EMU6车外受电弓噪声源特征试验研究

吴晓龙，杨志刚，谭晓明,李晓芳，刘慧芳

(中南大学 交通运输工程学院 轨道交通安全教育部重点实验室，长沙 410075)

高速铁路的快速发展所带来的环境问题，尤其是噪声问题日益严重[1]，我国CRH系列高速列车车内外噪声均达不到欧盟铁路噪声标准，这直接影响中国高速列车走向世界的战略计划，噪声的综合治理问题亟需解决[2–4]。实验和数值方法是声学优化研究的重要手段[5]。然而目前数值仿真技术仍然难以满足全尺寸声学仿真的需求[6]；模型实验则根据主要噪声源分布将车体拆分进行，不能准确考虑整车问题[7–10]；实车试验虽然成本高，但是能够提供可靠的整车参考数据，因此实车试验是一必不可少的研究手段。

试验数据表明，当高速列车以300 km/h速度运行时，气动噪声源能量约占总噪声源能量的一半；当速度为350 km/h时，气动噪声源的能量占比接近60%[11]。随着列车运行速度的进一步提高，气动噪声将超过机械噪声成为主要噪声源。受电弓区域是气动噪声的直接来源之一，近年来，对高速列车受电弓气动噪声数值仿真研究逐渐成为一个热点，然而相关数值技术难以直接涉及复杂声源区域，实验研究不可或缺。

适用于消声/非消声风洞、内外空间的各种声源成像技术[12–13]属于航空声学及水声学领域的研究热点，该技术使声源的直接研究成为可能。经过阵列设计优化、后处理算法改进[14–16]等，相控声阵列成像分辨率和精度均得到较大提高，其最大旁瓣水平低于-10 dB，可以适用于高速列车车外噪声源的识别研究[17–18]。该相控阵列算法尤其对噪声源明显亮区且旁瓣少的噪声源区域识别效果最佳，因此对受电弓识别结果可靠性强。

本文采用相控声阵列技术，试验研究EMU6试验列车在250 km/h～350 km/h速度级的外部受电弓噪声源特性，分析受电弓区域气动噪声源的频谱特性。本文的研究有助于对高速列车受电弓区域噪声源结构和发声机理的深入认识，为高速列车声学性能的改善提供技术支撑。

1 试验数据采集

采用相控声阵列测试技术测试车外噪声源。测试原理如下：当列车通过声阵列位置时，利用触发装置控制声阵列上的所有传声器同步连续采集通过噪声，通过对各个传声器噪声结果的分时段相位比对（互谱等算法），得到列车不同位置的噪声分布，具体如下图1所示。

图1 相控声阵列测试原理图

此次试验采用了B&K公司的11支杆轮式相控声阵列系统，能较好地抑制旁瓣。

2 试验研究对象

本文试验对象列车为8车编组，受电弓位于3车右端部和6车左端部，且受电弓的分布形式完全对称。因此，当3车升弓，1车为拖车的情况下为“前车升弓”；当6车升弓，8车为拖车的情况下同样为“前车升弓”。因此列车运行时受电弓的工况只需要考虑两种工况：“前车升弓”和“后车升弓”。

图2所示受电弓是升弓状态，本文试验对象列车的受电弓是一普遍且典型受电弓类型，受电弓框架系双层单臂结构。

图2 受电弓升弓状态试验图

3 受电弓区域分析方法

3.1 NNLS波束形成算法

通过阵列上的麦克风得到声音信号的时域数据，并利用传统的波束形成算法（DAS）计算初始声源图像。然后将时域数据转换为频域数据可以得到波束形成输出B。非负最小二乘(Non-negative least squares,NNLS)后处理算法是在传统波束形成算法（DAS）输出结果B与声源大小q之间通过阵列点传播函数矩阵A建立差函数φ，如公式（1）所示。其中表示2范数，通过差分函数最小化来反解q。常采用梯度投影法求解NNLS问题。

NNLS算法是基于不相干声源模型假设，也能够较好地分辨出相干声源信号，是目前综合性能较好的后处理波束形成算法。经过多次后处理迭代计算，迭代次数从200次变为300次时，收敛速度迅速增加，到300步时，几乎完全收敛。

