动车组噪声控制技术-声源构成及分析

根据国内外铁路噪声测试经验，高速动车组噪声主要由轮轨噪声、集电系统噪声（牵引系统噪声）、空气动力噪声以及高架结构噪声组成。

将高速动车组声源特征与基于高速动车组系统动力学理论的轮轨耦合关系、流固耦合关系、弓网耦合关系和车线桥耦合关系相结合，高速动车组噪声问题机理如图1-5所示。

不同车辆状态起主导作用的噪声源是不同的。对于静止状态，主要的噪声源是辅助设备噪声；对于运行状态，起主导作用的噪声源与行车速度有关。轮轨滚动噪声、牵引噪声和空气动力噪声作为铁路噪声的主要成分，它们与列车运行速度的关系如图1-6所示。

按照牵引噪声、轮轨噪声和空气动力噪声占主导所对应的列车运行速度范围，可以将其分为三个区段，两个不同区段转变的列车运行速度称之为声学转变速度，即图中V_t1和V_t2。在车辆运行速度低于35km/h的情况下，车辆运行总辐射噪声主要由牵引噪声、辅助设备噪声和轮轨噪声三部分组成，其中牵引噪声起主导作用。随着列车运行速度的提高，牵引噪声和轮轨噪声逐渐增大，且轮轨噪声的比重逐渐变大。而辅助设备噪声则几乎不随列车运行速度的变化而变化。当列车速度大于35km/h而小于250km/h时，轮轨噪声是总辐射噪声的主导成分。

图1-5 高速动车组噪声机理框图

图1-6 不同噪声成分随列车运行速度变化的关系

V—速度 V_ref—相对速度

轮轨噪声包括轮轨滚动噪声、冲击噪声和曲线啸叫。轮轨滚动噪声是由于轮轨表面粗糙度激发车轮、钢轨和轨枕结构振动，并通过周围空气向外传播而产生的。典型的轮轨噪声频谱分析如图1-7所示。

低于500Hz，轮轨滚动噪声主要来自轨枕贡献，在500～1600Hz频率范围区段，主要来自钢轨贡献，大于1600Hz频率，主要来自车轮贡献。冲击噪声是由车轮或钢轨表面的局部不连续性激励轮轨系统而产生的。这种局部不连续性主要表现为钢轨的轨缝、不平坦的钢轨接头、车轮和钢轨表面较大的剥离掉块、局部擦伤等。曲线啸叫是当车辆在小半径曲线线路上运行时，由于轮轨之间发生黏滑振动而产生的强烈窄带噪声，具有显著的高频纯音特性。一般情况下，对高速铁路而言，轮轨噪声主要体现为轮轨滚动噪声。(www.xing528.com)

图1-7 轮轨噪声频谱分析

空气动力噪声的主要来源是在高速动车组表面上的装置和某些特殊结构相应的特定部位。不同位置的空气动力噪声，其产生机理也不相同。大致可归纳为以下两大类。

（1）气流流经结构部件表面产生的噪声 气流流经结构部件表面产生的噪声的来源包括：受电弓及其附属系统、车顶天线、车辆连接处、空调通风设备格栅、转向架等。该类气动噪声的机理是车体突出部位、车辆连接处、空调通风设备格栅周围引起空气流紊乱，进而形成周期性的涡旋脱落而产生噪声。在高速动车组的转向架处会产生较明显的气动噪声，尤其是在头车前转向架部位，气流非常复杂，包含大量冲击气流、流体排除和循环区域。

（2）湍流流动产生的噪声 湍流流动产生气动噪声的来源包括：车身表面、头车和尾车。随着高速动车组的速度不断提升，这种噪声越来越显著甚至起主导作用。车身表面、车窗、车门和车体侧门之间的凹凸不平会在车体表面形成湍流边界层，产生气流噪声，而且车身表面湍流流动会对车体形成波动的载荷，使其强迫振动，进而使车身结构产生振动声辐射，对车内噪声产生较大影响。由于头车车头附近有很多集中的表面形状变化，另外沿表面的气流较大，从而导致在该处产生剧烈的空气湍流并形成噪声，其噪声频谱呈连续分布特征。此区域气流沿表面速度高、流量大，致使列车头部噪声明显增大。而列车尾流不单对行车安全和周边环境产生影响，还会产生尾流气动噪声。高速动车组尾流气动噪声相对其他气动声源所产生的不利影响要小，但作为高速动车组气动噪声来源之一，须在设计阶段给予相应的重视。

牵引噪声为辅助设备噪声的统称，主要包括牵引电动机、齿轮箱、空调系统、牵引变压器、牵引变流器、辅助变流器、车载电源、风缸、废排系统等辅助设备在工作状态下的噪声。辅助设备噪声主要影响高速动车组静置状态下的车内外噪声，列车运行速度变化对其影响不大，基本可视作稳态声源。

所有车外噪声源均会对车内噪声形成激励输入，在一定条件下形成显著贡献声源。高速动车组车内声场环境非常复杂，声源众多，按形成车内声源的激励能量传播路径，大致可分为三种类型：直达声、透射声和振动辐射声，如图1-8所示。

图1-8 高速动车组车内噪声源

直达声是从噪声源发出，以空气为媒介，从车窗、车门的缝隙和排风口等直接传播到车内的声音。透射声指的是透过车身结构传到车内的声音。振动辐射声为固体传播声，包括一次固体传播噪声和二次固体传播噪声。一次固体传播噪声主要是轮轨、车辆机械系统引起的振动，振动能量通过固体结构和悬挂系统传到车体内壁，引起车体内壁振动，进而辐射噪声。二次固体传播噪声是噪声源的声能量激发车体内壁，引起车体内壁振动，进而辐射噪声。