不同速度下列车噪声变化规律研究
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摘 要 通过对车外车体表面和车底转向架区域噪声试验，分析在不同速度下车外车体表面和车底转向架区域噪声变化规律，确定其相互之间的关系。分析车体表面形状对噪声的影响规律，并提出改进措施。分析车内噪声随着速度增加的变化规律，并分析改进车内噪声的方法。
中图分类号 TB535 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）121-0154-03
1 列车车外噪声特性分析
列车车体的三大主要噪声源：轮轨噪声、气动噪声以及弓网噪声。为识别列车的主要噪声源，分析列车运行时的各部位噪声的频谱特性，为降低车内噪声方案提供依据。本文对高速列车车外和车内噪声进行了测试。测试高速列车为8辆编组，两端为拖车头车，车辆编号为1车和8车，其余6节车厢（编号为2～7车）为动车配置。按列车运行速度的不同，分别测试了250 km/h、300 km/h、350 km/h等速度下的各点的声压级，以分析列车在不同运行速度下噪声源的变化情况。
1.1 测点布置
8车作为头车，车头采用光滑流线型，以充分减少列车在高速行驶过程中的空气阻力。列车车底设有空调装置、辅助电源设备等。车外测点位置包括车头流线形外壁及车顶、车窗测点，车底转向架区域测点，车底各设备附近测点等，具体如下。各测点位置示意图如图1所示。
1）车体外表面测点：S1-8——车头侧前方测点；S2-8——车头正前方测点；S3-8——车顶测点；S4-8——车窗外壁测点。
2）车底转向架区域测点：T1-8——车头一位转向架轮轨附近测点；T2-8——车头一位驱动电机附近测点。T3-8——二位转向架轮轨附近测点；
3）车底主要设备附近测点：E1-8——空调进风口处测点；E2-8——辅助电源装置附近测点。
1.2 车底转向架区域噪声特性分析
图2、3为8车车头位置转向架区域测点T1-8、T2-8的声压级频谱图。声压级与列车行驶方向有关，当列车正方向行驶时，即8车为尾车时，空气动力性噪声小，主要噪声源为轮轨噪声，声压级较小；当列车反方向行驶时，即8车为头车，T1-8点空气动力性噪声较大，轮轨噪声也较大，但空气动力性噪声占主导地位。
图4、5为相同行驶条件下，8车转向架区域两点T1-8、T2-8的声压级对比图。当列车正方向行驶时，由于T1-8和T2-8所受的空气动力性噪声很小，两点测出的声压级主要为轮轨噪声，在同一速度下两点声压级频谱特性基本一致。当列车反方向行驶时，由于T1-8点受到较大的空气动力性噪声，声压级明显高于T2-8点。
1.3 车体外表面噪声特性分析
由于列车运行速度大，车体表面会产生较大的空气动力性噪声。车体表面的测点包括车头测点S1-8和S2-8，车顶测点S3-8，车窗测点S4-8。图6、7为8车车头的两个测点，S1-8位于车头挡风玻璃右侧，S2-8在车头挡风玻璃的正前方。正向行驶：300 km/h、350 km/h，反向行驶：310 km/h、330 km/h。
由图6，列车反向行驶时S1-8处的声压级比正方向行驶大，由图7也可以得出相同的结果。这说明列车车头的空气动力性噪声比车尾大得多。同时图中可以发现，列车反方向行驶时，峰值声压级的频率向高频移动，特别是S2-8点，这个现象更明显。这是因为列车正反不同方向行驶时，主要噪声源发生了变化。车头受到的噪声频率较高，而车尾湍流引起的空气动力性噪声的频率较低。
图8、9为8车车窗上的测点S3-8和车顶测点S4-8的声压级频谱图。通过比较可以发现，S3-8点的声压级在列车反方向行驶时略大，声压级频谱曲线的中低频较高，但在高频段，S3-8点的声压级随着列车速度的增加而逐渐增加。S4-8点的声压级随着列车速度的增加而增加，主要取决与列车运行速度，与列车行驶方向没有明显的相关性。