3.2 受电弓区域划分

通过相控声阵列测试技术得到噪声源识别云图如下图3所示。

显然，该云图对应的列车工况为：1车为拖车，6车升弓，3车降弓，受电弓升弓状态为“后车升弓”。

图3所示，受电弓区域是除了转向架区域外最明显的噪声源区域。升弓区域的噪声源明显大于降弓区域。为了得到最为合适的受电弓计算区域，以受电弓区域声源最大点（云图显示最亮点）为中心进行矩形区域包裹，矩形长根据受电弓尺寸取6 m，高度大小变化，矩形最小区域面积为13.8 m2，得到不同区域面积大小所对应的受电弓区域计算声功率级值，如表1所示。

图3 列车噪声源识别云图

表1 受电弓计算区域面积的收敛特性表

计算区域面积大于15 m2，受电弓区域的声功率级值稳定在114.2 dB；计算面积超过16.8 m2，声功率级值继续增大，这是由于计算区域包裹到车体部分。因此，受电弓区域面积选取15 m2最为合适。

4 试验结果分析

4.1 噪声源强度特性

4.1.1 速度依赖规律

本文主要计算对比了250 km/h～350 km/h时速下，列车“前车升弓”工况下和“后车升弓”工况下的受电弓区域的声功率级大小，并用线性方程拟合不同速度下的声功率级曲线，如图4所示。

图4中横坐标为以10为底的车速的对数值，纵坐标为受电弓区域声功率级值。图中拟合的红色实线符合下式（2）的描述

公式（2）中a表示拟合系数。线性方程分析受电弓区域的声功率级随车速的变化规律，得到：“前车升弓”工况下，升弓区域的拟合系数为50.5，降弓区域的拟合系数为34.1；“后车升弓”工况下，升弓区域的拟合系数为45.0，降弓区域的拟合系数为50.1。这与经验中气动噪声与车速的4～6次方成正比相符合，即受电弓区域的噪声表现为气动噪声。对比两种不同工况下的拟合系数，前车受电弓区域的拟合系数大于后车受电弓区域。根据整车车顶的流场结构，湍流边界层从前向后是不断发展得。两种升弓形式的受流方式不同，“前车升弓”为“闭口”方式，“后车升弓”为“开口”方式。综合影响使得“前车升弓”工况下声功率级随速度变化更为明显。

4.1.2 升弓方式影响规律

在250 km/h，300 km/h和330 km/h时速下对比升弓受电弓的不同工况“前车升弓”与“后车升弓”差异性。表2所示为受电弓在两种不同工况下的受电弓区域的声功率级大小。

表2 不同工况下受电弓区域声功率级大小

如表2所示，可以得出结论：当时速超过250 km/h，同一速度级下“后车升弓”工况下受电弓区域的声功率级要比“前车升弓”工况下的声功率级高出约1 dB。受电弓区域为升弓区域与降弓区域的代数和。“前车升弓”与“后车升弓”的声功率级强度不同的原因是两种形式表面湍流边界层发展不同。该结果可以作为一基准数据更进一步地验证仿真数据结果，对受电弓的降噪设计也具有指导作用。

图4 车外受电弓区域声功率级值随车速的变化曲线

4.2 噪声源频谱特性

4.2.1 频谱能量占比分析

挑选3个典型速度级，分析不同速度级下受电弓区域噪声源频谱能量占比。根据车外受电弓区域的噪声源频谱绘制出与之对应的受电弓区域各频段能量占比直方图如图5和图6所示。

其中横坐标采用1/3倍频程，分析频谱从200 Hz到5 000 Hz，纵坐标表示噪声源能量占比。直方图更好地反映出受电弓区域的噪声能量集中在中低频段，这与气动噪声能量集中在中低频区域经验规律相吻合。以1 250 Hz为分界点统计能量占比可以得到1 250 Hz以下（包括1 250 Hz）频率段的能量占比基本达到90%以上。

