CN109501821A - 一种基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统及方法，该系统包括激励电源装置、等离子体发生装置、噪声采集装置、控制器和计算机；激励电源装置的输入端与控制器连接，其输出端与等离子体发生装置连接，所述控制器还与计算机连接，噪声采集装置与计算机连接。本发明提供的降噪系统及方法在保证列车可用空间不变的情况下，利用等离子体主动流动控制技术，实现对气动噪声源的有效控制。

Description

一种基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统及方法

技术领域

本发明属于高速列车降噪技术领域，具体涉及一种基于等离子体控制的高速列车降噪系统及方法。

背景技术

随着高速列车的蓬勃发展，列车运行速度稳步提升，一些低速环境下被忽略的问题逐步显现并影响列车的运行。普通列车的动态环境以机械、电气作用为主，而高速列车的动态环境以气动作用为主，由此带来的最大限制是气动噪声。随着高速列车速度等级的提升，气动噪声与运行速度的六次方成正比，成为了高速列车噪声的主要来源，过大的气动噪声会严重影响乘客乘车的舒适感并给沿线居民生活带来困扰。

目前，控制噪声源强度与隔绝传播路径是降低高速列车气动噪声的主要手段，具体表现在安装消音器与利用阻尼减振材料等方法，缺少主动抑制噪声源以减小气动噪声的方法。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统及方法解决了现有列车降噪方法中缺少主动抑制噪声源以减少气动噪声的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统，包括激励电源装置、等离子体发生装置、噪声采集装置、控制器和计算机；

所述激励电源装置的输入端与控制器连接，其输出端与等离子体发生装置连接，所述控制器还与计算机连接，所述噪声采集装置与计算机连接。

进一步地，所述激励电源装置设置于列车车头舱体内部，用于给等离子体发生装置提供能量输入与外部激励；

所述等离子体发生装置有四个，且均与激励电源装置连接，分别固定安装于列车头部纵向中轴线上、列车头部左侧最大轮廓线上、列车头部右侧最大轮廓线上和列车尾部；

所述噪声采集装置设置于列车车厢内部，用于实时监测车厢内部的环境噪声，并将监测到的环境噪声实时上传至计算机；

所述控制器设置于列车车头舱体内部，用于根据计算机的控制信号进而控制激励电源装置的动作；

所述计算机用于对噪声采集装置上传的信号进行分析，并向控制器发出控制信号。

进一步地，所述噪声采集装置包括信号采集单元、信号放大单元和信号转换单元；

所述信号采集单元通过信号放大单元与信号转换单元连接；

所述信号采集单元中包括型号为CM6022P的噪声传感器；

所述信号转换单元包括依次连接的A/D转换电路和DSP处理器，所述DSP处理器与计算机连接。

进一步地，每个所述等离子体发生装置包括暴露电极、上绝缘介质板、嵌入电极和下绝缘介质板；

所述暴露电极设置于上绝缘介质板的上表面，所述下绝缘介质板的上表面设置有嵌入电极，所述上绝缘介质板和下绝缘介质板堆叠在一起，形成嵌入电极的封装；

所述下绝缘介质板的下表面固定于列车顶部外侧表面；

所述上绝缘介质板和嵌入电极之间的横向距离可调；

所述暴露电极和嵌入电极均与激励电源装置连接。

进一步地，所述控制器的主控芯片为Stratix III FPGA系列器件。

进一步地，所述激励电源装置包括信号源、功放电路和升压变压器；

所述信号源包括并行运行的电压幅值单元和电压频率单元；

所述电压幅值单元和电压频率单元的输入端均与计算机连接，其输出端均通过功放电路与升压变压器连接；

所述升压变压器的副边绕组的一端与暴露电极连接，所述升压变压器的副边绕组的另一端与嵌入电极连接。

一种基于等离子体流动控制的高速列车降噪方法，包括以下步骤：

S1、通过噪声采集装置实时监测车厢内部的噪声信号，并上传至计算机；

S2、通过计算机将上传的噪声信号与噪声数据库内的噪声等级进行对比，实时反馈噪声等级；

S3、将噪声等级传输至控制器，根据控制器设定的启动降噪系统的噪声等级阈值，判断是否启动降噪系统；

若是，则进入步骤S4；

否则，进入步骤S5；

S4、通过控制器控制激励电源装置启动，并调节激励电源装置的输出信号，给等离子体发生装置提供能量和外部激励，并进入步骤S6；

S5、继续正常行驶，并返回步骤S1；

S6、在激励电源装置的激励下，通过等离子体发生装置产生定向的诱导气流，进而影响列车表面的流场分布特性，实现降噪。

进一步地，所述步骤S6中，诱导气流的强度和延伸范围可调节；

调节诱导气流的强度的具体方法为：

通过计算机对噪声采集装置上传的噪声信号进行分析，根据分析结果，确定最优电压幅值和电压频率；并通过控制器调节激励电源装置的电压幅值单元输出最优电压幅值，电压频率单元输出最优电压频率，进而调节等离子体发生装置产生的定向诱导气流的强度；

