車輪降噪效果評價中衰減時間取值與適用性分析

李 健，周虹希，王瑞乾，唐 昭

（常州大學 機械與軌道交通學院，江蘇 常州 213100）

軌道車輛車輪輻射噪聲是鐵路噪聲的重要組成部分，對車輪開展降噪研究是有效改善車內(nèi)、外聲場的途徑之一[1-3]。目前國內(nèi)外對于車輪聲學性能的研究多趨向于采用脈沖激勵法[4-5]，所謂脈沖激勵，即利用擺錘或落球?qū)囕喌闹付ㄎ恢眠M行一次性沖擊擊打，使之產(chǎn)生輻射噪聲，車輪被擊打的瞬間，聲輻射達到最大水平，之后隨時間的推移而逐漸衰減，進而由衰減曲線在一定衰減時間t0內(nèi)作積分，可以計算出車輪在t0內(nèi)的輻射聲能量級大小，并以此作為其聲輻射水平的評價結(jié)果，進一步地，將阻尼車輪及其對應的標準車輪的輻射聲能量級作差，可獲得阻尼對車輪的降噪效果。作為車輪聲輻射及降噪效果評價中的關(guān)鍵參數(shù)，衰減時間t0的取值對于評價結(jié)果具有顯著影響，然而t0的取值在車輪噪聲領(lǐng)域卻一直未有統(tǒng)一的評價標準，導致同樣的車輪在同樣的試驗方法下，卻得到了完全不同的聲輻射水平及降噪效果的評價值。有學者認為，在實際運行中，輪軌激勵是連續(xù)的，為使評價結(jié)果更貼近實際使用效果，因而應選擇較小的t0，如楊新文等[6-7]對車輪的振動聲輻射實驗研究中，采用衰減時間0.125 s 為評價車輪降噪效果的參數(shù)；另有一些學者認為，實際運行時車輪附近的噪聲成分極其復雜，目前還無法將車輪噪聲單獨分離出來，也就無法用實驗室測得的車輪噪聲去預測運行時的車輪噪聲，因此，應該將實驗室內(nèi)的車輪聲輻射試驗單獨進行考慮。考慮到車輪受到脈沖激勵后，絕大多數(shù)車輪的聲輻射通常會在4 s 以內(nèi)衰減至低于峰值15 dB 以上的水平，因此4 s 之內(nèi)的噪聲對于車輪輻射聲能量級的計算起到了決定性作用，而4 s之后的噪聲對計算結(jié)果的影響較小，故而選擇峰值之后4 s之內(nèi)的數(shù)據(jù)進行輻射聲能量級的計算，如鄧新以及唐昭等[8-9]，在對車輪的振動聲輻射特性進行研究時，采用4 s為評價車輪降噪效果的關(guān)鍵參數(shù)；劉建等[10]則直接參考了國家標準[11]，選取了整個衰減時間歷程內(nèi)的輻射聲能量級作為車輪降噪效果的評價值。

本文以金屬阻尼環(huán)在某地鐵車輪的應用為例，首先簡要介紹車輪聲輻射試驗及所獲得的時間歷程衰減曲線；接著，對于衰減時間t0開展參數(shù)調(diào)查，調(diào)查范圍基本覆蓋了當前國內(nèi)外主流的取值，明確t0對車輪降噪效果評價的影響規(guī)律，并討論t0在不同取值下的適用范圍，在一定程度上將各單位對于衰減時間的設(shè)置進行統(tǒng)籌劃一，具有工程參考和指導意義。

