高速列車不同轉向架區噪聲特性及主要噪聲源分離

王東鎮，葛劍敏

（1.同濟大學物理科學與工程學院，上海200092；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

高速鐵路具有速度高、運能大、安全性高、比陸路及航空運輸能耗低的優點，在世界許多國家得到了迅猛發展。隨著高速列車的快速發展，尤其是運營速度的不斷攀升，其振動和噪聲問題日益凸顯。

根據國內外鐵路噪聲測試經驗：鐵路噪聲主要由輪軌噪聲、氣動噪聲和牽引系統噪聲等組成。了解高速列車主要噪聲的來源、增長趨勢、頻譜特性等是掌握高速列車噪聲和進一步實施控制的基本要求。

不同噪聲隨列車運行速度變化的關系按照牽引系統噪聲、輪軌噪聲和氣動噪聲占主導所對應的列車運行速度范圍可分為三個區段，不同的區段不同的噪聲源占主導，其中輪軌噪聲隨速度的3次方增長，氣動噪聲隨速度的6次方增長［1］。

輪軌噪聲主要來源于車輪和鋼軌兩個主要部分所輻射的噪聲。在車輪和鋼軌輻射噪聲對輪軌噪聲的貢獻方面，歐洲學者偏向于認為輪軌噪聲以車輪輻射的噪聲為主［2］，而美國學者則偏向于認為以軌道系統輻射的噪聲為主［3-4］。Thompson［5］的理論分析和實際測試表明，在不同的頻率范圍內，車輪和鋼軌對輪軌噪聲的貢獻是不同的，低于1 000Hz，鋼軌是主要的噪聲源；更高的頻率，則車輪輻射的噪聲占主導。

國內周信等［6］采用仿真手段研究線路中幾種典型鋼軌波磨對車輪聲輻射的貢獻影響。韓建等［7-8］采用試驗和仿真的方法，系統性地比較了各種車輪的振動聲輻射特性，研究不同參數對車輪振動聲輻射的影響特性。韓光旭等［9］對運營中的高速列車進行車內振動與噪聲現場測試，研究了輪軌激勵對車內振動噪聲的影響特性。金學松［10］基于京津高速列車車外噪聲測試分析研究了高速列車在高速條件下的聲源頻譜特性規律。

氣動噪聲主要是氣流流經結構表面而產生的氣流擾動并以噪聲的形式進行傳播。King指出高速列車氣動噪聲主要是由于旋渦脫落引起的，主要氣動噪聲源出現在氣流分離的部位，諸如受電弓系統、輪軌系統、列車頂部等突出部件，同時還研究了不同部位氣動噪聲源的重要性［11］。朱劍月等［12-13］運用聲學比擬方法數值模擬了高速列車轉向架區域裙板和設備艙對轉向架流場與氣動噪聲性能的影響。劉佳利等［14-15］基于聯合仿真技術對高速列車車頭和受電弓氣動噪聲進行研究，分析了不同結構對氣動噪聲的影響特性。李輝等［16］基于流體動力學基本原理及有限體積元方法建立模型，對某型受電弓300km·h-1速度下周圍流場進行模擬，利用聲類比相關理論對受電弓縱向對稱平面上的氣動噪聲進行計算。

目前國內外的輪軌和氣動噪聲的研究主要偏重于仿真計算、實驗室測試和風洞模擬實驗，并主要對輪軌噪聲或氣動噪聲等單一噪聲源進行研究。本文基于高速列車線路現場運行試驗，對高速列車不同轉向架區噪聲及主要噪聲源分離特性開展研究，可為研究和有效控制高速列車主要噪聲源和整車減振降噪設計提供依據。

1 不同轉向架區噪聲特性分析

研究表明：在目前高鐵的運營速度下，轉向架區域噪聲的總能量對整車噪聲的影響和貢獻最大，并且不同車型及位置的噪聲存在差異［17］。

研究的某型高速列車采用4動4拖的結構配置，如圖1所示，即1、3、6、8號車為拖車，2、4、5、7號車為動車，其中T1、T4車為相同車型，T2、T3車為相同車型，M2、M3車為相同車型。

圖1 高速列車動力配置Fig.1 Power configuration of high-speed train

對于拖車轉向架區由于自身無激勵源設備布置，因此可以判定拖車轉向架區的噪聲主要來源為輪軌噪聲和氣動噪聲。對于動車轉向架，由于其需要為動車組提供動力，在拖車轉向架的基礎上增加了牽引系統單元，因此動車轉向架的主要噪聲來源，除了輪軌噪聲和氣動噪聲，還包括牽引系統噪聲。二者結構對比如圖2所示。