调节诱导气流的延伸范围的具体方法为：

通过计算机对噪声采集装置上传的噪声信号进行分析，根据分析结果，调节等离子体发生装置中上绝缘介质板与下绝缘介质板之间的横向距离，进而改变等离子体发生装置产生的定向诱导气流的延伸范围，同时优化诱导气流的强度。

本发明的有益效果为：

(1)利用等离子体主动流动控制技术改变高速列车表面流场分布特性，有效抑制高速列车噪声源，降低高速列车噪声；

(2)等离子体发生装置具有无运动部件，反应速率快，体积小，能耗低等优点，经济效益明显。

(3)等离子体发生装置安装在列车表面呈现带状分布，等离子体区域与列车头部及尾部契合，不影响高速列车原有流线型构造，对列车行驶无不良影响。

附图说明

图1为本发明中基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统结构图。

图2为本发明中等离子体发生装置在高速列车安装位置示意图。

图3为本发明中噪声采集装置电路原理图。

图4为本发明中等离子体发生装置结构图。

图5为本发明中激励电源装置电路原理图。

图6为本发明中基于等离子体流动控制的高速列车降噪方法流程图。

图7为本发明提供的实施例中典型高速列车启动噪声源分布示意图。

图8为本发明提供的实施例中湍流动能分布示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统，包括激励电源装置、等离子体发生装置、噪声采集装置、控制器和计算机；

激励电源装置的输入端与控制器连接，其输出端与等离子体发生装置连接，控制器还与计算机连接，噪声采集装置与计算机连接。

其中，激励电源装置设置于列车车头舱体内部，用于给等离子体发生装置提供能量输入与外部激励；

等离子体发生装置有四个，且均与激励电源装置连接，分别固定安装于列车头部纵向中轴线上、列车头部左侧最大轮廓线上、列车头部右侧最大轮廓线上和列车尾部；图2中显示了等离子体发生装置在高速列车上的安装位置，图中A为高速列车尾部，B为高速列车头部纵轴线，C为高速列车头部左侧最大水平轮廓线，D为高速列车头部右侧最大水平轮廓线。

噪声采集装置设置于列车车厢内部，用于实时监测车厢内部的环境噪声，并将监测到的环境噪声实时上传至计算机；

控制器设置于列车车头舱体内部，用于根据计算机的控制信号进而控制激励电源装置的动作；

计算机用于对噪声采集装置上传的信号进行分析，并向控制器发出控制信号。

如图3所示，上述噪声采集装置包括信号采集单元、信号放大单元和信号转换单元；

信号采集单元通过信号放大单元与信号转换单元连接；

信号采集单元中包括型号为CM6022P的噪声传感器，该噪声传感器为电容式传感器，用于采集噪声信号，具有测量精度高、灵敏度高、体积小以及对流场扰动小的特点，能够满足噪声采集的要求；

噪声采集装置中的信号放大单元由共射极放大电路构成，实现对采集的噪声信号放大输出，放大倍数高，输入阻抗小；

信号转换单元包括依次连接的A/D转换电路和DSP处理器，DSP处理器与计算机连接；信号转换单元由A/D转换电路(A/D转换芯片型号为黑金AD7606)和DSP处理器(型号为TMS320C54X)构成，对放大后的噪声信号进行噪声等级算法处理，并将处理结果输送给计算机的输入端口。该A/D转换电路采样频率和测量精度高、工作温度稳定。该DSP处理芯片能耗低，运行速度快，能够实时转换噪声信号。

如图4所示，每个等离子体发生装置包括暴露电极、上绝缘介质板、嵌入电极和下绝缘介质板；

暴露电极设置于上绝缘介质板的上表面，下绝缘介质板的上表面设置有嵌入电极，上绝缘介质板和下绝缘介质板堆叠在一起，形成嵌入电极的封装；

下绝缘介质板下表面固定于列车顶部外侧表面；

上绝缘介质板和下绝缘介质板之间的横向距离可调；

暴露电极和嵌入电极均与激励电源装置连接。

如图5所示，激励电源装置包括信号源、功放电路和升压变压器；

信号源包括电压幅值单元和电压频率单元；

电压幅值单元和电压频率单元的输入端均与计算机连接，其输出端均通过功放电路与升压变压器连接；

升压变压器的副边绕组的一端与暴露电极连接，升压变压器的副边绕组的另一端与嵌入电极连接。

上述控制器的主控芯片为Stratix III FPGA系列器件，该系列器件移植能力强，编程性能强大，同时功耗小，集成化程度高，满足对转换信号的判断和装置动作要求。

