CN101650221A - 铁路列车车内噪声测量分析方法及其系统 - Google Patents

Abstract

铁路列车车内噪声测量分析方法及其系统，该分析方法包括：在车外设置加速度传感器，获得车内噪音激励载荷；设置速度传感器，获得当前列车运行速度；设置导航定位装置，获得铁路沿线的地理及环境情况；在车厢内部设置声压传感器，获得车厢内部的噪音压力值；采用数据采集处理终端，通过传输模块，获得上述各传感器的数据，从而得到包括铁路沿线信息、运行速度和噪声压力值在内的测量分析结果。本发明科学评价了铁路车辆车厢内部噪声水平，并获得包括除列车车厢自身外的铁路沿线信息、运行速度、压力值综合数据处理结果，其设计合理，各类噪音影响数据充分准确，能够用于更为科学及准确的铁路列车车内噪声评价。

Description

铁路列车车内噪声测量分析方法及其系统

技术领域

本发明属于列车机械、气动噪声的测量分析技术，具体地涉及一种用于实车试验的铁路列车车内噪声测量分析方法及其系统。

背景技术

随着列车运行速度的不断提高，铁路沿线及列车车厢内部噪声污染急剧增加，直接影响沿线居民生活质量及车内旅客的乘坐舒适性。特别是近年来我国铁路客运专线的大规模修建，动车组被大量投入使用，该问题日趋突出。对高速列车提出切实可行的降噪方案已成为相关研究领域的热点。

目前，国内外学者通常采用数值模拟计算、风洞试验、实车试验三种方式研究列车机械、气动噪声。其中，风洞试验、数值模拟计算是一种理想的模拟仿真手段，其研究结果对于揭示列车振动噪声、气动噪声来源，获得噪声脉动压力分布，判断噪声辐射规律具有重要意义。但由于列车噪声来源复杂，不仅与列车行驶速度、列车结构、列车密封性等因素直接相关，同时也与铁路沿线路况、沿线风速、环境噪声水平相关。因此，通过风洞试验、数值模拟计算的研究结果都必须通过实车试验加以验证。此外，实车试验也是进行列车噪声水平客观评价的最直接手段。

目前，已经应用于实车试验的方法如2009年1月28日公开的中国专利申请200710130753.4，其公开了一种列车客车车内噪音激励载荷的获取方法和装置，其利用转向架构架的测量和二系悬挂的接触点处的振动与侧梁上接触点福建的振动基本一致的特定，采集铁路客车的转向架与二系悬挂的接触点在横向、垂直、纵向的振动信号，能够通过二系悬挂的频响函数来推算车厢与二系悬挂接触点处的振动，该发明只需简单的将加速度传感器设置在转向架的侧梁上即可完成对振动信号的采集。再如《农业机械学报》第40卷第2期于2009年2月公开的《车内噪声分析与控制研究》一文中，作者依据国标GB/T 18697-2002，对汽车车内噪音进行测试，获得车速、挡位、转速对于车内噪声的影响数据。

上述现有技术中均已经公开了多种测量车辆内部各种噪音影响数据的方法和系统，但是由于列车车厢内的噪音声源复杂，不仅与列车本身结构、车厢密封性、车厢座位布置有关，还与列车运行速度、铁路沿线地理环境和环境风俗有关系，其是由多个噪声源信息耦合作用而成。单纯的进行列车车辆自身的各项参数测量分析而不考虑外部环境因素的影响，将会导致测量数据的不合理性和片面性。

发明内容

本发明提供了一种科学评价铁路车辆车厢内部噪声水平，并获得包括除列车车厢自身外的铁路沿线信息、运行速度和压力值综合数据处理结果的铁路列车车内噪声测量分析方法及其系统，其设计合理，各类噪音影响数据充分准确，能够更为科学及准确的进行铁路列车车内的噪声评价。