圖2 拖車轉向架和動車轉向架結構對比和測點布置Fig.2 Structure comparison and measuring points layout of the trail car and motor car bogie

1.1 拖車轉向架區噪聲特性

為研究不同位置拖車轉向架區噪聲特性以及噪聲隨速度的變化規律，搭載某型號高速列車在某高鐵無砟軌道專線開展測試研究，選取T1車一位轉向架、T2車一位轉向架、T3車二位轉向架和T4車二位轉向架進行對比測試研究，不同轉向架的軸重偏差控制在3%以內，在每個轉向架相同位置布置噪聲傳感器進行測試，兩個測點分別位于轉向架的正上方和靠近輪軌處，具體位置如圖2所示，測試時為消除轉向架區混響噪聲對輪軌噪聲的影響，輪軌處噪聲的測點布置在輪輻的外側。所獲取以上4個不同位置的拖車轉向架上方同位置噪聲隨不同速度等級的頻譜特性如圖3所示。

圖3 不同拖車轉向架區不同速度等級的噪聲頻譜特性Fig.3 Noise spectrum characteristics of different trail car bogie areas at different speed levels

車頭轉向架區噪聲在4個速度等級峰值都為2 000Hz，200km·h-1和250km·h-1有效的頻率范圍為315～6 300Hz，隨著速度的增加有效的頻率范圍有所增加，主要向低頻方向拓展，300km·h-1和350km·h-1有效的頻率范圍為160～6 300Hz，各頻段隨著速度的增加都有所增長。

中間車一位和二位轉向架在4個速度等級峰值都為1 000Hz和2 000Hz，各速度等級有效的頻率范圍都為400～3 150Hz，各頻段隨著速度的增加都有所增長。

尾車轉向架在200km·h-1和250km·h-1峰值出現在2 000Hz，有效頻率范圍400～5 000Hz；在300km·h-1和350km·h-1峰值出現在1 000Hz，有效頻率范圍315～6 300Hz。

同時為驗證轉向架區噪聲的主要來源，通過在中間車靠近輪軌處設置噪聲傳感器測試輪軌處噪聲，所獲取的隨速度變化的頻譜曲線如圖4所示，4個速度等級峰值都為1 000Hz，不同速度等級有效的頻率范圍都為400～4 000Hz，各頻段隨著速度的增加都有所增長，且峰值和主頻不受速度等級變化，這與中間拖車轉向架區噪聲的峰值和主要頻段基本一致。

一般來說，列車的輪軌噪聲的A計權聲壓級與列車速度V的對數成正比，即

圖4 中間拖車不同速度等級的輪軌噪聲頻譜Fig.4 Wheel-railnoisespectrumofintermediate trail car at different speed levels

式中：Lp0為列車速度為V0時的聲壓級，N值的大小在25～35之間，通常取30［18］。

基于不同拖車轉向架區隨不同速度等級的噪聲變化，獲取不同拖車轉向架區和輪軌處噪聲隨速度變化的回歸線，如圖5和圖6所示。

車頭轉向架區噪聲隨速度增長趨勢為

中間拖車一位轉向架區噪聲隨速度增長趨勢為

中間拖車二位轉向架區噪聲隨速度增長趨勢為

圖6 拖車輪軌噪聲隨速度增長的回歸線Fig.6 The wheel-rail noise regression line of trail car as speed increases

車尾轉向架區噪聲隨速度增長趨勢為

中間車輪軌噪聲隨速度的增長趨勢為

式中：yai為車頭轉向架區噪聲聲壓級；i=1代表車頭轉向架；i=2代表中間拖車一位轉向架；i=3代表中間拖車二位轉向架；i=4代表車尾轉向架；i=5代表中間拖車輪軌處；x為速度衰減系數，x=log（V/V0），V0為相對速度，為測試的最低速度200km·h-1，V為實際速度。

根據中間拖車轉向架上方區測點噪聲與輪軌近場測點噪聲頻譜和回歸公式的對應關系，可以判定對于中間拖車的轉向架區在350km·h-1及以下的速度等級的主要噪聲源為輪軌噪聲，輪軌噪聲的特征頻率峰值為1 000Hz和2 000Hz，影響的頻率范圍為400～ 4 000Hz。這表明：盡管中間拖車轉向架區結構存在一定程度的凸起和不平，但由于其基本處于車體包裹下相對封閉的區域，受氣流擾動激勵的影響較小。

車頭和車尾轉向架區除輪軌噪聲外，還受到氣動噪聲的主要影響，根據不同拖車轉向架區不同速度等級的噪聲頻譜曲線對比，如圖7所示，可以判斷氣動噪聲頻段范圍較寬，車頭和車尾轉向架區受氣動噪聲影響較大，且隨著速度的增加影響增大。

