跨座式单轨交通车外噪声源识别试验研究

薛军平,杜子学,谭昌鹏

(1.重庆交通大学机电与车辆工程学院,重庆 400074； 2.重庆交通大学交通运输学院,重庆 400074； 3.北京朗德科技有限公司,北京 100101)

随着城市轨道交通的快速发展，跨座式单轨交通凭借自身独特的优势在城市轨道交通的建设与运营实践中发挥着越来越重要的作用[1-3]。由于跨座式单轨交通采用胶轮和轨道梁作为走行机构，相较于传统的钢轮钢轨城市轨道交通(如地铁、轻轨等)，跨座式单轨列车在各种运行状态(如启动、制动和正线运行等)下的车内外噪声具有辐射能量低、噪声小的特点[4]。但是单轨交通的运行环境条件和线路结构具有特殊性[5]：首先，单轨交通的线路绝大多数采用高架结构，且布置在城市主干道路中央隔离带位置处，与道路交通在垂向空间上呈层叠分布；其次，线路的轨道梁间通过指形板连接，轨道梁以简支形式通过支座与盖梁墩柱相连，结构简单、通透性强，轨道梁连接处的几何和刚度不连续；再则，单轨交通车辆的受流装置、制动装置、走向机构和牵引传动系统均集中布置在车厢底部的转向架构架上，并且走行轮系较多，如图1所示。单轨交通的上述特点决定了其运行车外噪声是城市交通噪声的重要组成部分，而且与城市道路交通噪声形成叠加效应，加剧交通噪声对线路附近区域声环境质量的影响[6]。有关研究表明交通噪声是城市环境噪声的重要噪声源，长期暴露于超标的噪声环境下会对人的身心产生不利影响[7-10]。因此，为控制和降低单轨交通车外噪声，提高其运行品质，当前最重要的前提工作是掌握其主要辐射特征，诸如噪声源的位置、频率成分，主次性等，即需要开展噪声源识别工作。

图1 跨座式单轨交通线路和车辆结构特点

1 声学波束成形法基本原理

声学波束成形方法是基于声阵列测试系统的一种噪声源识别信号处理技术[11-12]。其基本原理是利用声阵列麦克风所测的声音信号，按照声源计算平面上各聚焦网格点的位置，采用延迟求和算法来获得信号源的位置或指向。与声源真实位置一致的聚焦网格点位置输出结果最大，形成“主瓣峰值”，而不同于声源真实位置的聚焦网格点位置，输出结果被衰减，形成“旁瓣”，从而有效识别噪声源，如图2所示。基于平面波假设和线性阵列的经典延迟求和波束形成原理如下。

(1)

(2)

式中，c为声速。

图2 平面波延迟求和波束形成原理示意

波束形成方法在使用中主要有3个性能指标，分别为空间分辨率、截止频率和动态范围。空间分辨率是用来表征能准确区分两个声源间最小距离的能力，它与阵列直径、声源的波长即频率和声源到阵列的距离有关，由瑞利准则并经过简化可得到如下关系式

(3)

式中，θ为阵列张角；α为阵列系数；z为声源到阵列的距离；D为阵列直径；λ为波长。而截止频率由混叠现象引起，是波束形成可准确识别信号的最高频率，其值越高越好，由空间采样定理得出截止频率公式如下

(4)

式中，c为声速；d为阵列麦克风间距；θ为阵列张角。易知，阵列张角θ和传声器间隔d越大，截止频率就越低。动态范围则定义为最大旁瓣相对于主瓣峰值的差值，此性能与阵列的形式相关。由于最大旁瓣会产生鬼影，因此最大旁瓣越小，动态范围越宽，声源定位的精度就越高。

波束形成法适宜中长距离、中高频及大型声源的测量，也可对稳态、瞬态及运动声源进行声源识别。本文基于波束形成方法对跨座式单轨交通列车运行车外噪声源进行识别和分析。

2 试验方案设置

2.1 跨座式单轨交通车辆和轨道

作为本次的试验对象，重庆跨座式单轨交通列车为6辆编组，两车为一单元，动力比为3∶1，每节车厢由2个转向架支撑，每个转向架上安装4条走行轮、4条导向轮和2条稳定轮，车辆编组配置如图3所示。转向架为无揺枕结构的2轴转向架，结构紧凑特殊，分为动力转向架和非动力转向架。转向架通过空气弹簧支撑车体，而列车的牵引传动系统、制动系统和走行机构等通过不同的连接方式固定在转向架构架上[13]，如图4所示。

