城際動車組輪軌噪聲特性及影響試驗研究*

徐俊杰

（湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412006）

隨著城際動車組線路的大規模建設和運營，噪聲污染問題日益突出。車輛噪聲主要分為輪軌噪聲、集電系統噪聲、空氣動力噪聲、結構物振動噪聲和其他噪聲。目前，國內外已對此進行了大量軌道車輛車內及輪軌噪聲的測試研究。陳俊豪等[1]對地鐵車內噪聲特性展開試驗研究，分別測試不同速度下的地鐵車內噪聲。薛紅艷等[2]通過對地鐵車內噪聲進行測試，分析車內同一工況不同位置的噪聲分布規律。孫金棟等[3]對車內噪聲水平進行了調查分析，明確了輪軌噪聲是地鐵列車車內噪聲的主要影響因素。研究表明，輪軌噪聲在鐵路噪聲中占有很高的比例，因此開展輪軌噪聲測試對于減振降噪技術的研究非常關鍵[4-6]。故本文分別對某型城際動車組進行輪軌噪聲、車內噪聲、軸箱加速度、車輪粗糙度測試，并分析動車、拖車在不同速度等級下的噪聲變化及特定速度下的頻譜特性，為城際動車組減振降噪提供建議。

1 測試方案設計

1.1 測試對象及設備

測試對象為某型4 輛編組（2M2T）城際動車組，該車最大設計速度為160 km/h。分別在80 km/h、100 km/h、120 km/h、140 km/h 及160 km/h 速度級對輪軌噪聲、車內噪聲、車輪粗糙度和軸箱振動加速度進行測試。測試車輪表面粗糙度的設備為德國BBM 公司生產的m|wheel 車輪粗糙度測試系統，車輛噪聲和軸箱振動加速度測試采用德國BBM 公司研發的PAK 測試分析系統和PAK Mobile MK II 聲學采集儀。

1.2 測點布置方案

測點布置如圖1、圖2 所示，分別在1 車（動車）二位轉向架和2 車（拖車）一位轉向架上布置振動加速度及噪聲測點。分別在動車和拖車轉向架四個車輪上各安裝一個聲傳感器測量輪軌噪聲，并在其斜對角軸箱上各布置一個加速度傳感器測量軸箱振動，車內標準點（1 車二位端和2 車一位端）處布設一個麥克風測量標準點（坐姿1.2 m）處的噪聲，車內地板上布置一個加速度傳感器測量車內地板振動，車輪粗糙度測試系統測試1 車（動車）二位轉向架和2 車（拖車）一位轉向架上的全部車輪。

圖1 動車（1車）測點示意圖

圖2 拖車（2車）測點示意圖

2 數據處理及評價標準

2.1 噪聲測試及評價

根據ISO 3095:2013《聲學—鐵路應用—軌道車輛發出的噪聲測量》（Acoustics—Railway applications—Measurement of noise emitted by railbound vehicles）[7]和ISO 3381:2021《鐵路應用—聲學—軌道車輛內部的噪聲測量》（Railway applications—Acoustics—Noise measurement inside railbound vehicles）[8]的測量及數據處理方法，對車內噪聲和輪軌噪聲測點的測量數據進行算術平均。為了反映人對噪聲的響度感覺，采用某一連續穩態聲的等效A 聲壓級LAeq,T作為評價量，單位為分貝（dB），具體計算如式（1）所示。

式中，PA(t)為噪聲瞬時A 計權聲壓，單位為Pa；p0為基準聲壓，取20 μPa。

2.2 車輪粗糙度測試及評價

車輪粗糙度測量試驗參照BS EN 15610:2019《鐵路應用—聲學—與噪聲產生相關的軌道和車輪粗糙度測量》（Railway applications—Acoustics—Rail and wheel roughness measurement related to noise generation）[9]標準執行。車輪粗糙度數據表示成圓周長度的函數r(x)，對車輪表面粗糙度數據r(x)進行濾波預處理，并進行功率譜計算，得到粗糙度r(λ)頻譜，其中λ為波長。計算粗糙度1/3 倍頻程波長譜，即計算每個1/3 倍頻程頻帶范圍內所有波長對應r(λ)的均方根值rrms，得到粗糙度水平Lr，如式（2）所示。

式中，Lr的單位為dB；r0為車輪表面粗糙度參考值，取1 μm。

2.3 振動加速度測試及評價

根據國際標準ISO 2631-1:1997《機械振動和沖擊—人體暴露于全身振動的評估—第1 部分：一般要求》（Mechanical vibration and shock—Evaluation of human exposure to whole-body vibration—Part 1:General requirements）[10]中的規定，振動加速度VAL的計算公式為：加速度與基準加速度之比以10 為底的對數乘以20，如式（3）所示，單位為dB。

式中，a為振動加速度有效值，單位為m/s2；a0為基準加速度，取1×10-6m/s2。

3 試驗結果與分析

3.1 不同速度級下的車內噪聲特性

1 車二位端1.2 m 坐姿標準點和2 車一位端1.2 m 坐姿標準點車內噪聲隨速度變化曲線圖如圖3 所示。從圖3 中可以看出：1 車（動車）車內標準點聲壓級平均高于2 車（拖車）車內標準點約3 dB；速度低于140 km/h 時，聲壓級增加不是很明顯，但是在140 km/h~160 km/h 之間聲壓級隨速度的增加顯著增大。

