運行列車輻射噪聲源定位與聲級定量分析研究

張海濱，蔣偉康，閆肖杰

(1. 上海交通大學燃氣輪機研究院，上海　200240；2. 上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海　200240； 3. 中國船舶重工集團公司第701研究所，武漢　430064)

第一作者張海濱男，博士，助理研究員，1979年生

運行列車輻射噪聲源定位與聲級定量分析研究

張海濱1,2，蔣偉康2，閆肖杰3

(1. 上海交通大學燃氣輪機研究院，上海200240；2. 上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240； 3. 中國船舶重工集團公司第701研究所，武漢430064)

摘要：高架軌道交通的運行噪聲影響沿線居民的正常工作和休息，建立一套適用于高架軌道交通噪聲輻射的模型，有助于在建造軌道交通線之前合理的預估由于軌道交通造成的噪聲輻射影響及傳播特性，從而幫助改進設計方案。建立列車輻射噪聲模型的首要任務是獲得列車的噪聲輻射特性。為達成此目的，采用波束形成方法重建列車外側面的波束輸出能量分布圖，并利用參考傳聲器將波束輸出能量修正為聲壓級，獲得定量的聲壓級分布結果。運動聲源波束形成方法結合能量修正方法，可以定量的獲得列車輻射噪聲聲壓級分布結果，得到比傳統(tǒng)波束形成方法精確的結果。該方法用于重建某高架線軌道交通列車的噪聲聲級分布，結果與實際聲場接近。試驗分析表明方法可以用于高架軌道噪聲輻射模型的定量分析。

關鍵詞：波束形成; 列車噪聲;源強預測

基金項目：國家自然科學基金項目(11104182)

收稿日期：2014-02-19修改稿收到日期：2014-06-13

通信作者蔣偉康男，博士，教授，博士生導師，1961年生

中圖分類號:TB533

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.11.016

Abstract:The noise radiated by running trains on viaducts seriously influences people living or working along rail-lines. Optimizing the rail-line layout based on a train noise model alleviates the bad influence in advance. The characteristics of running train noise are obtained ahead for building the train noise model. Here, beam-forming combined with sound pressure level modification was presented for quantitively determining the distribution of sound pressure level on a train profile. The reference microphones were set in the reconstructing plane to modify the sound pressure level with the presented method. Subsequently, the characteristics of a running train noise were obtained quantitively. The method was applied to reconstruct the sound field induced by a running train on viaducts. The results agreed well with those of the real sound field. The method was verified with tests to be suitable for analyzing the train noise quantitively.

Running train noise source locating and quantitive prediction of sound pressure level

ZHANGHai-bin1,2,JIANGWei-kang2,YANXiao-jie3(1. Gas Turbine Research Institute, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2. State key laboratory of mechanical system and vibration, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;3. 701 Research institute, China shipbuilding industry corporation, Wuhan 430064, China)

Key words:beam-forming; train noise; source strength prediction

隨著經濟發(fā)展產生的交通擁堵問題，使得一些大城市相繼開始建設軌道交通解決這一問題，但是在帶來交通便利的同時，產生的噪聲污染成為亟需解決的問題。如果軌道交通在建設之初就能預估產生的噪聲影響，可以合理規(guī)劃軌道線路，使沿線的工作、居住環(huán)境受到最低的干擾。本文的工作著眼于分析列車運行噪聲的特性，定位列車運行噪聲的主要聲源位置以及聲壓級，為建立列車運行噪聲模型提供參考。

對于列車運行噪聲的定位，可以采用的方法主要有波束形成[1-3]，DAMAS[4]，ESPRITE[5]，DOA[6]等幾種。這些方法可以定位噪聲源的位置，但是無法準確地獲得輻射噪聲的聲壓級。一些學者也用聲全息的方法對運行的車輛進行了聲場分析，確定聲源位置以及聲場的分布[7-8]。用聲全息方法處理運動聲源，處理單一或離散頻率信號比較方便，對于寬頻帶信號的處理則比較耗時。對于列車、汽車這些運動聲源，輻射的噪聲具有寬頻特性，如果要分析聲場的1/3倍頻程或總聲級分布，采用波束形成方法更為方便。而對于連續(xù)運動的大型運動聲源，目前多數(shù)采用波束形成方法進行處理。

為了獲得運行列車輻射噪聲的聲壓級，需要對用波束形成方法得到的結果進行修正。本文提供了一種工程中可用的簡易方法。在近場測試時，考慮在重建面上放置參考傳聲器，用參考傳聲器的聲壓級結果對比重建的波束輸出能量值，從而獲得修正值。然后用修正值修正整個重建面上的波束輸出能量值，獲得聲壓級分布。

