朱雷威， 郭建強(qiáng)， 趙艷菊， 宋雷鳴

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 青島，266111) (2.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院 北京，100044)

引 言

轉(zhuǎn)向架是高速列車最為重要的部件之一，轉(zhuǎn)向架的各項(xiàng)參數(shù)直接影響著高速列車運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和舒適性。列車高速運(yùn)行時(shí)由于空氣氣體壓力變化引起氣體擾動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，研究表明，高速列車的氣動(dòng)噪聲與列車運(yùn)行速度的六次方成正比，當(dāng)高速列車以超過(guò)一定的速度運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)噪聲將超過(guò)輪軌噪聲成為主要噪聲源。氣動(dòng)噪聲主要來(lái)源于轉(zhuǎn)向架、受電弓、車廂連接處等列車形狀復(fù)雜部位[1-4]，從這些部位入手分析研究高速列車的氣動(dòng)噪聲。

張亞?wèn)|等[5]建立了高速列車轉(zhuǎn)向架空氣動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合采用定常RNG k-ε湍流模型、非定常 LES 大渦模擬方法、寬頻帶噪聲源模型和 Lighthill 聲學(xué)比擬理論來(lái)研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)噪聲的相關(guān)特性，研究結(jié)果得到了轉(zhuǎn)向架各部件的貢獻(xiàn)量大小以及轉(zhuǎn)向架遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲的頻率特性、衰減特性和幅值特性等。李輝等[6]建立了高速列車車廂連接處的簡(jiǎn)化模型，通過(guò)聲類比理論并結(jié)合FLUENT 分析軟件對(duì)車廂連接處的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了相關(guān)分析研究，結(jié)果表明車廂連接處端部的圓滑程度直接影響氣動(dòng)噪聲的大小，端部越圓滑即圓角半徑越大氣動(dòng)噪聲的數(shù)值就越小。朱劍月等[7]分析了高速列車各主要部位氣動(dòng)噪聲的形成機(jī)理，闡述了氣動(dòng)噪聲研究的數(shù)值仿真方法和測(cè)試技術(shù)，并提出了能有效控制高速列車氣動(dòng)噪聲的措施。高陽(yáng)等[8]主要研究了高速列車受電弓氣動(dòng)噪聲的影響，闡述了其產(chǎn)生的機(jī)理和降噪措施，對(duì)CRH3型車的兩種受電弓結(jié)構(gòu)的縮比模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，并分析對(duì)比了受電弓升弓狀態(tài)和降弓狀態(tài)下的氣動(dòng)噪聲特性。Sassa 等[9]通過(guò)試驗(yàn)方法和數(shù)值計(jì)算方法對(duì)高速列車車門處產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了相關(guān)研究。Zhang[10]對(duì)不同運(yùn)行速度下列車的輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲方向性做了相關(guān)研究，提出了一個(gè)垂直偶極子對(duì)模型來(lái)解釋輪軌輻射的相關(guān)特性。安翼等[11]應(yīng)用非線性聲學(xué)求解器和FW-H聲學(xué)比擬法的混合算法，分析研究了高速列車頭型細(xì)長(zhǎng)比對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響，對(duì)在不同運(yùn)行速度下幾種不同頭型細(xì)長(zhǎng)比的CRH380A高速列車頭型模型進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得到了不同的流場(chǎng)特征、氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲。

以上對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲的研究多數(shù)是采用數(shù)值仿真的方法，建立高速列車縮簡(jiǎn)模型作相關(guān)的分析以得到氣動(dòng)噪聲的相關(guān)特性。筆者提出一種將高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域輪軌、結(jié)構(gòu)噪聲與氣動(dòng)噪聲分離的方法，將從高速列車在低速運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得的傳遞函數(shù)代入到高速列車高速運(yùn)行時(shí)求解貢獻(xiàn)量的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)噪聲分離的目的。不同于數(shù)值仿真分析方法，此方法是基于工況下傳遞路徑分析(OTPA)方法和聲壓級(jí)疊加理論實(shí)現(xiàn)的，只需要獲得工況下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)即可快速獲得轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)噪聲對(duì)目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)。

1 工況下傳遞路徑分析理論

OTPA是一種利用多工況下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞路徑定量化分析的方法[12-13]。OTPA方法不需要測(cè)試靜態(tài)下的傳遞函數(shù)矩陣，較傳統(tǒng)傳遞路徑分析(transfer path analysis，簡(jiǎn)稱TPA)方法更為方便，并且能很好地對(duì)低頻噪聲貢獻(xiàn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)[12,14]，因此在軌道車輛噪聲傳遞路徑分析中得到廣泛引用。