如图6所示，本发明还提供了一种基于等离子体流动控制的高速列车降噪方法，包括以下步骤：

S1、通过噪声采集装置实时监测车厢内部的噪声信号，并上传至计算机；

S2、通过计算机将上传的噪声信号与噪声数据库内的噪声等级进行对比，实时反馈噪声等级；

S3、将噪声等级传输至控制器，根据控制器设定的启动降噪系统的噪声等级阈值，判断是否启动降噪系统；

若是，则进入步骤S4；

否则，进入步骤S5；

S4、通过控制器控制激励电源装置启动，并调节激励电源装置的输出信号，给等离子体发生装置提供能量和外部激励，并进入步骤S6；

S5、继续正常行驶，并返回步骤S1；

S6、在激励电源装置的激励下，通过等离子体发生装置产生定向的诱导气流，进而影响列车表面的流场分布特性，实现降噪。

上述步骤S6中，诱导气流的强度和延伸范围可调节；

调节诱导气流的强度的方法具体为：

通过计算机对噪声采集装置上传的噪声信号进行分析，根据分析结果，确定最优电压幅值和电压频率；并通过控制器调节激励电源装置的电压幅值单元输出最优电压幅值，电压频率单元输出最优电压频率，进而调节等离子体发生装置产生的定向诱导气流的强度；

调节诱导气流的延伸范围的方法具体为：

通过计算机对噪声采集装置上传的噪声信号进行分析，根据分析结果，调节等离子体发生装置中上绝缘介质板与下绝缘介质板之间的横向距离，进而改变等离子体发生装置产生的定向诱导气流的延伸范围，同时优化诱导气流的强度。

在本发明的一个实施例中，提供了本发明方法的可行性分析过程：

典型的高速列车气动噪声分布情况如图7所示，气动噪声来自多个部分包括(1)受电弓位置；(2)车厢间的连接部分；(3)转向架；(4)列车车头；(5)列车尾部；(6)车体表面。根据高速列车产生气动噪声的性质可以把不同噪声源进行分类：(1)结构体表面流体产生的噪声，可以来自受电弓装置、车厢间的连接部位和百叶窗、转向架和空调装置；(2)紊流产生的噪声，可以来自涡流附面层列车车体的表面、边界的分离列车车头和非稳态尾流列车尾部。

对于结构表面流体产生的噪声通过列车车身流线型设计可以达到一定的降噪效果，但是这种被动流动控制的效果具有局限性，随着列车速度的提高，由于紊乱气流带来的气动噪声愈加明显，急需对气流进行主动流动控制来达到降噪的效果。

本发明方案中，诱导气流产生的原理为：当等离子体激励装置的暴露电极与嵌入电极接入交流高压电源时，在绝缘介质层表面会有放电发生，放电过程伴随着带电粒子的碰撞与电离，带电粒子在电场中受到电场力的作用形成定向运动并与周围空气中的中性粒子形成碰撞，碰撞产生更多的带电粒子，从而诱导这一区域的气流定向运动，形成壁面射流。

通过诱导气流改善气流分离的作用机制为：列车车头由于表面形状的急速变化导致湍流加剧，形成较大的气动噪声。通过在列车车头安装等离子体发生装置并通入交流高压电源激励之后，诱导气流会使列车外部气流的切向分离点沿斜面加速，拉动激励器附近的气流贴合壁面，使得气流层均匀程度相对提高，减少湍流的形成。当气流流经车尾后部时，形成尾流区由于气体分离加剧使得湍流现象明显，带来很强的噪声。加入等离子体发生装置后，诱导气流改善了气流在该处的运动方向，使得具有斜向下的速度，延后了气流分离的时刻，使气流贴近列车壁面处发生分离，抑制了上分离涡流的形成，减小了湍流的强度，进而减小了噪声。

图8显示了在不同电压激励下仿真得到的列车尾部湍流动能对比图，图中将激励电压设置为0-15kV并将来流速度设置为10m/s。结果表明湍流动能随着电压的增大而减小，表明较大的电压可以有效的减少列车尾部的湍流动能，从而有效改善高列车的气动特性，进而减小气动噪声。

