跨座式單軌交通車外噪聲源識別試驗研究

薛軍平,杜子學,譚昌鵬

(1.重慶交通大學機電與車輛工程學院,重慶 400074； 2.重慶交通大學交通運輸學院,重慶 400074； 3.北京朗德科技有限公司,北京 100101)

隨著城市軌道交通的快速發展，跨座式單軌交通憑借自身獨特的優勢在城市軌道交通的建設與運營實踐中發揮著越來越重要的作用[1-3]。由于跨座式單軌交通采用膠輪和軌道梁作為走行機構，相較于傳統的鋼輪鋼軌城市軌道交通(如地鐵、輕軌等)，跨座式單軌列車在各種運行狀態(如啟動、制動和正線運行等)下的車內外噪聲具有輻射能量低、噪聲小的特點[4]。但是單軌交通的運行環境條件和線路結構具有特殊性[5]：首先，單軌交通的線路絕大多數采用高架結構，且布置在城市主干道路中央隔離帶位置處，與道路交通在垂向空間上呈層疊分布；其次，線路的軌道梁間通過指形板連接，軌道梁以簡支形式通過支座與蓋梁墩柱相連，結構簡單、通透性強，軌道梁連接處的幾何和剛度不連續；再則，單軌交通車輛的受流裝置、制動裝置、走向機構和牽引傳動系統均集中布置在車廂底部的轉向架構架上，并且走行輪系較多，如圖1所示。單軌交通的上述特點決定了其運行車外噪聲是城市交通噪聲的重要組成部分，而且與城市道路交通噪聲形成疊加效應，加劇交通噪聲對線路附近區域聲環境質量的影響[6]。有關研究表明交通噪聲是城市環境噪聲的重要噪聲源，長期暴露于超標的噪聲環境下會對人的身心產生不利影響[7-10]。因此，為控制和降低單軌交通車外噪聲，提高其運行品質，當前最重要的前提工作是掌握其主要輻射特征，諸如噪聲源的位置、頻率成分，主次性等，即需要開展噪聲源識別工作。

圖1 跨座式單軌交通線路和車輛結構特點

1 聲學波束成形法基本原理

聲學波束成形方法是基于聲陣列測試系統的一種噪聲源識別信號處理技術[11-12]。其基本原理是利用聲陣列麥克風所測的聲音信號，按照聲源計算平面上各聚焦網格點的位置，采用延遲求和算法來獲得信號源的位置或指向。與聲源真實位置一致的聚焦網格點位置輸出結果最大，形成“主瓣峰值”，而不同于聲源真實位置的聚焦網格點位置，輸出結果被衰減，形成“旁瓣”，從而有效識別噪聲源，如圖2所示?；谄矫娌僭O和線性陣列的經典延遲求和波束形成原理如下。

(1)

(2)

式中，c為聲速。

圖2 平面波延遲求和波束形成原理示意

波束形成方法在使用中主要有3個性能指標，分別為空間分辨率、截止頻率和動態范圍?？臻g分辨率是用來表征能準確區分兩個聲源間最小距離的能力，它與陣列直徑、聲源的波長即頻率和聲源到陣列的距離有關，由瑞利準則并經過簡化可得到如下關系式

(3)

式中，θ為陣列張角；α為陣列系數；z為聲源到陣列的距離；D為陣列直徑；λ為波長。而截止頻率由混疊現象引起，是波束形成可準確識別信號的最高頻率，其值越高越好，由空間采樣定理得出截止頻率公式如下

(4)

式中，c為聲速；d為陣列麥克風間距；θ為陣列張角。易知，陣列張角θ和傳聲器間隔d越大，截止頻率就越低。動態范圍則定義為最大旁瓣相對于主瓣峰值的差值，此性能與陣列的形式相關。由于最大旁瓣會產生鬼影，因此最大旁瓣越小，動態范圍越寬，聲源定位的精度就越高。

波束形成法適宜中長距離、中高頻及大型聲源的測量，也可對穩態、瞬態及運動聲源進行聲源識別。本文基于波束形成方法對跨座式單軌交通列車運行車外噪聲源進行識別和分析。

2 試驗方案設置

2.1 跨座式單軌交通車輛和軌道

作為本次的試驗對象，重慶跨座式單軌交通列車為6輛編組，兩車為一單元，動力比為3∶1，每節車廂由2個轉向架支撐，每個轉向架上安裝4條走行輪、4條導向輪和2條穩定輪，車輛編組配置如圖3所示。轉向架為無揺枕結構的2軸轉向架，結構緊湊特殊，分為動力轉向架和非動力轉向架。轉向架通過空氣彈簧支撐車體，而列車的牽引傳動系統、制動系統和走行機構等通過不同的連接方式固定在轉向架構架上[13]，如圖4所示。

