跨座式單軌交通列車運(yùn)行車外噪聲試驗(yàn)與分析*

薛軍平，杜子學(xué)，文孝霞

（1 重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074；2 重慶交通大學(xué) 軌道交通研究院， 重慶 400074）

跨座式單軌交通作為一種輕型、中速、可實(shí)現(xiàn)小、中、大運(yùn)力的軌道交通制式，憑借其自身獨(dú)特的優(yōu)勢，如造價(jià)低、占地少、周期短、景觀影響小等，在城市軌道交通應(yīng)用和建設(shè)實(shí)踐中發(fā)揮著越來越重要的作用，已成為當(dāng)今城市軌道交通的重要組成形式之一［1］。作為一種交通工具，其在運(yùn)行過程中也會產(chǎn)生交通噪聲。與傳統(tǒng)鋼輪鋼軌城市軌道交通相比，跨坐式單軌交通的走行機(jī)理、線路敷設(shè)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境條件具有獨(dú)特性［2］，如圖1 所示。其運(yùn)行噪聲輻射特性也具有自身的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

圖1 跨座式單軌交通線路特點(diǎn)

（1）跨座式單軌交通采用橡膠輪胎與軌道梁作為走行機(jī)構(gòu)，其輪軌輻射噪聲能量將以中低頻為主。

（2）跨座式單軌交通絕大部分線路采用高架結(jié)構(gòu)設(shè)置在城區(qū)主干道中央位置處，列車運(yùn)行噪聲會與道路交通噪聲形成疊加效應(yīng)，加大對線路聲環(huán)境的影響。

（3）軌道梁以簡支形式通過支座與蓋梁墩柱連接，結(jié)構(gòu)簡單，且無聲屏障降噪措施，易使列車運(yùn)行噪聲向線路兩側(cè)直接輻射，擴(kuò)散強(qiáng)。

（4）軌道梁間通過金屬指型板進(jìn)行連接，連接處接觸幾何和剛度不連續(xù)，車輛運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生沖擊噪聲。

上述特點(diǎn)的分析表明跨座式單軌交通列車運(yùn)行噪聲將是城市交通噪聲的重要組成部分。當(dāng)前，城市環(huán)境噪聲已成為一個(gè)公共健康問題，經(jīng)常暴露于超標(biāo)的噪聲環(huán)境下對人的身心健康會產(chǎn)生負(fù)面影響，不僅易引起人的煩惱情緒，影響人的正常工作和生活，而且會造成聽力損傷，增加患心血管等疾病的風(fēng)險(xiǎn)［3-4］。相關(guān)研究表明跨座式單軌交通線路沿線區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重超標(biāo)，周圍居民遭受較嚴(yán)重的噪聲干擾［5］。為減少跨座式單軌交通列車運(yùn)行噪聲對周圍環(huán)境的影響，采取有效的優(yōu)化降噪措施提高其運(yùn)行品質(zhì)勢在必行。而對噪聲源的識別和分析則是降噪控制的前提，因此對其開展研究非常必要。

1 試驗(yàn)分析原理

試驗(yàn)分析中主要采用小波時(shí)頻分析方法，小波變換技術(shù)是繼傅里葉和短時(shí)傅里葉變換技術(shù)之后于80 年代后期發(fā)展起來的一種信號處理方法，它非常適合對非平穩(wěn)或瞬態(tài)信號進(jìn)行時(shí)頻分析，可以較準(zhǔn)確地獲得信號在時(shí)頻域內(nèi)的局部信息。小波變換的定義和特性如下［6］：

（1）函數(shù)x（t）在任一尺度a和平移τ下的小波變換系數(shù)，反映的是在τ時(shí)間處，時(shí)窗aΔt內(nèi)包含在中心頻率ω0/a、帶寬為Δω0/a頻段內(nèi)頻率分量的大小。當(dāng)尺度a取不同值時(shí)，對應(yīng)的時(shí)窗、中心頻率和帶寬也不同。因此小波變換是一種可以實(shí)現(xiàn)變分辨率的時(shí)頻分析方法，分析效果如圖2 所示。

圖2 小波分析時(shí)頻特性

（2）根據(jù)小波基函數(shù)本身所具有的特點(diǎn)，在頻域內(nèi)其可以看作是一組帶通濾波器，當(dāng)尺度a取不同值時(shí)，各小波基的中心頻率和帶寬也會發(fā)生改變，但其中心頻率和帶寬的比值—品質(zhì)因數(shù)Q=ω0/Δω0卻不會發(fā)生改變，這與人耳對聲音的感知特性相一致，較適合于對聲音信號的特征提取和分析。

