基于OTPA 方法某地鐵車輛制動噪聲測試研究

袁 場， 曹云麗*， 宛鵬翔， 周盛林

（1.南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 210031； 2.米勒貝姆振動與聲學(xué)系統(tǒng)（北京）有限公司， 北京 100000）

0 引言

城市軌道交通車輛的車內(nèi)噪聲是一種綜合噪聲，其主要來源有輪軌噪聲、設(shè)備噪聲、氣動噪聲以及電磁噪聲等。 為降低車內(nèi)噪聲，提高乘客舒適度，需結(jié)合聲/振源、傳播路徑以及受者，建立綜合噪聲聲源、傳遞路徑解析以及噪聲影響評估手段。

目前， 最為經(jīng)典的能夠有效辨識主要激勵源和振動噪聲傳遞特性的解析方法為傳遞路徑分析（TPA，Transfer Path Analysis）[1-2]。TPA 方法主要涉及三個關(guān)鍵的問題：頻響函數(shù)的獲取、 工作載荷的識別與TPA 結(jié)果的評價，其中各路徑工作載荷激勵大小獲取較為復(fù)雜。 在實際工程應(yīng)用中， 獲取路徑點激勵力最有效且應(yīng)用最廣泛的方法是間接測量法， 根據(jù)原理不同可分為復(fù)剛度法（Complex Stiffness Method CSM）與逆矩陣法（Matrix Inversion Method MIM）[3]。 復(fù)剛度法測量時基于結(jié)構(gòu)預(yù)載荷、邊界條件以及環(huán)境參數(shù)等因素，并考慮溫度、結(jié)構(gòu)非線性等因素影響，因此在實際使用中復(fù)剛度法參數(shù)的獲取比較困難。 逆矩陣法是TPA 方法中路徑工作載荷識別應(yīng)用最廣泛的一種方法，其通過獲取路徑點工作載荷實現(xiàn)，故其具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。 逆矩陣法在使用過程中，除需要獲取無振動激勵設(shè)備狀態(tài)下的頻響曲線，還需要增加傳遞函數(shù)指示測點，且要求指示測點數(shù)量不少于傳遞路徑個數(shù)， 因此測試過程復(fù)雜且工作量大， 這一缺陷一定程度上制約了逆矩陣法的推廣應(yīng)用[4]。 因此，若能實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)下激勵源的識別，則能極大提高試驗測試的工作效率，工況傳遞路徑法（OTPA：Operational Transfer Path Analysis）[5-7]的提出與應(yīng)用有效的實現(xiàn)了這一目標(biāo)。

OTPA 方法利用設(shè)備運行工況下的振動噪聲數(shù)據(jù)建立分析模型，解決了傳統(tǒng)傳遞路徑分析方法的缺陷。 結(jié)合奇異值分解矩陣處理技術(shù)[8]，有效解決數(shù)據(jù)中的干擾噪聲和相關(guān)性，消除了多聲源通道信號之間的相互串?dāng)_，提高數(shù)據(jù)的有效性， 實現(xiàn)各路徑振動噪聲的解耦， 實現(xiàn)了噪聲、振動源的快速定位、占比分析。

本文就某地鐵車輛用夾鉗制動單元-鋁合金制動盤制動噪聲，測試應(yīng)用工況傳遞路徑方法（OTPA），有效解決地鐵車輛客室內(nèi)制動噪聲測試存在的多聲源通道信號之間的串?dāng)_問題，建立制動噪聲測試評估能力，實現(xiàn)夾鉗制動單元-鋁合金制動盤制動噪聲特性測試與分析。

1 OTPA 分析理論基礎(chǔ)

傳統(tǒng)TPA 分析方法基于線性、時不變及互易性假設(shè)建立動力學(xué)系統(tǒng)模型， 將所有激勵源Fi看作線性系統(tǒng)的輸入，乘以傳遞函數(shù)Hi，再根據(jù)疊加原理可得系統(tǒng)相應(yīng)R：

與之相比OTPA 動力學(xué)模型需要在每個傳遞路徑處選取1 個參考點（如圖1），假設(shè)參考點處響應(yīng)為ai，目標(biāo)響應(yīng)點響應(yīng)同樣為R，那么：

聯(lián)合式（1）和式（2），可得：

令

基于時不變系統(tǒng)T 應(yīng)為定常矩陣，有：

通過多轉(zhuǎn)速工況實驗獲得不同激勵載荷組下的響應(yīng)，

令：

有效測試工況數(shù)n 大于或等于m 時，式（6）求逆或偽逆可得到式（9），從而獲得唯一解傳遞率矩陣T。 此外，按照以上公式計算所得傳遞率函數(shù)是相互耦合的， 同時含有部分測試噪聲等干擾信號， 從而無法準(zhǔn)確計算各部件或激勵源的貢獻(xiàn)率。 因此需要首先針對式（7）中求逆矩陣做奇異值分解（SVD）[8]，在進(jìn)行奇異值分解的同時也實現(xiàn)了主分量的分析 （PCA，Principle components analysis），從而實現(xiàn)函數(shù)的解耦和干擾噪聲的消除。

針對X 矩陣奇異值分解（SVD）后得到：

式中：U 是m×n 的正交矩陣，S 是m×m 的對角矩陣 （對角線均為特征值），V 是m×m 的正交矩陣，則：

在OTPA 模型應(yīng)用時，需要注意保證有效計算工況數(shù)目大于等于傳遞路徑數(shù)， 從不同的角度計算統(tǒng)計可以分析不同的貢獻(xiàn)量，如結(jié)構(gòu)聲、空氣聲貢獻(xiàn)，不同噪聲源部件貢獻(xiàn)等。