圖3 不同速度級下車內標準點噪聲特性

3.2 不同速度級下輪軌噪聲特性

根據規定的測量及數據處理方法，對車內噪聲和輪軌噪聲測點的測量數據進行算術平均，可得到不同速度級下1車和2車轉向架區域噪聲聲壓級。

1 車和2 車輪軌噪聲與轉向架中心區域噪聲隨速度變化曲線圖分別如圖4、圖5 所示。從圖中可以看出，1 車轉向架各測點噪聲值隨著速度增加顯著增加，2 車轉向架各測點噪聲值也隨著速度增加而增加，但增幅不明顯，結合1 車是動車、2 車是拖車的具體情況，說明轉向架區域噪聲可能與車輛動力裝置的布置有關，建議加強對動力裝置的減振降噪處理。

圖4 1車轉向架區域輪軌噪聲特性

圖5 2車轉向架區域輪軌噪聲特性

3.3 不同車輛輪軌噪聲與軸箱振動頻譜特性

由于輪軌噪聲在3 500 Hz 之后較小，為了解釋不同車輛的輪軌噪聲特性，以速度160 km/h 為例，本次頻域特性分析的頻率范圍為2 Hz~3 500 Hz。

1 車3 軸左側車輪輪軌噪聲1/3 倍頻程圖、軸箱振動頻譜圖、車輪不圓度極坐標圖、車輪多邊形階次圖分別如圖6~9 所示。從圖中可以看出：1）3 軸左側輪軌噪聲主要集中在800 Hz~2 000 Hz 頻段，峰值出現在中心，頻率為1 250 Hz 左右的頻帶，總的聲壓級為120.2 dB（A）；2）3 軸左側軸箱的振動加速度為21.76 m/s2，并出現了4 個明顯的峰值，峰值頻率分別為75 Hz、262 Hz、856 Hz、1 162 Hz，由圖7 可知輪軌接觸所產生的振動噪聲在262 Hz 左右對軸箱振動影響比較明顯；3）由車輪不圓度極坐標圖和車輪多邊形階次圖可看出，該車輪并未出現明顯的車輪多邊形。

圖6 1車3軸左側輪軌噪聲1/3倍頻程

圖7 1車3軸左側軸箱振動頻譜特性

圖8 1 車3軸左側車輪不圓度極坐標圖

圖9 1車3軸左側車輪多邊形階次圖

2 車2 軸右側車輪輪軌噪聲1/3 倍頻程圖、軸箱振動頻譜圖、車輪不圓度極坐標圖、車輪多邊形階次圖分別如圖10~13 所示。從圖中可以看出：1）2 軸右側輪軌噪聲主要集中在800 Hz~3 150 Hz 頻段，峰值出現在中心，頻率為2 000 Hz 左右的頻段，總的聲壓級為123.6 dB（A）；2）2 軸右側軸箱的振動加速度為28.83 m/s2，并出現了2 個明顯的峰值，峰值頻率分別為75 Hz、900 Hz，由圖11 可知輪軌接觸所產生的振動噪聲在75 Hz、900 Hz 左右對軸箱振動影響比較明顯；3）由車輪不圓度極坐標圖和車輪多邊形階次圖可以看出，該車輪出現了明顯的偏心現象，但是并未出現明顯的車輪多邊形。

圖10 2車2軸右側輪軌噪聲1/3倍頻程

圖11 2車2 軸右側軸箱振動頻譜特性

圖12 2車2軸右側車輪不圓度極坐標圖

圖13 2 車2軸右側車輪多邊形階次圖

3.4 不同車輛車內地板振動頻譜特性

1 車和2 車車內地板振動各速度級下的頻譜圖分別如圖14、圖15 所示，可以看出1 車和2 車車內地板的振動規律基本相同，均在75 Hz 附近出現了明顯的峰值，與軸箱振動的峰值頻率近似對應。

圖14 1車車內地板振動頻譜特性

圖15 2車車內地板振動頻譜特性

3.5 不同車輛車內噪聲與車內地板振動相關性分析

1 車和2 車車內地板振動與車內標準點噪聲相關性分別如圖16、圖17 所示，可以看出1 車車內地板振動與車內噪聲在75 Hz左右頻帶上的相關性系數達到0.8 以上，在500 Hz~900 Hz 頻率范圍內的相關性系數較其他頻率更突出；通過之前的車內地板頻譜圖也可以看出，在該頻率范圍內，車內地板的振動比其他頻率范圍內的振動更大，說明1 車車內標準點噪聲在75 Hz 左右頻帶以及500 Hz~900 Hz 的頻帶上跟車下傳至車內地板的振動相關性強，可以對車內地板結構進行優化實現隔振。2 車車內地板振動與車內噪聲在75 Hz 左右頻帶上的相關性系數也達到0.8 以上，在500 Hz~1 000 Hz 頻率范圍內的相關性系數較其他頻率更加突出，說明2 車情況與1 車類似，2 車車內標準點噪聲也是在75 Hz 左右頻帶以及500 Hz~900 Hz 的頻帶上跟車下傳至車內地板的振動相關性強。

圖16 1車地板振動與車內標準點噪聲相關性

圖17 2車地板振動與車內標準點噪聲相關性

4 結果

對某型城際動車組進行了輪軌噪聲、車內噪聲、軸箱加速度、車輪粗糙度測試，通過數據分析得出了以下結果：

1）對比分析各速度級下不同車輛車內噪聲水平，1車（動車）車內標準點聲壓級平均約高于2車（拖車）車內標準點聲壓級3 dB。

2）1 車轉向架各測點噪聲值隨著速度增加顯著增加，2車轉向架各測點噪聲值也隨著速度增加而增加，但增幅不明顯，結合1 車是動車、2 車是拖車的具體情況，說明轉向架區域噪聲可能與車輛動力裝置的布置有關，建議加強對動力裝置的減振降噪處理[11-12]。

3）車內地板和軸箱均在75 Hz 左右發生了明顯振動，車內標準點噪聲在75 Hz 左右頻帶與車下傳至車內地板的振動相關性大于0.8，建議對地板結構進行隔振優化。