车轮降噪效果评价中衰减时间取值与适用性分析

李 健，周虹希，王瑞乾，唐 昭

（常州大学 机械与轨道交通学院，江苏 常州 213100）

轨道车辆车轮辐射噪声是铁路噪声的重要组成部分，对车轮开展降噪研究是有效改善车内、外声场的途径之一[1-3]。目前国内外对于车轮声学性能的研究多趋向于采用脉冲激励法[4-5]，所谓脉冲激励，即利用摆锤或落球对车轮的指定位置进行一次性冲击击打，使之产生辐射噪声，车轮被击打的瞬间，声辐射达到最大水平，之后随时间的推移而逐渐衰减，进而由衰减曲线在一定衰减时间t0内作积分，可以计算出车轮在t0内的辐射声能量级大小，并以此作为其声辐射水平的评价结果，进一步地，将阻尼车轮及其对应的标准车轮的辐射声能量级作差，可获得阻尼对车轮的降噪效果。作为车轮声辐射及降噪效果评价中的关键参数，衰减时间t0的取值对于评价结果具有显著影响，然而t0的取值在车轮噪声领域却一直未有统一的评价标准，导致同样的车轮在同样的试验方法下，却得到了完全不同的声辐射水平及降噪效果的评价值。有学者认为，在实际运行中，轮轨激励是连续的，为使评价结果更贴近实际使用效果，因而应选择较小的t0，如杨新文等[6-7]对车轮的振动声辐射实验研究中，采用衰减时间0.125 s 为评价车轮降噪效果的参数；另有一些学者认为，实际运行时车轮附近的噪声成分极其复杂，目前还无法将车轮噪声单独分离出来，也就无法用实验室测得的车轮噪声去预测运行时的车轮噪声，因此，应该将实验室内的车轮声辐射试验单独进行考虑。考虑到车轮受到脉冲激励后，绝大多数车轮的声辐射通常会在4 s 以内衰减至低于峰值15 dB 以上的水平，因此4 s 之内的噪声对于车轮辐射声能量级的计算起到了决定性作用，而4 s之后的噪声对计算结果的影响较小，故而选择峰值之后4 s之内的数据进行辐射声能量级的计算，如邓新以及唐昭等[8-9]，在对车轮的振动声辐射特性进行研究时，采用4 s为评价车轮降噪效果的关键参数；刘建等[10]则直接参考了国家标准[11]，选取了整个衰减时间历程内的辐射声能量级作为车轮降噪效果的评价值。

本文以金属阻尼环在某地铁车轮的应用为例，首先简要介绍车轮声辐射试验及所获得的时间历程衰减曲线；接着，对于衰减时间t0开展参数调查，调查范围基本覆盖了当前国内外主流的取值，明确t0对车轮降噪效果评价的影响规律，并讨论t0在不同取值下的适用范围，在一定程度上将各单位对于衰减时间的设置进行统筹划一，具有工程参考和指导意义。

1 理论基础与问题

脉冲激励条件下，车轮辐射噪声属于单一声事件，通常采用辐射声能量级这一指标对车轮声辐射水平进行评价。由式(1)计算得到声能量级LE：

其中：p为中心频率对应的噪声声压，单位Pa，E0为基准值，取值4×10-10Pa2·s。

对两种施加了不同阻尼措施的车轮WA和车轮WB进行声辐射水平的比较时，不同衰减时间t0的取值，可能得到不同的评价结果，主要有两种情况。

（1）首先，图1（a）介绍了一种最简单的情况：车轮WA和WB受到相同激励后产生辐射声，且在全部的声衰减周期内，车轮WA的辐射声均大于车轮WB，表现为车轮WA的声压平方衰减曲线一直高于车轮WB，直到在T时刻，二者均衰减至背景噪声后，两条曲线才相交。在该情况下，当t0在[0，T]内取任意值时，始终有pA2(t)＞pB2(t)，因此车轮辐射声能量级LEA＞LEB始终成立，且随着衰减时间t0取值的增加，辐射声能量级的差值（阴影部分的面积）是单调递增的，当t0≥T后，二者差值不再变化。