通常在測(cè)試過(guò)程中選取n(n>1)個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，測(cè)試m(m≥n)種工況的數(shù)據(jù)，組成一個(gè)m維度的線性方程組，其中第j個(gè)工況數(shù)據(jù)中目標(biāo)點(diǎn)處產(chǎn)生的響應(yīng)為Pj(j=1,2,…,m)，第j個(gè)測(cè)試步中第i個(gè)激勵(lì)處的激勵(lì)信號(hào)為xopji(i=1,2,…,n)，兩者之間的傳遞函數(shù)為hi(i=1,2…,n)，則其矩陣方程[13]為

(1)

其矩陣形式可以簡(jiǎn)化為

P=XH

(2)

由于選取的測(cè)試工況數(shù)m大于等于激勵(lì)源的個(gè)數(shù)n，可以保證激勵(lì)源信號(hào)矩陣的逆矩陣是唯一的。因此在式(2)兩邊同時(shí)乘以X的逆矩陣，即可得到傳遞函數(shù)矩陣H，如式(3)所示

H=X-1P

(3)

在測(cè)試過(guò)程中，不免有干擾噪聲對(duì)激勵(lì)源測(cè)點(diǎn)和目標(biāo)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生影響，甚至各個(gè)激勵(lì)源之間也存在串?dāng)_現(xiàn)象。傳感器布置位置盡量接近測(cè)試激勵(lì)源位置，同時(shí)遠(yuǎn)離其他激勵(lì)源，并對(duì)激勵(lì)源信號(hào)進(jìn)行奇異值分解，能改善干擾和串?dāng)_的影響。

2 轉(zhuǎn)向架區(qū)氣動(dòng)噪聲分離理論

2.1 聲疊加原理

n個(gè)互不相關(guān)的聲源對(duì)空間一點(diǎn)T同時(shí)作用產(chǎn)生的聲壓大小為

(4)

則在T點(diǎn)的聲壓級(jí)大小可通過(guò)式(5)得出

(5)

其中：Pi為第i個(gè)聲源在測(cè)量點(diǎn)T處產(chǎn)生的噪聲聲壓。

假設(shè)轉(zhuǎn)向架區(qū)氣動(dòng)噪聲、輪軌噪聲和設(shè)備噪聲的聲壓級(jí)分別為L(zhǎng)A，LW和LM，這3類噪聲產(chǎn)生的機(jī)理不同，所以這3個(gè)聲源互相獨(dú)立。

按照式(5)聲壓級(jí)相加的計(jì)算方法，在這3個(gè)聲源作用下，轉(zhuǎn)向架區(qū)的總聲壓級(jí)LG為

LG=10log(100.1LA+100.1LW+100.1LM)

(6)

2.2 氣動(dòng)噪聲分離原理

高速列車低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)的噪聲主要是輪軌噪聲和由電機(jī)、軸箱、齒輪箱等動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲，氣動(dòng)噪聲很小，可以忽略不計(jì)。采用高速列車低速下的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算出輪軌噪聲與結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞函數(shù)。隨著列車速度的提升，輪軌噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲的幅值為非線性變化，但其傳遞函數(shù)不隨速度變化而變化。

利用高速下的測(cè)試數(shù)據(jù)(200，250，300，350 km/h)作為激勵(lì)源數(shù)據(jù)，利用低速下的傳遞函數(shù)求出各個(gè)速度下的傳遞路徑貢獻(xiàn)量。該步計(jì)算所得貢獻(xiàn)量為各個(gè)速度級(jí)下轉(zhuǎn)向架區(qū)域輪軌聲和結(jié)構(gòu)聲的貢獻(xiàn)量，將響應(yīng)點(diǎn)OTPA合成值與各個(gè)速度級(jí)下響應(yīng)點(diǎn)的測(cè)試值作比對(duì)，再根據(jù)聲壓級(jí)疊加公式(6)就可分離出高速下的氣動(dòng)聲貢獻(xiàn)。

根據(jù)上述選定的激勵(lì)源以及目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)建立高速列車傳遞路徑分析模型，確定各個(gè)傳遞路徑的貢獻(xiàn)量。傳遞路徑和貢獻(xiàn)量分析的傳遞路徑系統(tǒng)(transfer path system，簡(jiǎn)稱TPS)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖1。

圖1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域傳遞路徑TPS計(jì)算網(wǎng)絡(luò)Fig.1 TPS computing network of transfer path in bogie area

