高速列车噪声与速度变化关系分析

袁旻忞Anne Shen 鲁 帆 隋富生

(中国科学院声学研究所 噪声与振动重点实验室 北京 100190)

1 引言

近年来，高速列车在我国得到了飞速发展。随着速度的提升，高铁的噪声振动问题也日益突出。车厢内噪声环境成为人们出行乘车舒适度的一个重要因素。车厢内噪声量级是评价高速列车NVH(Noise，Vibration，Harshness)特性的一个重要指标。对高铁噪声源的识别及其贡献量的确定是高铁声学优化的必要手段。而高铁内部噪声主要的来源是列车的轮轨噪声和气动噪声[1]。

在目前阶段，CRH380B型车的设计时速为380 km/h，这样就为高速列车生产厂家提出了一个困难和挑战:车厢内部噪声，特别是VIP室和司机室的噪声水平已经达到或超过国家标准中规定的噪声量级上限。因此，有必要对车厢内部噪声的声源特性及其贡献量进行试验测试和分析。一旦这些噪声源及其传播途径得到识别和量化，就有可能在列车设计上采取优化改进方法来降低车厢内噪声，提高旅客的乘车舒适度，并能够降低噪声对列车司机的损害。为实现上述要求，针对哈尔滨－大连线路上的CRH380B型列车在多工况实车运行状态下的噪声振动测试研究，得到了我国CRH380B型高速列车车厢内和转向架处不同噪声来源随速度指数变化的规律。

哈大高铁北到哈尔滨，南至大连市，纵跨东北三省。哈大线运营总里程约为921 km，沿线共设哈尔滨西、长春西、沈阳、大连北等24个车站。哈大高铁试运行及开通将采用中国北车制造的CRH380B型高寒动车组列车。为了适应东北恶劣的天气环境下运行，列车本身设计工作环境范围在零下40℃到零上40℃之间，并同时考虑了抗击风、沙、雨、雪、雾等极端天气状况的能力。

气动噪声是高速列车在高速运行中，车体表面的湍流引起的，气动噪声大小取决于列车周围的湍流流场。湍流流场和列车的运行速度、表面的粗糙度等相关。运行速度一定的情况下，车体的流线型设计将决定空气动力噪声的大小。气动噪声在速度较低的时候所占的比重较小，而随着速度的上升，气动噪声增加的非常迅速，速度较高的时候，气动噪声开始占据主导地位。

图1 车厢外测点分布示意图(图中数字为外测点标号)Fig.1 The distribution ofmeasurement points outside

轮轨噪声是高速列车的又一主要噪声源之一。轮轨噪声来自于车轮与轨道的接触撞击，包含了轰鸣、啸叫和摩擦等噪声。车轮和钢轨滚动、摩擦和撞击会带来很大的噪声，轮轨噪声的大小和钢轨表面的粗糙读和弯道等有关，它在较低时速时对车厢内影响最大。但是轮轨噪声随着速度上升的幅度不如气动噪声大，所以当列车时速大于一定程度的时候，气动噪声开始超过轮轨噪声占主导地位。而两者对车厢内噪声级贡献相近的时候，列车的速度可称为过渡速度，也是本文主要讨论的问题。

2 测试方法

CRH380B型车的设计时速超过300 km/h，因此，有必要对车厢内部噪声的声源特性及其贡献量进行试验测试和分析。为实现上述要求，CRH380B型高速列车从四平东至德惠西区间运行上对CRH380B型车做了多工况下实车运行状态下的噪声振动测试研究。测试信号数据记录对应的运行工况包含从200 km到380 km的速度范围。

所有激励源产生的噪声以结构传递或者空气传递两种方式向车厢内部传播。车厢内部主要噪声包括结构传递噪声和空气传递噪声。在车厢外部布置了多个加速度计和传声器，车厢外测点具体的位置如图1和表1所示。车底转向架处传声器布放的位置为8和4，车厢内响应点根据实际情况，布置于车厢内不同位置处，最主要的是布放于车厢中心的位置的传声器，离地板约1.6 m 高。

