高速列車噪聲與速度變化關系分析

袁旻忞Anne Shen 魯 帆 隋富生

(中國科學院聲學研究所 噪聲與振動重點實驗室 北京 100190)

1 引言

近年來，高速列車在我國得到了飛速發展。隨著速度的提升，高鐵的噪聲振動問題也日益突出。車廂內噪聲環境成為人們出行乘車舒適度的一個重要因素。車廂內噪聲量級是評價高速列車NVH(Noise，Vibration，Harshness)特性的一個重要指標。對高鐵噪聲源的識別及其貢獻量的確定是高鐵聲學優化的必要手段。而高鐵內部噪聲主要的來源是列車的輪軌噪聲和氣動噪聲[1]。

在目前階段，CRH380B型車的設計時速為380 km/h，這樣就為高速列車生產廠家提出了一個困難和挑戰:車廂內部噪聲，特別是VIP室和司機室的噪聲水平已經達到或超過國家標準中規定的噪聲量級上限。因此，有必要對車廂內部噪聲的聲源特性及其貢獻量進行試驗測試和分析。一旦這些噪聲源及其傳播途徑得到識別和量化，就有可能在列車設計上采取優化改進方法來降低車廂內噪聲，提高旅客的乘車舒適度，并能夠降低噪聲對列車司機的損害。為實現上述要求，針對哈爾濱－大連線路上的CRH380B型列車在多工況實車運行狀態下的噪聲振動測試研究，得到了我國CRH380B型高速列車車廂內和轉向架處不同噪聲來源隨速度指數變化的規律。

哈大高鐵北到哈爾濱，南至大連市，縱跨東北三省。哈大線運營總里程約為921 km，沿線共設哈爾濱西、長春西、沈陽、大連北等24個車站。哈大高鐵試運行及開通將采用中國北車制造的CRH380B型高寒動車組列車。為了適應東北惡劣的天氣環境下運行，列車本身設計工作環境范圍在零下40℃到零上40℃之間，并同時考慮了抗擊風、沙、雨、雪、霧等極端天氣狀況的能力。

氣動噪聲是高速列車在高速運行中，車體表面的湍流引起的，氣動噪聲大小取決于列車周圍的湍流流場。湍流流場和列車的運行速度、表面的粗糙度等相關。運行速度一定的情況下，車體的流線型設計將決定空氣動力噪聲的大小。氣動噪聲在速度較低的時候所占的比重較小，而隨著速度的上升，氣動噪聲增加的非常迅速，速度較高的時候，氣動噪聲開始占據主導地位。

圖1 車廂外測點分布示意圖(圖中數字為外測點標號)Fig.1 The distribution ofmeasurement points outside

輪軌噪聲是高速列車的又一主要噪聲源之一。輪軌噪聲來自于車輪與軌道的接觸撞擊，包含了轟鳴、嘯叫和摩擦等噪聲。車輪和鋼軌滾動、摩擦和撞擊會帶來很大的噪聲，輪軌噪聲的大小和鋼軌表面的粗糙讀和彎道等有關，它在較低時速時對車廂內影響最大。但是輪軌噪聲隨著速度上升的幅度不如氣動噪聲大，所以當列車時速大于一定程度的時候，氣動噪聲開始超過輪軌噪聲占主導地位。而兩者對車廂內噪聲級貢獻相近的時候，列車的速度可稱為過渡速度，也是本文主要討論的問題。

2 測試方法

CRH380B型車的設計時速超過300 km/h，因此，有必要對車廂內部噪聲的聲源特性及其貢獻量進行試驗測試和分析。為實現上述要求，CRH380B型高速列車從四平東至德惠西區間運行上對CRH380B型車做了多工況下實車運行狀態下的噪聲振動測試研究。測試信號數據記錄對應的運行工況包含從200 km到380 km的速度范圍。

所有激勵源產生的噪聲以結構傳遞或者空氣傳遞兩種方式向車廂內部傳播。車廂內部主要噪聲包括結構傳遞噪聲和空氣傳遞噪聲。在車廂外部布置了多個加速度計和傳聲器，車廂外測點具體的位置如圖1和表1所示。車底轉向架處傳聲器布放的位置為8和4，車廂內響應點根據實際情況，布置于車廂內不同位置處，最主要的是布放于車廂中心的位置的傳聲器，離地板約1.6 m 高。

