中低速磁浮列车车外噪声特性及声源贡献测试分析

2023-02-12赵新利贾尚帅潘德阔

城市轨道交通研究 2023年1期

赵新利贾尚帅彭垒潘德阔

(中车唐山机车车辆有限公司，064099，唐山∥第一作者，高级工程师)

城市轨道交通的车外噪声对沿线居民和生态具有重要影响，是关系轨道交通绿色环保、可持续发展的关键问题。城市轨道交通的车外噪声关注点有两个：① 声源识别；② 声源辐射特性及其对标准点的噪声贡献。文献[1-2]建立了高速列车车外噪声预测模型，以声源识别结果作为输入，研究了车外噪声源贡献，结果表明，转向架区域和车下区域对车外噪声贡献最大，且声学灵敏度高于其他区域的声源。

不难看出，有关城市轨道交通车外噪声的研究大多集中于高速列车，对于中低速磁浮列车的研究较少，而与之相似的地铁列车噪声研究又以车内噪声研究居多。因此,研究中低速磁浮列车的车外噪声有着较大的实用意义。本文通过线路试验测试了中低速磁浮列车的运行车外噪声，并利用声线追踪法进行了车外噪声仿真计算，采用仿真与试验相结合的手段，对磁浮列车的车外噪声贡献进行了分析。本研究可为中低速磁浮列车的噪声控制提供指导和数据支撑。

1 车外噪声特性试验

1.1 测点布置

根据相关标准规定，轨道交通车辆的车外噪声评价测点设置要求为：距离轨道中心线7.5 m、钢轨顶面1.2 m和3.5 m的测点；距离轨道中心线25.0 m、钢轨顶面3.5 m的测点。高速列车的动态试验一般主要评价距离轨道中心线25.0 m处的测点，地铁列车则主要评价距离轨道中心线7.5 m处的测点，磁浮列车根据速度等级参考地铁列车。地铁列车车外噪声测点布置示意图如图1所示。

图1 地铁列车车外噪声测点布置示意图

1.2 噪声特性

根据标准点1和标准点2的位置(见图1)，分别固定一只自由场麦克风，用于监测磁浮列车的通过噪声。数据采样频率为65 536 Hz。列车通过时的噪声计算公式为：

(1)

Tp=t2-t1

(2)

式中：

LAeq,Tp——列车通过时段内的等效连续A声级，dB(A)；

t1——车头进入测点时间，s；

t2——车尾离开测点时间，s；

Tp——列车通过的时间段，s；

pA(t)——噪声瞬时A计权声压，Pa；

p0——基准声压，取为20 μPa。

磁浮列车与地铁列车的车外噪声频谱差异对比如图2所示。其中：列车运行速度均为60 km/h；测点距离轨道中心线均为7.5 m；地铁列车的两个测点分别位于距离钢轨顶面1.2 m和3.5 m处；由于研究性试验的特殊要求，磁浮列车的测点位于距离钢轨顶面1.5 m处。

图2 磁浮列车与地铁列车的车外噪声频谱Fig.2 Exterior noise spectrum of maglev train and metro train

当列车运行速度为60 km/h时，地铁的车外通过噪声约为80 dB(A)，磁浮的车外通过噪声约为75 dB(A)。磁浮列车的车外噪声比地铁列车低5 dB(A)左右。由图2可知：磁浮列车的车外噪声主要在中心频率为80～1 000 Hz的1/3倍频带，且该频带磁浮列车的声压级明显低于地铁列车；地铁列车的车外噪声峰值主要在中心频率为500 Hz和2 000 Hz的1/3倍频带，磁浮列车的车外噪声峰值主要在中心频率为1 250 Hz的1/3倍频带。

文献[3-4]的研究结果表明，轨道交通车辆在中低速运行时的噪声源主要为轮轨噪声，其显著频带为中心频率为500～2 000 Hz的1/3倍频带。但磁浮列车的车外主要噪声源贡献尚不明确，故有必要通过试验与仿真的方法进行深入研究。

