中低速磁浮列車車外噪聲特性及聲源貢獻測試分析

趙新利 賈尚帥 彭 壘 潘德闊

(中車唐山機車車輛有限公司，064099，唐山∥第一作者，高級工程師)

城市軌道交通的車外噪聲對沿線居民和生態具有重要影響，是關系軌道交通綠色環保、可持續發展的關鍵問題。城市軌道交通的車外噪聲關注點有兩個：① 聲源識別；② 聲源輻射特性及其對標準點的噪聲貢獻。文獻[1-2]建立了高速列車車外噪聲預測模型，以聲源識別結果作為輸入，研究了車外噪聲源貢獻，結果表明，轉向架區域和車下區域對車外噪聲貢獻最大，且聲學靈敏度高于其他區域的聲源。

不難看出，有關城市軌道交通車外噪聲的研究大多集中于高速列車，對于中低速磁浮列車的研究較少，而與之相似的地鐵列車噪聲研究又以車內噪聲研究居多。因此,研究中低速磁浮列車的車外噪聲有著較大的實用意義。本文通過線路試驗測試了中低速磁浮列車的運行車外噪聲，并利用聲線追蹤法進行了車外噪聲仿真計算，采用仿真與試驗相結合的手段，對磁浮列車的車外噪聲貢獻進行了分析。本研究可為中低速磁浮列車的噪聲控制提供指導和數據支撐。

1 車外噪聲特性試驗

1.1 測點布置

根據相關標準規定，軌道交通車輛的車外噪聲評價測點設置要求為：距離軌道中心線7.5 m、鋼軌頂面1.2 m和3.5 m的測點；距離軌道中心線25.0 m、鋼軌頂面3.5 m的測點。高速列車的動態試驗一般主要評價距離軌道中心線25.0 m處的測點，地鐵列車則主要評價距離軌道中心線7.5 m處的測點，磁浮列車根據速度等級參考地鐵列車。地鐵列車車外噪聲測點布置示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵列車車外噪聲測點布置示意圖

1.2 噪聲特性

根據標準點1和標準點2的位置(見圖1)，分別固定一只自由場麥克風，用于監測磁浮列車的通過噪聲。數據采樣頻率為65 536 Hz。列車通過時的噪聲計算公式為：

(1)

Tp=t2-t1

(2)

式中：

LAeq,Tp——列車通過時段內的等效連續A聲級，dB(A)；

t1——車頭進入測點時間，s；

t2——車尾離開測點時間，s；

Tp——列車通過的時間段，s；

pA(t)——噪聲瞬時A計權聲壓，Pa；

p0——基準聲壓，取為20 μPa。

磁浮列車與地鐵列車的車外噪聲頻譜差異對比如圖2所示。其中：列車運行速度均為60 km/h；測點距離軌道中心線均為7.5 m；地鐵列車的兩個測點分別位于距離鋼軌頂面1.2 m和3.5 m處；由于研究性試驗的特殊要求，磁浮列車的測點位于距離鋼軌頂面1.5 m處。

圖2 磁浮列車與地鐵列車的車外噪聲頻譜Fig.2 Exterior noise spectrum of maglev train and metro train

當列車運行速度為60 km/h時，地鐵的車外通過噪聲約為80 dB(A)，磁浮的車外通過噪聲約為75 dB(A)。磁浮列車的車外噪聲比地鐵列車低5 dB(A)左右。由圖2可知：磁浮列車的車外噪聲主要在中心頻率為80～1 000 Hz的1/3倍頻帶，且該頻帶磁浮列車的聲壓級明顯低于地鐵列車；地鐵列車的車外噪聲峰值主要在中心頻率為500 Hz和2 000 Hz的1/3倍頻帶，磁浮列車的車外噪聲峰值主要在中心頻率為1 250 Hz的1/3倍頻帶。

文獻[3-4]的研究結果表明，軌道交通車輛在中低速運行時的噪聲源主要為輪軌噪聲，其顯著頻帶為中心頻率為500～2 000 Hz的1/3倍頻帶。但磁浮列車的車外主要噪聲源貢獻尚不明確，故有必要通過試驗與仿真的方法進行深入研究。

2 車外噪聲仿真建模

2.1 理論方法

軌道交通車輛的車外噪聲仿真建模方法很多，包括有限元-邊界元方法、統計能量分析和聲線追蹤法等。其中，聲線追蹤法無論在預測精度還是在計算效率方面都具有獨特的優勢。因此，本文采用聲線追蹤法對磁浮列車的車外噪聲進行建模分析。聲線追蹤法是用聲線來表示點聲源以球面波發射聲波的形式，其原理如圖3所示。

圖3 聲線追蹤法原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of sound ray tracing method

