鐵路軌道及其周圍環境的聲輻射、反射和衰減的預測對于進行可靠的列車通過噪聲仿真至關重要。本文描述了鐵路軌道聲傳播及其局部環境的測量以及驗證相應的仿真模型。該實驗已在捷克的一處壓艙軌道上進行了閉環測試與驗證。這項工作的目的是考慮不同的表面特性，例如壓載物和草，并研究它們對噪聲傳播和衰減的影響。每個表面具有不同的擴散級別，并且根據入射角度不同的反射噪聲。研究了針對不同軌道環境及其對聲傳播的影響的各種設計研究。這項工作的結果已被用作數值模擬列車通過噪聲的基礎。光線跟蹤方法已被證明是一種快速評估列車外部噪聲的有效方法。

 

介紹

在列車通過噪聲中，至關重要的是要知道周圍表面的參數，以便能夠創建可靠的數值模型，以正確地解釋反射的噪聲。

 

總聲壓級由直接噪聲以及來自不同表面，例如車皮、道砟、軌枕（及其間隔）和草地的各種反射組成。實際場景包含更多復雜的效果，例如，并非每個鐵軌都是完全對稱的。

 

在本文中，主要目的是確定三種典型的近距離經過的火車的頻率相關的吸收系數：鐵軌（道砟）、混凝土和草。在這些表面上進行了幾次測量，以獲得聲傳遞函數，可以通過射線追蹤數值幾何方法從中提取出所需的吸聲率。作為下一個目標，在考慮到沿尖銳邊緣的衍射以驗證列車通過噪聲的情況下，在包含兩個在鐵路軌道上的集裝箱貨車的復雜射線跟蹤模型中，使用了導出的吸收系數。

 

試驗活動

VúKV a.s.進行了一項實驗性活動。在捷克的Velim鐵路測試線路（位于Cerhenice的鐵路機車車輛測試設施），定期進行根據TSI-NOI [?SNEN ISO 3095：2013，聲學-鐵路應用-鐵路車輛發出的噪聲的測量]進行的認證噪聲測試。該活動的目的是在三種不同的表面（道砟、草和混凝土）上，從全向聲源測量不同距離和高度的聲壓級。

 

試驗設置

全向聲源被用作發射白噪聲頻譜的源。如圖1和2所示，在某些距離和高度處，在麥克風（M2，M3，M4，M5，M6）處記錄了聲音響應。麥克風之間的不同距離旨在捕獲不同反射角度的影響。記錄的聲壓級由直接噪聲和反射噪聲組成。

圖1：試驗設置。

圖2：道砟試驗設置。

測試結果

初步測試結果與預期不符，原因可能是與麥克風彼此放置得太近有關。在測試過程中存在邊際風，并且沒有重復測量幾次以檢查一致性。作為響應，決定更改實驗設置（圖3），并在距全向聲源24米的地方測量聲壓級，麥克風之間的距離為3米。

圖3：試驗設置。

在10Hz至10kHz的頻率范圍內，獲得了混凝土、草皮表面和道砟的結果。第一次測量是在混凝土表面上進行的，以表征源功率譜。選擇混凝土表面條件進行離子源表征，因為可以將其視為具有可忽略不計的吸收力的理想剛性表面。記錄的聲壓級顯示在下面的圖4和5中。對于混凝土表面，來自聲源的聲壓級高于背景噪聲，但是對于道砟，低于200Hz的聲壓級可與測得的聲壓級媲美，這意味著低于200Hz的數據不能用于道砟吸收的反算。

圖4：混凝土表面的聲壓級。

圖5：道砟的聲壓級。

聲源功率估算

未在消聲室內測量聲源功率，因此，如上所述，它必須從現有混凝土表面聲壓級測量結果與模擬模型中得出。這個想法是根據混凝土表面“完全”反射條件來反算源功率，假設該功率不受表面吸收的影響。

 

考慮了兩個不同的仿真模型，一個邊界元模型和一個射線追蹤模型，它們都是基于VA One軟件建立的。邊界元模型和射線跟蹤模型可以提供相似的結果，但是射線跟蹤是此應用程序的首選，因為它具有更快的計算速度，不需要花費更多時間或精力來提高頻率，并且還能夠支持任何表面上的吸收和擴散效果。

 

圖6顯示了用于再現測試設置的光線跟蹤模型。

圖6：射線追蹤模型用于聲源功率預估。

建立了一個簡單的光線跟蹤模型，該模型將零吸收應用于地面并具有單位功率（1 [W]），以在傳感器處獲得ATF。然后，根據測量的和模擬的單位響應之比來縮放單位源功率，以獲得用于測量的實際功率譜。為此目的，開發了一種特殊的濾波器來消除兩個頻譜的共振和反共振。對每個頻率點執行此操作，可以很好地估算測量中使用的源功率。

