地铁列车辐射噪声及车外声场分布特性研究.pdf

创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期地铁列车辐射噪声及车外声场分布特性研究李付姝玉，李帅，胡基贵，张弛（中车南京浦镇车辆有限公司，南京 210031）目前，越来越多的城市开始修建地铁，地铁运输给市民生活带来了极大便利，很大程度上解决了城市交通拥堵问题。地铁顾名思义，是在地下隧道内运行的一种轨道交通工具。但是，受到我国复杂地形条件限制，仍有大量的地铁车辆运行在明线上，这就导致车辆在运行过程中所产生的辐射噪声给沿线居民的正常生活带来干扰。并且随着运行速度的提高及运行线路的增多，此问题变得越发严重，也对中国轨道交通领域的发展产生了一定的负面影响。因此，有关该问题的研究成为现阶段轨道交通行业的重点研究课题1-5。在近几年的轨交行业发展中，车辆辐射噪声方面的问题受到多方关注，专业人士对该领域开展了大量研究。何宾等6-7基于现场测试数据，对国内高速列车车外噪声特性进行了详细研究，并建立了高速列车车外噪声预测模型，模型考虑了多普勒效应、噪声传播路径和噪声传播过程中的声衰减。孙召进等8对某型高速列车通过相关噪声频谱特性开展一系列数据研究，结果表明，其通过噪声的频率成分较复杂，在 5005 000 Hz这个宽频频率范围内更为显著。谭晓明等9研究了速度为200350 km/h 的某型高速列车的辐射噪声，研究表明，轮轨噪声主要产生于转向架区域，而受电弓、风挡及车头部区域主要是气动噪声。伍向阳10研究了我国某型动车组在时速 380 km/h 的运行条件下噪声源频谱特性及其贡献量。最终结果表明，列车下部贡献量最大。朱妍妍等11在其研究过程中，对北京市某地铁产生的辐射噪声特性进行了一系列分析。曲云腾12在研究过程中对国内机车车辆辐射噪声标准进行了一系列深度分析，并与国外该领域中制定的相关标准开展比第一作者简介：李付姝玉（1991-），女，工程师，工业设计师。研究方向为工业设计。摘要：地铁车辆在运行过程中的辐射噪声给沿线居民的正常生活带来干扰。并且随着运行速度的提高及运行线路的增多，此问题变得越发严重，在一定程度上对我国轨道交通行业的发展产生消极影响。该文以某型地铁为主要研究对象，通过构建车辆辐射噪声预测模型，分析其辐射噪声特性及车外噪声声场分布特性。分析表明，车外噪声集中在车身下部，并且车外总体噪声声场分布和轮轨噪声声场分布较接近，这是轮轨噪声占主要因素导致的。列车运行时，空调噪声并不起主导作用。该文研究成果对轨道车辆减振降噪有一定的指导意义。关键词：地铁；辐射噪声；轮轨激励；几何声线法；减振降噪中图分类号院U270.1+6文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0023-05Abstract:The radiated noise of subway vehicles in the course of operation interferes with the normal life of the residentsalong the line.And with the improvement of operating speed and the increase of operating lines,this problem becomes more andmore serious,which has a negative impact on the development of Chinas rail transit industry to a certain extent.In this paper,taking a certain type of subway as the main research object,the prediction model of vehicle radiated noise is constructed,and thecharacteristics of radiated noise and the distribution of noise field outside the vehicle are analyzed.The analysis shows that theout-of-vehicle noise is concentrated in the lower part of the car body,and the overall noise field