高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲測(cè)試技術(shù)發(fā)展與展望

伍向陽(yáng)，劉蘭華，何財(cái)松，陳迎慶，李晏良，邵琳

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司?節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京???100081）

1 概述

聯(lián)調(diào)聯(lián)試是高速鐵路建設(shè)的重要組成部分和開(kāi)通運(yùn)營(yíng)前的必要環(huán)節(jié)，采用測(cè)試列車(chē)和相關(guān)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)各系統(tǒng)的功能、性能、狀態(tài)和系統(tǒng)間匹配關(guān)系進(jìn)行綜合檢測(cè)、驗(yàn)證、調(diào)整和優(yōu)化，使整體系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求[1-2]。噪聲測(cè)試是聯(lián)調(diào)聯(lián)試規(guī)定測(cè)試項(xiàng)目之一，主要目的是評(píng)價(jià)高速鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后鐵路排放噪聲以及環(huán)境噪聲是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證高速鐵路噪聲控制措施有效性。隨著高速鐵路路網(wǎng)趨向密集化，受鐵路噪聲影響的區(qū)域也隨之?dāng)U大，對(duì)高速鐵路沿線聲環(huán)境質(zhì)量要求也隨之提高，因而，聯(lián)調(diào)聯(lián)試中噪聲測(cè)試的重要性越發(fā)凸顯。

合寧鐵路（設(shè)計(jì)速度250?km/h）是我國(guó)首次開(kāi)展聯(lián)調(diào)聯(lián)試的高速鐵路，初步形成高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試組織模式，開(kāi)始對(duì)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的內(nèi)容、方法及程序的探索。京津城際鐵路是我國(guó)首條350?km/h等級(jí)高速鐵路，首次建立高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)行試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑浇⑽覈?guó)高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試成套測(cè)試技術(shù)和評(píng)價(jià)體系[3]。隨后，武廣、鄭西、滬寧等一批高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試的成功開(kāi)展，逐步完善滿足高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試、綜合分析方法和評(píng)價(jià)體系，形成一系列規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)成果。

我國(guó)高速鐵路噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要包括動(dòng)車(chē)組運(yùn)行輻射噪聲標(biāo)準(zhǔn)、噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)和聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲測(cè)試內(nèi)容主要包含這3個(gè)方面。由于高速鐵路是一種多源耦合、寬頻復(fù)雜運(yùn)動(dòng)聲源，影響噪聲的關(guān)鍵因素較多，因此測(cè)試期間噪聲數(shù)據(jù)易呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性[4]，各條線路的噪聲數(shù)據(jù)難以橫向?qū)Ρ?。多年?lái)對(duì)提升噪聲測(cè)試分析水平開(kāi)展了大量研究工作[5]，測(cè)試分析技術(shù)是保障噪聲準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的基本條件。因此，回顧高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲技術(shù)的發(fā)展，對(duì)未來(lái)噪聲測(cè)試技術(shù)提出展望，有利于更好地推進(jìn)高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作提升和完善。

2 高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲測(cè)試技術(shù)發(fā)展過(guò)程

2.1 初期階段（2007—2010）

2007年合寧鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試至2010年以前，高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲測(cè)試以完成基本任務(wù)、掌握噪聲超/達(dá)標(biāo)情況及基本特性為目標(biāo)，因此噪聲測(cè)試手段以聲級(jí)計(jì)為主、多通道數(shù)據(jù)采集儀為輔。

采用聲級(jí)計(jì)測(cè)量列車(chē)通過(guò)聲級(jí)，需要人工判斷開(kāi)始和停止測(cè)量，每次測(cè)量數(shù)據(jù)具備一定的隨機(jī)干擾因素，且由于測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，需要測(cè)試人員長(zhǎng)期保持警備狀態(tài)，工作強(qiáng)度較大；采用多通道數(shù)據(jù)采集儀也僅僅是模擬聲級(jí)計(jì)的功能，分析列車(chē)通過(guò)聲級(jí)以及頻譜特性。在該階段噪聲測(cè)試僅僅是客觀反映列車(chē)通過(guò)測(cè)試區(qū)段的聲級(jí)大小，尚未針對(duì)不同線路、不同區(qū)段噪聲數(shù)據(jù)離散的原因進(jìn)行分析跟蹤。

2.2 發(fā)展階段（2010—2014）

2010年京滬高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)是噪聲測(cè)試技術(shù)發(fā)展的重要階段，噪聲測(cè)試手段全面提升為多通道數(shù)據(jù)采集儀。同時(shí)為深入分析高速鐵路噪聲數(shù)據(jù)離散分布的原因，加強(qiáng)高速鐵路噪聲控制，開(kāi)展噪聲源識(shí)別分析研究。

