地鐵列車輻射噪聲及車外聲場分布特性研究

摘" 要：地鐵車輛在運(yùn)行過程中的輻射噪聲給沿線居民的正常生活帶來干擾。并且隨著運(yùn)行速度的提高及運(yùn)行線路的增多，此問題變得越發(fā)嚴(yán)重，在一定程度上對我國軌道交通行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生消極影響。該文以某型地鐵為主要研究對象，通過構(gòu)建車輛輻射噪聲預(yù)測模型，分析其輻射噪聲特性及車外噪聲聲場分布特性。分析表明，車外噪聲集中在車身下部，并且車外總體噪聲聲場分布和輪軌噪聲聲場分布較接近，這是輪軌噪聲占主要因素導(dǎo)致的。列車運(yùn)行時，空調(diào)噪聲并不起主導(dǎo)作用。該文研究成果對軌道車輛減振降噪有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：地鐵;輻射噪聲;輪軌激勵;幾何聲線法;減振降噪

中圖分類號：U270.1+6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0023-05

Abstract： The radiated noise of subway vehicles in the course of operation interferes with the normal life of the residents along the line. And with the improvement of operating speed and the increase of operating lines， this problem becomes more and more serious， which has a negative impact on the development of China's rail transit industry to a certain extent. In this paper， taking a certain type of subway as the main research object， the prediction model of vehicle radiated noise is constructed， and the characteristics of radiated noise and the distribution of noise field outside the vehicle are analyzed. The analysis shows that the out-of-vehicle noise is concentrated in the lower part of the car body， and the overall noise field distribution outside the vehicle is relatively close to that of wheel-rail noise， which is caused by the main factor of wheel-rail noise. When the train is running， the air conditioning noise does not play a leading role. The research results of this paper have a certain guiding significance for vibration and noise reduction of rail vehicles.

Keywords： subway; radiated noise; wheel-rail excitation; geometric sound method; vibration and noise reduction

目前，越來越多的城市開始修建地鐵，地鐵運(yùn)輸給市民生活帶來了極大便利，很大程度上解決了城市交通擁堵問題。地鐵顧名思義，是在地下隧道內(nèi)運(yùn)行的一種軌道交通工具。但是，受到我國復(fù)雜地形條件限制，仍有大量的地鐵車輛運(yùn)行在明線上，這就導(dǎo)致車輛在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的輻射噪聲給沿線居民的正常生活帶來干擾。并且隨著運(yùn)行速度的提高及運(yùn)行線路的增多，此問題變得越發(fā)嚴(yán)重，也對中國軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。因此，有關(guān)該問題的研究成為現(xiàn)階段軌道交通行業(yè)的重點(diǎn)研究課題[1-5]。

在近幾年的軌交行業(yè)發(fā)展中，車輛輻射噪聲方面的問題受到多方關(guān)注，專業(yè)人士對該領(lǐng)域開展了大量研究。何賓等[6-7]基于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，對國內(nèi)高速列車車外噪聲特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，并建立了高速列車車外噪聲預(yù)測模型，模型考慮了多普勒效應(yīng)、噪聲傳播路徑和噪聲傳播過程中的聲衰減。孫召進(jìn)等[8]對某型高速列車通過相關(guān)噪聲頻譜特性開展一系列數(shù)據(jù)研究，結(jié)果表明，其通過噪聲的頻率成分較復(fù)雜，在500～5 000 Hz這個寬頻頻率范圍內(nèi)更為顯著。譚曉明等[9]研究了速度為200～350 km/h的某型高速列車的輻射噪聲，研究表明，輪軌噪聲主要產(chǎn)生于轉(zhuǎn)向架區(qū)域，而受電弓、風(fēng)擋及車頭部區(qū)域主要是氣動噪聲。伍向陽[10]研究了我國某型動車組在時速380 km/h的運(yùn)行條件下噪聲源頻譜特性及其貢獻(xiàn)量。最終結(jié)果表明，列車下部貢獻(xiàn)量最大。朱妍妍等[11]在其研究過程中，對北京市某地鐵產(chǎn)生的輻射噪聲特性進(jìn)行了一系列分析。曲云騰[12]在研究過程中對國內(nèi)機(jī)車車輛輻射噪聲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一系列深度分析，并與國外該領(lǐng)域中制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展比較，提出了改進(jìn)的措施。

本文以某型地鐵車輛作為主要分析對象，通過構(gòu)建對應(yīng)的預(yù)測模型，分析輻射噪聲特性與車外聲場分布特性。

1" 地鐵車輛噪聲源特性概述

地鐵車輛的輻射噪聲聲源主要為輪軌噪聲和輔助設(shè)備噪聲。地鐵處于不同的運(yùn)行狀況下，起到主要作用的噪聲源不同。在車輛處于靜置狀態(tài)下，噪聲源主要來源于輔助設(shè)備噪聲;在車輛處于運(yùn)行狀態(tài)下，主要的噪聲源與其具體的運(yùn)行速度有密切關(guān)聯(lián)，當(dāng)車輛運(yùn)行速度控制在35～120 km/h時，其輻射噪聲以輪軌噪聲為主，輔助設(shè)備噪聲為輔。如圖1所示。

表1給出了地鐵車輛以60 km/h的速度勻速運(yùn)行時，其輻射噪聲的聲源聲功率級參數(shù)的頻譜分布特性。

2" 計算模型

基于幾何聲線法，以LMS Virtual Lab Acoustics軟件為仿真計算平臺，建立某型地鐵車輛輻射噪聲預(yù)測分析模型，研究其輻射噪聲特性及車輛外部噪聲的聲場分布特性。