图3 6辆编组车辆配置

图4 转向架结构

跨座式单轨交通地面线路采用高架结构，轨道为预制预应力混凝土轨道梁(PC梁)，长度22～24 m，采用标准截面(1.5 m×0.85 m宽)。轨道梁间用金属指型板进行连接，并通过金属支座以简支形式固定在桥墩盖梁之上。跨座式单轨交通走行轮在轨道梁上运行，而水平轮分布在轨道两侧起导向和稳定作用。

2.2 试验测试方案

本试验采用的声阵列测试分析系统由环形麦克风阵列、数采设备、校准器和计算机等硬件和软件组成，其中环形麦克风阵列直径为75 cm，沿周向均匀布置48个1/4英寸麦克风，阵列中心安装有高分辨率相机。该系统推荐的声源测试距离为0.5～5 m，相应的频率范围500 Hz～20 kHz，动态范围可达20～40 dB。

根据跨座式单轨交通列车、线路结构特点和试验实际条件，试验分别对列车底部和侧面车外噪声源进行识别，相应的声阵列现场布置如图5所示。试验时阵列平面距离轨道梁底面和侧面约5 m，列车行驶速度约60 km/h，采样频率为192 kHz。

图5 声阵列现场布置

3 测试结果及分析

3.1 列车底部噪声源测试结果及分析

3.1.1 底部噪声频域波束形成噪声源分析

列车运行通过试验位置时，所测底部噪声的频谱图和时频图如图6和图7所示。由图6可知，列车运行时底部辐射噪声频率主要分布在800～2 000 Hz 1/3倍频程范围内，最大的辐射噪声频率为1 250 Hz。从图7可见，在750～1 700 Hz和3 500～7 500 Hz频段内的噪声在时间上不连续，具有冲击特性。为掌握此两频段内噪声源的辐射位置，在上述两个频段范围内分别选取两处噪声较突出的典型时间段(时段1～时段4)，如图7所示，运用频域波束形成方法，对此两类离散冲击噪声进行识别和定位。

图6 列车底部噪声1/3倍频程频谱

图7 列车运行底部噪声时频分析

首先在3 500～7 500 Hz频段内选取的时间段1和时间段2进行噪声源定位，对应的噪声源识别结果如图8所示。

图8 时段1和时段2内的底部噪声源位置

在图8中两时间段内的辐射噪声均来自车厢最底部裙板和轨道梁之间，声源在位置上呈线状离散分布。经过分析得知：两处声源位置均与列车正极受电弓位置相一致，由于单轨交通受电弓与接触网间是刚性接触，列车运行时在轨道不平顺的作用下致使弓网间也产生冲击振动，进而产生冲击噪声。弓网间的冲击振动可有接触网的冲击磨损痕迹得到验证，如图9所示。另外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10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11所示，从3 500 Hz开始，稳定轮近场噪声均大于走行轮和导向轮噪声，此结果是由于稳定轮近场噪声中含有较多弓网噪声而造成的。

图9 接触网受冲击后的痕迹

图10 胎轨近场噪声测试布置

图11 胎轨近场噪声频谱

而对于750～1 700 Hz频段内的噪声源的识别，选取的典型时间段3和时间段4所对应的噪声源识别结果如图12所示。

图12 时段3和时段4内的底部噪声源位置

图12中两个时间段的噪声源均集中的位于车厢最底部裙板中心与轨道梁接触位置附近，此位置处除弓网外，集中的布置了列车的走行轮系，包括走行轮、导向轮和稳定轮，结合考虑此频率范围[14]，可知此频段内的主要声源为胎轨噪声。

3.1.2 底部噪声时域波束形成噪声源分析

对于6节编组的单轨列车来说，其两节车为一个单元，共有3个单元，每个单元的车辆配置基本相同。为避免重复计算和分析工作，在时域波束形成噪声源识别过程中，以Mc2和M3车构成的单元为例，对两车的噪声源进行分析。