3 氣動(dòng)噪聲分離試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 傳遞路徑分析試驗(yàn)

在對(duì)高速列車的轉(zhuǎn)向架區(qū)進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中，傳感器的布置位置對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的精確性以及后續(xù)傳遞路徑的分析結(jié)果有著很大的影響。激勵(lì)源傳感器的布置要盡量接近測(cè)試的激勵(lì)源位置，同時(shí)保證遠(yuǎn)離其他的激勵(lì)源，通過(guò)傳感器的布置方案來(lái)減小甚至消除激勵(lì)源間和傳遞路徑間的串?dāng)_，保證傳感器測(cè)試信號(hào)能夠真實(shí)有效地反映出被測(cè)試的激勵(lì)源或路徑本身的噪聲振動(dòng)特性。

選定轉(zhuǎn)向架區(qū)域一位端1～4號(hào)位軸箱構(gòu)架、一側(cè)及二側(cè)空簧構(gòu)架、2號(hào)及4號(hào)位輪軌聲作為激勵(lì)源測(cè)點(diǎn)，以一位端一軸噪聲測(cè)點(diǎn)作為目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)，圖2為部分測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖2 部分測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Arrangement of part of measuring points

3.2 主要測(cè)點(diǎn)振動(dòng)噪聲特性分析

在傳遞路徑分析及氣動(dòng)噪聲分離前，需對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行前期分析。分別對(duì)200，250，300及350 km/h勻速工況下選定的激勵(lì)源測(cè)點(diǎn)和目標(biāo)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)的噪聲振動(dòng)特性進(jìn)行初步分析，確定噪聲振動(dòng)分布和變化規(guī)律，為后續(xù)的傳遞路徑分析提供數(shù)據(jù)支撐及指導(dǎo)。

在5～350 km/h速度范圍內(nèi)，構(gòu)架振動(dòng)加速度隨列車運(yùn)行速度的提升呈良好的線性關(guān)系，如圖3所示。這也說(shuō)明從低速到高速，構(gòu)架輻射噪聲傳遞函數(shù)的線性假設(shè)，在誤差允許的范圍[±0.01，±0.08]內(nèi)是成立的。

圖3 構(gòu)架振動(dòng)加速度隨速度增長(zhǎng)趨勢(shì)Fig.3 Bogie frame vibration trend with speed growing

圖4分別給出了列車以350 km/h運(yùn)行時(shí)，一位端構(gòu)架測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)快速傅里葉變換(fast Fourier transform,簡(jiǎn)稱FFT)頻譜數(shù)據(jù)。各點(diǎn)的振動(dòng)能量主要集中在800Hz以下頻段內(nèi)，類似位置的測(cè)點(diǎn)頻譜特性具有較好的一致性，說(shuō)明測(cè)試數(shù)據(jù)能夠代表該區(qū)域的振動(dòng)特性。

圖4 350 km/h速度級(jí)下構(gòu)架振動(dòng)FFT頻譜圖Fig.4 The FFT spectrum of bogie frame vibration under 350 km/h

3.3 氣動(dòng)噪聲分離結(jié)果分析

按照?qǐng)D1的TPS計(jì)算網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行氣動(dòng)噪聲分離及求解各個(gè)激勵(lì)源貢獻(xiàn)量。用高速下(200，250，300，350 km/h)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)，以5 km/h速度下求解出的傳遞函數(shù)作為傳函矩陣，可獲得如圖5所示的計(jì)算結(jié)果。圖中目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)的OTPA合成信號(hào)小于實(shí)測(cè)值，兩者的差值即為氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)量。從頻率特性上分析，在1 kHz以下具有較好的吻合性，1 kHz以上則明顯分離，這與結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量主要集中在1 kHz以下、而氣動(dòng)噪聲峰值出現(xiàn)在1 kHz以上的試驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖5 響應(yīng)點(diǎn)OTPA合成信號(hào)和實(shí)測(cè)信號(hào)Fig.5 The OTPA synthetic signal & measured signal of response points

由式(6)可分離出各速度下氣動(dòng)聲的貢獻(xiàn)量，下面采用兩種方法對(duì)各聲源隨速度增長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)行擬合。

1) 二次多項(xiàng)式法。二次多項(xiàng)式回歸法可以不考慮不同速度級(jí)下占主導(dǎo)地位聲源的差異，得到1條在各速度級(jí)下均適用的擬合曲線。輪軌噪聲源與速度的3次方成正比，氣動(dòng)噪聲源與速度的6次方成正比，這種在速度指數(shù)上的區(qū)別導(dǎo)致低速和高速之間并不是線性回歸的關(guān)系。經(jīng)過(guò)回歸法得到的表達(dá)式[15]為

