虛擬軌道列車運行噪聲特性及評價分析

倪小松，齊玉文，姚 丹，彭來先，肖新標

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都610031；2.中車長春軌道客車股份有限公司, 長春130062；3.西南交通大學 機械工程學院，成都610031)

虛擬軌道列車綜合了現代城市公交和現代軌道交通的優點，采用橡膠輪胎承載，與汽車共享道路，不需要建設專門的鋼軌，建設周期短，大大減少了建設和運營成本，同時車廂與傳統軌道車輛相同，可根據客流變化進行靈活編組，平均1 節車廂載客量可超過100人。虛擬軌道列車憑借其低建設運營成本和高載客量，成為了城市軌道交通問題新的解決方案。目前虛擬軌道列車已在株洲、宜賓和永修等城市建成開通，正在建設或規劃的城市有上海、哈爾濱、長沙和西安等。虛擬軌道列車同其他交通工具一樣，也會產生噪聲問題，噪聲對乘客心理和生理都會產生影響，虛擬軌道列車輻射的車外噪聲也會對城市產生噪聲污染。虛擬軌道列車作為一種新的城市軌道交通工具，對其相關研究公開發表的還很少，且主要在安全性、穩定性、運動和動力學性能方面[1-3]，噪聲特性方面的研究更是未見報道。

虛擬軌道列車是一種正在快速發展的交通工具，相關部門需要掌握虛擬軌道列車車內外噪聲水平，從而制定噪聲限值標準，以推進虛擬軌道列車規范化發展。另外，其噪聲特性及形成機理目前還尚不明確。因此，掌握虛擬軌道列車車內外噪聲水平，研究虛擬軌道列車噪聲特性和機理對相關部門制定車內外噪聲標準和控制列車噪聲具有重要意義。

本文基于現場實驗數據，首先分析虛擬軌道列車車內外總值特性。進而參考相關噪聲限值標準對車內外噪聲水平進行了評價分析。然后結合車內聲源識別結果、車內噪聲頻譜特性和聲振傳遞特性，初步探討了車內噪聲形成機理。在此基礎上給出了車內減振降噪的建議。

1 試驗概況

以我國某型3 節編組虛擬軌道列車為研究對象，依據GB 14892[4]中的試驗要求和方法進行車內噪聲試驗，依據GB/T 7892－2003[5]中的試驗要求和方法進行車外噪聲試驗。試驗主要包含以下4項內容：車內噪聲測試、車外噪聲測試、車內聲源識別測試、車內振動測試。本次測試在標準環形線路段進行。

為了解虛擬軌道列車車內噪聲特性，分別在Mc車和TP 車上共6 個測點位置布置了聲學傳感器。圖1 為車內噪聲測點示意圖“,”表示車內噪聲測點，布置在車體中心線距地板面1.2 m高處。

圖1 車內噪聲測點示意圖

為了解虛擬軌道列車車外輻射噪聲特性，在距離車體中心線7.5 m 處、距地面高1.5 m 處布置聲學傳感器。圖2為車外噪聲現場測試圖，“”表示車外噪聲測點。

圖2 車外噪聲測點示意圖

為獲得車內噪聲來源和聲源傳遞路徑，采用50通道球形聲陣列對車內進行聲源識別測試，在Mc車客室前、客室中和客室后位置對聲源進行準確定位；分別在Mc車客室前、客室中和客室后這3個截面的地板、側墻、車窗（車門）和頂板位置布置振動傳感器，獲取車內振動特性。部分現場測試照片如圖3所示。

圖3 部分現場測試照片

2 車內外噪聲水平及評價分析

該型虛擬軌道列車最高設計時速為70 km/h，本次測試的最高速度為52.5 km/h（最高設計時速的75%），分別測試了虛擬軌道列車以52.5 km/h 勻速運行時車內外噪聲。并對車速為20 km/h和40 km/h時的車外噪聲進行了測試。

2.1 聲壓級總值特性

下面給出了52.5 km/h 車速工況下虛擬軌道列車Mc 車和TP 車客室前、客室中和客室后的總值結果，如圖4所示。

由圖4 可見，Mc 車噪聲大于TP 車噪聲，這是由于Mc車車下布置電傳動系統等輔助設備裝置，導致聲源強度大于TP 車。兩節車廂客室噪聲呈現出兩端大中間小的趨勢，這是因為客室兩端區域下方為胎地噪聲源區域。車內最大噪聲在Mc 車客室前位置處，為69.5 dB（A），車內最小噪聲在TP 車客室中位置處，為67.5 dB（A），差值為2 dB（A）。

圖4 車內聲壓級總值水平

圖5 給出了虛擬軌道列車各個速度工況下，距離車中心線7.5 m、距地面高1.5 m 處噪聲測點的總值結果。并根據車外噪聲水平與列車速度之間的關系對測試數據進行了擬合，如式（1）所示。

