中低速磁浮列車噪聲研究與分析

李穎華 楊 君 高 明 廖小康 歐峰鈺

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司,064099,唐山; 2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,610031,成都)

與傳統(tǒng)鐵路列車相比,磁浮列車具有快速、低污染、能耗低等優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際運(yùn)行過程中,磁浮列車所產(chǎn)生的噪聲是影響其列車服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。噪聲的產(chǎn)生和存在不僅會(huì)對(duì)周邊居民造成影響,還會(huì)影響車內(nèi)乘客的安全性和舒適度,甚至可能會(huì)造成列車內(nèi)部一些零部件的疲勞損壞,進(jìn)而影響磁浮列車的服務(wù)年限[1-2]。

中低速磁浮列車是一種新興的城市軌道交通工具,其運(yùn)行速度一般小于100 km/h,與高速磁浮列車相比,中低速磁浮列車更適合用于城市軌道交通。目前,我國的中低速磁浮技術(shù)發(fā)展日趨成熟,已經(jīng)能夠達(dá)到商業(yè)運(yùn)營(yíng)的技術(shù)水平,但關(guān)于中低速磁浮列車噪聲的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

磁浮列車與導(dǎo)軌之間沒有直接的接觸關(guān)系,不會(huì)因輪軌接觸而產(chǎn)生噪聲,其主要噪聲來源于牽引設(shè)備噪聲、機(jī)械或結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲、氣流噪聲等[3]。本文以某中低速磁浮線路為例,分析其中低速磁浮列車在加速制動(dòng)階段產(chǎn)生的噪聲,并采用多通道聲信號(hào)采集分析設(shè)備,考慮噪聲、振動(dòng)和牽引電流參數(shù),對(duì)噪聲傳播規(guī)律、頻譜特性等方面進(jìn)行研究。本文研究可為中低速磁浮列車的噪聲分析及控制措施提供理論依據(jù)。

1 噪聲試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)技術(shù)路線

通過試驗(yàn)測(cè)試及信號(hào)分析技術(shù)得到了磁浮列車噪聲聲場(chǎng)分布圖,進(jìn)而可以獲得磁浮列車高頻噪聲的主要頻率成分占比及聲壓級(jí)數(shù)值?；谠肼晹?shù)據(jù)對(duì)磁浮列車的懸浮架振動(dòng)、牽引電流及牽引信號(hào)進(jìn)行分析,在獲得這三者與噪聲信號(hào)之間的關(guān)系后進(jìn)行聲源識(shí)別,最后基于所識(shí)別的聲源發(fā)生機(jī)理提出相應(yīng)的抑制措施。試驗(yàn)技術(shù)路線示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)技術(shù)路線示意圖

1.2 傳感器安裝及走線

對(duì)某中低速磁浮線路的列車噪聲、懸浮架振動(dòng)和牽引電流進(jìn)行測(cè)試,設(shè)計(jì)了各傳感器的安裝和走線方案。各傳感器安裝及布線示意圖如圖2所示。

a) 噪聲傳感器安裝圖

1.3 測(cè)試工況

為系統(tǒng)地掌握磁浮列車的噪聲組成和輻射特性,本文開展了多工況現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)磁浮列車行駛的線路條件,初步設(shè)計(jì)了3個(gè)基礎(chǔ)工況進(jìn)行分析。試驗(yàn)工況及內(nèi)容如表1所示。測(cè)試列車為6節(jié)編組,在其中一輛車的10個(gè)電機(jī)上分別安裝1個(gè)測(cè)點(diǎn)(1#電機(jī)測(cè)點(diǎn)—10#電機(jī)測(cè)點(diǎn))。