2 高速列车车内噪声特性分析
2.1 测点布置
车厢横断面传声器阵列的布置方式，对车厢内的噪声进行了测试，如图10所示。中心线上下布置2个点，记作A1、A2；顶棚处布置4个测点，记做B1、B2、B3、B4；侧墙处布置3个测点，分别位于车窗上方，车窗中间，车窗下侧墙，分别记做C1、C2、C3；地板上布置3个测点，记做D1、D2、D3。
2.2 车厢内横断面声场分布
8车厢内也测量了两个横断面，记做横断面1和横断面2，其中横断面1位于8车厢靠近车门位置，横断面2位于车厢中部位置。如图11所示。
图12和图13分别为列车350 km/h正、反方向行驶时，8车厢横断面1的声场分布情况。图14和图15分别为列车300 km/h正、反方向行驶时，8车厢横断面2的声场分布情况。
根据横断面1和横断面2的声场分布，以列车靠近地板位置和车顶位置的声压级最大。顶棚的测点中，以B4点的声压级最大。其次为地板处噪声，由于受到轮轨噪声的作用，加上车底辅助设备的影响，使得地板处的声压级也较大。比较列车正反两个方向的声场分布图，可以发现，列车反方向时横断面1和横断面2的噪声比正方向时大。横断面1中，当列车350 km/h反方向行驶时，B4点的声压级比列车以350 km/h正方向行驶时大；横断面2中，当列车300 km/h反方向行驶时，B4点的声压级比列车以300 km/h正方向行驶时大。究其原因，由于8车在列车反方向行驶时作为头车，受到空气动力性噪声大，车厢内的噪声也较大。同时可以看出，车顶和地板是噪声传递的薄弱环节，需要提高车顶和地板的隔声量，特别是对于受电弓区域的横断面，应特别提高受电弓处车顶的隔声量，以减少车外噪声源传递到内部的透射声，从而有效降低车内的噪声。
2.3 车厢内声压级频谱特性
2.3.1 车顶声压级频谱特性分析
横断面1的B2点的声能量主要集中在低频段，峰值特征频率不明显，呈现宽频带特性。总体上来说，横断面1的B2点的声压级较小，而且该点的频谱曲线较为平缓，在250 Hz处没有尖锐的峰值。当列车以350 km/h反方向行驶时，频谱曲线在200 Hz处出现较小的峰值。
2.3.2 地板声压级频谱特性分析
D1点的噪声随着列车行驶速度的增加而增大。横断面1的中的D1在整个低频段，声能量在各频段分布较均匀，峰值声压级不明显。同时声压级也明显低于车厢端部断面的声压级。地板结构的设计中应分别考虑车厢端部断面和车厢中部断面。对于车厢端部断面，在车体结构的设计中应考虑结构在500 Hz以下频段的隔声量（重点是100 Hz～315 Hz频率范围内噪声），尽量提高该频段的隔声量。而对于车厢中部断面，地板的隔声要求相对较低，重点考虑1000 Hz以下频段的隔声量。
3 结论
列车在高速行驶时，根据车厢位置和设备配置差异，不同车厢的噪声源有所不同，但主要噪声源为轮轨噪声、气动噪声。轮轨噪声在800 Hz～1250 Hz处出现特征峰值，声压级随列车速度增加而增加；空气动力性噪声呈现低频率、宽频带的特点，声压级随列车速度增加而迅速增大。高速列车车外噪声都具有高声压级的特点，当列车速度达到或接近350 km/h时，车体表面、车底转向架附近的声压级急剧上升。列车高速行驶时，列车辅助设备噪声相对较小，对车厢噪声的贡献量相对较小。8车作为列车正方向行驶时的尾车和反方向行驶时的头车，车体表面均受到较大的空气动力性噪声，但作为头车运行时受到的空气动力性噪声更大。
高速列车车厢横断面的噪声随着列车行驶速度的增加而增大。横断面1和横断面2位于8车厢中部，受到轮轨噪声影响小，声压级相对较小。8车厢内的噪声与列车行驶方向有关，列车反方向行驶时车厢内的噪声大，其中车顶和地板处的噪声最大。