（2）接着，图1（b）介绍了一种复杂的情况：车轮WA和WB受到相同激励后产生辐射声，在全部的声衰减周期内，车轮WA与车轮WB的辐射声压平方曲线有交点，如图所示，车轮WA在0 s时刻的峰值大于车轮WB，但衰减速率却比WB更快，两条曲线于T1时刻产生交叉。当0≤t0＜T1，有pA2(t)＞pB2(t)，则车轮辐射声能量级LEA＞LEB；T2时刻为两个车轮相交面积ΔS1=ΔS2的临界点，当T1＜t0≤T2时，有pA2(t)＜pB2(t)，车轮WA辐射声能量级仍然大于车轮WB，但二者差值在逐渐减小；当t0=T2时，有LE1=LE2，即车轮WA与车轮WB的声能量级刚好相同；而当t0＞T2时，车轮声能量级变为LE2＞LE1，即车轮WA辐射声能量级小于车轮WB。由此可见，衰减时间t0取值的大小对车轮声辐射水平及降噪效果的评价是有影响的，特别是当不同车轮的声辐射曲线出现交叉时，影响更为显著，甚至可能得到完全相反的评价结果。

图1 车轮辐射噪声衰减时间历程

2 车轮降噪试验与时间历程试验结果

2.1 试验介绍

在半消声室内，将车轮样品通过弹性尼龙绳吊挂在悬臂梁上，呈现近似自由状态。半消声室尺寸12.0 m×6.0 m×3.5 m，自由场半径3.5 m，低频截止频率63 Hz。车轮样品选用某地铁列车直型辐板车轮，车轮直径920 mm，车轮内侧、外侧的轮辋与辐板相交处均开有凹槽，可根据需要将截面直径12 mm 的金属阻尼环安装于此。根据阻尼环的安装数目、位置与方式的不同，共设置5个测试工况，如表1所示。

表1 车轮试验工况

如图2 所示，通过落球撞击对车轮进行冲击激励，径向激励下，激励点位于车轮踏面名义滚动圆处，轴向激励下，激励点位于车轮内侧距离轮缘顶端约2 cm 处；激励的同时，参考标准[11]，利用20 测点半球形包络法测试车轮的声学响应特性，在包络车轮的半径为2 m的半球面上固定位置安装20个声学传感器，通过落球装置对各个工况下的车轮进行径向F1和轴向F2的激励，测试现场如图2所示。

图2 车轮自由悬挂状态下声辐射试验现场

2.2 时间历程试验结果

图3（a）和图3（b）分别为径向激励与轴向激励下各工况车轮的A 计权声压级时间历程曲线，这些曲线给出了测量半球面上20个声学测点的平均值。可以看出，落球击打车轮瞬间，声压级达到最大水平，然后随着时间的推移而逐渐衰减，由声压级的衰减快慢可以定性比较各工况车轮在相同激励条件下的声辐射能量大小。由图3（a）可以看出，径向激励条件下，内侧和外侧安装阻尼环的车轮辐射噪声衰减结束所需时间约为6.0 s，双侧安装阻尼环车轮辐射噪声衰减结束所需时间约为4.0 s，比单环衰减更快，而标准车轮的辐射噪声衰减结束所需时间约为10.0s ，可见阻尼环车轮辐射噪声的衰减时间远小于标准车轮。从图3（b）可看出，在轴向激励下，相对于标准车轮，阻尼环车轮同样能够快速衰减车轮声辐射，但衰减规律与径向激励有所不同，可见外侧安装阻尼环车轮辐射噪声的衰减要快于内侧安装阻尼环车轮，双侧安装阻尼环车轮辐射噪声的衰减时间与外侧安装阻尼环车轮相比相差不大，但打胶之后，双侧安装阻尼环车轮辐射噪声的衰减时间明显缩短。以这些声辐射时间历程测试数据为对象，进行各工况下车轮的声辐射水平及降噪效果的评价计算。