國(guó)內(nèi)外研究表明[6-16]：高速列車(chē)噪聲源識(shí)別基本都是基于陣列技術(shù)開(kāi)展，早期線陣列能有效識(shí)別某一斷面的噪聲源，對(duì)于高速列車(chē)噪聲源識(shí)別主要采用面陣列，同時(shí)由于高速鐵路噪聲呈寬頻特性，峰值頻率基本分布在 25～125?Hz 以及 400～5?000?Hz，采用近場(chǎng)聲全息等方法只能滿足1?000?Hz以下的頻率分析，加上列車(chē)尺寸較大，采用規(guī)則傳聲器陣列需要大量的傳聲器。因此，采用波束形成技術(shù)進(jìn)行高速列車(chē)聲源識(shí)別，并結(jié)合其他輔助分析技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的合理方法。

在利用波束形成技術(shù)進(jìn)行聲源識(shí)別時(shí)，針對(duì)聲源特性優(yōu)化設(shè)計(jì)陣列布局是一項(xiàng)極為關(guān)鍵的工作，識(shí)別效果較好的聲陣列，需要同時(shí)具備較好的空間分辨率、較低的最大旁瓣級(jí)以及對(duì)頻率混疊和柵瓣有較好的抑制能力。因此，基于波束形成原理，根據(jù)高速鐵路噪聲特征優(yōu)化陣列設(shè)計(jì)，在京滬高鐵實(shí)現(xiàn)最高486.1?km/h速度下高速列車(chē)噪聲源識(shí)別分析，明確不同速度下主要噪聲源的位置及相對(duì)貢獻(xiàn)量，初步掌握引起車(chē)外噪聲變化的關(guān)鍵噪聲源特征，空間分辨率基本能滿足高鐵噪聲分析的需求，但是旁瓣級(jí)高，影響識(shí)別精度。為了抑制傳統(tǒng)波束形成算法產(chǎn)生的旁瓣影響，選取3?dB的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行分析，獲得主要噪聲源的分布及貢獻(xiàn)量，噪聲源識(shí)別云圖見(jiàn)圖1，但由于動(dòng)態(tài)范圍過(guò)小，部分次級(jí)聲源無(wú)法有效識(shí)別。同時(shí)，在京滬高鐵開(kāi)展橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的測(cè)試分析工作。通過(guò)京滬高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)，聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲測(cè)試團(tuán)隊(duì)逐步突破噪聲標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試的束縛，提升自主化信號(hào)處理分析的能力，對(duì)于影響高速鐵路噪聲的關(guān)鍵因素有了明確認(rèn)識(shí)。

圖1 京滬高鐵噪聲源識(shí)別云圖

但國(guó)內(nèi)外普遍采用的傳統(tǒng)波束形成算法用于高速鐵路噪聲源識(shí)別存在系列問(wèn)題：低頻空間分辨率差、最大旁瓣級(jí)水平較高、列車(chē)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移嚴(yán)重影響識(shí)別精度、僅能識(shí)別噪聲源的相對(duì)大小、無(wú)法定量分析噪聲源等。同時(shí)，我國(guó)各研究單位高速鐵路聲源識(shí)別測(cè)試分析參數(shù)以及聲源劃分的方式均存在顯著差異，造成各單位給出的聲源貢獻(xiàn)量差異較大。

為了解決上述關(guān)鍵問(wèn)題對(duì)高速鐵路噪聲源測(cè)試分析的制約，2012年，針對(duì)高速鐵路噪聲特性，進(jìn)一步優(yōu)化陣列布局，提升系統(tǒng)最大旁瓣級(jí)水平，深入分析研究多普勒頻移對(duì)于高速鐵路噪聲影響，提出修正算法（見(jiàn)圖2），并應(yīng)用于京石客專(zhuān)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，獲得CRH380AL和CRH380BL的聲源分布。2014年，在傳統(tǒng)波束形成算法的基礎(chǔ)上提出了適用于高速鐵路噪聲源識(shí)別分析的FFT-NNLS解卷積算法及計(jì)算參數(shù)，完成了波束形成的逆運(yùn)算，聲源識(shí)別空間分辨率提升3～10倍，實(shí)現(xiàn)聲源定量化分析，同時(shí)研究發(fā)展了選擇性聲強(qiáng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)背景、強(qiáng)干擾條件下高速鐵路多源噪聲的分離。波束形成和解卷積技術(shù)原理見(jiàn)圖3，波束形成和解卷積技術(shù)空間分辨率對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖2 優(yōu)化陣列設(shè)計(jì)和多普勒頻移修正

