曾江紅 黃 鵬

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011； 2.江蘇中車數(shù)字科技有限公司 江蘇 南京 210031)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，尤其是中大城市地鐵車輛的高速增長，極大地改善了城市擁堵問題[1-2]，促進了當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)升級和經(jīng)濟快速發(fā)展。與此同時，地鐵乘客及沿線居民的噪聲投訴也越發(fā)頻繁，噪聲問題已經(jīng)成為制約地鐵車輛發(fā)展以及提升其市場競爭力的重要因素，而輪軌噪聲是地鐵車輛的重要噪聲源。彈性車輪在輪箍和輪心之間嵌入橡膠元件，具有減振降噪的作用[3-4]，下文通過自主搭建的噪聲測試裝置，對自主設(shè)計的某型地鐵彈性車輪與剛性車輪降噪效果進行試驗對比，驗證地鐵彈性車輪在地鐵車輛降噪方面的優(yōu)勢[5-8]，一方面為解決或者減緩地鐵車輛噪聲提供一種思路，另一方面也為彈性車輪在地鐵車輛上的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 噪聲試驗方案

測試對象為直徑840 mm的地鐵彈性車輪和剛性車輪，通過在近自由聲場的測試環(huán)境條件下，分別對車輪的徑向和軸向通過小球錘擊激勵，測試各個傳聲器的聲壓隨時間變化的趨勢，得到噪聲的等效聲壓級和衰減率。噪聲試驗裝置主要包括傳聲器、多通道噪聲測試采集儀、計算機軟件。

1.1 噪聲試驗原理

噪聲測試采集的物理量是聲壓的模擬信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化得到聲壓的數(shù)字信號，作為結(jié)果數(shù)據(jù)處理的原始數(shù)據(jù)。

1.1.1衰減率測試原理

將衰減率定義為聲壓級在被試對象受到錘擊激勵時刻開始，至聲壓級恢復(fù)至背景噪聲時刻結(jié)束的時間差，單位為s，其中聲壓級符號為Lp，單位為dB。衰減率是反應(yīng)噪聲衰減快慢的指標(biāo)，其表達(dá)式如下：

φ=tend-t0

(1)

式中：φ為衰減率；tend為聲壓恢復(fù)至背景噪聲時刻；t0為錘擊開始，聲壓開始紀(jì)錄時刻。

1.1.2等效聲級測試原理

根據(jù)GB/T 3947—1996標(biāo)準(zhǔn)，在評定脈沖隨時間變化的不穩(wěn)定噪聲時，采用一段時間內(nèi)的能量平均的方法表示噪聲大小，稱為連續(xù)等效聲壓級，用符號Leq表示，等效連續(xù)A計權(quán)聲壓級用LAeq,T表示，單位為dB。本文所述的等效聲級特指等效連續(xù)A計權(quán)聲壓級，其表達(dá)式見式(2)：

(2)

式中：T為規(guī)定的測量時間段，T=t2-t1，單位為s，這里的時間段取T=φ；pA(t)為A計權(quán)瞬時聲壓，單位為Pa；p0為基準(zhǔn)聲壓，p0=20 μPa。

1.2 試驗方案

噪聲測試選擇在半夜環(huán)境噪聲影響較小的空曠試驗車間進行，近似模擬自由場，被試車輪通過吊裝帶保持自由懸吊狀態(tài)，激勵采用金屬小球，小球通過一個固定工裝連接，可以在工裝的軸上繞著軸線沿平面擺動，控制小球每次的起落位置一致，保證每次小球撞擊激勵基本一致，每次試驗至少得到3組有效數(shù)據(jù)。

1.2.1徑向激勵噪聲

被試車輪懸吊，保持其軸線距地面高800 mm，金屬小球從車輪徑向方向做圓弧擺動，撞擊被試車輪的踏面，撞擊點高度與車輪軸線等高，金屬小球直徑選取為50 mm。

分別在徑向和軸向兩側(cè)各布置1個測量的傳聲器，徑向距離車輪滾動圓最近點500 mm，軸向距車輪輪箍兩側(cè)側(cè)面800 mm。傳聲器和小球激勵點具體位置如圖1所示。

圖1 傳聲器測點和激勵位置

其中，聲源在徑向激勵時，徑向測點1是近聲源點，徑向測點3是遠(yuǎn)聲源點，軸向測點2和軸向測點4是軸向測點。

1.2.2軸向激勵噪聲

車輪懸吊位置和方式與徑向激勵完全一致，僅在小球激勵位置有所不同，軸向激勵小球撞擊位置為輪箍背面，具體位置如圖1所示。

其中，聲源在軸向激勵時，徑向測點3和軸向測點4是近聲源點，徑向測點1和軸向測點2是遠(yuǎn)聲源點。

2 噪聲試驗測試數(shù)據(jù)及處理

通過多次重復(fù)試驗，確保所測結(jié)果的一致性將多次重復(fù)測試得到的時域聲壓值進行均值處理，得到徑向激勵和軸向激勵下彈性車輪與剛性車輪的噪聲特性。