4.2.2 声学相似性分析

受电弓是由不同尺度杆件结构组成，杆件结构的几何形状与圆柱形状相似，先讨论受电弓辐射噪声谱型是否具有斯特哈尔数相似性。斯特劳哈尔数计算公式如下

式中：f为频率；L为几何特征尺寸；v为来流速度。

受电弓几何结构复杂，如果仅仅研究受电弓声学相似性问题，不妨取同一特征尺寸，本文取为50 mm。图7是升弓受电弓区域噪声源频谱曲线图，横坐标为等带宽频谱（Δf=32Hz）。图8所示与图7对应的St曲线，虚线标注其优势斯特劳哈尔数。

从图7等带宽频谱曲线图可以看出，不同速度下低频区域的波峰有很好的平移特性，从通过无量纲化得到的图8中的St曲线可以得到，升弓受电弓区域噪声源频谱曲线“前车升弓”与“后车升弓”在不同速度的峰值斯特劳哈尔数几乎一致，说明受电弓的升弓区域产生的气动噪声具有很强的斯特劳哈尔数的声学相似性。

组成受电弓的杆件多为圆柱形状，圆柱杆件的辐射噪声一般呈现出“风吹声”特性，根据Strouhal数[19]，圆柱的St应该如下

式中：L0表示圆柱直径的特征长度。根据式(3)、式（4），由于本文采取50 mm特征长度计算St，又图10虚线所对应的优势St为0.18和0.33，得出

图5 不同速度下升弓受电弓区域各频段能量占比直方图

图6 不同速度下降弓受电弓区域各频段能量占比直方图

公式（5）的计算结果非常接近弓头的纵向直径54 mm，公式（6）的计算结果非常接近平衡梁的直接35 mm，进一步表明受电弓的气动噪声源具有圆柱扰流发声特性，也进一步表明本文计算结果的准确性。

图9（a）是降弓受电弓区域噪声源频谱曲线图，横坐标为等带宽频谱（Δf=32Hz）。图9（b）显示与之对应的St曲线，虚线标注其优势斯特劳哈尔数。图9中的频谱曲线各速度级下不具有明显的平移特性，是因为降弓区域属于复杂发声区域，圆柱扰流发声被淹没。由图9（b）可以看出，降弓受电弓区域噪声源频谱曲线在“前车升弓”工况下呈现一定程度St数的声学相似性。图9（b）虚线所对应的优势St为0.41，根据公式（3）、式（4），得出

图7 不同速度级下升弓受电弓区域噪声源频谱曲线

图8 不同速度级下升弓受电弓区域St曲线图

图9 前车升弓不同速度级下降弓受电弓区域噪声源频谱曲线

公式（7）的计算结果非常接近弓头的垂向直径24.00 mm，进一步表明降弓区域受电弓气动噪声源具有圆柱扰流发声特性，也进一步表明本文计算结果的准确性。

5 结语

本文采用声学相控阵列技术进行列车噪声源识别测试试验，针对试验所测得的受电弓区域数据，得到声功率级值与速度的变化关系；对比分析“前车升弓”与“后车升弓”两种工况下声功率级值的差异性；并对受电弓区域进行噪声源频谱特性研究。得到如下结论：

（1）根据收敛性性，NNLS后处理算法最合适的迭代步数为300步；受电弓区域计算最合适大小为15.0 m2。

（2）列车外部区域除了转向架区域外，受电弓区域为明显的噪声源区；当列车时速超过250 km/h，“后车升弓”工况下受电弓区域的声功率级值要高出“前车升弓”工况下声功率级值约1 dB。

（3）受电弓区域频谱图表现出多峰-宽频特性；从频谱图的能量占比可以看出，受电弓区域的噪声能量主要集中在中低频段，1 250 Hz频段下的能量几乎占到90%，验证了气动噪声能量集中在中低频区域的经验规律。

（4）通过St数声学相似性讨论，受电弓区域部分杆件的气动噪声源具有显著的圆柱扰流发声特性。这对高速列车受电弓区域噪声源发声机理的深入认识提供一定的技术支撑。