本发明所采用的技术方案如下：

一种铁路列车车内噪声测量分析方法，用于铁路列车车辆内的噪音测量和处理，其特征在于所述噪声测量分析方法包括：

在车外设置加速度传感器，获得车内噪音激励载荷；

设置速度传感器，获得当前列车运行速度；

设置导航定位装置，获得铁路沿线的地理及环境情况；

设置声压传感器，获得车厢内部的噪音压力值；

采用数据采集处理终端，通过传输模块，获得上述各传感器的数据，从而得到包括铁路沿线信息、运行数度和噪声压力值在内的测量分析结果。

具体地讲，所述加速度传感器设置二系悬挂与转向架的接触点附近，该接触点位于车辆转向架的侧梁上，该加速度传感器为一磁性吸附机构或一扣装机构固定设置于该接触点上的三向加速度传感器。

所述导航定位装置包括GPS导航仪，所述铁路沿线的地理及环境情况包括铁路沿线的桥梁、隧道布置信息。

所述升压传感器分布设置在车厢长度方向的中轴线上；

其中，在座位车厢中，该压力传感器的分布设置高度为距车厢内底部的1.2m和1.6m处；

其中，在卧铺车厢中，该压力传感器的分布设置高度为距车厢内底部的0.8m、1.2m处。

所述加速度传感器、速度传感器和声压传感器在进行采集数据的传输时，同类型传感器的采集数据带有一传感器编号，用于区别获得该采集数据的同类型传感器的位置。

所述声压传感器分别配置有一安装固定部，该安装固定部包括磁力固定装置、吸附连接装置或扣装固定装置。

所述传输模块包括以太网传输模块、无线传输模块。

一种铁路列车车内噪声测量分析系统，用于铁路列车车辆内的噪音测量和处理，其特征在于所述噪声测量分析系统包括：

各传感器装置，包括：

加速度传感器，设置在车外，用于获得车内噪音激励载荷；

GPS导航仪，用于获得铁路沿线的地理及环境情况；

声压传感器，分布于车厢内部，用以获得车厢内部的噪音压力值；

传输模块，包括以太网传输模块、无线传输模块，连接所述各传感器装置；

数据采集处理终端，连接传输模块，包括数据采集处理服务器和监控终端。

具体的讲，该系统中所述加速度传感器设置车辆的二系悬挂与转向架的接触点附近，该接触点位于车辆转向架的侧梁上，该加速度传感器为一磁性吸附机构或一扣装机构固定设置于该接触点上的三向加速度传感器。

所述噪声测量分析系统进一步包括用于获得当前列车运行速度的速度传感器。

该铁路列车车内噪声测量分析方法除采用加速度传感器，获得车内噪音激励载荷外，还通过速度传感器实时获得列车运行速度，通过声压传感器获得车厢内部的噪音压力值，通过导航定位装置实时获得列车经过的铁路沿线地理及环境情况，包括列车经过的桥梁、隧道、弯道等各种环境信息。如此，数据采集处理终端通过传输模块，能够获得各种类型的传感器的采集数据，进行影响列车车内噪音的多种类型数据的采集，保证了数据采集处理终端的处理结果的科学性和准确性。

本发明利用工程领域环境噪声的测量计算原理，任何类型的环境噪声水平均可以通过下列三个基本方程加以描述：

$L_p=10\lg {\left(\frac{p}{p_0}\right)}^2=20\lg \left(\frac{p}{p_0}\right)\left(\mathrm{dB}\right)---\left(1\right)$

$L_1=10\lg \left(\frac{I}{I_0}\right)\left(\mathrm{dB}\right)---\left(2\right)$

$L_w=10\lg \left(\frac{W}{W_0}\right)\left(\mathrm{dB}\right)---\left(3\right)$

式中，L_p、L_I、L_W分别代表噪声声压级、声强级、声功率级，三者为噪声测试基本量。其基准声p₀＝20μPa＝2×10^-5N/m²，基准声强I₀＝10^-12W/m²，基准声功率W₀＝10^-12W。

