中低速磁浮列车车外噪声特性及声源贡献测试分析_赵新利.pdf

2023 年中低速磁浮列车车外噪声特性及声源贡献测试分析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)摘要通过现场测试，对磁浮列车的车外噪声进行了测量。对比分析了磁浮列车外部噪声与地铁列车车外噪声的特性差异。基于声线追踪法，建立了磁浮列车的车外噪声仿真模型，并与试验结果进行了对比验证。基于该仿真模型分析了磁浮列车的车外噪声贡献。研究结果表明，当列车运行速度为 60 km/h 时，磁浮列车的车外噪声比地铁列车低 5dB(A)左右，其车外噪声贡献主要来自于受电靴/供电轨系统，显著贡献分布在 2005 000 Hz 频带。关键词中低速磁浮列车;车外噪声;声源贡献中图分类号TB5332U2664DOI:1016037/j1007869x202301017Characteristics and Source Contribution Test Anal-ysisofLow-mediumSpeedMaglevTrainExterior NoiseZHAOXinli，JIAShangshuai，PENGLei，PAN DekuoAbstractThrough field tests，exterior noise of maglev train ismeasured The exterior noise characteristic difference between amaglev train and a metro train is compared and analyzed Basedon sound ray tracing method，a simulation model of maglevtrain exterior noise is established and comparatively verifiedwith the experimental results Based on mentioned simulationmodel，the contribution of maglev train exterior noise is ana-lyzed esearch results show that the exterior noise of maglevtrain is about 5 dB(A)lower than that of metro train whentrain running speed is at 60 km/h，and its contribution mainlycomes from the collector shoe and power rail system，and thenoise significant contributions are distributed in 200 to 5 000Hz frequency bandKey wordslow-medium speed maglev train;exterior noise;source contributionAuthors addressCC Tangshan Co，Ltd，064099，Tang-shan，China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:声源识别;声源辐射特性及其对标准点的噪声贡献。文献 12 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11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 75 m、钢轨顶面 12 m 和 35 m 的测点;距离轨道中心线 250m、钢轨顶面 35 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 250 m 处的测点，地铁列车则主要评价距离轨道中心线 75 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Fig1Layout diagram of metro train exterior noise measure-ment points68第 1 期研究报告12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:LAeq，Tp=10 lg1t2 t1t2t1p2A(t)p20dt()(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 Pa。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 75 m;地铁列车的两个测点分别位于距离钢轨顶面 12 m 和 35 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 15 m 处。图 2磁浮列车与地铁列车的车外噪声频谱Fig2Exterior 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 5dB(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 801 000 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 34 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 5002 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21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Fig3Schematic 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。22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/h782023 年速度级下，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Fig4Prediction 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 75 m、钢轨顶面 15 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Fig51/3 octave spectrum of sound sources3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。图 6磁浮列车车外噪声预测结果与试验结果对比Fig6Comparison between prediction results and test resultsof maglev train exterior noise31声场云图在距离轨道中心线 75 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 75 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Fig 7Nephogram of maglev train exterior radiated so-und field32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 200Hz 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。88第 1 期研究报告图 8车外噪声频谱贡献Fig8Contribution of exterior noise frequency spectrum4结语本文通过线路试验测试了磁浮列车的车外噪声，并对比分析了磁浮列车与地铁列车的车外噪声特性差异。基于仿真模型，研究了磁浮列车的车外噪声贡献。主要获得以下结论:1)当列车运行速度为 60 km/h 时，磁浮列车的车外噪声比地铁列车低 5 dB(A)左右;2)磁浮列车的车外噪声主要表现为车下区域较高，受电靴/供电轨系统噪声是主要噪声源;3)测试数据的 1/3 倍频程分析表明，受电靴/供电轨系统接触噪声在 2005 000 Hz 频带对车外噪声呈主要贡献;4)相对于受电靴/供电轨系统，其他设备噪声对车外噪声贡献