表1 车外测点分布Table1 Thedistributionofmeasurementpointsoutside

测试时为了保证转向架区域的传声器接受的噪声信号的可靠性，于列车位置4处，试验中安装的传声器采用的是由B＆K公司生产的4948表面传声器，这种传声器被设计成薄片状使得传声器本身可以产生最小的风噪声，通常也被用在飞机飞行或者风洞测试中，保证了信号的有效性。安装效果如图2所示。

图2 传声器4948安装示意图Fig.2 Theinstallationofmicrophone4948

3 测试结果

转向架处声压级与速度下的关系如图3所示。在低速时，有两个比较清晰的峰值存在于频谱之中，一个是在630Hz到1000Hz区间，一个是在2000Hz到2500Hz区间。基于其他研究人员的工作[2]显示根据车轮的大小，轨道的宽度可以得到相关的结论:显示第一个峰是轨道辐射而第二个是典型的轮辐射。在火车车厢中心测量声压级也有相同频率的峰值。由于厂家的要求，在图3～图6中显示相对值，并不影响得到最后的结果。

图3 转向架处噪声与速度关系Fig.3 Therelationbetweennoiselevelandvelocityinbogie

图4 车厢内噪声与速度关系Fig.4 Therelationbetweennoiselevelandvelocityinside

车厢内声压级在各频段上分布的趋势与转向架处并不相同，如图4所示。但是两者的噪声级都随着速度的增加而增加。通过观察不同频段声压随速度增加与速度的关系[2]，可以判断哪些频率段是由空气动力噪声占主导地位，哪些频率段由轮轨噪声占主导地位。转向架处的声压级和车厢内的声压级，它们在低频与高频处分别随速度的变化的趋势不同。通过不同速度下的噪声级，由低速和高速无穷远处做直线对噪声随速度变化的曲线进行逼近，交叉点为过渡速度，可以认为斜率约为轮轨噪声或者气动噪声与速度指数的关系(见图5和图6中的斜直线)。

4 结果及分析

高速列车由本身特点决定了列车辐射噪声与普通列车有所不同。主要体现在噪声源及其辐射强度等方面。高速列车车厢内的噪声来源很多，主要由气动噪声、轮轨噪声、集电系统噪声、建筑物激励噪声和牵引机车动力系统噪声、车厢内部噪声等组成[3]。其中最主要的噪声源为气动噪声和轮轨噪声，这二者占到了总噪声的70%以上[4]，而且随着速度的增加，比重越高。

集电系统噪声、列车周围建筑结构噪声，动力噪声和内部电器噪声等同样会对车厢内部总得噪声级产生一定的影响，列车在高速运行时产生的噪声由以上几种噪声叠加而成。在不同的列车速度和不同的减振降噪措施条件下，上述几种噪声的影响程度并不相同。日本新干线研究表明[4]，通常列车速度在240 km/h以下时，轮轨噪声对车厢内噪声环境的影响较大;约占噪声能量的45%;列车速度在240 km/h以上时，气动噪声对车内噪声环境的影响大幅增大，与轮轨噪声共同成为主要的噪声源，到300 km/h以上时，气动噪声开始占主导地位。当列车运行时，各噪声源对车厢内总噪声级的贡献呈动态变化[4]。列车运行时空气动力噪声与列车速度的6～8次方左右成正比，而轮轨噪声与列车速度的3次方左右成正比[4]。现有的研究表明，通过对火车外部噪声的测量，轮轨噪声和气动噪声的过渡速度在300 km/h左右。一般认为轮轨噪声大约与速度指数3成正比，而气动噪声与速度指数在5或6成之间。DEUFRAKO[6]在研究中提到，转向架区域噪声级增加的速度指数是在4.8，当高于过渡速度时，气动噪声在转向架区域起决定作用。

气动噪声与轨轮噪声相近的速度区域称为过渡速度区。通过速度变化进行数据拟合，转向架处过渡速度区如图5中所示，两条线趋向380 km/h。它们相交点在315 km/h处。线性回归线有不同的斜率前一个对应于速度指数2.5，后者速度指数为6.9。图中橘黄色点表示气动噪声占主导的速度区域的噪声级的平均值，而蓝色点表示轮轨噪声占主导的区域的噪声级平均值。