2 基于OTPA 制動噪聲分析

2.1 OTPA 模型建立

地鐵列車噪聲來源比較復(fù)雜， 主要噪聲源包括輪軌系統(tǒng)、車輛動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛風(fēng)噪等，通過結(jié)構(gòu)、空氣不同形式路徑傳輸?shù)杰噧?nèi)，疊加成車內(nèi)響應(yīng)點噪聲。 建立OTPA 分析模型可根據(jù)實際情況做適當(dāng)簡化，考慮列車進(jìn)站噪聲主要來自于電機(jī)、減速器、輪軌、轉(zhuǎn)向架、制動裝置。 因此建立OTPA 分析模型如圖2 所示，測試方案如表1，現(xiàn)場測點如圖3 所示。 車內(nèi)測點布置參考 《GBZ/T 189.8—2007 工作場所物理因素測量第8 部分：噪聲》，傳聲器固定在三腳架上，距離地面1.2m。

圖2 OTPA 分析模型

圖3 測點示意圖

某列車運營常規(guī)制動方式為電空混合制動， 即首先啟動電制動，轉(zhuǎn)速降至一定階段后啟動夾鉗制動單元-鋁合金制動盤進(jìn)行制動。 本文制動噪聲測試采用米勒貝母公司的BBM MKII 高精度數(shù)據(jù)采集儀及PAK 振動噪聲分析軟件進(jìn)行試驗采集， 具體試驗布點方案及示意圖如表1 與圖3 所示。

2.2 OTPA 模型檢驗

依據(jù)OTPA 分析和奇異值分解理論， 基于商業(yè)集成的BBM PAK 振動噪聲系統(tǒng)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算得到解耦的傳遞率函數(shù)， 代入?yún)⒖键c運行工況計算車內(nèi)監(jiān)測點噪聲信號并與原始車內(nèi)測試信號對比驗證模型可用性。第四站制動過程行駛及制動噪聲測試數(shù)據(jù)為例，測試值和計算值對比分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 制動噪聲計算值與實測值對比

通過對比分析OTPA 計算值與實測值可知， 信號頻域和時域吻合度都比較好， 尤其是頻域能量集中部分近似重合， 本文建立的OTPA 分析模型能夠有效解析地鐵車輛客室內(nèi)制動噪聲測試存在的多聲源通道信號之間的串?dāng)_，實現(xiàn)夾鉗制動單元-鋁合金制動盤制動噪聲測試。

3 制動噪聲分析

為分析夾鉗制動單元-鋁合金制動盤制動噪聲能量分布，對制動噪聲進(jìn)行1/3 倍頻程分析，以第四站制動過程測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 制動噪聲1/3 倍頻程分析

通過分析可知，制動過程噪聲總值為59.4dB（A），其中3150Hz 頻段噪聲值為56dB（A），能量較突出（占比46%），因此對該噪聲頻率分布現(xiàn)象做OTPA 分析， 確定噪聲源與路徑。 針對3150Hz 噪聲能量進(jìn)一步的利用OTPA 方法進(jìn)行聲源及傳遞路徑分析。根據(jù)整體噪聲貢獻(xiàn)分析可知，行駛過程中結(jié)構(gòu)聲和空氣聲都有，其中結(jié)構(gòu)聲占主導(dǎo)，剎車制動時結(jié)構(gòu)聲占絕對主導(dǎo)。 通過對結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行分析可知，行駛過程中結(jié)構(gòu)聲全部由輪軌噪聲導(dǎo)致，而制動時噪聲是由夾鉗制動單元-鋁合金制動盤摩擦制動導(dǎo)致結(jié)構(gòu)聲，具體分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 噪聲傳遞路徑分析

為進(jìn)一步確認(rèn)各制動噪聲源差異特性， 對各夾鉗制動單元-鋁合金制動盤摩擦制動噪聲貢獻(xiàn)度進(jìn)行分析。通過分析可知，最大噪聲源為前右側(cè)鋁合金制動夾鉗單元，該鋁合金機(jī)械夾鉗制動單元-鋁合金制動盤出現(xiàn)的3150Hz 左右的制動噪聲在行業(yè)內(nèi)稱為高頻制動嘯叫噪聲，屬于摩擦噪聲，具體分析結(jié)果如圖7 所示。

圖7 基于OTPA 詳細(xì)部件噪聲貢獻(xiàn)分析

4 結(jié)論

本文針對某地鐵車輛客室內(nèi)制動噪聲測試方法及其特性進(jìn)行試驗測試分析與研究，得到以下結(jié)論：

（1）基于工況傳遞路徑法（OTPA）進(jìn)行地鐵車輛夾鉗制動單元-鋁合金制動盤制動過程噪聲測試，能夠有效解決地鐵車輛客室內(nèi)制動噪聲測試存在的多聲源通道信號之間的串?dāng)_問題，解析制動噪聲特性，為后續(xù)制動噪聲特性研究與方案優(yōu)化提供了測試研究的基礎(chǔ)。

（2） 某地鐵車輛用夾鉗制動單元-鋁合金制動盤制動過車存在顯著制動噪聲，制動過程噪聲總值為59.4dB（A），其中3150Hz 頻段制動噪聲值為56dB（A），能量較突出（占比46%），存在制動嘯叫特征。

（3）某地鐵車輛行駛過程中結(jié)構(gòu)聲和空氣聲都有，其中結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)噪聲占主要，制動時結(jié)構(gòu)聲占絕對主導(dǎo)。