distribution outside the vehicleis relatively close to that of wheel-rail noise,which is caused by the main factor of wheel-rail noise.When the train is running,the air conditioning noise does not play a leading role.The research results of this paper have a certain guiding significance forvibration and noise reduction of rail vehicles.Keywords:subway;radiated noise;wheel-rail excitation;geometric sound method;vibration and noise reductionDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.00623-2023 年 25 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application较，提出了改进的措施。本文以某型地铁车辆作为主要分析对象，通过构建对应的预测模型，分析辐射噪声特性与车外声场分布特性。1地铁车辆噪声源特性概述地铁车辆的辐射噪声声源主要为轮轨噪声和辅助设备噪声。地铁处于不同的运行状况下，起到主要作用的噪声源不同。在车辆处于静置状态下，噪声源主要来源于辅助设备噪声；在车辆处于运行状态下，主要的噪声源与其具体的运行速度有密切关联，当车辆运行速度控制在 35120 km/h 时，其辐射噪声以轮轨噪声为主，辅助设备噪声为辅。如图 1 所示。图 1地铁噪声源分布图表 1 给出了地铁车辆以 60 km/h 的速度匀速运行时，其辐射噪声的声源声功率级参数的频谱分布特性。表 1车辆以 60 km/h 速度运行时声源声功率级参数空气声源参考值1/3倍频程中心频率63 Hz125 Hz250 Hz500 Hz1 000 Hz2 000 Hz4 000 Hz轮轨噪声20 Pa54.6 dB（A）65.8 dB（A）83.2 dB（A）88.3 dB（A）84.2 dB（A）84.8 dB（A）78.6 dB（A）空调机组1 pW54.2 dB（A）64.1 dB（A）71.1 dB（A）77.1 dB（A）80.1 dB（A）79.1 dB（A）73.1 dB（A）空压机20 Pa68.7 dB（A）68.7 dB（A）70.9 dB（A）73.1 dB（A）82.4 dB（A）70.4 dB（A）66 dB（A）牵引电机20 Pa38.2 dB（A）52.4 dB（A）59.1 dB（A）62.4 dB（A）67.1 dB（A）65.7 dB（A）58.3 dB（A）蓄电池20 Pa58.8 dB（A）64.5 dB（A）65.5 dB（A）74.8 dB（A）68.4 dB（A）63.1 dB（A）60.2 dB（A）2计算模型基于几何声线法，以 LMS Virtual Lab Acoustics软件为仿真计算平台，建立某型地铁车辆辐射噪声预测分析模型，研究其辐射噪声特性及车辆外部噪声的声场分布特性。声线法是利用经典射线声学理论求解出“本征声线”，并且用其迅速描述声场的方法。该方法的优势是简洁、直接，尤其是在大型几何声学的解答场景中，均有相对较多的运用。在几何声学之中，采用声线的概念代替波的概念。声线沿着直线，维持环境声速朝特定方向传播。若是遭遇阻抗与空气不同的界面时，其会出现镜像、反射或扩散反射的现象，在拐角或边界面顶点位置或许会产生衍射。当声线出现反射的情况时，部分声能被吸收，残留的声能则会被反射声线所携带。当处在光滑界面时，也就是界面起伏相较于波长尺度要小得多，反射则遵循镜像反射的规律。发生镜像反射的声线幅值取决于界面的法向声阻抗率和声线的入射角。当界面出现阻抗不均的情况，或界面不平整，并且出现的起伏尺度及对应对波长比对不可忽略时，声线在该界面则会出现扩散反射。当前阶段有许多模型能够说明声线扩散反射规律，朗伯余弦定律的扩散反射是使用频率相对较高的方式。如图 2 所示。图 3 给出了基于几何声学法的车辆辐射噪声预测模型。使用表1 中所给的实际参数，计算车辆处于80 km/h 匀速状态下，实际产生的辐射噪声。