2 試驗(yàn)方案設(shè)置

2.1 測點(diǎn)布置

考慮到試驗(yàn)時(shí)的安全性和實(shí)際條件的限制，測點(diǎn)設(shè)置在線路側(cè)道路的路肩處，如圖3 所示，在測點(diǎn)處布置麥克風(fēng)傳感器M，距地面高度1.5 m。由于受線路高程和城市道路寬度變化的影響，因此不同試驗(yàn)場點(diǎn)的麥克風(fēng)到軌道梁中心線水平距離以及到軌頂面的垂直高度是不斷改變的。其中參數(shù)L表示測試麥克風(fēng)到軌道梁中心線水平距離，H則是軌道梁頂面距測點(diǎn)地面的垂直高度。

圖3 噪聲測試麥克風(fēng)布置

2.2 測試工況

為系統(tǒng)掌握跨座式單軌交通噪聲源組成和輻射特性，以重慶軌道交通3 號線為對象，開展多工況的現(xiàn)場試驗(yàn)測試。列車典型的運(yùn)行工況包括平直線路行駛、曲線線路行駛、進(jìn)出站行駛以及坡度線路行駛。試驗(yàn)前選擇各試驗(yàn)工況典型的試驗(yàn)場點(diǎn)，其對應(yīng)關(guān)系見表1。平直線路工況選擇4 個(gè)場點(diǎn)S1～S4，坡度線路、進(jìn)出站和上下坡度行駛工況各選擇1 個(gè)場點(diǎn)，分別為S5、S6 和S7。其中進(jìn)出站和上下坡度行駛試驗(yàn)工況分別在場點(diǎn)的線路兩側(cè)進(jìn)行，直線線路和曲線行駛試驗(yàn)工況在場點(diǎn)線路一側(cè)進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)工況及場點(diǎn)

2.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)采樣頻率為32 768 Hz，為帶寬的2.56 倍，頻率分辨率為1 Hz，重疊率為67%，采用A 計(jì)權(quán)，時(shí)間計(jì)權(quán)常數(shù)為125 ms。測試時(shí)無明顯異常環(huán)境噪聲，測試數(shù)據(jù)噪聲高于背景噪聲不少于10 dB（A）。麥克風(fēng)傳感器設(shè)置有防風(fēng)罩，試驗(yàn)時(shí)保持天氣良好，無雨。并記錄各場點(diǎn)的天氣條件，溫度范圍為21～37 ℃，濕度在38.5%～74% 范圍內(nèi)，風(fēng)速小于3 m/s。

3 噪聲源識別分析

根據(jù)跨座式單軌交通的構(gòu)造和運(yùn)營特點(diǎn)，其噪聲主要由胎軌噪聲、牽引電機(jī)噪聲、弓網(wǎng)噪聲、齒輪傳動(dòng)噪聲、結(jié)構(gòu)輻射噪聲以及輔助設(shè)備噪聲等構(gòu)成。而噪聲源的輻射特性隨車輛狀態(tài)、運(yùn)行速度和線路條件等工況的不同而發(fā)生變化，因此在噪聲源的識別和分析過程中，應(yīng)選擇正確合理的試驗(yàn)順序和分析方法。

3.1 進(jìn)出站工況

通常情況下，跨座式單軌列車進(jìn)站時(shí)主要通過電機(jī)的電氣制動(dòng)使車速逐漸降低，而出站時(shí)則依靠電機(jī)的牽引力使車速逐漸升高［7］。試驗(yàn)時(shí)列車通過測點(diǎn)的運(yùn)行速度約在50～10 km/h 范圍內(nèi)，由于運(yùn)行速度較低，此時(shí)段其胎軌噪聲、弓網(wǎng)噪聲等將會減弱，而電機(jī)噪聲將變得突出。試驗(yàn)所測噪聲小波時(shí)頻分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4（a）、圖4（b）分別為列車進(jìn)站、出站時(shí)噪聲測試分析結(jié)果，制動(dòng)過程約在11～15 s 時(shí)段內(nèi)，加速過程約在6～10 s 時(shí)段內(nèi)，列車制動(dòng)和加速過程的主要噪聲頻率均分布在500～800 Hz 1/3 倍頻程范圍內(nèi)，且在630 Hz 1/3 倍頻程頻率處噪聲最大。通過專業(yè)人員對時(shí)域數(shù)據(jù)的回放試聽，可初步確認(rèn)此噪聲為電機(jī)噪聲，而相關(guān)電機(jī)噪聲研究結(jié)果表明其噪聲峰值頻率約為800 Hz，這與本研究結(jié)果是相吻合的［8-9］。為對結(jié)果作進(jìn)一步的驗(yàn)證，對30 km/h 勻速行駛列車主要部件的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示電機(jī)的振動(dòng)是最大的。在此以電機(jī)和齒輪箱振動(dòng)測試數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，電機(jī)殼體和齒輪箱殼體振動(dòng)測點(diǎn)如圖5 所示，進(jìn)出站噪聲和振動(dòng)測點(diǎn)的頻譜如圖6 所示。