圖3 波束形成和解卷積技術(shù)原理示意圖

圖4 波束形成和解卷積技術(shù)空間分辨率對(duì)比（200 Hz）

2.3 提升階段（2015—2018）

隨著原中國(guó)鐵路總公司進(jìn)一步控制高速鐵路噪聲的要求，聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲測(cè)試也不再僅僅局限于測(cè)試結(jié)果的分析，更重要的是對(duì)引起噪聲增大或減小的原因進(jìn)行分析，并據(jù)此提出噪聲控制技術(shù)方案。對(duì)于高速鐵路而言，聲源識(shí)別已經(jīng)表明：輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲以及集電系統(tǒng)噪聲為最重要的噪聲源，對(duì)于輪軌噪聲而言，輪軌表面的短波不平順是引起其變化的關(guān)鍵因素；對(duì)于氣動(dòng)噪聲而言，同一動(dòng)車(chē)組主要與運(yùn)行速度有關(guān)；對(duì)于集電系統(tǒng)噪聲，同一動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)接觸張力也不會(huì)發(fā)生較大的改變，主要與列車(chē)運(yùn)行速度有關(guān)；2015年開(kāi)始在聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲測(cè)試中發(fā)展輪軌短波不平順檢測(cè)和分析技術(shù)，深入分析引起噪聲變化的主要因素，應(yīng)用于多條線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)圖5和圖6）。測(cè)試數(shù)據(jù)表明：高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輪出現(xiàn)18階左右、幅值30?dB以上的多邊形，關(guān)鍵頻帶噪聲增幅可達(dá)10?dB以上，噪聲總聲級(jí)增幅可達(dá)4～5?dB以上；鋼軌出現(xiàn)波長(zhǎng)14～20?cm、波深0.01?mm的波浪形磨耗時(shí)，噪聲總聲級(jí)增幅可達(dá)2～3?dB。

圖5 動(dòng)車(chē)組車(chē)輪出現(xiàn)多邊形鏇輪前后噪聲變化測(cè)試

圖6 動(dòng)車(chē)組車(chē)輪出現(xiàn)多邊形鏇輪前后噪聲變化分析

2017年，在原中國(guó)鐵路總公司組織下，統(tǒng)一了我國(guó)各研究機(jī)構(gòu)高速鐵路噪聲源識(shí)別方法和信號(hào)分析參數(shù)[17]，集成了解卷積算法和多普勒頻移修正算法，聲源識(shí)別空間分辨率和精度明顯提升，為我國(guó)高速鐵路噪聲評(píng)價(jià)和控制提供了統(tǒng)一的分析尺度，識(shí)別云圖見(jiàn)圖7。

圖7 高速列車(chē)聲源識(shí)別云圖（350 km/h）

對(duì)于一些異常噪聲，除了驗(yàn)證其噪聲超達(dá)標(biāo)情況外，聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲測(cè)試團(tuán)隊(duì)也開(kāi)始以噪聲作為手段逆向分析高速鐵路運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的部分問(wèn)題，如針對(duì)合福鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間高速運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的道砟飛濺現(xiàn)象，噪聲測(cè)試團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)結(jié)合主觀評(píng)價(jià)法和信號(hào)分析法進(jìn)行道砟飛濺引起的噪聲響應(yīng)分析，主觀評(píng)價(jià)法用于評(píng)價(jià)全車(chē)各區(qū)域是否發(fā)生道砟飛濺現(xiàn)象，信號(hào)分析法用于評(píng)價(jià)傳聲器覆蓋區(qū)域是否發(fā)生道砟飛濺現(xiàn)象。首先使用主觀評(píng)價(jià)法對(duì)列車(chē)通過(guò)有砟軌道時(shí)進(jìn)行分析，初步判斷動(dòng)車(chē)組各區(qū)域是否發(fā)生道砟飛濺現(xiàn)象，并記錄道砟飛濺發(fā)生的區(qū)域是否在傳聲器附近；然后對(duì)采集到的噪聲信號(hào)進(jìn)行聲學(xué)回放，試驗(yàn)人員反復(fù)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，進(jìn)一步判斷傳聲器附近是否發(fā)生道砟飛濺或可能發(fā)生道砟飛濺，最后對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行短時(shí)瞬態(tài)FFT分析，分析是否存在輻值較高的脈沖信號(hào)，最終判斷傳聲器附近是否發(fā)生道砟飛濺現(xiàn)象。上述分析方法進(jìn)一步拓展了噪聲測(cè)試的范圍，逐步開(kāi)展了對(duì)于機(jī)車(chē)?guó)Q笛（見(jiàn)圖8）、鋼軌波磨（見(jiàn)圖9）等特征信號(hào)的分析。