图 2朗伯余弦定律扩散反射渊a冤视图 1渊b冤视图 2图 3匀速状态下车外噪声预测模型3车辆辐射噪声特性图 4 给出了车辆以 60 km/h 匀速运行时，与车辆之间的距离为 7.5 m，与钢轨顶面之间的距离为 1.2 m与 3.5 m 位置开展噪声预测工作。根据图像可以看出，列车以 60 km/h 通过时，距离轨道中心线7.5 m 远，钢24-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期轨顶面 1.2 m 高处的等效连续 A 声级为 79.0 dB（A）；距离轨道中心线 7.5 m 远，钢轨顶面 3.5 m 高处的等效连续A 声级为 79.1 dB（A）。渊a冤钢轨顶面 1.2 m 高渊b冤钢轨顶面 3.5 m 高图 5车外运行噪声倍频程频谱图 5 为地铁实际运行速度维持在 60 km/h 时，车外等效连续 A 声级的倍频程频谱。根据图像可以得出，列车60 km/h 运行时，距离轨道中心线 7.5 m 远、钢轨顶面1.2 m 高测点等效连续 A 声级的频谱能量主要集中在中心频率 2503 150 Hz 的倍频带。该区间中统计得出的声压级最高的频带为中心频率 400 Hz 的倍频带，声压级的具体参数为 72.7 dB（A）。距离轨道中心线 7.5 m 远、钢轨顶面 3.5 m 高测点等效连续 A 声级的频谱能量位于 2503 150 Hz 的倍频带。该区间中统计得出的声压级最高的频带为中心频率 400 Hz 的倍频带，声压级的具体参数为77.2 dB（A）。4车外噪声声场分布特性由上文分析可知，地铁列车在运行时会向环境辐射噪声，其主要噪声源为轮轨噪声，同时辅助设备也会产生一定的噪声。本节重点研究列车运行时，车外总体噪声声场分布特性及各个声源辐射噪声声场分布特性。图 6 给出了列车以 60 km/h 匀速运行时的车外总体噪声声场分布特性。图 7 给出了列车以 60 km/h 匀速运行时，各个声源辐射噪声声场分布特性。其中，图7（a）为轮轨噪声声场分布特性，图 7（b）为空调噪声声场分布特性。频率/Hz频率/Hz10 dB（A）400 Hz，72.7 dB（A）60 km/h-D7.5H1.290807060504030631252505001 000 2 000 4 00010 dB（A）400 Hz，77.2 dB（A）60 km/h-D7.5H3.590807060504030631252505001 000 2 000 4 000车辆行进距离坐标/m7.5 m 远，1.2 m 高7.5 m 远，3.5 m 高8580757065-20020406080100120140160图 4车外运行噪声预测结果渊60 km/h冤25-2023 年 25 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application由图 6 可知，当列车以 60 km/h 匀速运行时，车外噪声集中在下部，结合图 7（a）轮轨噪声声场分布特性可以看出，车外总体噪声声场分布和轮轨噪声声场分布比较接近，这是轮轨噪声占主要因素导致的。而对比图 7（b）空调噪声声场分布特性可知，列车运行时，空调噪声并不起主导作用。5结论本文以某型地铁车辆作为主要研究对象，通过构建车辆辐射噪声预测模型，分析相关的辐射噪声特性与车外噪声声场分布特性，得到以下结论。1）列车在自由声场内，以 60 km/h 运行时，距离轨道中心线 7.5 m 远，钢轨顶面 1.2 m 和 3.5 m 高处的等效连续 A 声级分别为 79.0 dB（A）和 79.1 dB（A）。2）从频谱上来看，噪声能量主要集中在2503150Hz图 6车外总体噪声声场分布渊a冤轮轨噪声声场分布99.7893.4687.1480.8274.5168.1961.8755.5549.24声压级/dB（A）74.3666.4858.6050.7242.8434.9727.0919.2111.33声压级/dB（A）声压级/dB（A）99.7788.7277.6666.6155.5544.5033.4422.3911.33渊b冤空调噪声声场分布图 7典型声源噪声声场分布渊下转 32 页冤26-2023 年 25 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application8结束语本文所研究的基于人工智能的汽车驾驶员精神状态监测系统采用了一种有效的低成本方案，既可实现对驾驶员精神状态情况的检测和结果处理，采用不同的报警等级提醒驾驶员，也可以依据具体情况采用强制发动机无法启动和强制发动机熄火等措施，涉及监测面广，与不同结果相对应的措施也较为全面，更有效地保障驾驶员及乘客的安全。