圖4 進(jìn)出站噪聲小波分析

圖5 電機(jī)和齒輪箱殼體振動(dòng)測點(diǎn)

由圖6 可知，電機(jī)和齒輪箱殼體振動(dòng)峰值1/3倍頻程頻率為630 Hz，且位于噪聲峰值頻帶內(nèi)，噪聲和振動(dòng)是相關(guān)的。但由于電機(jī)的振動(dòng)遠(yuǎn)大于齒輪箱的振動(dòng)，由此可知列車進(jìn)出站時(shí)的噪聲由電機(jī)產(chǎn)生。

圖6 列車進(jìn)出站噪聲和振動(dòng)測點(diǎn)頻譜

3.2 坡度工況

坡度工況試驗(yàn)在線路坡度為4.8% 的場點(diǎn)S7進(jìn)行，此工況下測試噪聲小波時(shí)頻分析結(jié)果如圖7所示。圖7（a）為列車下坡運(yùn)行工況的時(shí)頻圖，圖中存在2 個(gè)明顯的噪聲頻帶，分別對應(yīng)的1/3 倍頻程頻率范圍約500～800 Hz 和1 000～1 600 Hz。根據(jù)列車進(jìn)出站工況對電機(jī)噪聲的分析可知，500～800 Hz 頻帶的噪聲源為電機(jī)。此工況電機(jī)噪聲之所以突出主要是由于列車行駛速度已達(dá)最高運(yùn)營速度75 km/h，為控制穩(wěn)定車速電機(jī)制動(dòng)有效作用的結(jié)果。而對于1 000～1 600 Hz 頻帶的噪聲，通過對噪聲實(shí)施濾波回放試聽確認(rèn)為胎軌噪聲，可以根據(jù)胎軌近場噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)列車運(yùn)行速度為70 km/h，胎軌噪聲近場麥克風(fēng)的布置如圖8 所示，該工況遠(yuǎn)場噪聲與穩(wěn)定輪近場噪聲頻譜的對比如圖9 所示。圖9 中穩(wěn)定輪近場胎軌噪聲的主要頻率成分在1 000～2 000 Hz 1/3 倍頻程頻率范圍內(nèi)，這與遠(yuǎn)場噪聲1 000～1 600 Hz 頻帶是吻合的。

圖9 該試驗(yàn)遠(yuǎn)場和穩(wěn)定輪近場噪聲頻譜

對于上坡工況由于列車行駛速度小于下坡行駛速度，其電機(jī)噪聲和胎軌噪聲均小于下坡工況，但是在2 000 Hz 以上卻存在一些無規(guī)律的中高頻頻率成分。該頻率范圍內(nèi)的噪聲較下坡工況明顯，如圖7（b）所示，其主要是由于列車行駛中弓網(wǎng)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)所致，經(jīng)確認(rèn)該噪聲為弓網(wǎng)噪聲，這也可以由胎軌近場噪聲頻譜對比得以印證。跨座式單軌列車的受電弓安裝在固定穩(wěn)定輪的轉(zhuǎn)向架框架上，距離穩(wěn)定輪較近，如圖8 所示，因此穩(wěn)定輪近場噪聲中含有較大成分的弓網(wǎng)噪聲。走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪近場噪聲頻譜如圖10 所示，圖中從2 000 Hz 開始，穩(wěn)定輪近場噪聲均大于走行輪和導(dǎo)向輪近場噪聲，此現(xiàn)象就是由弓網(wǎng)噪聲產(chǎn)生的。