聲線沿直線按聲速朝一定方向傳播。當遇到阻抗與空氣不同的界面時，聲線會發生鏡像反射或擴散反射，在拐角或邊界面頂點處可能伴有衍射現象。當聲線發生反射時，部分聲能被吸收，剩下的聲能由反射聲線攜帶。對于光滑界面，即界面上的起伏比波長尺度小得多，反射服從鏡像反射規律。發生鏡像反射的聲線幅值取決于界面的法向聲阻抗率和聲線的入射角。基于聲線追蹤法建立磁浮列車的車外噪聲模型可以考慮不同區域的聲源特性，以及聲源在傳播過程中與界面發生的相互作用關系。

2.2 模型驗證

根據一列三節編組的中低速磁浮列車實際幾何尺寸，考慮軌道結構，建立磁浮列車的車外噪聲預測模型，如圖4所示。磁浮列車和軌道以實際結構作為幾何邊界，以材料屬性體現結構特征。地面設置為混凝土介質，考慮其吸聲及反射。模型輸入主要聲源激勵包括：受電靴/供電軌系統、空調機組、空壓機、輔助逆變器、牽引逆變器、充電機和懸浮電源。其中：受電靴/供電軌系統為磁浮列車運行時的關鍵噪聲源，通過試驗臺測試獲得60 km/h速度級下，受電靴/供電軌系統的聲壓級；其他聲源為設備噪聲，采用包絡法測試設備以額定功率運轉時的離散點聲壓獲得其聲功率。

圖4 磁浮列車的車外噪聲預測模型Fig.4 Prediction model of maglev train exterior noise

受電靴/供電軌系統聲源和其他各設備聲源的1/3倍頻程頻譜如圖5所示。以點聲源的形式將上述聲源激勵加載到磁浮列車的車外噪聲預測模型中。在距離軌道中心線7.5 m、鋼軌頂面1.5 m處，沿車身縱向布置一系列的聲學場點，計算車外輻射噪聲。當磁浮列車運行速度為60 km/h時，車外噪聲的預測結果與試驗結果對比如圖6所示。由圖6可知，磁浮列車車外噪聲預測結果與試驗結果在頻譜分布規律上基本一致，且吻合度較高，噪聲總值差異在2 dB(A)以內。仿真模型預測結果與試驗結果具有很好的一致性，驗證了預測結果是可信的。

圖5 聲源的1/3倍頻程頻譜Fig.5 1/3 octave spectrum of sound sources

圖6 磁浮列車車外噪聲預測結果與試驗結果對比

3 車外噪聲貢獻分析

基于第2節經過驗證后的磁浮列車車外噪聲預測模型，對磁浮列車車外噪聲貢獻進行分析。

3.1 聲場云圖

在距離軌道中心線7.5 m處，沿車身縱向方向建立垂直于地面的面網格，用于觀察距離軌道中心線7.5 m處的輻射聲場。磁浮列車車外輻射聲場云圖如圖7所示。由圖7可知，當磁浮列車運行速度為60 km/h時，車外噪聲主要表現為車下區域較高，特別是受電靴/供電軌系統所在位置對應的車下區域。由此可知，受電靴/供電軌系統噪聲是磁浮列車車外噪聲的主要噪聲源。

圖7 磁浮列車車外輻射聲場云圖

3.2 頻譜貢獻

為了進一步明確受電靴/供電軌系統噪聲以及其他設備噪聲對磁浮列車車外噪聲的貢獻，依次只考慮一個聲源的激勵加載，計算對比車外噪聲特性。車外噪聲頻譜貢獻如圖8所示。由圖8可知：受電靴/供電軌系統接觸噪聲在中心頻率為200 Hz以上的1/3倍頻帶，且均對車外噪聲呈主要貢獻狀態，這和受電靴/供電軌系統噪聲本身呈現明顯的中高頻特性有關；相對于受電靴/供電軌系統，其他設備噪聲對車外噪聲貢獻較低。在中心頻率為200 Hz以上的1/3倍頻帶，按照聲源貢獻大小排序，依次為空調機組、輔助逆變器、牽引逆變器、懸浮電源及空壓機。充電機主要在低頻部分對車外噪聲有一定貢獻。

圖8 車外噪聲頻譜貢獻Fig.8 Contribution of exterior noise frequency spectrum

4 結語

本文通過線路試驗測試了磁浮列車的車外噪聲，并對比分析了磁浮列車與地鐵列車的車外噪聲特性差異。基于仿真模型，研究了磁浮列車的車外噪聲貢獻。主要獲得以下結論：

1) 當列車運行速度為60 km/h時，磁浮列車的車外噪聲比地鐵列車低5 dB(A)左右；

2) 磁浮列車的車外噪聲主要表現為車下區域較高，受電靴/供電軌系統噪聲是主要噪聲源；

3) 測試數據的1/3倍頻程分析表明，受電靴/供電軌系統接觸噪聲在200～5 000 Hz頻帶對車外噪聲呈主要貢獻；

4) 相對于受電靴/供電軌系統，其他設備噪聲對車外噪聲貢獻較低；

5) 控制磁浮列車的車外噪聲應該重點關注受電靴/供電軌系統的減振降噪設計。