中低速磁浮列車噪聲研究與分析

李穎華 楊 君 高 明 廖小康 歐峰鈺

(1.中車唐山機車車輛有限公司,064099,唐山; 2.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院,610031,成都)

與傳統(tǒng)鐵路列車相比,磁浮列車具有快速、低污染、能耗低等優(yōu)點,但在實際運行過程中,磁浮列車所產(chǎn)生的噪聲是影響其列車服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。噪聲的產(chǎn)生和存在不僅會對周邊居民造成影響,還會影響車內(nèi)乘客的安全性和舒適度,甚至可能會造成列車內(nèi)部一些零部件的疲勞損壞,進而影響磁浮列車的服務(wù)年限[1-2]。

中低速磁浮列車是一種新興的城市軌道交通工具,其運行速度一般小于100 km/h,與高速磁浮列車相比,中低速磁浮列車更適合用于城市軌道交通。目前,我國的中低速磁浮技術(shù)發(fā)展日趨成熟,已經(jīng)能夠達(dá)到商業(yè)運營的技術(shù)水平,但關(guān)于中低速磁浮列車噪聲的相關(guān)研究鮮有報道。

磁浮列車與導(dǎo)軌之間沒有直接的接觸關(guān)系,不會因輪軌接觸而產(chǎn)生噪聲,其主要噪聲來源于牽引設(shè)備噪聲、機械或結(jié)構(gòu)振動噪聲、氣流噪聲等[3]。本文以某中低速磁浮線路為例,分析其中低速磁浮列車在加速制動階段產(chǎn)生的噪聲,并采用多通道聲信號采集分析設(shè)備,考慮噪聲、振動和牽引電流參數(shù),對噪聲傳播規(guī)律、頻譜特性等方面進行研究。本文研究可為中低速磁浮列車的噪聲分析及控制措施提供理論依據(jù)。

1 噪聲試驗方案

1.1 試驗技術(shù)路線

通過試驗測試及信號分析技術(shù)得到了磁浮列車噪聲聲場分布圖,進而可以獲得磁浮列車高頻噪聲的主要頻率成分占比及聲壓級數(shù)值。基于噪聲數(shù)據(jù)對磁浮列車的懸浮架振動、牽引電流及牽引信號進行分析,在獲得這三者與噪聲信號之間的關(guān)系后進行聲源識別,最后基于所識別的聲源發(fā)生機理提出相應(yīng)的抑制措施。試驗技術(shù)路線示意圖如圖1所示。

圖1 試驗技術(shù)路線示意圖

1.2 傳感器安裝及走線

對某中低速磁浮線路的列車噪聲、懸浮架振動和牽引電流進行測試,設(shè)計了各傳感器的安裝和走線方案。各傳感器安裝及布線示意圖如圖2所示。

a) 噪聲傳感器安裝圖

1.3 測試工況

為系統(tǒng)地掌握磁浮列車的噪聲組成和輻射特性,本文開展了多工況現(xiàn)場試驗測試。根據(jù)磁浮列車行駛的線路條件,初步設(shè)計了3個基礎(chǔ)工況進行分析。試驗工況及內(nèi)容如表1所示。測試列車為6節(jié)編組,在其中一輛車的10個電機上分別安裝1個測點(1#電機測點—10#電機測點)。

表1 試驗工況及內(nèi)容

1.4 參數(shù)設(shè)置及環(huán)境條件

試驗采樣頻率為50 000 Hz,頻率分辨率為1 Hz,噪聲測試采用A計權(quán)法,時間計權(quán)常數(shù)為100 ms。測試時,無明顯的異常環(huán)境噪聲。麥克風(fēng)傳感器設(shè)置有防風(fēng)罩,振動電流傳感器采用防水膠隔雨。試驗時,天氣良好,無雨。記錄各場點的天氣條件,溫度范圍為13～20 ℃,濕度為40.5%～72.0%,風(fēng)速小于2 m/s。

2 噪聲聲源識別分析

根據(jù)磁浮列車的構(gòu)造及運營特點,其噪聲主要由直線電機噪聲、結(jié)構(gòu)輻射噪聲及輔助設(shè)備噪聲等構(gòu)成。而噪聲源的輻射特性隨著列車狀態(tài)、運行速度和線路條件的變化而變化,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數(shù)據(jù)和分析方法。由于9#電機測點處的噪聲數(shù)據(jù)較全面,因此將其作為典型測點進行噪聲分析。下文將選取列車運行速度較高的工況(工況3)研究9#電機測點處的試驗噪聲數(shù)據(jù)。

