地鐵調車室內噪聲的同步測試與分析

王筱野， 蘇燕辰， 靳 行

(1. 西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031; 2. 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著我國鐵路科技的飛速發(fā)展，地鐵調車駕駛員對司機室的噪聲環(huán)境要求也逐漸提高。中外對機車噪聲的測試與控制也發(fā)展已久，宋斌[1]在對東風4B型機車的噪聲測試中測試兩端司機室的噪聲值后，從設計和工藝方面提出整改措施；張秀華[2]在兩種型號的動車組車廂中部進行噪聲信號頻譜分析后，發(fā)現(xiàn)隨著車速的提升，車內各頻段內的聲壓級逐漸增大；Ahmadian[3]在對機車司機室進行振動測試后評價了各種結構修改方式對司機室噪聲和振動的影響。這些前輩在對司機室的噪聲研究中采取了較少傳聲器直接測試聲壓值或間接分析振動對噪聲的影響，并未從整個車內聲場進行分析，本文使用16個傳聲器同步測試了車內包括一、二位端司機室以及設備室噪聲值，更加精準地了解整個聲場。當獲取了聲場信息后，不僅能反映車內噪聲狀況和分布規(guī)律，還能便于使用相關的理論和方法進一步分析聲源對響應點的影響[4-6]。同步測試車內聲場信號后，由聲壓級到頻帶逐步細化的分析，及計算響應點與參考點之間的傳遞率，綜合確定異常頻率[7]。

1 測試方法與分析原理

1.1 測試裝置

傳聲器陣同步測試系統(tǒng)主要由計算機、數(shù)據(jù)采集儀和傳聲器組成，其中數(shù)據(jù)采集儀使用的是丹麥BBM多通道數(shù)據(jù)采集分析儀，可提供16個同步采集通道。傳聲器是B&K公司4189型號的傳聲器，其測試精度為0.2 dB，由于會用到較多傳聲器，在實際的方案設計中考慮實驗成本，數(shù)據(jù)的同步性和采集儀端口數(shù)量的限制，最大傳聲器數(shù)量為16個。

1.2 傳遞率

許多大型設備在運行狀態(tài)時無法測試其輸入力或者激勵，而只能測試響應[8]。在噪聲實驗中，也無法直接測試到噪聲源的激勵。傳遞率在一定條件下具有不隨載荷條件和系統(tǒng)部分參數(shù)的變化而改變，故在利用傳遞率分析傳遞關系時可作為重要的參考依據(jù)[9-10]。在傳遞率計算中，選取某個測試到的響應作為參考響應，將其視為激勵或者輸入，將響應點響應y(t)與參考點響應x(t)的拉普拉斯變換Y(s)與X(s)的比值作為傳遞率：

但在實際工程中常用傳遞率的估計值H，即為響應點響應y(t)與參考點響應x(t)的互譜Sxy(s)與參考點響應點的自譜Sxx(s)之比[11-13]，其計算公式為

1.3 測試步驟

在樣車室內布置了16個傳聲器組成的傳聲器陣，其中兩端司機室測點高度為1.5 m，中間設備室測點高度為0.5 m，傳聲器均用三腳架支撐固定，具體位置如圖1及表 1所示。

圖1 測點示意圖

實驗地點選擇在空曠安靜的場地，實驗開始之前使用聲校準器對每一個傳聲器進行校準，將采樣率設置為32 768 Hz。柴油機運轉實驗工況為750，1 000，1 200，1 500，1 800，2 100 r/min，每個工況測試90 s。

2 結果與討論

各個工況聲壓級統(tǒng)計見表 2，可見隨著柴油機提速，各測點的聲壓級均在升高，同時，離柴油機越近，聲壓值越大，在柴油機附近2 100 r/min時噪聲值達113.6 dB(A)。如圖2(a)所示，一位端司機室測點噪聲值隨著柴油機轉速的提升，噪聲值的升高幅度并不大，最大噪聲值只是76.4 dB(A)，在各工況下均在國標限制值78 dB(A)以內[14-15]；如圖2(b)所示，二位端司機室在1 500，1 800，2 100 r/min工況下各個測點噪聲值急劇增大，1 500 r/min時最低噪聲值為82 dB(A)，2 100 r/min時最高已達到92 dB(A)，均已超標。

表1 測點命名與注釋

表2 車內噪聲各測點各工況聲壓級dB(A)

以1/3倍頻程中心頻率劃分Nyquist頻率以內的頻帶，使用傳聲器陣采集到的聲壓信號繪制樣車室內各個工況下的等頻帶聲壓級云圖。部分云圖如圖3所示，基本所有的頻帶云圖都符合聲輻射的指向性，但在2 100 r/min工況下，以63 Hz為中心頻率的頻帶出現(xiàn)了異常，二位端司機室的聲壓級值高于柴油機附近的聲壓級值，見圖3(a)。對63 Hz為中心頻率的頻帶下異常原因進行分析，利用傳遞率分析二位端司機室測點噪聲與柴油機噪聲的聯(lián)系。