本发明的有益效果为：

(1)利用等离子体主动流动控制技术改变高速列车表面流场分布特性，有效抑制高速列车噪声源，降低高速列车噪声；

(2)等离子体发生装置具有无运动部件，反应速率快，体积小，能耗低等优点，经济效益明显。

(3)等离子体发生装置安装在列车表面呈现带状分布，等离子体区域与列车头部及尾部契合，不影响高速列车原有流线型构造，对列车行驶无不良影响。

Claims (8)

1.一种基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统，其特征在于，包括激励电源装置、等离子体发生装置、噪声采集装置、控制器和计算机；

所述激励电源装置的输入端与控制器连接，其输出端与等离子体发生装置连接，所述控制器还与计算机连接，所述噪声采集装置与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统，其特征在于，所述激励电源装置设置于列车车头舱体内部，用于给等离子体发生装置提供能量输入与外部激励；

所述等离子体发生装置有四个，且均与激励电源装置连接，分别固定安装于列车头部纵向中轴线上、列车头部左侧最大轮廓线上、列车头部右侧最大轮廓线上和列车尾部；

所述噪声采集装置设置于列车车厢内部，用于实时监测车厢内部的环境噪声，并将监测到的环境噪声实时上传至计算机；

所述控制器设置于列车车头舱体内部，用于根据计算机的控制信号进而控制激励电源装置的动作；

所述计算机用于对噪声采集装置上传的信号进行分析，并向控制器发出控制信号。

3.根据权利要求1所述的基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统，其特征在于，所述噪声采集装置包括信号采集单元、信号放大单元和信号转换单元；

所述信号采集单元通过信号放大单元与信号转换单元连接；

所述信号采集单元中包括型号为CM6022P的噪声传感器；

所述信号转换单元包括依次连接的A/D转换电路和DSP处理器，所述DSP处理器与计算机连接。

4.根据权利要求2所述的基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统，其特征在于，每个所述等离子体发生装置包括暴露电极、上绝缘介质板、嵌入电极和下绝缘介质板；

所述暴露电极设置于上绝缘介质板的上表面，所述下绝缘介质板的上表面设置有嵌入电极，所述上绝缘介质板和下绝缘介质板堆叠在一起，形成嵌入电极的封装；

所述下绝缘介质板的下表面固定于列车顶部外侧表面；

所述上绝缘介质板和下绝缘介质板之间的横向距离可调；

所述暴露电极和嵌入电极均与激励电源装置连接。

5.根据权利要求1所述的基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统，其特征在于，所述控制器的主控芯片为Stratix III FPGA系列器件。

6.根据权利要求4所述的基于等离子体流动控制的高速列车降噪系统，其特征在于，所述激励电源装置包括信号源、功放电路和升压变压器；

所述信号源包括并行运行的电压幅值单元和电压频率单元；

所述电压幅值单元和电压频率单元的输入端均与计算机连接，其输出端均通过功放电路与升压变压器连接；

所述升压变压器的副边绕组的一端与暴露电极连接，所述升压变压器的副边绕组的另一端与嵌入电极连接。

7.一种基于等离子体流动控制的高速列车降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过噪声采集装置实时监测车厢内部的噪声信号，并上传至计算机；

S2、通过计算机将上传的噪声信号与噪声数据库内的噪声等级进行对比，实时反馈噪声等级；

S3、将噪声等级传输至控制器，根据控制器设定的启动降噪系统的噪声等级阈值，判断是否启动降噪系统；

若是，则进入步骤S4；

否则，进入步骤S5；

S4、通过控制器控制激励电源装置启动，并调节激励电源装置的输出信号，给等离子体发生装置提供能量和外部激励，并进入步骤S6；

S5、继续正常行驶，并返回步骤S1；

S6、在激励电源装置的激励下，通过等离子体发生装置产生定向的诱导气流，进而影响列车表面的流场分布特性，实现降噪。

8.根据权利要求7所述的等离子体流动控制的高速列车降噪方法，其特征在于，所述步骤S6中，诱导气流的强度和延伸范围可调节；

调节诱导气流的强度的具体方法为：

通过计算机对噪声采集装置上传的噪声信号进行分析，根据分析结果，确定最优电压幅值和电压频率；并通过控制器调节激励电源装置的电压幅值单元输出最优电压幅值，电压频率单元输出最优电压频率，进而调节等离子体发生装置产生的定向诱导气流的强度；

调节诱导气流的延伸范围的具体方法为：

通过计算机对噪声采集装置上传的噪声信号进行分析，根据分析结果，调节等离子体发生装置中上绝缘介质板与下绝缘介质板之间的横向距离，进而改变等离子体发生装置产生的定向诱导气流的延伸范围，同时优化诱导气流的强度。