表1 試驗(yàn)工況及內(nèi)容

1.4 參數(shù)設(shè)置及環(huán)境條件

試驗(yàn)采樣頻率為50 000 Hz,頻率分辨率為1 Hz,噪聲測(cè)試采用A計(jì)權(quán)法,時(shí)間計(jì)權(quán)常數(shù)為100 ms。測(cè)試時(shí),無明顯的異常環(huán)境噪聲。麥克風(fēng)傳感器設(shè)置有防風(fēng)罩,振動(dòng)電流傳感器采用防水膠隔雨。試驗(yàn)時(shí),天氣良好,無雨。記錄各場(chǎng)點(diǎn)的天氣條件,溫度范圍為13～20 ℃,濕度為40.5%～72.0%,風(fēng)速小于2 m/s。

2 噪聲聲源識(shí)別分析

根據(jù)磁浮列車的構(gòu)造及運(yùn)營(yíng)特點(diǎn),其噪聲主要由直線電機(jī)噪聲、結(jié)構(gòu)輻射噪聲及輔助設(shè)備噪聲等構(gòu)成。而噪聲源的輻射特性隨著列車狀態(tài)、運(yùn)行速度和線路條件的變化而變化,因此在噪聲源的識(shí)別和分析過程中,應(yīng)選擇正確合理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析方法。由于9#電機(jī)測(cè)點(diǎn)處的噪聲數(shù)據(jù)較全面,因此將其作為典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行噪聲分析。下文將選取列車運(yùn)行速度較高的工況(工況3)研究9#電機(jī)測(cè)點(diǎn)處的試驗(yàn)噪聲數(shù)據(jù)。

2.1 磁浮噪聲分析

9#電機(jī)測(cè)點(diǎn)處聲壓的時(shí)域圖和頻域圖如圖3所示。工況3中,9#電機(jī)測(cè)點(diǎn)的頻譜主要范圍為0～5 000 Hz,噪聲頻率主要集中在低頻段50 Hz以下,其他占比較高的頻率成分分別為125 Hz,220 Hz,370 Hz,500 Hz,1 000 Hz,2 000 Hz等,其中1 000 Hz及其倍頻處的噪聲尤為明顯。

a) 時(shí)域圖

2.2 磁浮噪聲與懸浮架振動(dòng)相關(guān)性分析

9#電機(jī)測(cè)點(diǎn)處垂向振動(dòng)加速度的時(shí)域圖和頻域圖如圖4所示。9#電機(jī)懸浮架垂向振動(dòng)加速度主要集中在0～1.5g(g為重力加速度),制動(dòng)段垂向加速度明顯高于加速段垂向加速度。懸浮架垂向振動(dòng)加速度的高頻振動(dòng)成分主要集中在1 000 Hz及其倍頻處,這與前文的噪聲頻譜分析相符。由此可知,列車起停時(shí)的高頻噪聲可能是由1 000 Hz及其倍頻的某種激振力引起的,而這種激振力很可能是電磁激振力,因此需對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

a) 時(shí)域圖

2.3 磁浮噪聲與直線電機(jī)電流相關(guān)性分析

9#電機(jī)A相電流的時(shí)域和頻域圖如圖5所示。磁浮列車平穩(wěn)運(yùn)行階段(約為28～35 s)的單相電流均在100 A以內(nèi),但其在加速或制動(dòng)階段的電流均有明顯的變化,電流最大值為500 A,電流變化幅度與加速制動(dòng)的加速度有關(guān)。在500～6 000 Hz范圍內(nèi),高頻段單相電流諧波頻率主要集中在500 Hz及其倍頻處,即500 Hz,1 000 Hz,2 000 Hz等,在1 000 Hz左右處的噪聲尤為明顯。由圖5 b)可知:1 000 Hz頻率成分的信號(hào)強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于其他高頻成分,這說明1 000 Hz的諧波電流會(huì)引起諧波電磁激振力,使車底機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生電磁激振,進(jìn)而引起磁浮列車車底的高頻噪聲。