表1 車外測點分布Table1 Thedistributionofmeasurementpointsoutside

測試時為了保證轉向架區域的傳聲器接受的噪聲信號的可靠性，于列車位置4處，試驗中安裝的傳聲器采用的是由B＆K公司生產的4948表面傳聲器，這種傳聲器被設計成薄片狀使得傳聲器本身可以產生最小的風噪聲，通常也被用在飛機飛行或者風洞測試中，保證了信號的有效性。安裝效果如圖2所示。

圖2 傳聲器4948安裝示意圖Fig.2 Theinstallationofmicrophone4948

3 測試結果

轉向架處聲壓級與速度下的關系如圖3所示。在低速時，有兩個比較清晰的峰值存在于頻譜之中，一個是在630Hz到1000Hz區間，一個是在2000Hz到2500Hz區間。基于其他研究人員的工作[2]顯示根據車輪的大小，軌道的寬度可以得到相關的結論:顯示第一個峰是軌道輻射而第二個是典型的輪輻射。在火車車廂中心測量聲壓級也有相同頻率的峰值。由于廠家的要求，在圖3～圖6中顯示相對值，并不影響得到最后的結果。

圖3 轉向架處噪聲與速度關系Fig.3 Therelationbetweennoiselevelandvelocityinbogie

圖4 車廂內噪聲與速度關系Fig.4 Therelationbetweennoiselevelandvelocityinside

車廂內聲壓級在各頻段上分布的趨勢與轉向架處并不相同，如圖4所示。但是兩者的噪聲級都隨著速度的增加而增加。通過觀察不同頻段聲壓隨速度增加與速度的關系[2]，可以判斷哪些頻率段是由空氣動力噪聲占主導地位，哪些頻率段由輪軌噪聲占主導地位。轉向架處的聲壓級和車廂內的聲壓級，它們在低頻與高頻處分別隨速度的變化的趨勢不同。通過不同速度下的噪聲級，由低速和高速無窮遠處做直線對噪聲隨速度變化的曲線進行逼近，交叉點為過渡速度，可以認為斜率約為輪軌噪聲或者氣動噪聲與速度指數的關系(見圖5和圖6中的斜直線)。

4 結果及分析

高速列車由本身特點決定了列車輻射噪聲與普通列車有所不同。主要體現在噪聲源及其輻射強度等方面。高速列車車廂內的噪聲來源很多，主要由氣動噪聲、輪軌噪聲、集電系統噪聲、建筑物激勵噪聲和牽引機車動力系統噪聲、車廂內部噪聲等組成[3]。其中最主要的噪聲源為氣動噪聲和輪軌噪聲，這二者占到了總噪聲的70%以上[4]，而且隨著速度的增加，比重越高。

集電系統噪聲、列車周圍建筑結構噪聲，動力噪聲和內部電器噪聲等同樣會對車廂內部總得噪聲級產生一定的影響，列車在高速運行時產生的噪聲由以上幾種噪聲疊加而成。在不同的列車速度和不同的減振降噪措施條件下，上述幾種噪聲的影響程度并不相同。日本新干線研究表明[4]，通常列車速度在240 km/h以下時，輪軌噪聲對車廂內噪聲環境的影響較大;約占噪聲能量的45%;列車速度在240 km/h以上時，氣動噪聲對車內噪聲環境的影響大幅增大，與輪軌噪聲共同成為主要的噪聲源，到300 km/h以上時，氣動噪聲開始占主導地位。當列車運行時，各噪聲源對車廂內總噪聲級的貢獻呈動態變化[4]。列車運行時空氣動力噪聲與列車速度的6～8次方左右成正比，而輪軌噪聲與列車速度的3次方左右成正比[4]。現有的研究表明，通過對火車外部噪聲的測量，輪軌噪聲和氣動噪聲的過渡速度在300 km/h左右。一般認為輪軌噪聲大約與速度指數3成正比，而氣動噪聲與速度指數在5或6成之間。DEUFRAKO[6]在研究中提到，轉向架區域噪聲級增加的速度指數是在4.8，當高于過渡速度時，氣動噪聲在轉向架區域起決定作用。

