袁旻忞Anne Shen 魯 帆 隋富生

(中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

1 引言

近年來，高速列車在我國得到了飛速發(fā)展。隨著速度的提升，高鐵的噪聲振動(dòng)問題也日益突出。車廂內(nèi)噪聲環(huán)境成為人們出行乘車舒適度的一個(gè)重要因素。車廂內(nèi)噪聲量級(jí)是評(píng)價(jià)高速列車NVH(Noise，Vibration，Harshness)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)高鐵噪聲源的識(shí)別及其貢獻(xiàn)量的確定是高鐵聲學(xué)優(yōu)化的必要手段。而高鐵內(nèi)部噪聲主要的來源是列車的輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲[1]。

在目前階段，CRH380B型車的設(shè)計(jì)時(shí)速為380 km/h，這樣就為高速列車生產(chǎn)廠家提出了一個(gè)困難和挑戰(zhàn):車廂內(nèi)部噪聲，特別是VIP室和司機(jī)室的噪聲水平已經(jīng)達(dá)到或超過國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的噪聲量級(jí)上限。因此，有必要對(duì)車廂內(nèi)部噪聲的聲源特性及其貢獻(xiàn)量進(jìn)行試驗(yàn)測試和分析。一旦這些噪聲源及其傳播途徑得到識(shí)別和量化，就有可能在列車設(shè)計(jì)上采取優(yōu)化改進(jìn)方法來降低車廂內(nèi)噪聲，提高旅客的乘車舒適度，并能夠降低噪聲對(duì)列車司機(jī)的損害。為實(shí)現(xiàn)上述要求，針對(duì)哈爾濱－大連線路上的CRH380B型列車在多工況實(shí)車運(yùn)行狀態(tài)下的噪聲振動(dòng)測試研究，得到了我國CRH380B型高速列車車廂內(nèi)和轉(zhuǎn)向架處不同噪聲來源隨速度指數(shù)變化的規(guī)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(yùn)營總里程約為921 km，沿線共設(shè)哈爾濱西、長春西、沈陽、大連北等24個(gè)車站。哈大高鐵試運(yùn)行及開通將采用中國北車制造的CRH380B型高寒動(dòng)車組列車。為了適應(yīng)東北惡劣的天氣環(huán)境下運(yùn)行，列車本身設(shè)計(jì)工作環(huán)境范圍在零下40℃到零上40℃之間，并同時(shí)考慮了抗擊風(fēng)、沙、雨、雪、霧等極端天氣狀況的能力。

氣動(dòng)噪聲是高速列車在高速運(yùn)行中，車體表面的湍流引起的，氣動(dòng)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(yùn)行速度、表面的粗糙度等相關(guān)。運(yùn)行速度一定的情況下，車體的流線型設(shè)計(jì)將決定空氣動(dòng)力噪聲的大小。氣動(dòng)噪聲在速度較低的時(shí)候所占的比重較小，而隨著速度的上升，氣動(dòng)噪聲增加的非常迅速，速度較高的時(shí)候，氣動(dòng)噪聲開始占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖1 車廂外測點(diǎn)分布示意圖(圖中數(shù)字為外測點(diǎn)標(biāo)號(hào))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(dòng)、摩擦和撞擊會(huì)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(guān)，它在較低時(shí)速時(shí)對(duì)車廂內(nèi)影響最大。但是輪軌噪聲隨著速度上升的幅度不如氣動(dòng)噪聲大，所以當(dāng)列車時(shí)速大于一定程度的時(shí)候，氣動(dòng)噪聲開始超過輪軌噪聲占主導(dǎo)地位。而兩者對(duì)車廂內(nèi)噪聲級(jí)貢獻(xiàn)相近的時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)速超過300 km/h，因此，有必要對(duì)車廂內(nèi)部噪聲的聲源特性及其貢獻(xiàn)量進(jìn)行試驗(yàn)測試和分析。為實(shí)現(xiàn)上述要求，CRH380B型高速列車從四平東至德惠西區(qū)間運(yùn)行上對(duì)CRH380B型車做了多工況下實(shí)車運(yùn)行狀態(tài)下的噪聲振動(dòng)測試研究。測試信號(hào)數(shù)據(jù)記錄對(duì)應(yīng)的運(yùn)行工況包含從200 km到380 km的速度范圍。