铁路列车车厢内部噪声源复杂，不仅与线路路况、环境风速、列车车况有关，同时与车厢密封性及车厢座位布置均有关，是由多个噪声源信息耦合作用而成。当为同频率声源时，总声压级取决于各噪声源的相位差，同相位则叠加为原始值的两倍，反相位则抵消为零。

除同频率声源的特殊情况外，多数场合噪声环境适用“能量相加法则”，其总声压级可按公式(4)计算获得。

$L_p=10\lg {\left(\stackrel{i=1}{\mathrm{\Σ}}{10}^{\frac{L_{\mathrm{pi}}}{10}}\right)}^2---\left(4\right)$

为客观评价环境噪声，通常采用通过加权计算声压级而获得的A计权声压级进行评价。该方法虽然简单便捷，当其仅适合于时间连续、频谱较均匀、分贝数值较平稳的噪声环境。但动车组车厢内部噪声属于典型的非平稳、跳跃噪声环境，不合适用A计权声压级加以评价。本发明可采用等效连续A声压级进行计算与评价，其数值可按公式(5)计算获得。本文所指A计权声压级均为经过一定时间等效积分后的等效连续A计权声压级。

$L_{\mathrm{Aeq},T}=10\lg \left[\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\frac{p_A\left(t\right)}{p_0^2}\mathrm{dt}\right]---\left(5\right)$

声压是指声波通过媒介质中某点时，在该点的压力增量，一般情况下指有效声压，即瞬时声压的方均根值。本发明所采用的声压传感器可采用麦克风作为传声器，声压信号通过传声器被转换成电压信号，馈入放大器成为具有一定功率的电信号，再通过计权网络，经过检波便可以进行各种形式的显示。该噪声测量分析方法及装置采用分布设置在列车车厢长度方向上的多个声压传感器，进行两种高度类型的数据采集。在测量客车车厢内部噪声时，采用在座位车厢两端部及中部，按旅客坐、站时人耳两个高度(分别为1.2m、1.6m)设置数个测点；在卧铺车厢两端部及中部，按旅客坐、卧时人耳两个高度(分别为1.2m、0.8m)设置数个测点。测量时所有测点的声压传感器方向均向上，列车各节车辆全部车载设备均开启。速度传感器和GPS导航仪可布置在车厢内部的任何位置。上述各种类型传感器均可固定设置在一快速安装器上，用于实现牢固固定的同时，方便各类传感器的装卸，该快速安装器可以包括磁力安装装置、吸附固定装置或扣装固定机构。

该铁路列车车内噪声测量分析方法及装置所采用的采集数据处理终端可包括一数据采集处理服务器和一监控终端，监控端和数据采集处理服务器的处理程序均采用LABVIEW编写，具有统计分析、曲线绘制、时间序列AR/ARMA模型谱分析(包括功率谱、密度谱等)、FFT变换等功能，满足噪声数据日常分析的需要。监控终端内设置的监控程序可以实时根据现场的情况，通过操作传输模块中的ARM芯片实现对各个传感器的采集参数进行修改。

由于该方法和系统所采用的传感器数量和种类众多，为了便于不同类型和同类型不同位置传感器的区别信息，所有同类传感器采集的数据都带传感器编号。另外，传感器与采集软件还可有一个握手协议，保障数据不丢包。

本发明的有益效果在于，该铁路列车车内噪声测量分析方法及其系统科学评价了铁路车辆车厢内部噪声水平，并获得包括除列车车厢自身外的铁路沿线信息、运行速度、压力值综合数据处理结果，其设计合理，各类噪音影响数据充分准确，能够更为科学及准确的进行铁路列车车内噪声评价。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

