中低速磁浮列车噪声机理及控制研究

中车唐山机车车辆有限公司 李颖华 高 明 张 丽

我国自新世纪以来，城市轨道交通建设的步伐从未停止。21世纪初轮轨与磁浮的十年之争也逐渐落下了帷幕，在高速列车领域几乎被轮轨耦合形式列车所占领。但随着列车速度的不断提升，轮轨耦合始终受到粘着蠕滑力的制约，其最高运行速度也受到相应的限制。而磁浮列车由于其采用悬浮装置浮于轨道上，与轨道间没有轮轨接触并采用直线电机驱动，故其不受传统轨道交通上轮轨耦合的限制。因这一优势近年来磁浮列车的发展也是十分迅猛，当前磁浮列车的主要领域为城市内中低速磁浮交通为主。由于其还具有运行平稳、过曲线能力及爬坡能力强等特点，逐渐受到多个国家的关注与研究。国内而言，北京磁浮S1线和长沙磁浮快线早已实现了商业运营。在国外，日本TKL线和韩国仁川机场线也投入使用。磁浮列车根据其悬浮原理可分成电动悬浮（Electro-magnetic Suspension）、电磁悬浮（Electro-magnetic）、高温超导磁悬浮及永磁-电磁混动悬浮。当前中低速磁浮列车普遍采用常导EMS电磁悬浮系统。

随着中低速磁浮列车在城市轨道交通中的普及，其在运营过程中的噪声也普遍受到外界的关注。据前期对列车车内、车外及辅助设备进行的初期噪声测试，获取了噪声的声场分布及频谱特征。本文通过理论分析，首先对中低速磁浮列车的主要噪声源进行声源识别，再通过试验方式确定其主要噪声源并进行机理分析，并根据噪声的产生及作用机理提出了相应的解决方案。

1 中低速磁浮列车噪声主要声源

根据前期大量的文献对于轨道交通车辆噪声机理研究和试验测试分析：车辆在行驶过程中，噪声主要来源于车体外部结构的气动噪声、牵引供电装置的电磁噪声以及轮轨耦合和传动装置耦合的机械噪声，来源较多，成分较为复杂，且这些噪声的成分占比与列车的运行速度有关。启停低速区域主要由牵引电磁噪声引起，平稳运行中速阶段主要由轮轨噪声主导，而高速运行时噪声成分主要为气动噪声。由于本文研究的对象为中低速磁浮列车，其不存在轮轨接触关系与传动齿轮箱。经过前期的预测试，尖锐的高频噪声主要集中在列车的启停阶段，启停期间速度较低，气动噪声并不明显，故进一步分析在启停期间电磁噪声为其主要的噪声成分。而在平稳运行阶段，高频尖锐噪声并不明显，主要的噪声成分为气动噪声。

1.1 电磁噪声

对于中低速磁浮列车而言，由于其没有轮轨粘着驱动，则直线电机作为其驱动系统具有唯一性和不可替代性，但由于车辆现在采用逆变器进行变频调速这一功能，使得输入直线电机的牵引电流含有大量谐波，造成直线电机的高频振动，使得车辆在加速或者减速过程中，直线电机作为主要的噪声源。且有与直线电机常常为高频振动，其噪声频率较高，声音也较为尖锐刺耳，使得磁浮列车乘客的乘车舒适度及磁浮列车线路附近居民的居住舒适度降低，故直线电机的高频振荡噪声问题也愈发的受到研究和关注。

由于磁浮车辆在加减速过程中的机械特性要求，需要使用牵引逆变器对车辆进行变频调速。但这种供电方式也给直线电机带来了许多不稳定的工作因素。在牵引逆变器变频供电的条件下，使得大量的高频电流谐波出现在直线电机的初级之中，这些谐波的频率成分主要集中在开关频率及其倍频上。磁浮列车主要依靠交变的行波磁场推进运行，而高频的电磁谐波也会影响行波磁场的电磁波的幅值及频率阶数，从而造成电磁激振力的产生。这些高频的电磁激振力的频率成分可能与直线电机某些固有模态的振动频率相近，从而造成了高频共振，产生了高频噪声。

1.2 气动噪声

中低速磁浮列车气动噪声主要集中于车体表面装置或者车底某些特殊结构位置。现存研究表明，气动噪声由于所处的机械结构位置不同，产生机理也是不相同的。其产生机理大致可分为两类，其一为气体湍流流动产生的噪声，其二为气体气流经过机械结构的表面摩擦而产生的的噪声。