Mc2、M3车的时域波束形成噪声源识别结果如图13所示。结果显示：两车的声源(噪声源1～噪声源6)均位于车厢最底部裙板与轨道梁之间，但不同的是Mc2车的噪声源位于轨道梁的内侧，而M3车的噪声源位于轨道梁的外侧。这主要与车辆受电弓的安装位置有关，Mc2车的两个受电弓安装在轨道梁内侧的稳定轮固定支架上，而M3车的两个受电弓则固定在轨道梁外侧的稳定轮支架上，因此，在一定程度上可以说受电弓的布置位置决定了最大噪声源的位置。

图13 Mc2和M3车底部噪声源识别结果

同时对Mc2和M3车识别出的各噪声源(噪声源1～噪声源6)A计权1/3倍频程声压级进行了提取，两车各声源(噪声源1～噪声源6)的声压级频谱曲线总体趋势是一致的，如图14所示。

图14 Mc2和M3车底部各声源1/3倍频程声压级曲线

3.2 列车侧面噪声源测试结果及分析

3.2.1 侧面噪声频域波束形成噪声源分析

列车运行侧面噪声1/3倍频程声压级曲线和时频如图15、图16所示。在图15中由列车运行侧面和底部噪声的对比可知，两者噪声辐射频率特性整体趋势基本一致，800～2 000 Hz频率范围的噪声占主导，最大的辐射噪声频率为1 250 Hz，为胎轨噪声。但是此频段范围内的侧面噪声要高于底部噪声，即胎轨噪声向侧面的辐射要大于底部。

图15 列车运行侧面噪声1/3倍频程频谱

图16 列车运行侧面噪声时频分析

在侧面噪声时频图16中同样选取750～1 700 Hz和3 500～7 500 Hz两个频段内的典型时间段1和时间段2进行频域波束形成噪声源识别，如图17所示。时段1在3 500～7 500 Hz频段内的噪声源沿接触网离散的分布在弓网接触附近，这与列车底部噪声在该频段噪声源位置分布一致，主要噪声为弓网噪声；而时段2在750～1 700 Hz频段内的噪声源则集中分布于车厢最底部裙板与轨道梁接触位置的两侧，此位置是单轨列车走行轮系集中布置位置，由于车厢及裙板的隔声作用，致使此频段的胎轨噪声向裙板的两侧和底部辐射。

图17 时段1和时段2内的侧面噪声源位置

图18 Mc2和M3车侧面噪声源识别结果

3.2.2 侧面噪声时域波束形成噪声源分析

Mc2和M3车侧面噪声时域波束形成噪声源识别结果如图18所示，两车的声源(噪声源1～噪声源3)主要分布在车厢最底部裙板与轨道接触的两侧附近。两车各声源的1/3倍频程声压级曲线如图19所示，各噪声源(噪声源1～噪声源3)的频率分布特性基本相同，主导频段为800～2 000 Hz，为胎轨噪声。

图19 Mc2和M3车侧面各声源1/3倍频程声压级曲线

4 结论

基于跨座式单轨交通线路和车辆结构特点，运用时频波束形成噪声源识别方法，对运行列车底部和侧面车外噪声展开试验研究。主要结论如下。

(1)运行列车车外噪声源主要位于车厢最底部裙板与轨道梁接触区域附近，对于每节车辆而言，最大噪声源则通常出现于安装有受电弓的裙板位置附近。

(2)500 Hz以上的噪声源主要由胎轨噪声和弓网噪声构成，两者均为不连续的冲击噪声。胎轨噪声主要分布在800～2 000 Hz频率范围内，最大噪声频率为1 250 Hz，较集中地从车厢最底部裙板与轨道梁接触区域向外辐射；而弓网噪声则沿轨道梁方向呈线状离散地分布在弓网接触区域，由于该噪声辐射频段处于人耳较敏感的高频段，其降噪控制应给予重视。

(3)由于受试验条件和测试系统性能的限制，本次试验无法针对低于500 Hz的列车运行噪声进行识别分析，应是以后研究关注的重点。