圖7 拖車不同轉向架區不同速度等級的噪聲頻譜Fig.7 The noise spectrum of different trail car bogie areas at different speed levels

1.2 動車轉向架區噪聲特性

同時在中間動車M2車一位轉向架、M3車二位轉向架與拖車同樣位置布置噪聲傳感器進行測試研究動車轉向架區噪聲特性，獲取的動、拖車轉向架區不同速度等級的噪聲頻譜對比曲線如圖8所示。

圖8 動、拖車轉向架區不同速度等級的噪聲頻譜Fig.8 The noise spectrum characteristics of the motor car and trail car bogie areas at different speed levels

對獲取的不同速度等級的動車轉向架區噪聲進行回歸分析，回歸線如圖9所示。

圖9 不同動車轉向架區噪聲隨速度增長的回歸線Fig.9 The noise regression lines in the motor car bogie areas as speed increases

中間動車一位轉向架區噪聲隨速度增長趨勢為

中間動車二位轉向架區噪聲隨速度增長趨勢為

式中：yad1和yad2為中間動車二位轉向架區噪聲聲壓級；x為速度衰減系數，x=log（V/V0），V0為相對速度，V為實際速度。

根據動拖車轉向架區相同測試位置不同速度等級的噪聲頻譜曲線對比，動車轉向架的噪聲明顯高于拖車轉向架區噪聲，主要原因為：相比于拖車轉向架，動車轉向架由于需要為動車組提供動力，其在拖車轉向架基礎上增加牽引系統單元，牽引系統噪聲導致動車轉向架區噪聲相比拖車轉向架區同樣位置增大明顯，且主要增大頻段位于中高頻段。

根據不同動車轉向架區相同測試位置不同速度等級獲取的噪聲頻譜曲線對比，對于不同速度等級不同動車轉向架，噪聲聲壓級基本都維持在同等水平，頻譜特性差異也不大，這也從側面印證了氣動噪聲非中間車轉向架區的主要噪聲源。

2 不同轉向架區噪聲源分離特性

2.1 車頭和車尾轉向架區噪聲源分離

基于拖車不同轉向架區不同速度等級的噪聲頻譜，可以判定中間拖車不同位置轉向架區噪聲頻譜特性基本一致，主要噪聲特性與輪軌噪聲呈現的特性一致。由于輪軌噪聲的產生激勵主要與車輪和軌道的粗造度有關，而對于同一列車，輪軌激勵都是基于同樣的運營里程的輪對和同樣的軌道條件，并且對于本研究車型不同車軸重偏差控制在3%以內，因此可假設對于同一列車的不同速度等級不同位置轉向架區的輪軌噪聲是一致的。基于此假設以中間車一二位端轉向架區噪聲為基礎，對車頭和車尾轉向架相同測點位置氣動效應導致的氣動噪聲進行分離，氣動噪聲分離公式如下：

式中：i=1代表車頭，i=2代表車尾；j=1，2，3，……，n，分別代表對應的1/3倍頻程中心頻率50，63，80，……，8 000Hz；LsPafij為實測的對應車輛、對應1/3倍頻程頻率的轉向架區噪聲；LwPafij為對應車輛位置、對應1/3倍頻程頻率的輪軌噪聲；LdPafij為分離的對應車輛位置、對應1/3倍頻程頻率的氣動噪聲。

基于以上氣動噪聲分離公式，獲取的車頭和車尾轉向架的主要噪聲源分離頻譜曲線如圖10～圖12所示。

對車頭和車尾轉向架區分離獲取的氣動噪聲進行回歸，如圖13所示。

車頭氣動噪聲隨速度的增長趨勢如下：

車尾氣動噪聲隨速度的增長趨勢如下：

根據車頭和車尾轉向架區不同速度等級主要噪聲源的分離結果，可以得出如下結論：

（1）對于車頭轉向架區的氣動噪聲和輪軌噪聲隨著速度的增加都增長較快，氣動噪聲占主導，在200km·h-1、250 km·h-1、300km·h-1、350 km·h-1速度工況氣動噪聲貢獻量分別為60.8%、70.6%、74.5%和80%。在200 km·h-1至350km·h-1，氣動噪聲的增長幅度快于輪軌噪聲的增長幅度。

（2）對于車尾轉向架區的氣動噪聲和輪軌噪聲隨著速度的增加都增長較快，氣動噪聲占主導，在200km·h-1、250 km·h-1、300km·h-1、350 km·h-1速度工況氣動噪聲貢獻量分別為70%、67.3%、70.8%和68.8%，在200 km·h-1至250km·h-1，氣動噪聲基本維持在一定的貢獻比范圍之內。