氣動噪聲與軌輪噪聲相近的速度區域稱為過渡速度區。通過速度變化進行數據擬合，轉向架處過渡速度區如圖5中所示，兩條線趨向380 km/h。它們相交點在315 km/h處。線性回歸線有不同的斜率前一個對應于速度指數2.5，后者速度指數為6.9。圖中橘黃色點表示氣動噪聲占主導的速度區域的噪聲級的平均值，而藍色點表示輪軌噪聲占主導的區域的噪聲級平均值。

圖5 轉向架不同運行速度下噪聲變化Fig.5 The noise in bogie at different velocities

由圖5可以發現:當速度小于315 km/h時，輪軌噪聲要大于空氣動力噪聲。隨著速度的提高，空氣動力噪聲增加趨勢很快，輪軌噪聲也有所增加，但增加趨勢相比空氣動力噪聲較緩。當速度達到315 km/h時，兩者所占比重幾乎相同。隨著列車時速的增加，在大于過渡速度區后，總的氣動噪聲聲功率將高于輪軌噪聲處。由于空氣動力噪聲和輪軌噪聲的增加，總噪聲級增加明顯。因此，轉向架處我國CRH380B型車常用的氣動噪聲比輪軌噪聲重要的過渡速度是315 km/h。

車廂內聲壓級隨速度變化的趨勢通過數據擬合，如圖6所示，當車廂內兩條線趨向380 km/h時，它們相交點在345 km/h處，也就是列車車廂內的過渡速度為345 km/h。線性回歸線有不同的斜率前一個對應于速度指數2.1，后者速度指數為5.3。這是與轉向架處不同的。

同文中列舉的國外一些測量的數據比較，可以發現我國CRH380型高速列車的過渡速度更高。因為低于過渡速度時，列車輪軌噪聲占主導地位，輪軌噪聲隨速度變化的指數小于氣動噪聲隨速度變化的指數，而本身車輪與鋼軌接觸振動產生的噪聲級是相近的，所以過渡速度高，則總的聲功率就相對的小。這也從另一個方面說明了我國高速列車生產廠商在高速列車噪聲控制上取得了進步。

圖6 車廂內不同運行速度下噪聲變化Fig.6 The noise at different velocities inside

5 結論

本文得到了我國高速列車在不同運行速度下車廂內和轉向架處噪聲變化的特點，分別得到了輪軌噪聲、空氣動力噪聲與速度變化的關系。在哈大線上運行的我國CRH380B型高速列車，為適應我國東北高寒氣候的特點，而在生產過程中做了一定的改進。這些改進使得CRH380B型車的過渡速度與原先國外研究的高速列車并不相同。

經過試驗測試可知，我國CRH380B高速列車，轉向架處輪軌噪聲聲壓級約與列車速度的2.5次方成正比，氣動噪聲聲壓級約與列車速度的6.9次方成正比。同時車廂內輪軌噪聲聲壓級約與列車速度2.1次方成正比，氣動噪聲聲壓級約與列車速度5.3次方成正比。同時轉向架處的過渡速度和車廂內的過渡速度也并不相同，前者是約315 km/h而車廂內大約在345 km/h左右。

通過得到的結論可知我國高速列車的過渡速度比國外高速列車的過渡速度要高，這也反映了我國在CRH380B型列車噪聲控制方面取得了一定的成效。

[1]TALOTTE C，GAUTIER F，THOMPSON D J.Identification，modeling and reduction potential of rail way noise sources:a critical survey[J].J.Sound Vib.，267(2003)，447－468.

[2]SHEN A.CRH380B型高速列車噪聲與振動測試及研究[D].北京:中國科學院聲學研究所，2012.

[3]邢淑梅，劉巖，張曉排.高速列車動車組噪聲測試分析[J].噪聲與振動控制，2009(3):79－81.XING Suimei，LIU Yan，ZHANG Xiaopai. Noise Test and Analysis of Express Train－Set[J].Noise and Vibration Contral，2009(3):79－81.

[4]THOMPSON D J，JONESC，GAUTIER P－E.Railway Noise and Vibration:Mechanisms，Modeling and Means of Control[M].Netherlands:Elsevier，2008，128－210.

[5]MELLET C，LETOURNEAUX F，POISSON F，etal.High speed train noise emission:Latest investigation of the aerodynamic/rolling noise contribution[J].J.Sound Vib.，2006，293(3):535－546.

[6]MELLET C，LETOURNEAUX F，POISSON F.High speed train noise emission:Latest investigation of the aerodynamic/rolling noise contribution[J].J.Sound Vib.，293(2006)，535－546.