2.1 磁浮噪聲分析

9#電機測點處聲壓的時域圖和頻域圖如圖3所示。工況3中,9#電機測點的頻譜主要范圍為0～5 000 Hz,噪聲頻率主要集中在低頻段50 Hz以下,其他占比較高的頻率成分分別為125 Hz,220 Hz,370 Hz,500 Hz,1 000 Hz,2 000 Hz等,其中1 000 Hz及其倍頻處的噪聲尤為明顯。

a) 時域圖

2.2 磁浮噪聲與懸浮架振動相關(guān)性分析

9#電機測點處垂向振動加速度的時域圖和頻域圖如圖4所示。9#電機懸浮架垂向振動加速度主要集中在0～1.5g(g為重力加速度),制動段垂向加速度明顯高于加速段垂向加速度。懸浮架垂向振動加速度的高頻振動成分主要集中在1 000 Hz及其倍頻處,這與前文的噪聲頻譜分析相符。由此可知,列車起停時的高頻噪聲可能是由1 000 Hz及其倍頻的某種激振力引起的,而這種激振力很可能是電磁激振力,因此需對電流數(shù)據(jù)進行進一步分析。

a) 時域圖

2.3 磁浮噪聲與直線電機電流相關(guān)性分析

9#電機A相電流的時域和頻域圖如圖5所示。磁浮列車平穩(wěn)運行階段(約為28～35 s)的單相電流均在100 A以內(nèi),但其在加速或制動階段的電流均有明顯的變化,電流最大值為500 A,電流變化幅度與加速制動的加速度有關(guān)。在500～6 000 Hz范圍內(nèi),高頻段單相電流諧波頻率主要集中在500 Hz及其倍頻處,即500 Hz,1 000 Hz,2 000 Hz等,在1 000 Hz左右處的噪聲尤為明顯。由圖5 b)可知:1 000 Hz頻率成分的信號強度要遠(yuǎn)高于其他高頻成分,這說明1 000 Hz的諧波電流會引起諧波電磁激振力,使車底機械結(jié)構(gòu)發(fā)生電磁激振,進而引起磁浮列車車底的高頻噪聲。

a) 時域圖

3 降噪措施

3.1 調(diào)整逆變器開關(guān)頻率

逆變器的開關(guān)頻率越高,電機的振動越小,電機發(fā)熱越少,相應(yīng)的列車運行噪聲也越小。載波使得直線電機在開關(guān)頻率及其倍頻附近的噪聲與振動有所增大,考慮人耳對聲音的可聞頻率為20～20 000 Hz,提高逆變器開關(guān)頻率至1 000 Hz,使其引起的振動與噪聲向高頻范圍移動,逐漸遠(yuǎn)離人耳的敏感區(qū)域,即可降低噪聲。但提高逆變器開關(guān)頻率會降低IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的使用壽命,因此為了在提高逆變器開關(guān)頻率的同時延長IGBT的使用壽命,可以采用轉(zhuǎn)換開關(guān)頻率的控制方式對電機開關(guān)頻率加以控制。在勻速階段,列車電機振動加速度和噪聲聲壓較低,此時逆變器采用系統(tǒng)初始開關(guān)頻率500 Hz;在加速制動階段,列車電機振動加速度和噪聲聲壓較高,在列車即將進入加速段或制動段時,牽引系統(tǒng)將逆變器開關(guān)頻率切換至1 000 Hz,即可有效減小電機振動加速度,降低噪聲。

3.2 加裝濾波器

當(dāng)逆變器開關(guān)頻率為500 Hz時,可以在變頻器與電機之間加裝濾波器,濾除變頻器輸出中的高頻諧波成分,只保留有用的基波成分。這些高頻諧波電流產(chǎn)生的高頻磁動勢產(chǎn)生電機高頻振動噪聲。對9#電機噪聲聲壓進行高頻濾波處理,對比其濾波前后噪聲的變化,如圖6所示。列車加速、勻速和制動運行區(qū)段濾波前后的9#電機A計權(quán)聲壓級對比如圖7所示。由圖7可知:在列車加速區(qū)段,9#電機A計權(quán)最大聲壓級由104.808 0 dB(A)降低至92.886 0 dB(A),降低了約11.38%;在列車制動區(qū)段,9#電機A計權(quán)最大聲壓級由100.217 1 dB(A)降低至93.478 9 dB(A),降低了約6.72%。由此可知,加裝濾波器對列車加速區(qū)段和制動區(qū)段的降噪效果非常明顯。

a) 濾波前

a) 加速區(qū)段

4 結(jié)語

通過對某中低速磁浮線路典型運行工況下的列車噪聲、懸浮架振動和牽引電流進行測試,結(jié)合時頻分析法研究噪聲與懸浮架振動、牽引電流之間的關(guān)系,主要獲得以下結(jié)論:

1) 當(dāng)列車運行速度從 0 提高至 60 km/h時,噪聲聲壓級逐漸增大,其主要頻率分布在1 000 Hz附近。

2) 懸浮架垂向振動加速度主要集中于0～1.5g,其中制動段垂向加速度明顯高于加速段垂向加速度。懸浮架的垂向振動加速度高頻振動成分主要集中在1 000 Hz及其倍頻處。

3) 1 000 Hz的諧波電流會引起諧波電磁激振力,使車底機械結(jié)構(gòu)發(fā)生電磁激振,進而引起磁浮列車車底的高頻噪聲。

4) 主要的降噪措施為調(diào)整逆變器開關(guān)頻率加裝濾波器。在勻速階段,逆變器宜采用系統(tǒng)初始開關(guān)頻率500 Hz;在加速制動階段,逆變器開關(guān)頻率宜切換至1 000 Hz。加裝濾波器后,加速段聲壓級降低了11.38%,制動段聲壓降低了6.72%,加裝濾波器對加速段和制動段的降噪效果非常顯著。