圖10 車頭轉向架區不同速度等級噪聲源分離頻譜Fig.10 Separatednoisesourcespectrum ofthe head car bogie area at different speed levels

（3）氣動噪聲為車頭和車尾轉向架區的主要噪聲源，車頭和車尾轉向架區的主要頻譜差異體現在中低頻范圍，車頭在中低頻段明顯高于車尾。車頭轉向架區氣動噪聲的貢獻頻段較寬，主頻涵蓋從低頻到高頻的范圍，其噪聲增長特性符合偶極子隨速度的6次方增長規律；而車尾轉向架區氣動噪聲的貢獻頻段主要集中高頻的范圍內，其噪聲增長特性符合單極子隨速度等級的4次方增長規律。

圖11 車尾轉向架區不同速度等級噪聲源分離頻譜Fig.11 Separated noise source spectrum of the rear car bogie area at different speed levels

（4）頭尾車的主要頻譜差異主要體現在中低頻區域，頭車在中低頻段明顯高于尾車。這主要與二者氣動效應的差異有關。在車頭轉向架處，氣流受到車頭的擠壓，空氣流速垂直于車下進行沖擊；在車尾附近，由于車尾的突然離開，周圍空氣受到吸引而形成強烈的渦流。

圖12 車頭車尾轉向架區不同速度分離氣動噪聲源頻譜Fig.12 Separated aerodynamic noise source spectrum of the head car and rear car bogie areas at different speed levels

圖13 車頭車尾轉向架區分離的氣動噪聲隨速度回歸線Fig.13 Separated aerodynamic noise regression lines of the head car and rear car bogie areas as speed increases

2.2 中間動車轉向架區噪聲源分離

基于同一列車的不同速度等級不同位置轉向架區的輪軌噪聲一致的假設，實現對中間動車轉向架牽引系統噪聲和輪軌噪聲的分離。牽引系統噪聲分離公式如下：

式中：j=1，2，3，……，n，分別代表對應的1/3倍頻程中心頻率50，63，80，……8 000Hz；LsPafj為實測的對應車輛位置、對應1/3倍頻程頻率的動車轉向架區噪聲；LwPafj為對應車輛位置、對應1/3倍頻程頻率的輪軌噪聲；LtPafj為分離的對應車輛位置、對應1/3倍頻程頻率的牽引系統噪聲。

基于以上牽引系統噪聲分離公式獲得中間動車轉向架區的主要噪聲源分離頻譜曲線，如圖14和圖15所示。

圖14 動車轉向架區不同速度等級分離的噪聲源頻譜Fig.14 Separated noise source spectrum of the motor car bogie area at different speed levels

圖15 動車轉向架區不同速度等級分離的牽引噪聲頻譜Fig.15 Separated traction noise source spectrum of the motor car bogie area at different speed levels

根據中間動車轉向架區主要噪聲源的分離結果，可得：

（1）對于動車轉向架牽引系統噪聲和輪軌噪聲隨著速度的增加都增長較快，在200km·h-1、250 km·h-1、300km·h-1、350 km·h-1速度工況牽引系統噪聲貢獻量分別為86%、82.9%、72.7%和77%。在200 km·h-1至300km·h-1，輪軌噪聲噪聲的增長幅度快于牽引系統的增長幅度。

（2）牽引系統噪聲對動車轉向架區噪聲的貢獻頻段主要為中高頻段，占據主導作用。

3 結論

（1）車頭、中間拖車、中間動車和車尾轉向架區主要噪聲源由于受位置和設備布置的影響，主要噪聲源存在較大差異。輪軌噪聲為中間拖車轉向架區的最主要噪聲源；牽引系統噪聲為中間動車轉向架區的最主要噪聲源；氣動噪聲為車頭和車尾拖車轉向架區的主要噪聲源。

（2）對于車頭轉向架氣動噪聲的貢獻頻段較寬，主頻涵蓋從低頻到高頻的范圍，其噪聲增長特性符合偶極子隨速度等級的6次方增長規律；而對于車尾轉向架區氣動噪聲的貢獻頻段主要集中高頻的范圍內，其噪聲增長特性符合單極子隨速度等級的4次方增長規律。

（3）車頭和車尾轉向架區氣動噪聲差異主要與二者氣動效應的差異有關，在車頭轉向架處，氣流受到車頭的擠壓，空氣流垂直于車下進行沖擊。在車尾附近，由于車尾的突然離開，周圍空氣受到吸引而形成強烈的渦流。而氣動噪聲對中間車轉向架區噪聲影響不顯著，這主要由于中間車轉向架基本處于車體包裹下相對封閉的區域，受氣流擾動激勵的影響較小。