圖3 6輛編組車輛配置

圖4 轉向架結構

跨座式單軌交通地面線路采用高架結構，軌道為預制預應力混凝土軌道梁(PC梁)，長度22～24 m，采用標準截面(1.5 m×0.85 m寬)。軌道梁間用金屬指型板進行連接，并通過金屬支座以簡支形式固定在橋墩蓋梁之上。跨座式單軌交通走行輪在軌道梁上運行，而水平輪分布在軌道兩側起導向和穩定作用。

2.2 試驗測試方案

本試驗采用的聲陣列測試分析系統由環形麥克風陣列、數采設備、校準器和計算機等硬件和軟件組成，其中環形麥克風陣列直徑為75 cm，沿周向均勻布置48個1/4英寸麥克風，陣列中心安裝有高分辨率相機。該系統推薦的聲源測試距離為0.5～5 m，相應的頻率范圍500 Hz～20 kHz，動態范圍可達20～40 dB。

根據跨座式單軌交通列車、線路結構特點和試驗實際條件，試驗分別對列車底部和側面車外噪聲源進行識別，相應的聲陣列現場布置如圖5所示。試驗時陣列平面距離軌道梁底面和側面約5 m，列車行駛速度約60 km/h，采樣頻率為192 kHz。

圖5 聲陣列現場布置

3 測試結果及分析

3.1 列車底部噪聲源測試結果及分析

3.1.1 底部噪聲頻域波束形成噪聲源分析

列車運行通過試驗位置時，所測底部噪聲的頻譜圖和時頻圖如圖6和圖7所示。由圖6可知，列車運行時底部輻射噪聲頻率主要分布在800～2 000 Hz 1/3倍頻程范圍內，最大的輻射噪聲頻率為1 250 Hz。從圖7可見，在750～1 700 Hz和3 500～7 500 Hz頻段內的噪聲在時間上不連續，具有沖擊特性。為掌握此兩頻段內噪聲源的輻射位置，在上述兩個頻段范圍內分別選取兩處噪聲較突出的典型時間段(時段1～時段4)，如圖7所示，運用頻域波束形成方法，對此兩類離散沖擊噪聲進行識別和定位。

圖6 列車底部噪聲1/3倍頻程頻譜

圖7 列車運行底部噪聲時頻分析

首先在3 500～7 500 Hz頻段內選取的時間段1和時間段2進行噪聲源定位，對應的噪聲源識別結果如圖8所示。

圖8 時段1和時段2內的底部噪聲源位置

在圖8中兩時間段內的輻射噪聲均來自車廂最底部裙板和軌道梁之間，聲源在位置上呈線狀離散分布。經過分析得知：兩處聲源位置均與列車正極受電弓位置相一致，由于單軌交通受電弓與接觸網間是剛性接觸，列車運行時在軌道不平順的作用下致使弓網間也產生沖擊振動，進而產生沖擊噪聲。弓網間的沖擊振動可有接觸網的沖擊磨損痕跡得到驗證，如圖9所示。另外也可以由胎軌近場噪聲頻譜對比得以印證，跨座式單軌列車的受電弓安裝在固定穩定輪的轉向架框架上，距離穩定輪較近，如圖10所示。因此穩定輪近場噪聲中含有較大成分的弓網噪聲，走行輪、導向輪和穩定輪近場噪聲頻譜如圖11所示，從3 500 Hz開始，穩定輪近場噪聲均大于走行輪和導向輪噪聲，此結果是由于穩定輪近場噪聲中含有較多弓網噪聲而造成的。

圖9 接觸網受沖擊后的痕跡

圖10 胎軌近場噪聲測試布置

圖11 胎軌近場噪聲頻譜

而對于750～1 700 Hz頻段內的噪聲源的識別，選取的典型時間段3和時間段4所對應的噪聲源識別結果如圖12所示。

圖12 時段3和時段4內的底部噪聲源位置

圖12中兩個時間段的噪聲源均集中的位于車廂最底部裙板中心與軌道梁接觸位置附近，此位置處除弓網外，集中的布置了列車的走行輪系，包括走行輪、導向輪和穩定輪，結合考慮此頻率范圍[14]，可知此頻段內的主要聲源為胎軌噪聲。

