跨座式单轨交通列车运行车外噪声试验与分析*

2021-11-19薛军平杜子学文孝霞

铁道机车车辆 2021年5期

薛军平，杜子学，文孝霞

（1 重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074；2 重庆交通大学轨道交通研究院，重庆 400074）

跨座式单轨交通作为一种轻型、中速、可实现小、中、大运力的轨道交通制式，凭借其自身独特的优势，如造价低、占地少、周期短、景观影响小等，在城市轨道交通应用和建设实践中发挥着越来越重要的作用，已成为当今城市轨道交通的重要组成形式之一［1］。作为一种交通工具，其在运行过程中也会产生交通噪声。与传统钢轮钢轨城市轨道交通相比，跨坐式单轨交通的走行机理、线路敷设结构和运行环境条件具有独特性［2］，如图1 所示。其运行噪声辐射特性也具有自身的特点，具体表现在以下几个方面：

图1 跨座式单轨交通线路特点

（1）跨座式单轨交通采用橡胶轮胎与轨道梁作为走行机构，其轮轨辐射噪声能量将以中低频为主。

（2）跨座式单轨交通绝大部分线路采用高架结构设置在城区主干道中央位置处，列车运行噪声会与道路交通噪声形成叠加效应，加大对线路声环境的影响。

（3）轨道梁以简支形式通过支座与盖梁墩柱连接，结构简单，且无声屏障降噪措施，易使列车运行噪声向线路两侧直接辐射，扩散强。

（4）轨道梁间通过金属指型板进行连接，连接处接触几何和刚度不连续，车辆运行时会产生冲击噪声。

上述特点的分析表明跨座式单轨交通列车运行噪声将是城市交通噪声的重要组成部分。当前，城市环境噪声已成为一个公共健康问题，经常暴露于超标的噪声环境下对人的身心健康会产生负面影响，不仅易引起人的烦恼情绪，影响人的正常工作和生活，而且会造成听力损伤，增加患心血管等疾病的风险［3-4］。相关研究表明跨座式单轨交通线路沿线区域声环境质量严重超标，周围居民遭受较严重的噪声干扰［5］。为减少跨座式单轨交通列车运行噪声对周围环境的影响，采取有效的优化降噪措施提高其运行品质势在必行。而对噪声源的识别和分析则是降噪控制的前提，因此对其开展研究非常必要。

1 试验分析原理

试验分析中主要采用小波时频分析方法，小波变换技术是继傅里叶和短时傅里叶变换技术之后于80 年代后期发展起来的一种信号处理方法，它非常适合对非平稳或瞬态信号进行时频分析，可以较准确地获得信号在时频域内的局部信息。小波变换的定义和特性如下［6］：

（1）函数x（t）在任一尺度a和平移τ下的小波变换系数，反映的是在τ时间处，时窗aΔt内包含在中心频率ω0/a、带宽为Δω0/a频段内频率分量的大小。当尺度a取不同值时，对应的时窗、中心频率和带宽也不同。因此小波变换是一种可以实现变分辨率的时频分析方法，分析效果如图2 所示。

图2 小波分析时频特性

（2）根据小波基函数本身所具有的特点，在频域内其可以看作是一组带通滤波器，当尺度a取不同值时，各小波基的中心频率和带宽也会发生改变，但其中心频率和带宽的比值—品质因数Q=ω0/Δω0却不会发生改变，这与人耳对声音的感知特性相一致，较适合于对声音信号的特征提取和分析。

2 试验方案设置

2.1 测点布置

考虑到试验时的安全性和实际条件的限制，测点设置在线路侧道路的路肩处，如图3 所示，在测点处布置麦克风传感器M，距地面高度1.5 m。由于受线路高程和城市道路宽度变化的影响，因此不同试验场点的麦克风到轨道梁中心线水平距离以及到轨顶面的垂直高度是不断改变的。其中参数L表示测试麦克风到轨道梁中心线水平距离，H则是轨道梁顶面距测点地面的垂直高度。

图3 噪声测试麦克风布置

2.2 测试工况

为系统掌握跨座式单轨交通噪声源组成和辐射特性，以重庆轨道交通3 号线为对象，开展多工况的现场试验测试。列车典型的运行工况包括平直线路行驶、曲线线路行驶、进出站行驶以及坡度线路行驶。试验前选择各试验工况典型的试验场点，其对应关系见表1。平直线路工况选择4 个场点S1～S4，坡度线路、进出站和上下坡度行驶工况各选择1 个场点，分别为S5、S6 和S7。其中进出站和上下坡度行驶试验工况分别在场点的线路两侧进行，直线线路和曲线行驶试验工况在场点线路一侧进行。

表1 试验工况及场点

2.3 试验参数设置

试验采样频率为32 768 Hz，为带宽的2.56 倍，频率分辨率为1 Hz，重叠率为67%，采用A 计权，时间计权常数为125 ms。测试时无明显异常环境噪声，测试数据噪声高于背景噪声不少于10 dB（A）。麦克风传感器设置有防风罩，试验时保持天气良好，无雨。并记录各场点的天气条件，温度范围为21～37 ℃，湿度在38.5%～74% 范围内，风速小于3 m/s。