圖5 車外噪聲與列車運行速度的關系

式中：lg(v/v0)為無量化速度，v0=20 km/h，為參考速度。a為增長率，b為常數。

由圖5 可見，測試數據與擬合結果的相關系數R2為0.97，R2越趨近于1說明該擬合關系越能很好反映車外噪聲與列車速度之間的關系。

虛擬軌道列車牽引系統與傳統軌道車輛一致，根據軌道車輛牽引系統噪聲對列車運行速度的依賴關系可知，其隨速度對數增加的增長率約為10[6]。

虛擬軌道列車采用橡膠輪胎承載，在公路上行駛，將由膠輪與地面作用產生的胎地噪聲替代傳統軌道車輛的輪軌噪聲。胎地噪聲可細分為泵浦噪聲、沖擊噪聲和道路噪聲，其中泵浦噪聲和沖擊噪聲聲壓級隨速度對數的增長率均約為40，道路噪聲聲壓級隨速度對數增加的增長率約為30[7]。

圖5 中，虛擬軌道列車噪聲隨速度對數增加的增長率為17.3，說明車外噪聲應該是受到牽引系統和胎地作用產生的道路噪聲的影響。

2.2 相關噪聲限值標準介紹

虛擬軌道列車集合了城市軌道車輛和城市公交技術特點，主要承擔城市公共交通載客與運輸任務。目前相關部門還沒制定虛擬軌道列車車內外噪聲限值標準。可參考現代城市軌道交通和城市客車噪聲限值標準來評價虛擬軌道列車車內外噪聲水平。

我國城市軌道交通車內噪聲限值及測量方法主要參照GB14892－2006[4]中的規定進行。該標準沒有對列車速度做出明確區分，規定明線線路客室（距地板高度1.2 m）噪聲限值為75 dB（A）。我國城市軌道交通車外噪聲限值及測量方法主要參照GB/T 7928－2003[5]中的規定進行。該標準規定了列車以60 km/h 勻速運行時，距軌道中心線7.5 m、距軌面1.5 m高處噪聲限值為80 dB（A）。

根據GB/T 25982－2010[8]對客車車內噪聲限值及測量方法的規定：當城市客車發動機前置時，駕駛區噪聲不應超過86 dB（A），乘客區噪聲不應超過86 dB（A）；當城市客車發動機后置時，駕駛區噪聲不應超過78 dB（A），乘客區噪聲不應超過84 dB（A）。

2.3 噪聲評價及限值建議

結合本次車內外噪聲測試結果，下面給出了虛擬軌道列車車內外噪聲水平與相關噪聲限值標準的對比，如表1所示。

表1 虛擬軌道列車噪聲與限值標準對比

根據虛擬軌道列車車內噪聲測試結果，客室噪聲最大為69.5 dB（A），參考城市軌道交通噪聲限值標準，比限值小5.5 dB（A）左右。參考城市客車噪聲限值標準，比發動機后置時的城市客車噪聲限值小14.5 dB（A）。根據車外噪聲與列車運行速度噪聲擬合結果，預計列車以60 km/h 勻速運行時，車外噪聲為68.5 dB（A），比現代城市軌道交通標準中的限值小11.5 dB（A）。根據相關噪聲限值標準可知，對于車內噪聲，城市客車車內噪聲限值較為寬松，且客車車內噪聲限值及測量方法主要針對有發動機的汽車，主要根據發動機位置確定噪聲限值，而虛擬軌道列車無發動機，采用電力驅動。因此，制定虛擬軌道列車車內噪聲限值標準時不建議采用該標準中的測試方法和限值規定。推薦參考現代城市軌道交通車內外噪聲限值標準的規定制定虛擬軌道列車噪聲標準。與輪軌作用相比，胎地作用產生的虛擬軌道列車走行部噪聲源較小。且虛擬軌道列車多采用低地板設計，車輪區域用裙板進行半封閉包圍，減小了走行部聲源對車外的影響。因此，建議可適當減小虛擬軌道列車車外噪聲限值。

3 車內噪聲特性及機理分析

為下一步對車內減振降噪提供指導方向，需對車內聲源分布特性與聲源傳遞路徑進行分析，研究車內噪聲形成機理。由車內噪聲測試結果可知，Mc車客室前為車內噪聲重點控制區域，下面對Mc車客室前噪聲形成機理進行分析。