1 理論基礎(chǔ)與問題

脈沖激勵條件下，車輪輻射噪聲屬于單一聲事件，通常采用輻射聲能量級這一指標對車輪聲輻射水平進行評價。由式(1)計算得到聲能量級LE：

其中：p為中心頻率對應的噪聲聲壓，單位Pa，E0為基準值，取值4×10-10Pa2·s。

對兩種施加了不同阻尼措施的車輪WA和車輪WB進行聲輻射水平的比較時，不同衰減時間t0的取值，可能得到不同的評價結(jié)果，主要有兩種情況。

（1）首先，圖1（a）介紹了一種最簡單的情況：車輪WA和WB受到相同激勵后產(chǎn)生輻射聲，且在全部的聲衰減周期內(nèi)，車輪WA的輻射聲均大于車輪WB，表現(xiàn)為車輪WA的聲壓平方衰減曲線一直高于車輪WB，直到在T時刻，二者均衰減至背景噪聲后，兩條曲線才相交。在該情況下，當t0在[0，T]內(nèi)取任意值時，始終有pA2(t)＞pB2(t)，因此車輪輻射聲能量級LEA＞LEB始終成立，且隨著衰減時間t0取值的增加，輻射聲能量級的差值（陰影部分的面積）是單調(diào)遞增的，當t0≥T后，二者差值不再變化。

（2）接著，圖1（b）介紹了一種復雜的情況：車輪WA和WB受到相同激勵后產(chǎn)生輻射聲，在全部的聲衰減周期內(nèi)，車輪WA與車輪WB的輻射聲壓平方曲線有交點，如圖所示，車輪WA在0 s時刻的峰值大于車輪WB，但衰減速率卻比WB更快，兩條曲線于T1時刻產(chǎn)生交叉。當0≤t0＜T1，有pA2(t)＞pB2(t)，則車輪輻射聲能量級LEA＞LEB；T2時刻為兩個車輪相交面積ΔS1=ΔS2的臨界點，當T1＜t0≤T2時，有pA2(t)＜pB2(t)，車輪WA輻射聲能量級仍然大于車輪WB，但二者差值在逐漸減?。划攖0=T2時，有LE1=LE2，即車輪WA與車輪WB的聲能量級剛好相同；而當t0＞T2時，車輪聲能量級變?yōu)長E2＞LE1，即車輪WA輻射聲能量級小于車輪WB。由此可見，衰減時間t0取值的大小對車輪聲輻射水平及降噪效果的評價是有影響的，特別是當不同車輪的聲輻射曲線出現(xiàn)交叉時，影響更為顯著，甚至可能得到完全相反的評價結(jié)果。

圖1 車輪輻射噪聲衰減時間歷程

2 車輪降噪試驗與時間歷程試驗結(jié)果

2.1 試驗介紹

在半消聲室內(nèi)，將車輪樣品通過彈性尼龍繩吊掛在懸臂梁上，呈現(xiàn)近似自由狀態(tài)。半消聲室尺寸12.0 m×6.0 m×3.5 m，自由場半徑3.5 m，低頻截止頻率63 Hz。車輪樣品選用某地鐵列車直型輻板車輪，車輪直徑920 mm，車輪內(nèi)側(cè)、外側(cè)的輪輞與輻板相交處均開有凹槽，可根據(jù)需要將截面直徑12 mm 的金屬阻尼環(huán)安裝于此。根據(jù)阻尼環(huán)的安裝數(shù)目、位置與方式的不同，共設(shè)置5個測試工況，如表1所示。

表1 車輪試驗工況

如圖2 所示，通過落球撞擊對車輪進行沖擊激勵，徑向激勵下，激勵點位于車輪踏面名義滾動圓處，軸向激勵下，激勵點位于車輪內(nèi)側(cè)距離輪緣頂端約2 cm 處；激勵的同時，參考標準[11]，利用20 測點半球形包絡(luò)法測試車輪的聲學響應特性，在包絡(luò)車輪的半徑為2 m的半球面上固定位置安裝20個聲學傳感器，通過落球裝置對各個工況下的車輪進行徑向F1和軸向F2的激勵，測試現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 車輪自由懸掛狀態(tài)下聲輻射試驗現(xiàn)場