圖7 坡度工況噪聲小波分析

圖8 胎近場噪聲麥克風(fēng)布置

圖10 胎軌近場噪聲頻譜

3.3 平直線路工況

如表1 中參數(shù)所示，平直線路工況時(shí)列車在場點(diǎn)S1、S2、S3、S4 的運(yùn)行速度是逐漸升高的，電機(jī)噪聲（500～800 Hz）、胎軌噪聲（1 000～1 600 Hz）和弓網(wǎng)噪聲（2 000～6 300 Hz）也在逐漸升高，如圖11 所示。但是在圖11（b）中，場點(diǎn)S2 的弓網(wǎng)噪聲（1 800～6 000 Hz）較其他場點(diǎn)略高，主要是由于該段線路弓網(wǎng)接觸狀態(tài)較差引起的。另外從圖11（c）和11（d）中可以看到，列車運(yùn)行時(shí)的胎軌噪聲持續(xù)時(shí)間較長，因此跨座式單軌交通的胎軌噪聲相對于電機(jī)噪聲和弓網(wǎng)噪聲具有輻射遠(yuǎn)、衰減慢的特性。

圖11 平直線路噪聲小波分析

3.4 曲線工況

對于曲線工況，列車運(yùn)行速度約為45 km/h，速度比較低，但噪聲源仍然以胎軌噪聲為主，如圖12 所示。

圖12 列車曲線行駛噪聲小波分析

4 噪聲源能量貢獻(xiàn)分析

利用噪聲源能量貢獻(xiàn)分析方法可以較明顯地比較各噪聲源的能量貢獻(xiàn)大小［10］，有效區(qū)分主次噪聲源。噪聲源能量貢獻(xiàn)的計(jì)算為式（2）：

式中：Eith是第i噪聲源1/3 倍頻程頻帶內(nèi)的噪聲能量，Lith是其第i噪聲源1/3 倍頻程頻帶內(nèi)的A 計(jì)權(quán)聲壓級；Etol是1/3 倍頻程分析頻帶內(nèi)的噪聲能量，Ltol則是1/3 倍頻程分析頻帶內(nèi)的A 計(jì)權(quán)聲壓級。

列車進(jìn)出站、坡度和曲線行駛工況各噪聲源的能量貢獻(xiàn)對比情況如圖13 所示。其中進(jìn)站、出站和下坡工況時(shí)，電機(jī)噪聲的能量貢獻(xiàn)最高，其次為胎軌噪聲和弓網(wǎng)噪聲，這主要是由于電機(jī)在這些工況有效作用而致；對于列車上坡和曲線行駛工況來說，胎軌噪聲的能量貢獻(xiàn)居首，其次為電機(jī)噪聲和弓網(wǎng)噪聲。

圖13 列車各行駛工況噪聲源能量貢獻(xiàn)對比

列車直線行駛工況時(shí)在4 個(gè)不同場點(diǎn)所測噪聲的噪聲源能量貢獻(xiàn)分析結(jié)果如圖14 所示。可知能量貢獻(xiàn)最大的噪聲源為胎軌噪聲，而電機(jī)噪聲和弓網(wǎng)噪聲的能量貢獻(xiàn)主次情況則受線路弓網(wǎng)接觸狀態(tài)和列車行駛速度的變化而變化。

圖14 列車直線行駛工況各場點(diǎn)噪聲源能量貢獻(xiàn)對比

5 結(jié) 語

通過對跨座式單軌交通列車典型運(yùn)行工況下的噪聲現(xiàn)場試驗(yàn)，利用時(shí)頻小波分析技術(shù)和噪聲貢獻(xiàn)分析方法，對列車運(yùn)行的主要噪聲源進(jìn)行了識別和分析，得出以下的一些結(jié)論：

（1）跨座式單軌交通列車運(yùn)行時(shí)的噪聲主要有胎軌噪聲、電機(jī)噪聲和弓網(wǎng)噪聲構(gòu)成。各噪聲源的1/3 倍頻程主要頻率分布范圍為：電機(jī)噪聲約為500～800 Hz，胎軌噪聲約為1 000～1 600 Hz，弓網(wǎng)噪聲約為2 000～6 300 Hz。

（2）列車不同運(yùn)行工況時(shí)噪聲源的能量貢獻(xiàn)大小不同。在列車進(jìn)出站、下坡行駛工況時(shí)，電機(jī)噪聲的能量貢獻(xiàn)最大；其他工況時(shí)，胎軌噪聲的能量貢獻(xiàn)最大。

（3）3 類噪聲源均隨列車運(yùn)行速度的提高而增大，胎軌噪聲具有傳播輻射遠(yuǎn)，衰減慢的特點(diǎn)，而弓網(wǎng)噪聲則受線路弓網(wǎng)接觸狀態(tài)影響較大。