3.1 車內聲源分布特性

本次聲源識別測試采用的是B&K 的剛性球形聲學陣列。球形聲學陣列是基于平面波聲源模型和波速形成方法處理信號，采用球諧函數聲場分解和重構方法，快速實現聲源可視化的一種聲源識別方法[9]。在測試時，通過鑲嵌在剛性球表面上的麥克風陣列測量球表面的聲壓，進而可建立陣列表面的聲場，通過廣角相機拍攝測試空間的背景圖像。在支持測試設備的數據后處理軟件中，將捕獲的車廂內部的三維空間網格化，通過波束成形處理從球面陣列收集的聲信號，并計算每個網格點的聲壓。再現車輛內部的三維空間中的聲場云圖。使用拼接方法將球面陣列表面相機拍攝的圖像組合在一起，形成完整的三維空間圖片，并使用統一的球坐標將聲壓云圖像精確地匹配到測試現場，從而實現聲源的可視化。圖6給出了虛擬軌道列車以52.5 km/h運行時Mc 車客室前的全頻段（50 Hz～5 000 Hz）A 計權聲源識別聲壓云圖。聲壓云圖的動態顯示范圍統一為5 dB（A），云圖中顏色越亮的區域代表此處的聲壓越大。

圖6 全頻段聲源識別結果

由圖6可見，客室前噪聲源分布較廣，噪聲主要來源于地板區域。圖7 給出了虛擬軌道列車以52.5 km/h運行時Mc車客室前1/3倍頻程圖。

圖7 客室前噪聲1/3倍頻程圖

聲壓級總值由全頻段噪聲疊加計算得出，一般定義頻帶內最大聲壓級10 dB（A）以內的聲壓級所對應的頻帶區間噪聲為顯著區間，噪聲總值大小由該區間噪聲能量大小決定。由圖7 可見，客室前噪聲能量主要集中在中心頻率315 Hz～1 000 Hz 的1/3倍頻程頻帶，在500 Hz頻帶出現了顯著的噪聲峰值。圖8給出了500 Hz頻帶內，Mc車客室前聲源識別結果。聲壓云圖的動態顯示范圍與圖6的一致。

圖8 500 Hz頻帶內聲源識別結果

由圖8可見，在峰值頻帶500 Hz處，聲源也主要分布在地板區域。

3.2 聲源傳遞路徑分析

噪聲按傳播路徑不同可以分為結構傳聲和空氣傳聲，車外聲源可以通過結構傳聲和空氣傳聲這兩種方式向車內傳遞噪聲。結構傳聲的大小主要受到車體各結構部件隔振特性的影響，空氣傳聲大小主要受到車體各結構密閉性和隔聲吸聲性能的影響[10]。為探究噪聲主要是通過結構路徑還是空氣路徑向車內傳遞噪聲，圖9給出了虛擬軌道列車Mc車客室前斷面聲振傳遞特性頻譜。

由圖9 可見，客室前斷面在噪聲顯著頻帶（315 Hz～1 000 Hz）振動加速度能量較大，且在噪聲峰值500 Hz 中心頻帶內（447 Hz～562 Hz），客室前斷面都出現顯著的振動峰值。因此初步推斷結構傳聲是客室前噪聲的主要傳遞路徑。

圖9 客室前聲振傳遞特性頻譜

3.3 減振降噪建議

通過分析車內聲源識別結果和聲振傳遞特性發現，虛擬軌道列車車內噪聲主要來源于地板區域，初步推斷噪聲的傳遞路徑主要為結構傳聲。因此從路徑上可以對地板聲學特性進行研究，減小振動聲輻射響應，從而減小車內噪聲。從聲源方面，可以控制車外噪聲源，比如胎地振動源以及電機傳動系統振動源等，通過避開車外振動源和車體結構共振的頻率來減小車體的結構傳聲。

4 結語

通過對我國某型虛擬軌道列車進行車內噪聲、車外噪聲測試、車內聲源識別和車內振動測試，分析了車內外噪聲總值特性，參考相關的噪聲限值標準對虛擬軌道列車車內外噪聲水平進行了評價并給出了建議。針對虛擬軌道列車車內聲源分布特性和傳遞路徑分析結果給出了虛擬軌道列車車內減振降噪的建議，結論如下。

（1）虛擬軌道列車Mc 車噪聲大于TP 車，客室噪聲中間大兩端小，車內最大噪聲處位于Mc車客室前，為69.5 dB（A），車內噪聲最小噪聲處位于TP 客室中，為67.5 dB（A）。

（2）參考相關噪聲限值標準，虛擬軌道列車車內噪聲比現代城市軌道交通噪聲限值小5.5 dB（A），比城市客車噪聲限值小16.5 dB（A）。車外噪聲比現代城市軌道交通噪聲限值小11.5 dB（A）。推薦參考現代城市軌道交通噪聲標準中的測試方法制定虛擬軌道列車噪聲限值標準，車外噪聲限值可適當減小。

（3）虛擬軌道列車車內噪聲能量主要集中在315 Hz～1 000 Hz 頻段內，噪聲主要來源于地板區域，初步推斷噪聲源主要的傳遞路徑為結構傳聲。可以通過優化地板的振動聲輻射特性和對振動源采取措施來避開與車體結構共振頻率從而減小車內噪聲。