2.2 時間歷程試驗結(jié)果

圖3（a）和圖3（b）分別為徑向激勵與軸向激勵下各工況車輪的A 計權(quán)聲壓級時間歷程曲線，這些曲線給出了測量半球面上20個聲學測點的平均值。可以看出，落球擊打車輪瞬間，聲壓級達到最大水平，然后隨著時間的推移而逐漸衰減，由聲壓級的衰減快慢可以定性比較各工況車輪在相同激勵條件下的聲輻射能量大小。由圖3（a）可以看出，徑向激勵條件下，內(nèi)側(cè)和外側(cè)安裝阻尼環(huán)的車輪輻射噪聲衰減結(jié)束所需時間約為6.0 s，雙側(cè)安裝阻尼環(huán)車輪輻射噪聲衰減結(jié)束所需時間約為4.0 s，比單環(huán)衰減更快，而標準車輪的輻射噪聲衰減結(jié)束所需時間約為10.0s ，可見阻尼環(huán)車輪輻射噪聲的衰減時間遠小于標準車輪。從圖3（b）可看出，在軸向激勵下，相對于標準車輪，阻尼環(huán)車輪同樣能夠快速衰減車輪聲輻射，但衰減規(guī)律與徑向激勵有所不同，可見外側(cè)安裝阻尼環(huán)車輪輻射噪聲的衰減要快于內(nèi)側(cè)安裝阻尼環(huán)車輪，雙側(cè)安裝阻尼環(huán)車輪輻射噪聲的衰減時間與外側(cè)安裝阻尼環(huán)車輪相比相差不大，但打膠之后，雙側(cè)安裝阻尼環(huán)車輪輻射噪聲的衰減時間明顯縮短。以這些聲輻射時間歷程測試數(shù)據(jù)為對象，進行各工況下車輪的聲輻射水平及降噪效果的評價計算。

圖3 阻尼環(huán)車輪輻射噪聲衰減時間歷程

3 衰減時間對車輪降噪效果評價值的影響分析

3.1 對車輪聲能量級總值的影響

參考標準[11]，通過公式（2）中測量面的單一事件時間積分聲壓級再根據(jù)公式（3）計算得到輻射聲能量級LJ。

其中：S2=2pr2表示半徑為r的測試半球表面積，S0=1.0 m2，C1為基準量修正值；C2為聲輻射阻抗修正值；C3為特定頻率下的空氣吸收衰減的修正值，LEi(ST)為被測噪聲源運行時，在測量表面上第i個傳聲器位置進行了背景噪聲修正后的單一事件時間積分聲壓級；NM為傳聲器位置數(shù)。

為了探究衰減時間的取值對車輪輻射聲能量級的影響。由圖4（a）可以看出，徑向激勵下，在t0取值為0.011 s、0.014 s 和0.02 s 時，均發(fā)生了曲線相交的情況。當t0＜0.011 s，車輪降噪評價量按從大到小排序為W1＞W(wǎng)3＞W(wǎng)4＞W(wǎng)2；當t0=0.011 s，車輪W1與W3的降噪量總值曲線產(chǎn)生交點（評價值均為1.81 dB(A)），此時車輪降噪評價量排序為W1=W3＞W(wǎng)4＞W(wǎng)2；當0.011 s＜t0＜0.014 s，車輪降噪評價量排序變?yōu)閃3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)4＞W(wǎng)2；當t0=0.014 s，車輪W1 和車輪W4的降噪量總值曲線產(chǎn)生交點（評價值均為1.87 dB(A)），此時車輪降噪評價量排序為W3＞W(wǎng)1=W4＞W(wǎng)2；當0.014 s＜t0＜0.02 s，車輪降噪評價量排序又變?yōu)閃3＞W(wǎng)4＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2；當t0=0.02 s，車輪W3和車輪W4的降噪量總值曲線產(chǎn)生交點，評價值均為2.36 dB(A)，此時車輪降噪評價量排序為W3=W4＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2；當t0＞0.02 s，車輪降噪評價量排序最終變?yōu)閃4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2；當t0≥4 s 后，車輪W1、W2、W3和W4的降噪評價量分別達到9.79 dB(A)、9.49 dB(A)、11.81 dB(A)和12.59 dB(A)，且隨著t0的繼續(xù)增加，各車輪評價值基本不再變化。由圖4（b）可以看出，軸向激勵下，在t0取值為0.021 s、0.43 s時，均發(fā)生了曲線相交的情況。當t0＜0.021 s，車輪降噪評價量按從大到小排序為W3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)4＞W(wǎng)2；當t0=0.021 s，車輪W1與W4的降噪量總值曲線產(chǎn)生交點，評價值均為2.78 dB(A)，此時車輪降噪評價量排序為W3＞W(wǎng)1=W4＞W(wǎng)2；當0.021 s＜t0＜0.43 s，車輪降噪評價量排序變?yōu)閃3＞W(wǎng)4＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2；當t0=0.43 s，車輪W1和車輪W2的降噪量總值曲線產(chǎn)生交點，評價值均為8.67 dB(A)，此時車輪降噪評價量排序為W3＞W(wǎng)4＞W(wǎng)1=W2；當t0＞0.43 s，車輪降噪評價量排序最終變?yōu)閃3＞W(wǎng)4＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1；同樣，當t0≥4 s 后，車輪W1、W2、W3和W4的降噪評價量分別達到10.24 dB(A)、10.84 dB(A)、12.67 dB(A)和11.18 dB(A)，且隨著t0的繼續(xù)增加，各車輪評價值基本不再變化。結(jié)果表明，車輪的降噪評價結(jié)果確實受到衰減時間t0取值的影響，t0取值不同時，甚至可能得到完全相反的結(jié)論。