所有激勵(lì)源產(chǎn)生的噪聲以結(jié)構(gòu)傳遞或者空氣傳遞兩種方式向車廂內(nèi)部傳播。車廂內(nèi)部主要噪聲包括結(jié)構(gòu)傳遞噪聲和空氣傳遞噪聲。在車廂外部布置了多個(gè)加速度計(jì)和傳聲器，車廂外測點(diǎn)具體的位置如圖1和表1所示。車底轉(zhuǎn)向架處傳聲器布放的位置為8和4，車廂內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況，布置于車廂內(nèi)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(diǎn)分布Table1 Thedistributionofmeasurementpointsoutside

測試時(shí)為了保證轉(zhuǎn)向架區(qū)域的傳聲器接受的噪聲信號(hào)的可靠性，于列車位置4處，試驗(yàn)中安裝的傳聲器采用的是由B＆K公司生產(chǎn)的4948表面?zhèn)髀暺?，這種傳聲器被設(shè)計(jì)成薄片狀使得傳聲器本身可以產(chǎn)生最小的風(fēng)噪聲，通常也被用在飛機(jī)飛行或者風(fēng)洞測試中，保證了信號(hào)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(jié)果

轉(zhuǎn)向架處聲壓級(jí)與速度下的關(guān)系如圖3所示。在低速時(shí)，有兩個(gè)比較清晰的峰值存在于頻譜之中，一個(gè)是在630Hz到1000Hz區(qū)間，一個(gè)是在2000Hz到2500Hz區(qū)間?；谄渌芯咳藛T的工作[2]顯示根據(jù)車輪的大小，軌道的寬度可以得到相關(guān)的結(jié)論:顯示第一個(gè)峰是軌道輻射而第二個(gè)是典型的輪輻射。在火車車廂中心測量聲壓級(jí)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(duì)值，并不影響得到最后的結(jié)果。

圖3 轉(zhuǎn)向架處噪聲與速度關(guān)系Fig.3 Therelationbetweennoiselevelandvelocityinbogie

圖4 車廂內(nèi)噪聲與速度關(guān)系Fig.4 Therelationbetweennoiselevelandvelocityinside

車廂內(nèi)聲壓級(jí)在各頻段上分布的趨勢與轉(zhuǎn)向架處并不相同，如圖4所示。但是兩者的噪聲級(jí)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(guān)系[2]，可以判斷哪些頻率段是由空氣動(dòng)力噪聲占主導(dǎo)地位，哪些頻率段由輪軌噪聲占主導(dǎo)地位。轉(zhuǎn)向架處的聲壓級(jí)和車廂內(nèi)的聲壓級(jí)，它們?cè)诘皖l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(jí)，由低速和高速無窮遠(yuǎn)處做直線對(duì)噪聲隨速度變化的曲線進(jìn)行逼近，交叉點(diǎn)為過渡速度，可以認(rèn)為斜率約為輪軌噪聲或者氣動(dòng)噪聲與速度指數(shù)的關(guān)系(見圖5和圖6中的斜直線)。

4 結(jié)果及分析

高速列車由本身特點(diǎn)決定了列車輻射噪聲與普通列車有所不同。主要體現(xiàn)在噪聲源及其輻射強(qiáng)度等方面。高速列車車廂內(nèi)的噪聲來源很多，主要由氣動(dòng)噪聲、輪軌噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、建筑物激勵(lì)噪聲和牽引機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)噪聲、車廂內(nèi)部噪聲等組成[3]。其中最主要的噪聲源為氣動(dòng)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(tǒng)噪聲、列車周圍建筑結(jié)構(gòu)噪聲，動(dòng)力噪聲和內(nèi)部電器噪聲等同樣會(huì)對(duì)車廂內(nèi)部總得噪聲級(jí)產(chǎn)生一定的影響，列車在高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)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(shí)，輪軌噪聲對(duì)車廂內(nèi)噪聲環(huán)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(shí)，氣動(dòng)噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲環(huán)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(shí)，氣動(dòng)噪聲開始占主導(dǎo)地位。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，各噪聲源對(duì)車廂內(nèi)總噪聲級(jí)的貢獻(xiàn)呈動(dòng)態(tài)變化[4]。列車運(yùn)行時(shí)空氣動(dòng)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(xiàn)有的研究表明，通過對(duì)火車外部噪聲的測量，輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲的過渡速度在300 km/h左右。一般認(rèn)為輪軌噪聲大約與速度指數(shù)3成正比，而氣動(dòng)噪聲與速度指數(shù)在5或6成之間。DEUFRAKO[6]在研究中提到，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲級(jí)增加的速度指數(shù)是在4.8，當(dāng)高于過渡速度時(shí)，氣動(dòng)噪聲在轉(zhuǎn)向架區(qū)域起決定作用。