对于气体湍流噪声，在中低速磁浮列车运行过程中，气体会在头车和尾车车身表面存在湍流层，会对车体产生波动载荷，造成车体的受迫振动，从而使整个车体结构产生振动及噪声辐射。但这种噪声对于高速列车较为明显，对于中低速磁浮列车的车体总体车外辐射噪声影响较小。

气体气流经过机械结构的表面摩擦而产生的的噪声主要位置在受流器受电靴间、车辆连接处、悬浮架和风机设备上。列车在行进过程中气流与上述的机械零部件相互产生力的作用而引起了非稳态的气流振动。这种振动的产生因素比较复杂，还有待进一步试验和研究。

2 中低速磁浮列车噪声水平及产生机理分析

2.1 中低速磁浮列车噪声水平

为获取磁浮列车车底噪声声场分布及主要频率幅值成分占比，现对北京地铁S1线中低速磁浮列车进行正线测试。本次测试将一节车中十个直线牵引电机编为1-10号，试验分别测定了1-10#电机位置噪声，即一共需要10个噪声传感器，将这10个噪声传感器编为N1-10号，分别测定对应点位的噪声。噪声传感器安装位置如图1所示。

图1 噪声传感器安装布局示意图

经过噪声测试试验，获得其噪声声压级水平如表1所示。典型噪声声压级时频分析如图2所示。

表1 噪声声压级水平数据

图2 典型噪声声压级时频图

列车在行驶过程中，很明显在加速段和制动段声压级变化尤为明显，范围保持在78.4dB到115.6dB之间。其中9#电机，10#电机处噪声声压级较为明显，最高到达了115.6dB。从整个过程中可以看出，典型噪声声压级频谱中1000Hz的频率成分占比最大。9#电机和10#电机噪声声压级相对较大可能是其位于车辆连接处。

2.2 中低速磁浮列车噪声机理分析

由以上分析，中低速磁浮列车在启动和制动牵引阶段直线电机电磁振动辐射噪声对车底噪声贡献较大，为主要噪声源。而在平稳运行阶段，牵引电机对车底噪声的贡献有限，不是主要噪声源，其噪声可能由气动噪声以及结构机械噪声引起。而据现场投诉反馈得知，车辆在进出站期间（即启停阶段），高频噪声尤为明显，而在平稳运行阶段能明显感到噪声来自于低频的机械结构的碰撞和风噪。故由此可分析，车辆在启停期间的高频噪声很有可能由直线牵引电机悬浮间隙中的高频电流谐波激发的高频电磁激振力引起，而这与逆变器变频调速机制有很大的关系。

三相异步直线电机运行时，磁浮间隙中存在基波与一系列谐波磁场，它们互相作用除产生引起磁浮列车加速减速的牵引力和制动力外，还会产生许多高次、频率各不相同的高频激振电磁力波，这些高频激振电磁力波作用在初级线圈和次级感应板上，使它发生周期性变形，即产生高频激振电磁力波频率的振动，该振动传至悬浮架及车体其它机械结构，引起车底机械结构的振动和噪声。当高频激振电磁力波频率与电机或悬浮架等机械结构本身固有频率相同或接近时，就会引起共振，产生较大的振动和噪声。

3 中低速磁浮列车噪声控制

3.1 调整开关频率

由于中低速磁浮列车的高频噪声主要由牵引逆变器变频供电引起的高频电磁激振力与电机共振产生，故需要调整逆变器输出电流的谐波频率。由前期的分析可知，噪声的高频频率成分特点主要为集中在逆变器的开关频率及其倍频附近，特变是二倍频（1000Hz），所以需要调整逆变器的开关频率，也即载波频率。而载波频率越高，逆变器输出的电流高频谐波成分也就越少，能明显削弱电机的高频振动噪声。牵引供电系统主要采用SPWM调制方式，即用一系列的脉冲电压信号加载于载波之上，其开关频率就取决于调制波和载波的交点。脉冲间间隔越短，周期内脉冲个数便越多，开关频率也越高，输出六阶电流波形也就越平滑，但是这样也会增大对其他设备的电磁干扰。开关频率的设置对于电机的控制尤为重要，其大小直接可以影响逆变器输出电流的品质，所以在逆变器工作过程中首先应当合理地选择开关频率。