a) 時(shí)域圖

3 降噪措施

3.1 調(diào)整逆變器開關(guān)頻率

逆變器的開關(guān)頻率越高,電機(jī)的振動(dòng)越小,電機(jī)發(fā)熱越少,相應(yīng)的列車運(yùn)行噪聲也越小。載波使得直線電機(jī)在開關(guān)頻率及其倍頻附近的噪聲與振動(dòng)有所增大,考慮人耳對(duì)聲音的可聞?lì)l率為20～20 000 Hz,提高逆變器開關(guān)頻率至1 000 Hz,使其引起的振動(dòng)與噪聲向高頻范圍移動(dòng),逐漸遠(yuǎn)離人耳的敏感區(qū)域,即可降低噪聲。但提高逆變器開關(guān)頻率會(huì)降低IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的使用壽命,因此為了在提高逆變器開關(guān)頻率的同時(shí)延長(zhǎng)IGBT的使用壽命,可以采用轉(zhuǎn)換開關(guān)頻率的控制方式對(duì)電機(jī)開關(guān)頻率加以控制。在勻速階段,列車電機(jī)振動(dòng)加速度和噪聲聲壓較低,此時(shí)逆變器采用系統(tǒng)初始開關(guān)頻率500 Hz;在加速制動(dòng)階段,列車電機(jī)振動(dòng)加速度和噪聲聲壓較高,在列車即將進(jìn)入加速段或制動(dòng)段時(shí),牽引系統(tǒng)將逆變器開關(guān)頻率切換至1 000 Hz,即可有效減小電機(jī)振動(dòng)加速度,降低噪聲。

3.2 加裝濾波器

當(dāng)逆變器開關(guān)頻率為500 Hz時(shí),可以在變頻器與電機(jī)之間加裝濾波器,濾除變頻器輸出中的高頻諧波成分,只保留有用的基波成分。這些高頻諧波電流產(chǎn)生的高頻磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生電機(jī)高頻振動(dòng)噪聲。對(duì)9#電機(jī)噪聲聲壓進(jìn)行高頻濾波處理,對(duì)比其濾波前后噪聲的變化,如圖6所示。列車加速、勻速和制動(dòng)運(yùn)行區(qū)段濾波前后的9#電機(jī)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)對(duì)比如圖7所示。由圖7可知:在列車加速區(qū)段,9#電機(jī)A計(jì)權(quán)最大聲壓級(jí)由104.808 0 dB(A)降低至92.886 0 dB(A),降低了約11.38%;在列車制動(dòng)區(qū)段,9#電機(jī)A計(jì)權(quán)最大聲壓級(jí)由100.217 1 dB(A)降低至93.478 9 dB(A),降低了約6.72%。由此可知,加裝濾波器對(duì)列車加速區(qū)段和制動(dòng)區(qū)段的降噪效果非常明顯。

a) 濾波前

a) 加速區(qū)段

4 結(jié)語

通過對(duì)某中低速磁浮線路典型運(yùn)行工況下的列車噪聲、懸浮架振動(dòng)和牽引電流進(jìn)行測(cè)試,結(jié)合時(shí)頻分析法研究噪聲與懸浮架振動(dòng)、牽引電流之間的關(guān)系,主要獲得以下結(jié)論:

1) 當(dāng)列車運(yùn)行速度從 0 提高至 60 km/h時(shí),噪聲聲壓級(jí)逐漸增大,其主要頻率分布在1 000 Hz附近。

2) 懸浮架垂向振動(dòng)加速度主要集中于0～1.5g,其中制動(dòng)段垂向加速度明顯高于加速段垂向加速度。懸浮架的垂向振動(dòng)加速度高頻振動(dòng)成分主要集中在1 000 Hz及其倍頻處。

3) 1 000 Hz的諧波電流會(huì)引起諧波電磁激振力,使車底機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生電磁激振,進(jìn)而引起磁浮列車車底的高頻噪聲。

4) 主要的降噪措施為調(diào)整逆變器開關(guān)頻率加裝濾波器。在勻速階段,逆變器宜采用系統(tǒng)初始開關(guān)頻率500 Hz;在加速制動(dòng)階段,逆變器開關(guān)頻率宜切換至1 000 Hz。加裝濾波器后,加速段聲壓級(jí)降低了11.38%,制動(dòng)段聲壓降低了6.72%,加裝濾波器對(duì)加速段和制動(dòng)段的降噪效果非常顯著。