全文首先簡要介紹運動聲源的波數(shù)形成方法，以及校準方法。然后用介紹的方法對某高架線上的運行列車進行了聲成像分析，并在修正后獲得了聲壓級的定量分布結果。

1運動聲源波束形成方法

波束形成方法根據(jù)陣列與待測聲源面的距離分為遠場測試和近場測試。在近場條件下，目標源信號按球面波擴展，對各陣元接收信號按球面波衰減進行時延或相移補償，當補償?shù)侥繕嗽次恢锰帟r，各陣元接收信號形成同相迭加，出現(xiàn)“聚焦”點，因此也被稱為聚焦波束形成。在遠場測試，目標源信號近似按平面波擴展，運用平面波假設進行“延遲-累加”獲得波束輸出功率。由于此次測試在近場進行，因此將對基于球面波假設的波束形成方法進行介紹。

圖1　聚焦波束形成示意圖Fig.1 Scheme of focused beam-forming

圖1為聚焦波束形成方法的基本物理模型。對于聲源靜止的情形，假設一個由N個傳聲器組成的陣列，其聚焦波束形成方法得到的信號可用式(1)表示，其時間延遲量τi按照球面波的假設進行計算。

(1)

τi=(Di-D0)/c

(2)

式中:Di為傳聲器和聚焦點的距離，D0為參考傳聲器(陣列中心)與聚焦點的距離，Di/D0用于修正空間傳播幅值衰減帶來的影響，參考陣列中心參考傳聲器的幅值進行歸一化，wi為加權系數(shù)，且滿足∑wi=1，τi為信號時延，b(t)為波束輸出。式(1)就是常用的“延遲-累加”方法，通過調整聲程差產生的時間滯后量，將不同傳聲器中的信號統(tǒng)一到同一時刻。通過計算重建面上每個節(jié)點上的b(t)在選定時間段內的平均能量，可以獲得重建面的b(t) 平均能量分布，能級大的就是主要噪聲源的位置。

1.1運動聲源波束形成

對于運動聲源的情形，由于存在多普勒效應，需要將陣列測試到的信號進行非線性變換，消除多普勒效應，然后再用波束形成估計噪聲源的位置。聲源k沿x軸運動，聲源位置只有x坐標分量隨時間變化(見圖2)。

圖2　聲源點k與傳聲器mi間的距離關系Fig.2 The spatial relationship between acoustic source k and receiver mi

點源k在t時刻的坐標設為(xk(t)，yk，0)，傳聲器mi(i=1，2，…，L)的坐標設為(xi，yi，z0)。Rik(t)為t時刻第i個傳聲器接收的聲波所傳播的距離，rik(t)為t時刻點源k到第i個傳聲器之間的物理距離。

(3)

假設聲源在τ時刻發(fā)射一個聲波，其波前到達接收點時刻為t。由此，τ時刻聲源點與信號接收點的物理距離rik(τ)等于t時刻信號接收點接收的聲波信號實際空間傳播距離Rik(t)，

(4)

τ和t之間滿足t=τ+Rik(t)/c，其中c為大氣中聲波傳播速度。

由式(3)和式(4)，可得來自點源k的聲波在t時刻傳播到傳聲器mi(i=1，2，…，N)的實際聲傳播距離如式(5)所示：

Rik(t)=

(5)

式中:M=v/c，為馬赫數(shù)。

設pik(t)為傳聲器mi測量到的由聲源k輻射出的聲壓，根據(jù)莫爾斯的運動點源理論[9]，當聲源運動的馬赫數(shù)M<1時，pik(t)可表示為：

(6)

式中:cosθ由下式計算：

(7)

當馬赫數(shù)較小時(本次試驗的馬赫數(shù)小于0.1)，式(6)中，第二項相比于第一項為小項，可以忽略。將式(7)代入，得到pik(t)的表達式：

(8)

如果將N個通道的信號進行同樣處理，且將τik都統(tǒng)一到時間點τ，則可以得到平均值Qk(τ)如下：

(9)

從信號處理角度而言，式(9)加強了來自第k個點源的信號分量，抑制了聲源面上其它點源信號分量。這也就是波束形成方法從陣列信號中重建一個點源的基本原理。為了保持聲壓幅值的統(tǒng)一性，可以選用陣列中的一個麥克風作為參考，對式(9)進行修正，

(10)

1.2聲壓級修正

用Qk(τ)作為重建量，其在某一時間段ΔT內的平均能量級可以表示為:

(11)

(12)