2 车外噪声仿真建模

2.1 理论方法

轨道交通车辆的车外噪声仿真建模方法很多，包括有限元-边界元方法、统计能量分析和声线追踪法等。其中，声线追踪法无论在预测精度还是在计算效率方面都具有独特的优势。因此，本文采用声线追踪法对磁浮列车的车外噪声进行建模分析。声线追踪法是用声线来表示点声源以球面波发射声波的形式，其原理如图3所示。

图3 声线追踪法原理示意图Fig.3 Schematic diagram of sound ray tracing method

声线沿直线按声速朝一定方向传播。当遇到阻抗与空气不同的界面时，声线会发生镜像反射或扩散反射，在拐角或边界面顶点处可能伴有衍射现象。当声线发生反射时，部分声能被吸收，剩下的声能由反射声线携带。对于光滑界面，即界面上的起伏比波长尺度小得多，反射服从镜像反射规律。发生镜像反射的声线幅值取决于界面的法向声阻抗率和声线的入射角。基于声线追踪法建立磁浮列车的车外噪声模型可以考虑不同区域的声源特性，以及声源在传播过程中与界面发生的相互作用关系。

2.2 模型验证

根据一列三节编组的中低速磁浮列车实际几何尺寸，考虑轨道结构，建立磁浮列车的车外噪声预测模型，如图4所示。磁浮列车和轨道以实际结构作为几何边界，以材料属性体现结构特征。地面设置为混凝土介质，考虑其吸声及反射。模型输入主要声源激励包括：受电靴/供电轨系统、空调机组、空压机、辅助逆变器、牵引逆变器、充电机和悬浮电源。其中：受电靴/供电轨系统为磁浮列车运行时的关键噪声源，通过试验台测试获得60 km/h速度级下，受电靴/供电轨系统的声压级；其他声源为设备噪声，采用包络法测试设备以额定功率运转时的离散点声压获得其声功率。

图4 磁浮列车的车外噪声预测模型Fig.4 Prediction model of maglev train exterior noise

受电靴/供电轨系统声源和其他各设备声源的1/3倍频程频谱如图5所示。以点声源的形式将上述声源激励加载到磁浮列车的车外噪声预测模型中。在距离轨道中心线7.5 m、钢轨顶面1.5 m处，沿车身纵向布置一系列的声学场点，计算车外辐射噪声。当磁浮列车运行速度为60 km/h时，车外噪声的预测结果与试验结果对比如图6所示。由图6可知，磁浮列车车外噪声预测结果与试验结果在频谱分布规律上基本一致，且吻合度较高，噪声总值差异在2 dB(A)以内。仿真模型预测结果与试验结果具有很好的一致性，验证了预测结果是可信的。

图5 声源的1/3倍频程频谱Fig.5 1/3 octave spectrum of sound sources

图6 磁浮列车车外噪声预测结果与试验结果对比

3 车外噪声贡献分析

基于第2节经过验证后的磁浮列车车外噪声预测模型，对磁浮列车车外噪声贡献进行分析。

3.1 声场云图

在距离轨道中心线7.5 m处，沿车身纵向方向建立垂直于地面的面网格，用于观察距离轨道中心线7.5 m处的辐射声场。磁浮列车车外辐射声场云图如图7所示。由图7可知，当磁浮列车运行速度为60 km/h时，车外噪声主要表现为车下区域较高，特别是受电靴/供电轨系统所在位置对应的车下区域。由此可知，受电靴/供电轨系统噪声是磁浮列车车外噪声的主要噪声源。

图7 磁浮列车车外辐射声场云图

3.2 频谱贡献

为了进一步明确受电靴/供电轨系统噪声以及其他设备噪声对磁浮列车车外噪声的贡献，依次只考虑一个声源的激励加载，计算对比车外噪声特性。车外噪声频谱贡献如图8所示。由图8可知：受电靴/供电轨系统接触噪声在中心频率为200 Hz以上的1/3倍频带，且均对车外噪声呈主要贡献状态，这和受电靴/供电轨系统噪声本身呈现明显的中高频特性有关；相对于受电靴/供电轨系统，其他设备噪声对车外噪声贡献较低。在中心频率为200 Hz以上的1/3倍频带，按照声源贡献大小排序，依次为空调机组、辅助逆变器、牵引逆变器、悬浮电源及空压机。充电机主要在低频部分对车外噪声有一定贡献。