圖2 等頻帶聲壓級云圖

在Nyquist頻率以內，對出現(xiàn)了異常頻帶的二位端司機室測點與柴油機附近測點計算傳遞率以分析兩者之間的傳遞關系。以柴油機二位側靠近二位端，柴油機一位側靠近二位端2個測點作為參考響應點，以二位端司機室所有4個測點作為響應點，得到的傳遞率譜如圖4，顯而易見，在以柴油機附近2個測點作為參考響應點，對二位端司機室各測點噪聲傳遞率均在59 Hz達到最大，傳遞率分別為4.04和4.91，而59 Hz也正好在1/3倍頻程中心頻率63 Hz（56.2～70.8 Hz）內，同時對比觀察到，所有頻率在從設備室傳遞到二位端司機室的過程中所有頻率都以較低的傳遞率進行傳遞，而59 Hz卻以較高的傳遞率進行傳遞。

3 結束語

圖4 傳遞率譜

在使用16通道傳聲器陣同步測試地鐵調車室內噪聲后，準確得到室內各點聲壓級，并發(fā)現(xiàn)其一位端司機室噪聲值在各個工況下均達標，二位端司機室噪聲值在750，1 000，1 200 r/min 3個工況下達標，在1 500，1 800，2 100 r/min 3個工況下超標。在使用各工況同步噪聲信號繪制的所有1/3倍頻程等頻帶云圖分析中，發(fā)現(xiàn)在2 100 r/min下，63 Hz中心頻率的等頻帶云圖出現(xiàn)了二位端司機室聲壓級值大于了作為主要噪聲源的柴油機附近的噪聲值。為了對63 Hz為中心頻率的頻帶下異常原因的分析利用傳遞率分析二位端司機室測點噪聲與柴油機噪聲的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)以柴油機附近2個測點作為參考響應點，對二位端司機室各測點噪聲傳遞率均在59 Hz達到最大，傳遞率分別為4.04和4.91，而59 Hz也正好在1/3倍頻程中心頻率63 Hz（56.2～70.8 Hz）內。證明在分析樣車室內噪聲時，使用較繁瑣但形象的等頻帶云圖分析與較簡便易行的傳遞率計算都可以分析出異常頻帶，得出的結果均可以為后續(xù)地鐵調車的降噪工作提出有效的理論參考。

[1]宋斌. 東風_(4B)型機車司機室隔音降噪控制整改[J]. 鐵道機車與動車, 1998(2): 26–29.

[2]張秀華. 動車組內噪聲測試及結果分析[J]. 鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生, 2015, 5(6): 270–272.

[3]AHMADIAN M, VENEZIA J J. An experimental evaluation of noise and vibrations in modern locomotive cabs[C]//Railroad Conference, 2000. Proceedings of the 2000 ASME/IEEE Joint. IEEE, 2000: 153–165.

[4]馬馳, 陳建峰, 葉永. 基于四元十字陣的分布式聲源定位實驗研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2013, 32(11): 52–54.

[5]宋宮琨. 基于麥克風陣列的室內語音定位算法研究[D]. 南京: 南京信息工程大學, 2016.

[6]陸灝銘, 陳瑋, 劉壽寶. 基于麥克風陣列的聲源定位系統(tǒng)設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2012, 31(4): 79–81.

[7]徐東鋒, 基于振動傳遞率函數(shù)和統(tǒng)計假設檢驗的海洋平臺結構損傷識別研究[D]. 青島: 青島理工大學, 2015.

[8]張潔, 林建輝, 高品賢. 高速鐵路振動及噪聲測試技術[M].成都: 西南交通大學出版社, 2010: 27–29.

[9]張昱, 朱彤, 周晶. 對功率譜密度傳遞率作用原理的探究[J].振動工程學報, 2016, 29(6): 992–1002.

[10]陳家寶, 刁延松, 任紅. 基于傳遞率函數(shù)的結構損傷識別研究[J]. 結構工程師, 2015, 30(4): 32–40.

[11]SHIBATA, NOBUYUKI. Effect of shelf aging on vibration transmissibility of anti–vibration gloves[J]. Industrial health,2017, 55(6): 575–579.

[12]韓杰. 基于傳遞率的工作模態(tài)參數(shù)識別方法的研究[D]. 太原: 太原理工大學, 2012.

[13]王彬星, 鄭四發(fā), 李傳兵, 等. 車內噪聲傳遞率建模及計算[J].振動、測試與診斷, 2014, 34(4): 693–698.

[14]鐵道機車和動車組司機室噪聲限值及測量方法: GB/T 3450–2006 [S]. 北京: 中國標準出版社, 2006.

[15]鐵道機車輻射噪聲限值: GB/T13669–2006 [S]. 北京: 中國標準出版社, 2006.