附图说明

图1是本发明噪声测量分析系统的组成框架图。

具体实施方式

该铁路列车车内噪声测量分析方法系用于铁路列车车辆内的噪音测量和处理分析。减速度传感器可采用包括一快速固定机构的测量水平横向、纵向和垂直向的三向加速度传感器，加速度传感器设置于二系悬挂与转向架的接触点附近，该接触点位于车辆转向架的侧梁上，通过该车外设置的加速度传感器，可以获得车内噪音激励载荷。速度传感器可以设置在车厢的任一位置，用于实时测定列车车厢的运行速度。导航定位装置采用GPS导航仪，其可设置车厢内的任一位置，用于获得铁路沿线包括桥梁、隧道等的地理及环境情况；多个声压传感器分布设置在车厢长度方向的中轴线上，一般采用10个左右的声压传感器用于获取车厢内部的噪音压力值。在座位车厢中，该压力传感器的分布设置高度为距车厢内底部的1.2m和1.6m处，即坐、站时人耳两个高度。其中，在卧铺车厢中，该压力传感器的分布设置高度为距车厢内底部的0.8m、1.2m处，即旅客坐、卧时人耳两个高度。上述各类传感器均可连接一快速固定装置，用于将传感器固定于各种测量位置。该快速固定装置可包括磁力固定机构、吸附固定装置和扣装固定机构。

上述各类型传感器连接设置传输模块，该传输模块为以太网传输模块和无线传输模块，数据采集处理终端连接传输模块，并通过传输模块获得包括铁路沿线信息、运行数度和噪声压力值在内的测量分析结果。

实车实验于铁道部200km/s和谐号动车组巡检车上进行，巡检车由头尾2节车头、4节软座车辆、1节卧铺车辆、1节餐车编组。列车在北京-天津-郑州-西安-武汉-长沙-广州-深圳线路上往返巡检数次，运行速度分为120km/s、160km/s、200km/s三档。测点设置根据GB/T3449-1994《铁路机车车辆内部噪声测量》所规定的铁路机车及客室内部噪声测量条件和方法进行。该设置方法适用于铁路电力机车客室内部的噪声测量，其试验结果可以用于评价铁路车辆车厢内部噪声水平。

该噪声测量分析方法所采用的所有加速度传感器、速度传感器、GPS导航仪、声压传感器在传输采集数据时，每一类型传感器的采集数据均带有一传感器编号，用于数据采集处理终端区别获得该采集数据的同类型传感器的位置。

如图1所示，该噪声测量分析系统主要由前端采集模块10、采集模块20和数据采集处理终端30三部分组成，前端采集模块10包括：加速度传感器，设置在车外，用于获得车内噪音激励载荷；GPS导航仪，用于获得铁路沿线的地理及环境情况；声压传感器，分布于车厢内部，用以获得车厢内部的噪音压力值；速度传感器，用于获得当前列车运行速度。加速度传感器设置车辆的二系悬挂与转向架的接触点附近，该接触点位于车辆转向架的侧梁上，该加速度传感器通过一磁性吸附机构或一扣装机构固定设置于该接触点上的三向加速度传感器。声压传感器分布设置在车厢长度方向的中轴线上，一般采用10个左右的声压传感器用于获取车厢内部的噪音压力值。在座位车厢中，该压力传感器的分布设置高度为距车厢内底部的1.2m和1.6m处，即坐、站时人耳两个高度。其中，在卧铺车厢中，该压力传感器的分布设置高度为距车厢内底部的0.8m、1.2m处，即旅客坐、卧时人耳两个高度。GPS导航仪和速度传感器可以设置在车厢内的任一位置。

上述各传感器连接设置传输模块20，用于采集数据的传输，该传输模块20包括ARM嵌入式智能控制单元、信号数模转换电路、信号调理电路、以太网传输网络接口，无线传输网络接口。

