要根据发动机位置确定噪声限值，而虚拟轨道列车无发动机，采用电力驱动。因此，制定虚拟轨道列车车内噪声限值标准时不建议采用该标准中的测试方法和限值规定。推荐参考现代城市轨道交通车内外噪声限值标准的规定制定虚拟轨道列车噪声标准。与轮轨作用相比，胎地作用产生的虚拟轨道列车走行部噪声源较小。且虚拟轨道列车多采用低地板设计，车轮区域用裙板进行半封闭包围，减小了走行部声源对车外的影响。因此，建议可适当减小虚拟轨道列车车外噪声限值。

3 车内噪声特性及机理分析

为下一步对车内减振降噪提供指导方向，需对车内声源分布特性与声源传递路径进行分析，研究车内噪声形成机理。由车内噪声测试结果可知，Mc车客室前为车内噪声重点控制区域，下面对Mc车客室前噪声形成机理进行分析。

3.1 车内声源分布特性

本次声源识别测试采用的是B&K 的刚性球形声学阵列。球形声学阵列是基于平面波声源模型和波速形成方法处理信号，采用球谐函数声场分解和重构方法，快速实现声源可视化的一种声源识别方法[9]。在测试时，通过镶嵌在刚性球表面上的麦克风阵列测量球表面的声压，进而可建立阵列表面的声场，通过广角相机拍摄测试空间的背景图像。在支持测试设备的数据后处理软件中，将捕获的车厢内部的三维空间网格化，通过波束成形处理从球面阵列收集的声信号，并计算每个网格点的声压。再现车辆内部的三维空间中的声场云图。使用拼接方法将球面阵列表面相机拍摄的图像组合在一起，形成完整的三维空间图片，并使用统一的球坐标将声压云图像精确地匹配到测试现场，从而实现声源的可视化。图6给出了虚拟轨道列车以52.5 km/h运行时Mc 车客室前的全频段（50 Hz～5 000 Hz）A 计权声源识别声压云图。声压云图的动态显示范围统一为5 dB（A），云图中颜色越亮的区域代表此处的声压越大。

图6 全频段声源识别结果

由图6可见，客室前噪声源分布较广，噪声主要来源于地板区域。图7 给出了虚拟轨道列车以52.5 km/h运行时Mc车客室前1/3倍频程图。

图7 客室前噪声1/3倍频程图

声压级总值由全频段噪声叠加计算得出，一般定义频带内最大声压级10 dB（A）以内的声压级所对应的频带区间噪声为显著区间，噪声总值大小由该区间噪声能量大小决定。由图7 可见，客室前噪声能量主要集中在中心频率315 Hz～1 000 Hz 的1/3倍频程频带，在500 Hz频带出现了显著的噪声峰值。图8给出了500 Hz频带内，Mc车客室前声源识别结果。声压云图的动态显示范围与图6的一致。

图8 500 Hz频带内声源识别结果

由图8可见，在峰值频带500 Hz处，声源也主要分布在地板区域。

3.2 声源传递路径分析

噪声按传播路径不同可以分为结构传声和空气传声，车外声源可以通过结构传声和空气传声这两种方式向车内传递噪声。结构传声的大小主要受到车体各结构部件隔振特性的影响，空气传声大小主要受到车体各结构密闭性和隔声吸声性能的影响[10]。为探究噪声主要是通过结构路径还是空气路径向车内传递噪声，图9给出了虚拟轨道列车Mc车客室前断面声振传递特性频谱。

由图9 可见，客室前断面在噪声显著频带（315 Hz～1 000 Hz）振动加速度能量较大，且在噪声峰值500 Hz 中心频带内（447 Hz～562 Hz），客室前断面都出现显著的振动峰值。因此初步推断结构传声是客室前噪声的主要传递路径。

图9 客室前声振传递特性频谱

3.3 减振降噪建议

通过分析车内声源识别结果和声振传递特性发现，虚拟轨道列车车内噪声主要来源于地板区域，初步推断噪声的传递路径主要为结构传声。因此从路径上可以对地板声学特性进行研究，减小振动声辐射响应，从而减小车内噪声。从声源方面，可以控制车外噪声源，比如胎地振动源以及电机传动系统振动源等，通过避开车外振动源和车体结构共振的频率来减小车体的结构传声。