聲線法是利用經(jīng)典射線聲學(xué)理論求解出“本征聲線”，并且用其迅速描述聲場的方法。該方法的優(yōu)勢是簡潔、直接，尤其是在大型幾何聲學(xué)的解答場景中，均有相對較多的運(yùn)用。

在幾何聲學(xué)之中，采用聲線的概念代替波的概念。聲線沿著直線，維持環(huán)境聲速朝特定方向傳播。若是遭遇阻抗與空氣不同的界面時，其會出現(xiàn)鏡像、反射或擴(kuò)散反射的現(xiàn)象，在拐角或邊界面頂點(diǎn)位置或許會產(chǎn)生衍射。當(dāng)聲線出現(xiàn)反射的情況時，部分聲能被吸收，殘留的聲能則會被反射聲線所攜帶。當(dāng)處在光滑界面時，也就是界面起伏相較于波長尺度要小得多，反射則遵循鏡像反射的規(guī)律。發(fā)生鏡像反射的聲線幅值取決于界面的法向聲阻抗率和聲線的入射角。當(dāng)界面出現(xiàn)阻抗不均的情況，或界面不平整，并且出現(xiàn)的起伏尺度及對應(yīng)對波長比對不可忽略時，聲線在該界面則會出現(xiàn)擴(kuò)散反射。當(dāng)前階段有許多模型能夠說明聲線擴(kuò)散反射規(guī)律，朗伯余弦定律的擴(kuò)散反射是使用頻率相對較高的方式。如圖2所示。

圖3給出了基于幾何聲學(xué)法的車輛輻射噪聲預(yù)測模型。使用表1中所給的實(shí)際參數(shù)，計算車輛處于80 km/h勻速狀態(tài)下，實(shí)際產(chǎn)生的輻射噪聲。

3" 車輛輻射噪聲特性

圖4給出了車輛以60 km/h勻速運(yùn)行時，與車輛之間的距離為7.5 m，與鋼軌頂面之間的距離為1.2 m與3.5 m位置開展噪聲預(yù)測工作。根據(jù)圖像可以看出，列車以60 km/h通過時，距離軌道中心線7.5 m遠(yuǎn)，鋼軌頂面1.2 m高處的等效連續(xù)A聲級為79.0 dB（A）;距離軌道中心線7.5 m遠(yuǎn)，鋼軌頂面3.5 m高處的等效連續(xù)A聲級為79.1 dB（A）。

圖5為地鐵實(shí)際運(yùn)行速度維持在60 km/h時，車外等效連續(xù)A聲級的倍頻程頻譜。根據(jù)圖像可以得出，列車60 km/h運(yùn)行時，距離軌道中心線7.5 m遠(yuǎn)、鋼軌頂面1.2 m高測點(diǎn)等效連續(xù)A聲級的頻譜能量主要集中在中心頻率250～3 150 Hz的倍頻帶。該區(qū)間中統(tǒng)計得出的聲壓級最高的頻帶為中心頻率400 Hz的倍頻帶，聲壓級的具體參數(shù)為72.7 dB（A）。距離軌道中心線7.5 m遠(yuǎn)、鋼軌頂面3.5 m高測點(diǎn)等效連續(xù)A聲級的頻譜能量位于250～3 150 Hz的倍頻帶。該區(qū)間中統(tǒng)計得出的聲壓級最高的頻帶為中心頻率400 Hz的倍頻帶，聲壓級的具體參數(shù)為77.2 dB（A）。

4" 車外噪聲聲場分布特性

由上文分析可知，地鐵列車在運(yùn)行時會向環(huán)境輻射噪聲，其主要噪聲源為輪軌噪聲，同時輔助設(shè)備也會產(chǎn)生一定的噪聲。本節(jié)重點(diǎn)研究列車運(yùn)行時，車外總體噪聲聲場分布特性及各個聲源輻射噪聲聲場分布特性。

圖6給出了列車以60 km/h勻速運(yùn)行時的車外總體噪聲聲場分布特性。圖7給出了列車以60 km/h勻速運(yùn)行時，各個聲源輻射噪聲聲場分布特性。其中，圖7（a）為輪軌噪聲聲場分布特性，圖7（b）為空調(diào)噪聲聲場分布特性。

由圖6可知，當(dāng)列車以60 km/h勻速運(yùn)行時，車外噪聲集中在下部，結(jié)合圖7（a）輪軌噪聲聲場分布特性可以看出，車外總體噪聲聲場分布和輪軌噪聲聲場分布比較接近，這是輪軌噪聲占主要因素導(dǎo)致的。而對比圖7（b）空調(diào)噪聲聲場分布特性可知，列車運(yùn)行時，空調(diào)噪聲并不起主導(dǎo)作用。

5" 結(jié)論

本文以某型地鐵車輛作為主要研究對象，通過構(gòu)建車輛輻射噪聲預(yù)測模型，分析相關(guān)的輻射噪聲特性與車外噪聲聲場分布特性，得到以下結(jié)論。

1）列車在自由聲場內(nèi)，以60 km/h運(yùn)行時，距離軌道中心線7.5 m遠(yuǎn)，鋼軌頂面1.2 m和3.5 m高處的等效連續(xù)A聲級分別為79.0 dB（A）和79.1 dB（A）。

2）從頻譜上來看，噪聲能量主要集中在250～3 150 Hz的倍頻帶。其中，聲壓級最高的頻帶為中心頻率400 Hz的倍頻帶，聲壓級為77.2" dB（A）。

3）車外噪聲集中在車身下部，并且車外總體噪聲聲場分布和輪軌噪聲聲場分布相比更接近，這是因?yàn)橹鲗?dǎo)因素為輪軌噪聲。列車運(yùn)行時，空調(diào)噪聲并不是主導(dǎo)因素。

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