3 噪声源识别分析

根据跨座式单轨交通的构造和运营特点，其噪声主要由胎轨噪声、牵引电机噪声、弓网噪声、齿轮传动噪声、结构辐射噪声以及辅助设备噪声等构成。而噪声源的辐射特性随车辆状态、运行速度和线路条件等工况的不同而发生变化，因此在噪声源的识别和分析过程中，应选择正确合理的试验顺序和分析方法。

3.1 进出站工况

通常情况下，跨座式单轨列车进站时主要通过电机的电气制动使车速逐渐降低，而出站时则依靠电机的牵引力使车速逐渐升高［7］。试验时列车通过测点的运行速度约在50～10 km/h 范围内，由于运行速度较低，此时段其胎轨噪声、弓网噪声等将会减弱，而电机噪声将变得突出。试验所测噪声小波时频分析结果如图4 所示。

图4（a）、图4（b）分别为列车进站、出站时噪声测试分析结果，制动过程约在11～15 s 时段内，加速过程约在6～10 s 时段内，列车制动和加速过程的主要噪声频率均分布在500～800 Hz 1/3 倍频程范围内，且在630 Hz 1/3 倍频程频率处噪声最大。通过专业人员对时域数据的回放试听，可初步确认此噪声为电机噪声，而相关电机噪声研究结果表明其噪声峰值频率约为800 Hz，这与本研究结果是相吻合的［8-9］。为对结果作进一步的验证，对30 km/h 匀速行驶列车主要部件的振动数据进行了分析，结果显示电机的振动是最大的。在此以电机和齿轮箱振动测试数据为例进行分析，电机壳体和齿轮箱壳体振动测点如图5 所示，进出站噪声和振动测点的频谱如图6 所示。

图4 进出站噪声小波分析

图5 电机和齿轮箱壳体振动测点

由图6 可知，电机和齿轮箱壳体振动峰值1/3倍频程频率为630 Hz，且位于噪声峰值频带内，噪声和振动是相关的。但由于电机的振动远大于齿轮箱的振动，由此可知列车进出站时的噪声由电机产生。

图6 列车进出站噪声和振动测点频谱

3.2 坡度工况

坡度工况试验在线路坡度为4.8% 的场点S7进行，此工况下测试噪声小波时频分析结果如图7所示。图7（a）为列车下坡运行工况的时频图，图中存在2 个明显的噪声频带，分别对应的1/3 倍频程频率范围约500～800 Hz 和1 000～1 600 Hz。根据列车进出站工况对电机噪声的分析可知，500～800 Hz 频带的噪声源为电机。此工况电机噪声之所以突出主要是由于列车行驶速度已达最高运营速度75 km/h，为控制稳定车速电机制动有效作用的结果。而对于1 000～1 600 Hz 频带的噪声，通过对噪声实施滤波回放试听确认为胎轨噪声，可以根据胎轨近场噪声数据进行验证。验证试验时列车运行速度为70 km/h，胎轨噪声近场麦克风的布置如图8 所示，该工况远场噪声与稳定轮近场噪声频谱的对比如图9 所示。图9 中稳定轮近场胎轨噪声的主要频率成分在1 000～2 000 Hz 1/3 倍频程频率范围内，这与远场噪声1 000～1 600 Hz 频带是吻合的。

图9 该试验远场和稳定轮近场噪声频谱

对于上坡工况由于列车行驶速度小于下坡行驶速度，其电机噪声和胎轨噪声均小于下坡工况，但是在2 000 Hz 以上却存在一些无规律的中高频频率成分。该频率范围内的噪声较下坡工况明显，如图7（b）所示，其主要是由于列车行驶中弓网产生冲击振动所致，经确认该噪声为弓网噪声，这也可以由胎轨近场噪声频谱对比得以印证。跨座式单轨列车的受电弓安装在固定稳定轮的转向架框架上，距离稳定轮较近，如图8 所示，因此稳定轮近场噪声中含有较大成分的弓网噪声。走行轮、导向轮和稳定轮近场噪声频谱如图10 所示，图中从2 000 Hz 开始，稳定轮近场噪声均大于走行轮和导向轮近场噪声，此现象就是由弓网噪声产生的。

图7 坡度工况噪声小波分析

图8 胎近场噪声麦克风布置

图10 胎轨近场噪声频谱

3.3 平直线路工况

如表1 中参数所示，平直线路工况时列车在场点S1、S2、S3、S4 的运行速度是逐渐升高的，电机噪声（500～800 Hz）、胎轨噪声（1 000～1 600 Hz）和弓网噪声（2 000～6 300 Hz）也在逐渐升高，如图11 所示。但是在图11（b）中，场点S2 的弓网噪声（1 800～6 000 Hz）较其他场点略高，主要是由于该段线路弓网接触状态较差引起的。另外从图11（c）和11（d）中可以看到，列车运行时的胎轨噪声持续时间较长，因此跨座式单轨交通的胎轨噪声相对于电机噪声和弓网噪声具有辐射远、衰减慢的特性。