LAeq,Tp=A+Blg(V/V0)+C[lg(V/V0)]2

(7)

其中：LAeq,Tp為通過(guò)時(shí)間內(nèi)的A計(jì)權(quán)等效聲壓級(jí)(dB(A))；lg(V/V0)為實(shí)際速度與參考速度比值的對(duì)數(shù)；V為列車速度；V0為參考速度；A，B，C為回歸系數(shù)。

按照上述方法，令橫坐標(biāo)x為lg(V/V0)，本研究中V0取測(cè)試的最低速度160 km/h，在轉(zhuǎn)向架區(qū)，構(gòu)架噪聲L1、輪軌噪聲L2、氣動(dòng)噪聲L3及總噪聲Lb的A聲級(jí)隨速度增長(zhǎng)規(guī)律,如圖6和式(8)～(11)所示

圖6 各聲源隨速度增長(zhǎng)的對(duì)數(shù)回歸曲線Fig.6 The logarithmic regression curve of each source with speed growing

L1=7.428 5x2+27.744x+102.53

(8)

L2=67.983x2+9.979 9x+105.89

(9)

L3=60.101x2+25.028x+104.72

(10)

Lb=59.447x2+18.191x+109.38

(11)

2) 分段對(duì)數(shù)回歸法。二次多項(xiàng)式回歸法雖然能夠得到在各個(gè)速度級(jí)均適用的公式，但是不便于觀察不同速度級(jí)下占主導(dǎo)地位的聲源。分段對(duì)數(shù)回歸法得到的公式中，增長(zhǎng)率系數(shù)與聲源特性之間有對(duì)應(yīng)的物理意義，可以據(jù)此判斷不同速度級(jí)下的主要噪聲源。采用分段對(duì)數(shù)回歸法得到的轉(zhuǎn)向架區(qū)總聲壓級(jí)隨速度增長(zhǎng)規(guī)律如式(12)、式(13)及圖7所示。從圖中可知，200 km/h以下速度級(jí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)噪聲隨速度的3次方增長(zhǎng)，以輪軌噪聲為主；300 km/h以上速度級(jí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)噪聲大致隨速度的5次方增長(zhǎng)，以氣動(dòng)噪聲為主。

圖7 各聲源隨速度增長(zhǎng)的對(duì)數(shù)回歸曲線Fig.7 The logarithmic regression curve of each source with speed growing

200 km/h以下速度級(jí)轉(zhuǎn)向架區(qū)總A聲級(jí)L200隨速度增長(zhǎng)規(guī)律為

L200=30.4lgV+41.9

(12)

300 km/h以上速度級(jí)轉(zhuǎn)向架區(qū)總A聲級(jí)L300隨速度增長(zhǎng)規(guī)律為

L300=52.7lgV-12.0

(13)

圖8為列車不同速度級(jí)下各聲源對(duì)總聲壓級(jí)的貢獻(xiàn)量。隨著速度的提升，構(gòu)架聲、輪軌聲與氣動(dòng)聲的聲壓級(jí)均增大。從能量貢獻(xiàn)比例看，氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)量總體呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，而輪軌噪聲和構(gòu)架噪聲的貢獻(xiàn)量逐漸減小。這說(shuō)明氣動(dòng)噪聲逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在200 km/h左右，但即使350 km/h速度級(jí)下，氣動(dòng)噪聲能量比也只占60%，輪軌噪聲的貢獻(xiàn)仍不可忽略。

圖8 各聲源貢獻(xiàn)度Fig.8 The contribution of each source

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者研究了高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)噪聲的分離技術(shù)，利用低速下(5 km/h)列車運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)噪聲小、可忽略的特點(diǎn)，將低速下求解出的傳遞函數(shù)代入到高速下傳遞路徑貢獻(xiàn)量求解過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了高速下轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)噪聲的分離，得到了氣動(dòng)噪聲對(duì)目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)量。結(jié)果表明，隨著速度的提升，氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)量總體呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，而輪軌噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲的貢獻(xiàn)量逐漸減小，氣動(dòng)噪聲逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在200 km/h左右。但即使350 km/h高速運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)噪聲能量比也只占60%，輪軌噪聲的貢獻(xiàn)仍不可忽略。該研究結(jié)論可為高速列車的減振降噪措施及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。