2.1 徑向激勵結(jié)果對比

從測試結(jié)果看各個測點的時域特性趨勢均接近，對于彈性車輪測點，在受到小球徑向激勵時在1.5 s量級左右快速衰減到背景噪聲聲壓級；而對于剛性車輪，則在6 s量級左右衰減到背景噪聲聲壓級，因此在文中僅展示一個測點的時域結(jié)果進行描述，其他結(jié)果如表1所示(下同)，圖2為徑向激勵下徑向測點1的噪聲聲壓級時域結(jié)果，等效聲級為時間段的積分結(jié)果，計算值如表1所示。

圖2 徑向激勵下噪聲聲壓級時域特性

表1 徑向激勵下彈性車輪與剛性車輪噪聲結(jié)果對比

從圖2可以看出聲源在徑向激勵作用下，彈性車輪的衰減要比剛性車輪快。

從表1可知，聲徑向激勵作用下，彈性車輪徑向測點平均衰減率為1.50 s，軸向測點的平均衰減率為1.70 s，平均衰減率為1.60 s；剛性車輪徑向測點平均衰減率為6.00 s，軸向測點的平均衰減率為6.50 s，平均衰減率為6.25 s；徑向和軸向測點的衰減率最小差值分別為4.50 s和4.85 s。即在徑向激勵下，彈性車輪的噪聲衰減最少要快4.5 s，并且對于徑向激勵而言，彈性車輪和剛性車輪都呈現(xiàn)出徑向比軸向衰減略快的特征。

在徑向聲源激勵下，彈性車輪的等效聲級值比剛性車輪小，彈性車輪4個測點的平均等效聲級為81.5 dB，剛性車輪的平均等效聲級為92.4 dB，等效聲級最小降幅為5.1 dB。

徑向激勵主要對應(yīng)車輪直線運動時的輪軌作用，從結(jié)果上看彈性車輪之間的橡膠塊在徑向具有較明顯的降噪效果。

2.2 軸向激勵結(jié)果對比

圖3為軸向激勵下徑向測點4的噪聲聲壓級時域特性結(jié)果，等效聲級的計算結(jié)果如表2所示。

圖3 軸向激勵下噪聲聲壓級時域特性

表2 軸向激勵下彈性車輪與剛性車輪噪聲結(jié)果對比

從圖3可以看出聲源在軸向激勵作用下，彈性車輪比剛性車輪衰減快。

從表2可知，聲源在軸向激勵作用下，彈性車輪徑向測點平均衰減率為2.43 s，軸向測點的平均衰減率為2.43 s；剛性車輪徑向測點平均衰減率為16.26 s，軸向測點的平均衰減率為16.25 s，徑向和軸向測點的衰減率最小差值分別為13.78 s和13.80 s。即在軸向激勵下，彈性車輪的噪聲衰減至少快13.78 s。

在聲源軸向激勵作用下，彈性車輪的等效聲級比剛性車輪小，彈性車輪的平均等效聲級為79.8 dB，剛性車輪的平均等效聲級為84.7 dB。徑向測點的最小降幅為2.2 dB，軸向測點的最小降幅為2.6 dB。

軸向激勵對應(yīng)車輪曲線或者過道岔時的輪軌作用，從結(jié)果上看彈性車輪在軸向上也有一定的降噪效果。

3 結(jié)論

通過對彈性車輪和剛性車輪在4個測試位置的噪聲對比試驗得到以下結(jié)論：

(1)在噪聲激勵作用下，彈性車輪的衰減比剛性車輪快；在徑向激勵下，彈性車輪和剛性車輪的平均衰減率分別為1.60 s和6.50 s，彈性車輪衰減率最少快4.50 s；在軸向激勵下，彈性車輪和剛性車輪的平均衰減率分別為2.43 s和16.26 s；軸向激勵下彈性車輪衰減率最少快13.78 s。

(2)在噪聲激勵作用下，彈性車輪的等效聲級比剛性車輪?。辉趶较蚣钕?，彈性車輪平均等效聲級為81.5 dB，剛性車輪平均等效聲級為92.4 dB，徑向激勵下彈性車輪等效聲級最少小5.1 dB；在軸向激勵下，彈性車輪平均等效聲級為79.8 dB，剛性車輪徑平均等效聲級為84.7 dB；軸向激勵下彈性車輪最少小2.2 dB。