驾驶员精神状态检测系统通过采取提示音提醒驾驶员和禁止车辆行驶的方式，来减少道路交通两大杀手酒驾、疲劳驾驶的事故发生率，可以从根本上减少酒后驾驶、疲劳驾驶行为，对于社会安全、人民生命财产的捍卫有一定的积极效果，有利于社会稳定和人民的幸福生活。但要彻底根除酒后驾驶、疲劳驾驶等危险驾驶行为，还需要国家及社会的大力宣传和教育，提高安全驾驶在人们心中的地位，安全、美好和健康的生活，才是我们每个人所向往的生活。参考文献院1 商讯.公安部交管局：截至 2022 年 9 月底，全国汽车保有量达3.15亿辆，其中新能源汽车占比 3.65%J.商用汽车，2022（10）：7.2 孙丽璐，赵辉.我国交通事故损失影响因素及地区特征分析基于全国 31 个省市自治区 20042015 年面板数据J.西南大学学报（自然科学版），2019，41（8）：114-123.3MACLEAN W.Sleep and Driving J.Handbook of BehavioralNeuroscience，2019（30）：611-622.4孙恩民.一种基于单片机的汽车驾驶员酒驾检测系统J.汽车实用技术，2018（17）：179-181.5马召宾.融合眼部特征及头部姿态的实时疲劳驾驶检测技术研究D.济南：山东大学，2016.6石衫衫.基于驾驶员状态监测的多场景驾驶稳定性判定D.秦皇岛：燕山大学，2021.的倍频带。其中，声压级最高的频带为中心频率400Hz的倍频带，声压级为 77.2 dB（A）。3）车外噪声集中在车身下部，并且车外总体噪声声场分布和轮轨噪声声场分布相比更接近，这是因为主导因素为轮轨噪声。列车运行时，空调噪声并不是主导因素。参考文献院1 沈志云.高速列车的动态环境及其技术的根本特点J.铁道学报，2006（4）：1-5.2 JIN X S.Key problems faced in high-speed train operationJ.Journal of Zhejiang University-SCIENCE A（Applied Physics&Engineering），2014，15（12）：936-945.3 PARK B，JEON J Y，SUNGHOON C，et al.Short-termnoise annoyance assessment in passenger compartments ofhigh-speed trains under sudden variationJ.Applied A原coustics，2015，97：46-53.4 SOETA Y，SHIMOKURA R.Survey of interior noise charac原teristics in various types of trainsJ.Applied Acoustics，2013，74（10）：1160-1166.5 EADE P W，HARDY A E J.Railway vehicle internal noiseJ.Journal of Sound and Vibration，1977，51（3）：403-415.6 何宾.高速列车车外噪声分布特征及车轮阻尼控制措施初步探讨D.成都：西南交通大学，2011.7 HE B，XIAO X B，ZHOU Q，et al.Investigation into ex原ternal noise of a high-speed train at different speeds J.Journal of Zhejiang University-SCIENCE A，2014，15（12）：1019-1033.8 孙召进，郭建强，葛剑敏.高速列车“通过噪声”的测试分析J.声学技术，2014，33（2）：159-162.9 谭晓明，杨志刚，吴晓龙，等.CIT500 车外噪声源频谱分解模型的试验研究J.铁道学报，2017，39（7）：32-37.10 伍向阳.京沪高速铁路声源识别技术研究D.北京：中国铁道科学研究院，2011.11 朱妍妍，段传波，柳至和.城市地铁车辆辐射噪声特性C/2022 全国环境声学学术会议论文集，2012：294-295.12 曲云腾.铁路机车车辆辐射噪声标准对比分析研究J.铁路节能环保与安全卫生，2017，7（1）：13-16.渊上接 26 页冤32-