2.4 擴(kuò)展和完善階段（2018—）

為了進(jìn)一步加強(qiáng)我國(guó)高速鐵路噪聲大數(shù)據(jù)分析，針對(duì)我國(guó)高速鐵路噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散、數(shù)據(jù)邊界條件不清晰等問(wèn)題，2018年聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)完成高速鐵路噪聲綜合信息管理系統(tǒng)（見(jiàn)圖10），對(duì)我國(guó)2016年以來(lái)獲取的大規(guī)模高速鐵路車(chē)內(nèi)外噪聲數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)集中統(tǒng)一管理與分析。系統(tǒng)針對(duì)高速鐵路噪聲數(shù)據(jù)多樣性特點(diǎn)，研究統(tǒng)一了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析模板，實(shí)現(xiàn)了噪聲數(shù)據(jù)與鋼軌粗糙度、車(chē)輪多邊形、軌道不平順、軌道動(dòng)力學(xué)、車(chē)輛振動(dòng)、噪聲源識(shí)別等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析。同時(shí)，噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[18]也已經(jīng)在多條線路進(jìn)行試用（見(jiàn)圖11），具備車(chē)號(hào)識(shí)別、氣象監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理與傳輸?shù)裙δ?，將與噪聲綜合信息管理系統(tǒng)共同發(fā)揮作用，有效支撐探索我國(guó)高速鐵路噪聲長(zhǎng)時(shí)間序列演變規(guī)律、橫向多因素關(guān)聯(lián)分析，為我國(guó)鐵路和環(huán)境管理部門(mén)制定噪聲影響及控制相關(guān)政策、規(guī)范等奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

圖8 機(jī)車(chē)?guó)Q笛噪聲特性

圖9 動(dòng)車(chē)組通過(guò)鋼軌波磨區(qū)段轉(zhuǎn)向架噪聲特性

圖10 高速鐵路噪聲綜合信息管理系統(tǒng)功能組成

圖11 高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在對(duì)于機(jī)車(chē)?guó)Q笛、鋼軌波磨等短時(shí)特征信號(hào)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究擴(kuò)大了聲學(xué)信號(hào)的使用范圍。通過(guò)研究我國(guó)典型動(dòng)車(chē)組車(chē)輪和鋼軌粗糙度產(chǎn)生、演變和發(fā)展規(guī)律，掌握了我國(guó)典型動(dòng)車(chē)組車(chē)輪和鋼軌粗糙度主要峰值波長(zhǎng)和階次等特征，研究了動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行時(shí)傳聲器風(fēng)噪影響程度及消除方法，發(fā)展了短時(shí)FFT、小波變換以及EEMD等多維度短時(shí)信號(hào)分析技術(shù)，掌握了高速運(yùn)行、多線路工況影響下鋼軌波磨、鋼軌異常接頭、車(chē)輪多邊形等聲學(xué)特性，提出了鋼軌波磨聲學(xué)診斷和評(píng)價(jià)指標(biāo)。2018年，開(kāi)始在高速綜合檢測(cè)列車(chē)安裝聲學(xué)測(cè)量裝置，主要用于鋼軌短波狀態(tài)分析和噪聲特征分析（見(jiàn)圖12）。

圖12 高速綜合檢測(cè)列車(chē)聲學(xué)測(cè)量裝置

3 結(jié)論與展望

經(jīng)過(guò)多年高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲測(cè)試實(shí)踐，噪聲測(cè)試技術(shù)已經(jīng)由單一點(diǎn)位的噪聲測(cè)試逐漸演變?yōu)樵肼曉醇拜嗆墵顟B(tài)的聯(lián)合測(cè)試分析；由簡(jiǎn)單達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)逐步發(fā)展為支撐超達(dá)標(biāo)原因分析；由噪聲單一使用功能監(jiān)測(cè)逐步發(fā)展為以噪聲為基礎(chǔ)，對(duì)車(chē)輛和軌道等狀態(tài)診斷的監(jiān)測(cè)；由人工監(jiān)測(cè)方式逐步轉(zhuǎn)向自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

下一步噪聲測(cè)試技術(shù)將更為自動(dòng)化、智能化，在高速鐵路噪聲綜合信息管理系統(tǒng)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，集成大數(shù)據(jù)分析模型，實(shí)現(xiàn)噪聲與關(guān)鍵影響因素的自動(dòng)關(guān)聯(lián)，推進(jìn)高速鐵路噪聲地圖技術(shù)研究，最終實(shí)現(xiàn)鐵路沿線噪聲超達(dá)標(biāo)原因快速分析以及動(dòng)車(chē)組輪軌狀態(tài)快速診斷，進(jìn)一步提升高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲測(cè)試水平，支撐高速鐵路噪聲控制技術(shù)研究。