图5 转向架不同运行速度下噪声变化Fig.5 The noise in bogie at different velocities

由图5可以发现:当速度小于315 km/h时，轮轨噪声要大于空气动力噪声。随着速度的提高，空气动力噪声增加趋势很快，轮轨噪声也有所增加，但增加趋势相比空气动力噪声较缓。当速度达到315 km/h时，两者所占比重几乎相同。随着列车时速的增加，在大于过渡速度区后，总的气动噪声声功率将高于轮轨噪声处。由于空气动力噪声和轮轨噪声的增加，总噪声级增加明显。因此，转向架处我国CRH380B型车常用的气动噪声比轮轨噪声重要的过渡速度是315 km/h。

车厢内声压级随速度变化的趋势通过数据拟合，如图6所示，当车厢内两条线趋向380 km/h时，它们相交点在345 km/h处，也就是列车车厢内的过渡速度为345 km/h。线性回归线有不同的斜率前一个对应于速度指数2.1，后者速度指数为5.3。这是与转向架处不同的。

同文中列举的国外一些测量的数据比较，可以发现我国CRH380型高速列车的过渡速度更高。因为低于过渡速度时，列车轮轨噪声占主导地位，轮轨噪声随速度变化的指数小于气动噪声随速度变化的指数，而本身车轮与钢轨接触振动产生的噪声级是相近的，所以过渡速度高，则总的声功率就相对的小。这也从另一个方面说明了我国高速列车生产厂商在高速列车噪声控制上取得了进步。

图6 车厢内不同运行速度下噪声变化Fig.6 The noise at different velocities inside

5 结论

本文得到了我国高速列车在不同运行速度下车厢内和转向架处噪声变化的特点，分别得到了轮轨噪声、空气动力噪声与速度变化的关系。在哈大线上运行的我国CRH380B型高速列车，为适应我国东北高寒气候的特点，而在生产过程中做了一定的改进。这些改进使得CRH380B型车的过渡速度与原先国外研究的高速列车并不相同。

经过试验测试可知，我国CRH380B高速列车，转向架处轮轨噪声声压级约与列车速度的2.5次方成正比，气动噪声声压级约与列车速度的6.9次方成正比。同时车厢内轮轨噪声声压级约与列车速度2.1次方成正比，气动噪声声压级约与列车速度5.3次方成正比。同时转向架处的过渡速度和车厢内的过渡速度也并不相同，前者是约315 km/h而车厢内大约在345 km/h左右。

通过得到的结论可知我国高速列车的过渡速度比国外高速列车的过渡速度要高，这也反映了我国在CRH380B型列车噪声控制方面取得了一定的成效。

[1]TALOTTE C，GAUTIER F，THOMPSON D J.Identification，modeling and reduction potential of rail way noise sources:a critical survey[J].J.Sound Vib.，267(2003)，447－468.

[2]SHEN A.CRH380B型高速列车噪声与振动测试及研究[D].北京:中国科学院声学研究所，2012.

[3]邢淑梅，刘岩，张晓排.高速列车动车组噪声测试分析[J].噪声与振动控制，2009(3):79－81.XING Suimei，LIU Yan，ZHANG Xiaopai. Noise Test and Analysis of Express Train－Set[J].Noise and Vibration Contral，2009(3):79－81.

[4]THOMPSON D J，JONESC，GAUTIER P－E.Railway Noise and Vibration:Mechanisms，Modeling and Means of Control[M].Netherlands:Elsevier，2008，128－210.

[5]MELLET C，LETOURNEAUX F，POISSON F，etal.High speed train noise emission:Latest investigation of the aerodynamic/rolling noise contribution[J].J.Sound Vib.，2006，293(3):535－546.

[6]MELLET C，LETOURNEAUX F，POISSON F.High speed train noise emission:Latest investigation of the aerodynamic/rolling noise contribution[J].J.Sound Vib.，293(2006)，535－546.