3.1.2 底部噪聲時域波束形成噪聲源分析

對于6節編組的單軌列車來說，其兩節車為一個單元，共有3個單元，每個單元的車輛配置基本相同。為避免重復計算和分析工作，在時域波束形成噪聲源識別過程中，以Mc2和M3車構成的單元為例，對兩車的噪聲源進行分析。

Mc2、M3車的時域波束形成噪聲源識別結果如圖13所示。結果顯示：兩車的聲源(噪聲源1～噪聲源6)均位于車廂最底部裙板與軌道梁之間，但不同的是Mc2車的噪聲源位于軌道梁的內側，而M3車的噪聲源位于軌道梁的外側。這主要與車輛受電弓的安裝位置有關，Mc2車的兩個受電弓安裝在軌道梁內側的穩定輪固定支架上，而M3車的兩個受電弓則固定在軌道梁外側的穩定輪支架上，因此，在一定程度上可以說受電弓的布置位置決定了最大噪聲源的位置。

圖13 Mc2和M3車底部噪聲源識別結果

同時對Mc2和M3車識別出的各噪聲源(噪聲源1～噪聲源6)A計權1/3倍頻程聲壓級進行了提取，兩車各聲源(噪聲源1～噪聲源6)的聲壓級頻譜曲線總體趨勢是一致的，如圖14所示。

圖14 Mc2和M3車底部各聲源1/3倍頻程聲壓級曲線

3.2 列車側面噪聲源測試結果及分析

3.2.1 側面噪聲頻域波束形成噪聲源分析

列車運行側面噪聲1/3倍頻程聲壓級曲線和時頻如圖15、圖16所示。在圖15中由列車運行側面和底部噪聲的對比可知，兩者噪聲輻射頻率特性整體趨勢基本一致，800～2 000 Hz頻率范圍的噪聲占主導，最大的輻射噪聲頻率為1 250 Hz，為胎軌噪聲。但是此頻段范圍內的側面噪聲要高于底部噪聲，即胎軌噪聲向側面的輻射要大于底部。

圖15 列車運行側面噪聲1/3倍頻程頻譜

圖16 列車運行側面噪聲時頻分析

在側面噪聲時頻圖16中同樣選取750～1 700 Hz和3 500～7 500 Hz兩個頻段內的典型時間段1和時間段2進行頻域波束形成噪聲源識別，如圖17所示。時段1在3 500～7 500 Hz頻段內的噪聲源沿接觸網離散的分布在弓網接觸附近，這與列車底部噪聲在該頻段噪聲源位置分布一致，主要噪聲為弓網噪聲；而時段2在750～1 700 Hz頻段內的噪聲源則集中分布于車廂最底部裙板與軌道梁接觸位置的兩側，此位置是單軌列車走行輪系集中布置位置，由于車廂及裙板的隔聲作用，致使此頻段的胎軌噪聲向裙板的兩側和底部輻射。

圖17 時段1和時段2內的側面噪聲源位置

圖18 Mc2和M3車側面噪聲源識別結果

3.2.2 側面噪聲時域波束形成噪聲源分析

Mc2和M3車側面噪聲時域波束形成噪聲源識別結果如圖18所示，兩車的聲源(噪聲源1～噪聲源3)主要分布在車廂最底部裙板與軌道接觸的兩側附近。兩車各聲源的1/3倍頻程聲壓級曲線如圖19所示，各噪聲源(噪聲源1～噪聲源3)的頻率分布特性基本相同，主導頻段為800～2 000 Hz，為胎軌噪聲。

圖19 Mc2和M3車側面各聲源1/3倍頻程聲壓級曲線

4 結論

基于跨座式單軌交通線路和車輛結構特點，運用時頻波束形成噪聲源識別方法，對運行列車底部和側面車外噪聲展開試驗研究。主要結論如下。

(1)運行列車車外噪聲源主要位于車廂最底部裙板與軌道梁接觸區域附近，對于每節車輛而言，最大噪聲源則通常出現于安裝有受電弓的裙板位置附近。

(2)500 Hz以上的噪聲源主要由胎軌噪聲和弓網噪聲構成，兩者均為不連續的沖擊噪聲。胎軌噪聲主要分布在800～2 000 Hz頻率范圍內，最大噪聲頻率為1 250 Hz，較集中地從車廂最底部裙板與軌道梁接觸區域向外輻射；而弓網噪聲則沿軌道梁方向呈線狀離散地分布在弓網接觸區域，由于該噪聲輻射頻段處于人耳較敏感的高頻段，其降噪控制應給予重視。

(3)由于受試驗條件和測試系統性能的限制，本次試驗無法針對低于500 Hz的列車運行噪聲進行識別分析，應是以后研究關注的重點。