传输模块20连接设置数据采集处理终端30，数据采集处理终端由数据采集处理服务器和监控终端组成，用于进行采集数据的处理分析和整个系统的监控。

该铁路列车车内噪声测量分析方法及系统具有模块化程度高、存储速度快、便于扩展设计等优点，可以根据现场不同的试验需求快速更新系统功能。另外，该系统基于网络通讯的数据采集传输模式，不仅能够加快数据采集储存速度，提高系统稳定性，同时便于实现系统软件-硬件-数据库三者的无缝集成。该噪声测量分析方法及系统在各种运行速度试验工况下，能够获得车厢内部噪声能量分布特征和外部环境及运行状况对车厢噪声的影响数据，更加客观和准确的用于评价车厢降低噪声设计、选型的合理性，还能用于铁路沿线环境的噪音影响评价及研究。

Claims (10)

1.一种铁路列车车内噪声测量分析方法，用于铁路列车车辆内的噪音测量和处理，其特征在于所述噪声测量分析方法包括：

在车外设置加速度传感器，获得车内噪音激励载荷；

设置速度传感器，获得当前列车运行速度；

设置导航定位装置，获得铁路沿线的地理及环境情况；

设置声压传感器，获得车厢内部的噪音压力值；

采用数据采集处理终端，通过传输模块，获得上述各传感器的数据，从而得到包括铁路沿线信息、运行数度和噪声压力值在内的测量分析结果。

2.根据权利要求1所述的铁路列车车内噪声测量分析方法，其特征在于所述加速度传感器设置二系悬挂与转向架的接触点附近，该接触点位于车辆转向架的侧梁上，该加速度传感器为一磁性吸附机构或一扣装机构固定设置于该接触点上的三向加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的铁路列车车内噪声测量分析方法，其特征在于所述导航定位装置包括GPS导航仪，所述铁路沿线的地理及环境情况包括铁路沿线的桥梁、隧道布置信息。

4.根据权利要求1所述的铁路列车车内噪声测量分析方法，其特征在于所述升压传感器分布设置在车厢长度方向的中轴线上；

其中，在座位车厢中，该压力传感器的分布设置高度为距车厢内底部的1.2m和1.6m处；

其中，在卧铺车厢中，该压力传感器的分布设置高度为距车厢内底部的0.8m、1.2m处。

5.根据权利要求1所述的铁路列车车内噪声测量分析方法，其特征在于所述加速度传感器、速度传感器和声压传感器在进行采集数据的传输时，同类型传感器的采集数据带有一传感器编号，用于区别获得该采集数据的同类型传感器的位置。

6.根据权利要求1所述的铁路列车车内噪声测量分析方法，其特征在于所述声压传感器分别配置有一安装固定部，该安装固定部包括磁力固定装置、吸附连接装置或扣装固定装置。

7.根据权利要求1所述的铁路列车车内噪声测量分析方法，其特征在于所述传输模块包括以太网传输模块、无线传输模块。

8.一种铁路列车车内噪声测量分析系统，用于铁路列车车辆内的噪音测量和处理，其特征在于所述噪声测量分析系统包括：

各传感器装置，包括：

加速度传感器，设置在车外，用于获得车内噪音激励载荷；

GPS导航仪，用于获得铁路沿线的地理及环境情况；

声压传感器，分布于车厢内部，用以获得车厢内部的噪音压力值；

传输模块，包括以太网传输模块、无线传输模块，连接所述各传感器装置；

数据采集处理终端，连接传输模块，包括数据采集处理服务器和监控终端。

9.根据权利要求8所述的铁路列车车内噪声测量分析系统，其特征在于所述加速度传感器设置车辆的二系悬挂与转向架的接触点附近，该接触点位于车辆转向架的侧梁上，该加速度传感器为一磁性吸附机构或一扣装机构固定设置于该接触点上的三向加速度传感器。

10.根据权利要求8所述的铁路列车车内噪声测量分析系统，其特征在于所述噪声测量分析系统进一步包括用于获得当前列车运行速度的速度传感器。

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