开关频率越高，逆变器输出的电流越光滑，电流谐波成分也就越少，从而可以减小直线电机的振动噪声，但开关频率增大，直线电机初级的集肤效应也就越发严重。人耳对声音的敏感范围在20-20000Hz，所以提高牵引逆变器的开关频率至1000Hz或者2000Hz，直线电机高频震荡的频率也随之后移，利用人耳对这些高频噪声的不敏感，可以显著地降低噪声。但开关频率的提高，控制电路的功率器件的寿命也会随之降低。因为提高开关频率，就会增加IGBT等电子元器件在单位时间内的开关次数，损耗也随之增加，所以需要同时提高电子元器件的可靠性。根据实验数据的分析，要特别注意载波频率及其倍频不要与电机的固有模态振动频率相重叠而产生共振，从而产生较大噪声。

为有效降低磁浮列车直线电机所产生的噪声，提高开关频率的同时延长IGBT的使用寿命，可以采用转换开关频率的控制方式对电机开关频率加以控制。也就是说匀速阶段采用500Hz的开关频率，加速制动阶段转换为1000Hz的开关频率，具体示意图如图3所示。

图3 开关频率转换示意图

3.2 建立声屏障

在现在城市轨道交通或者公路交通中，声屏障的建立可以有效的阻断噪声的传播过程，从而有效的降低磁浮列车的运行噪声。考虑到声波传播的机理，可以考虑在声屏障中应用微孔吸声技术，严格密封，这样便可达到一个很好的吸声隔声效果。或采用半封闭式声屏障，但这种相对于前者的降噪效果有限，只能降低局部噪声的大小，对整体噪声影响不大。

声屏障的降噪效果与许多因素有关，包括屏障的防护程度、噪声频率的集中度以及噪声的建造距离等因素。特别是噪声频率的集中度，现有试验已经表明，对2000Hz以上的高频噪声降噪效果要比1000Hz左右的噪声成分好得多。但对于低频噪声，由于其波长较长，容易从声屏障上绕射过去，效果不太理想。通常，声屏障对高频噪声可降低10-15dB。声屏障的高度由隔噪距离所决定，如果隔噪距离较远，声屏障可适当降低，声屏障高度增加两倍，噪声便可降低6dB，还可使声屏障尽量靠近噪声发生源，这样能取得较好的降噪效果。比如在直线电机外侧加装不锈钢外壳，可以适当降低噪声的传播，属于靠近声音源减噪。正如前面所说，多孔材料具有噪声吸收的功能，电机外壳材料也可以采用多孔吸声材料，尽量减少噪声外泄。首先确定噪声外泄的成分，然后适当选取吸声材料，最后制作合适的外壳。

3.3 电机外侧加装外壳

上一节说明可以在直线电机外或者车辆裙摆上设计出隔声罩，可以在声音传播的途径上有效的阻隔噪声，降低噪声幅值。如图4所示，声波总能量为E0，传递至固体介质上，反射出E1的能量，部分含有E2的能量的声波能够透过介质继续传播。然后由于隔声罩中的吸声材料含有空隙和细小纤维，声波在材料中振动摩擦转换为内能，继而被吸收和耗散。

图4 声能传播过程

材料的吸声系数也对降噪效果至关重要，居民区离磁浮列车线路越近，吸声材料的吸声系数也就越大。为了减轻就近噪音对居民的影响，需在直线电机隔声罩内加贴吸声系数大的吸声材料。

在各种吸声材料中，多孔性吸声材料对于中高频噪声吸收效果好，结合吸声结构设计，适当增加厚度和容重，其对低频噪声的吸声性能也能有明显改善。

直线电机热量需要迅速耗散，对其直线电机隔声罩做蜂窝状处理，在隔声的同时也保证直线电机良好的散热环境。具体的隔音效果和散热效果需要进一步做相关试验进行量化分析。

本文通过分析，中低速磁悬浮列车启停阶段的噪声主要由于其变频调速系统引入的高频电流谐波的电磁激振力引起电机及悬浮架的高频振动产生。所以本文试验重点在通过实时同步测试磁浮列车直线电机噪声、电流及悬浮架振动的数据，从噪声数据入手，通过对启停阶段噪声时域、频域的分析，确定其高频噪声频率幅值及主要分布频段，再主要针对这个频段对电流及振动进行时频相关性分析。通过频率成分的相关性，探明噪声与电流高次谐波、悬浮架高频振动的关联关系，分析直线电机噪声的发生规律及发生机理，根据其噪声的产生机理，提出调整开关频率、建立声屏障和电机外侧加装外壳等降噪优化措施。