圖4 衰減時間對車輪降噪量總值的影響

由表2 可知，在徑向激勵下，當衰減時間t0取值較短（t0≤1 s）時，各車輪降噪效果評價值隨t0的增加而顯著增大，車輪W1、W2、W3和W4的降噪評價值在[0.01 s，1 s]區(qū)間內(nèi)分別增加了7.57 dB(A)、8.01 dB(A)、9.62 dB(A)和10.50 dB(A)；而當衰減時間取值較長（t0＞1 s）時，各車輪降噪效果評價值隨t0的增加而只有少許增大，在[1 s，4 s]區(qū)間內(nèi)只分別增加了0.45 dB(A)、0.44 dB(A)、0.44 dB(A)和0.45 dB(A)；尤其在t0≥4 s 后，各車輪降噪效果評價值基本保持不變，在[4 s，8 s]區(qū)間內(nèi)只分別增加了0.01 dB(A)、0.01 dB(A)、0.02 dB(A)和0.01 dB(A)。由表3 可見，軸向激勵下車輪降噪效果評價值的變化也遵循同樣的規(guī)律。

表2 車輪聲能量級總值及降幅計算結(jié)果——徑向激勵

3.2 對車輪各頻率下降噪效果的影響

圖5 和圖6 分別給出了徑向激勵和軸向激勵下的W0車輪與W4車輪的輻射聲壓級隨時間衰減的頻譜分析結(jié)果?？梢钥闯觯囕喸诎惭b雙側(cè)阻尼環(huán)并打膠后，其輻射聲在高頻段的衰減速率明顯快于中低頻段。尤其在1 600 Hz 以上，車輪輻射聲壓級能夠在1 s之內(nèi)達到15 dB(A)以上的降幅。因此，中低頻段的降噪效果評價值達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的衰減時間較長（約2 s～4 s），而高頻段的降噪效果評價值只需極短的衰減時間（小于1 s）就可以趨于穩(wěn)定。

圖5 車輪聲壓級時域衰減頻譜分析結(jié)果-徑向激勵

圖6 車輪聲壓級時域衰減頻譜分析結(jié)果-軸向激勵

進一步地，圖7 以車輪W2為例，給出了其在1/3倍頻程中心頻率下，隨衰減時間t0的不同而計算獲得的降噪評價結(jié)果。由圖7（a）可見，阻尼環(huán)裝置在800 Hz以上中高頻段對車輪有很好的降噪效果。其中，800 Hz～1 250 Hz 頻段的降噪評價值在2 s～4 s的衰減時間內(nèi)即可趨于穩(wěn)定，而1 600 Hz 以上頻段的降噪評價值僅在不超過1s 的衰減時間內(nèi)即可趨于穩(wěn)定。