為了證明修正方法的可行性，進行了一個數(shù)值仿真試驗。假定聲場由兩個單極子源激勵產生，單極子源1位于[-0.5，0，-0.1]m處，單極子源2位于[0.5，0，-0.1]m處，相同距離下單極子源2的聲壓幅值是單極子源1的2倍。重建面選在z=0處，陣列設置在z=2 m處，是一個36通道的車輪型陣列(見圖3)。

圖3　波束形成仿真試驗設置圖Fig.3 The experimental scheme of the beam-forming simulation

圖4(a)為單極子源激勵下產生的聲場聲壓級分布圖，在靠近單極子源的位置出現(xiàn)了兩個峰值，幅值分別是77 dB和71.1 dB，相差5.9 dB。圖4(b)為波束形

圖4　(a) 重建面實際聲壓級分布圖; (b) 重建面波束輸出能量級分布圖; (c) 重建的聲壓級分布圖Fig.4 The plots of, (a) the original sound pressure level distribution,(b) the energy level of thebeamforming output, and(c) the reconstructed sound pressure level on the reconstruction plane

成輸出能量的能級分布圖，同樣在靠近單極子源的位置出現(xiàn)了兩個峰值，幅值分別是50 dB和44.4 dB，相差5.6 dB。由此可見，波束形成輸出能量的能級分布圖和實際的聲壓級分布圖在反映能量的差值時是十分接近的。由此，通過式(12)修正后可以得到接近于實際聲場的聲壓級分布結果(見圖4(c))。

從仿真的結果可以看到，參考傳聲器要設置在靠近主要聲源的位置，這樣得到的修正結果精度較好。由于實際聲源比較復雜，可以考慮在主要聲源附近設置多個參考傳聲器，然后用平均法獲取修正系數(shù)，提高準確度。

比較圖4(a)和圖4(c)，可以發(fā)現(xiàn)，利用修正方法得到的結果接近于實際聲場，能反映主要聲源處的聲壓級分布。雖然和實際聲場仍有區(qū)別，但是作為一種工程應用方法能夠有效地反映聲場主要特征，并能定量地反映主要聲源聲壓級。由此，利用修正波束形成輸出能量的能級獲得重建面聲壓級分布的方法是可行的。

2試驗介紹與聲源定位分析

試驗在上海某高架線上進行，測試實景見圖5。由于測試條件的限制，只能在近場進行測試。陣列由36個傳聲器組成，分別設置在三根支桿上，軸對稱發(fā)布，每個桿上12個傳聲器。圖6為陣列的示意圖，圖中話筒的間距參數(shù)為：D1=60 mm，D2=120 mm，D3=120 mm，D4=500 mm。

圖5　列車噪聲星形陣列測試實景圖Fig.5 The plot of the experimental setup

陣列設置在距離近軌270 cm處，即距離列車側面182 cm，陣列中心距離鐵軌頂面136 cm，激光測速裝置在陣列中心線位置，用于確定列車位置和速度。為了讓重建結果更接近真實列車外側表面聲場能量大小，設置兩個參考傳聲器，平行放置在距離近軌1m，高度離軌面0.3 m處，在陣列中線兩側對稱分布。參考傳聲器的設置參考了以往的經驗，即輪軌接觸噪聲是低速運行列車的主要噪聲源。本次試驗的列車運行速度約70 km/h，屬于低速運行。重建面選擇為車廂的外側面，參考傳聲器正好處于這個平面內。

圖6　傳聲器陣列示意圖Fig.6 The sketch of the microphone array

圖7　列車外側面的聲壓級分布圖(dB/A)Fig.7 SPL distribution on the train surface with modification

圖8　聲功率級分布圖(dB/A)Fig.8 SPL distribution on the train surface without modification

參考文獻對于重建的聲壓級分布，可以[10]的結果，其試驗與本試驗在同一天和同一地點進行。在距離列車外側面約1 m的位置，輪軌接觸線高度處測得的聲壓級約為95 dB，而利用本方法在車廂外側面輪軌接觸線高度處的聲壓級約為98 dB。這也部分印證了本方法重建結果的可信度。兩個結果間的偏差可能是測量的不可重復性造成的。三角形陣列的定位與成像效果不如車輪型陣列，也是導致偏差產生的原因。

3結論

本文提供了一種定量測試運動聲源輻射聲場的方法，在用波束形成方法獲得運動聲源外部重建面上的聲場分布后，利用參考傳聲器技術，修正了實際聲壓級與重建聲場之間的能量差。為了檢驗本方法的可行性，在上海城市軌道交通某高架線上進行了實車測試工作。分析結果表明，用參考傳聲器測量重建面聲壓并修正重建面的波束輸出能量發(fā)布，可以獲取重建面的聲壓級分布場，本方法為建立列車運行噪聲模型提供了參考。

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