圖7：聲源功率譜。

吸收估計過程

在窄帶中比較了來自測量和模擬的聲壓級，并針對吸收和擴散進行了靈敏度分析。吸收和擴散強烈影響直接波和反射波的相互作用。對每個傳聲器進行了比較，通過將模擬擬合到測量上來找到混凝土、草皮和道砟的最佳吸收率，方法是在第三倍頻程頻帶中進行迭代的吸收變化，并解決窄帶中的射線追蹤模型。

 

優化了某些頻率的吸收值，以捕獲測量曲線的重要特征，例如：

-         峰值的高度和谷值的深度

-         峰值的頻率

-         總體水平

-         三分之一倍頻程頻譜的比較如下：

 

圖8和9顯示了在不同距離下混凝土和道砟的最佳吸收效果。

圖8：在窄帶（頂部）和三倍頻程（底部）中具有最佳吸收的混凝土聲壓級的測試與仿真比較。

圖9：道砟聲壓級的測試與仿真比較，優化了窄帶（頂部）和三分之一倍頻程（底部）中的吸收。

 

最終，得出了草、混凝土和道砟的三個吸聲曲線，如圖10所示。

圖10：混凝土、草料和道砟的吸聲性能。

通過噪聲仿真

聲線法模型

一旦吸收系數可用，就建立了用于跟蹤噪聲評估的射線追蹤模型。該模型由兩個車廂幾何結構，代表輪軌相互作用噪聲產生的16個復雜聲源，包括不同吸收表面的軌道幾何結構，代表轉向架區域內部的通過噪聲麥克風和虛擬麥克風的傳感器組成，如圖11所示。

圖11：用于通過噪聲評估的射線追蹤模型。

噪聲源估算

在測試軌道上分別以60km/h，80km/h，100km/h和120km/h的恒定速度行駛。如圖12所示，在轉向架區域記錄了聲壓級。兩個麥克風放在車輪前部，第三個麥克風放在中部。

圖12：轉向架聲源估計的實驗裝置。

 

對三個麥克風的聲壓水平求平均值，并使用火車的射線追蹤模型（圖13）對相應的緊湊型聲源（CAS）的聲功率級進行反算。

圖13：包括緊湊型聲源（CAS）的轉向架的射線追蹤模型。

 

圖14顯示了在麥克風1處測得的聲壓級與使用射線追蹤模型計算的模擬聲壓級之間的良好相關性，假設源與單極等效，則使用反跟蹤的緊湊型聲源。

圖14：窄帶（頂部）和三分之一倍頻程（底部）中麥克風1聲壓級的測試與仿真相關性。

通過噪聲一致性驗證

使用射線追蹤模型計算80km/h的通過噪聲水平，并使用持續時間為0.05s的信號與實驗數據進行比較。在圖15中，顯示了光線跟蹤模型，其中麥克風與綠色表示的測試數據相關。

圖15：通過噪聲聲線法模型。

 

圖16顯示了選定麥克風在音軌的三分之一倍頻程中的實驗數據與仿真之間的相關程度（在軌道的左側和右側）。

圖16：選定麥克風（M1-左和M2-右）的80km/h傳遞噪聲聲壓級。

結論

在本文中，提出了用于評估火車通過噪聲預測的射線追蹤模型中不同類型表面的吸聲系數的實驗項目。初步測試結果并不令人滿意，因此隨后進行了第二次測試，從而獲得了更好的結果。這些與測試設置的射線追蹤模型結合使用，可以估算不同類型表面的吸收系數。然后，進行了通過噪聲測試，以記錄靠近輪軌接觸區域和轉向架區域中的聲壓級，該聲壓級用于反算將在通過中使用的緊湊型聲源的聲功率級噪聲射線跟蹤模型。記錄根據傳遞噪聲法規放置的麥克風位置中的聲壓級，以執行測試與仿真的相關性。進行了通過噪聲射線追蹤模擬，并將其與實驗數據相關聯，該實驗數據在總體響應頻譜方面顯示出良好的一致性，但在5dB范圍內的局部差異研究將成為未來的研究目標。

 

致謝

此項課題和工作得到了歐洲TACR項目（TH02010775 /火車-PBN通過噪聲研究）的支持，特此表示感謝。

 

本文來源：interNoise 2019

本文作者：Fiedler Robert 1，Novotny Zdenek 1，Calloni Massimiliano1，Phamová Lucie 2

作者單位：1- ESI Group，2- VUKV a.s. 

 文章來源Prosynx