氣動(dòng)噪聲與軌輪噪聲相近的速度區(qū)域稱為過渡速度區(qū)。通過速度變化進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，轉(zhuǎn)向架處過渡速度區(qū)如圖5中所示，兩條線趨向380 km/h。它們相交點(diǎn)在315 km/h處。線性回歸線有不同的斜率前一個(gè)對(duì)應(yīng)于速度指數(shù)2.5，后者速度指數(shù)為6.9。圖中橘黃色點(diǎn)表示氣動(dòng)噪聲占主導(dǎo)的速度區(qū)域的噪聲級(jí)的平均值，而藍(lán)色點(diǎn)表示輪軌噪聲占主導(dǎo)的區(qū)域的噪聲級(jí)平均值。

圖5 轉(zhuǎn)向架不同運(yùn)行速度下噪聲變化Fig.5 The noise in bogie at different velocities

由圖5可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)速度小于315 km/h時(shí)，輪軌噪聲要大于空氣動(dòng)力噪聲。隨著速度的提高，空氣動(dòng)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(dòng)力噪聲較緩。當(dāng)速度達(dá)到315 km/h時(shí)，兩者所占比重幾乎相同。隨著列車時(shí)速的增加，在大于過渡速度區(qū)后，總的氣動(dòng)噪聲聲功率將高于輪軌噪聲處。由于空氣動(dòng)力噪聲和輪軌噪聲的增加，總噪聲級(jí)增加明顯。因此，轉(zhuǎn)向架處我國CRH380B型車常用的氣動(dòng)噪聲比輪軌噪聲重要的過渡速度是315 km/h。

車廂內(nèi)聲壓級(jí)隨速度變化的趨勢通過數(shù)據(jù)擬合，如圖6所示，當(dāng)車廂內(nèi)兩條線趨向380 km/h時(shí)，它們相交點(diǎn)在345 km/h處，也就是列車車廂內(nèi)的過渡速度為345 km/h。線性回歸線有不同的斜率前一個(gè)對(duì)應(yīng)于速度指數(shù)2.1，后者速度指數(shù)為5.3。這是與轉(zhuǎn)向架處不同的。

同文中列舉的國外一些測量的數(shù)據(jù)比較，可以發(fā)現(xiàn)我國CRH380型高速列車的過渡速度更高。因?yàn)榈陀谶^渡速度時(shí)，列車輪軌噪聲占主導(dǎo)地位，輪軌噪聲隨速度變化的指數(shù)小于氣動(dòng)噪聲隨速度變化的指數(shù)，而本身車輪與鋼軌接觸振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲級(jí)是相近的，所以過渡速度高，則總的聲功率就相對(duì)的小。這也從另一個(gè)方面說明了我國高速列車生產(chǎn)廠商在高速列車噪聲控制上取得了進(jìn)步。

圖6 車廂內(nèi)不同運(yùn)行速度下噪聲變化Fig.6 The noise at different velocities inside

5 結(jié)論

本文得到了我國高速列車在不同運(yùn)行速度下車廂內(nèi)和轉(zhuǎn)向架處噪聲變化的特點(diǎn)，分別得到了輪軌噪聲、空氣動(dòng)力噪聲與速度變化的關(guān)系。在哈大線上運(yùn)行的我國CRH380B型高速列車，為適應(yīng)我國東北高寒氣候的特點(diǎn)，而在生產(chǎn)過程中做了一定的改進(jìn)。這些改進(jìn)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(jīng)過試驗(yàn)測試可知，我國CRH380B高速列車，轉(zhuǎn)向架處輪軌噪聲聲壓級(jí)約與列車速度的2.5次方成正比，氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)約與列車速度的6.9次方成正比。同時(shí)車廂內(nèi)輪軌噪聲聲壓級(jí)約與列車速度2.1次方成正比，氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)約與列車速度5.3次方成正比。同時(shí)轉(zhuǎn)向架處的過渡速度和車廂內(nèi)的過渡速度也并不相同，前者是約315 km/h而車廂內(nèi)大約在345 km/h左右。

通過得到的結(jié)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。

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