接著，對t0=0.125 s和t0=4.0 s的降噪計算結(jié)果進行單獨比對分析，見圖7（b）。首先，當t0=0.125 s時，250 Hz、1 600 Hz 和4 000 Hz 三個頻率的降噪評價值均在5 dB(A)左右，為最優(yōu)降噪頻率，而當t0=4.0 s時，最優(yōu)降噪頻率卻變?yōu)? 150 Hz和4 000 Hz，其降噪評價值均高于10 dB(A)；接著，當t0=0.125 s 時，500 Hz 和1 000 Hz 頻率處的降噪評價值為負值，表明車輪內(nèi)側(cè)安裝阻尼環(huán)對于以上兩個頻率不僅沒有降噪效果，反而還增強了噪聲輻射，而當t0=4.0 s時，500 Hz 和1 000 Hz 頻率處的降噪評價值變?yōu)檎担砻鬈囕唭?nèi)側(cè)安裝阻尼環(huán)對于以上兩個頻率是具有一定降噪效果的?？梢?，當衰減時間t0取值不同時，對于車輪在頻域內(nèi)降噪效果的評價結(jié)果也是不同的。軸向激勵下的車輪聲輻射也有相同的變化規(guī)律，這里不再贅述。

圖7 車輪W2隨t0變化的頻域降噪計算結(jié)果

4 適用性討論

在對車輪的聲輻射時間歷程試驗曲線的分析中可以看出，當衰減時間t0取值較短時，車輪的降噪效果隨著t0的變化而波動較大。特別地，t0取小于0.025 s 的較小值時，所對應車輪降噪值越貼近實車運行狀態(tài)下的降噪效果實測值，即評價結(jié)果更加貼近實際使用效果。如張玉梅等[12]研究了當實車直線運行速度達到60 km/h時，阻尼環(huán)車輪對車輪內(nèi)側(cè)測點處輪軌噪聲的總體降噪效果為2.6 dB(A)。而在本文的阻尼環(huán)車輪聲輻射實驗研究中，當衰減時間t0≤0.025 s時，車輪W1、W2、W3和W4在徑向激勵和軸向激勵下的降噪效果評價值均為1.0 dB(A)～3.0 dB(A)?？梢姰斔p時間取值較短時，車輪降噪效果評價值與文獻[12]中實際運行狀態(tài)下的評價值基本處于同一量級；另一方面，若衰減時間t0為4 s或更長，該衰減時間段內(nèi)評價車輪的降噪值趨近于穩(wěn)定不變，這對于測試結(jié)果的統(tǒng)一性和穩(wěn)定性是有利的，然而其得到的降噪效果評價值，對于實際使用效果而言，卻往往是高估的。

因此，當在實驗室條件下，需對車輪的聲輻射水平進行全面評估和比較時，應選用較長的衰減時間（t0≥4 s），而當需要對車輪的實際使用降噪效果進行預測時，則應選用較短的衰減時間（t0≤0.025 s）。

5 結(jié)語

本文以某地鐵阻尼環(huán)車輪為例，研究了衰減時間t0的取值對車輪聲輻射水平及降噪效果評價結(jié)果的影響，并進行適用性分析得到如下結(jié)論。

(1)衰減時間取值越小，車輪輻射聲能量級總值評價值也越小，但隨衰減時間變化，其改變的幅度也越來越大，對應的阻尼車輪降噪效果評價值的變化也越明顯。反之，衰減時間取值越大，車輪輻射聲能量級總值評價值也越大，且隨衰減時間的增加，評價值趨于穩(wěn)定不變，對應的阻尼車輪降噪效果評價值的變化也趨于穩(wěn)定不變。

(2)當衰減時間取值不同時，車輪在不同頻率下的降噪效果評價值也存在差異。當衰減時間在0～2 s 內(nèi)變化時，各頻率下的降噪評價值差異尤其顯著，而當衰減時間在4 s 以上變化時，各頻率下的降噪評價值趨于穩(wěn)定不變。

(3)從適用性角度來看，衰減時間取t0≥4 s 的較大值時，能夠兼顧峰值與衰減兩個指標，從而更加全面地評估車輪的聲輻射水平；而衰減時間取t0≤0.025 s 的較小值時，能在一定程度上更貼合實車運行狀態(tài)下的連續(xù)激勵狀態(tài)，所得阻尼車輪的降噪評價結(jié)果也與實車運行下的評價結(jié)果更貼近。因此，應結(jié)合具體適用范圍與研究目標設(shè)置衰減時間的取值。

本文明確了衰減時間這一關(guān)鍵參數(shù)對車輪降噪效果評價結(jié)果的影響規(guī)律，為車輪噪聲評價標準的起草提供了數(shù)據(jù)支持，具有工程參考和指導意義。