图3 阻尼环车轮辐射噪声衰减时间历程

3 衰减时间对车轮降噪效果评价值的影响分析

3.1 对车轮声能量级总值的影响

参考标准[11]，通过公式（2）中测量面的单一事件时间积分声压级再根据公式（3）计算得到辐射声能量级LJ。

其中：S2=2pr2表示半径为r的测试半球表面积，S0=1.0 m2，C1为基准量修正值；C2为声辐射阻抗修正值；C3为特定频率下的空气吸收衰减的修正值，LEi(ST)为被测噪声源运行时，在测量表面上第i个传声器位置进行了背景噪声修正后的单一事件时间积分声压级；NM为传声器位置数。

为了探究衰减时间的取值对车轮辐射声能量级的影响。由图4（a）可以看出，径向激励下，在t0取值为0.011 s、0.014 s 和0.02 s 时，均发生了曲线相交的情况。当t0＜0.011 s，车轮降噪评价量按从大到小排序为W1＞W3＞W4＞W2；当t0=0.011 s，车轮W1与W3的降噪量总值曲线产生交点（评价值均为1.81 dB(A)），此时车轮降噪评价量排序为W1=W3＞W4＞W2；当0.011 s＜t0＜0.014 s，车轮降噪评价量排序变为W3＞W1＞W4＞W2；当t0=0.014 s，车轮W1 和车轮W4的降噪量总值曲线产生交点（评价值均为1.87 dB(A)），此时车轮降噪评价量排序为W3＞W1=W4＞W2；当0.014 s＜t0＜0.02 s，车轮降噪评价量排序又变为W3＞W4＞W1＞W2；当t0=0.02 s，车轮W3和车轮W4的降噪量总值曲线产生交点，评价值均为2.36 dB(A)，此时车轮降噪评价量排序为W3=W4＞W1＞W2；当t0＞0.02 s，车轮降噪评价量排序最终变为W4＞W3＞W1＞W2；当t0≥4 s 后，车轮W1、W2、W3和W4的降噪评价量分别达到9.79 dB(A)、9.49 dB(A)、11.81 dB(A)和12.59 dB(A)，且随着t0的继续增加，各车轮评价值基本不再变化。由图4（b）可以看出，轴向激励下，在t0取值为0.021 s、0.43 s时，均发生了曲线相交的情况。当t0＜0.021 s，车轮降噪评价量按从大到小排序为W3＞W1＞W4＞W2；当t0=0.021 s，车轮W1与W4的降噪量总值曲线产生交点，评价值均为2.78 dB(A)，此时车轮降噪评价量排序为W3＞W1=W4＞W2；当0.021 s＜t0＜0.43 s，车轮降噪评价量排序变为W3＞W4＞W1＞W2；当t0=0.43 s，车轮W1和车轮W2的降噪量总值曲线产生交点，评价值均为8.67 dB(A)，此时车轮降噪评价量排序为W3＞W4＞W1=W2；当t0＞0.43 s，车轮降噪评价量排序最终变为W3＞W4＞W2＞W1；同样，当t0≥4 s 后，车轮W1、W2、W3和W4的降噪评价量分别达到10.24 dB(A)、10.84 dB(A)、12.67 dB(A)和11.18 dB(A)，且随着t0的继续增加，各车轮评价值基本不再变化。结果表明，车轮的降噪评价结果确实受到衰减时间t0取值的影响，t0取值不同时，甚至可能得到完全相反的结论。

图4 衰减时间对车轮降噪量总值的影响

由表2 可知，在径向激励下，当衰减时间t0取值较短（t0≤1 s）时，各车轮降噪效果评价值随t0的增加而显著增大，车轮W1、W2、W3和W4的降噪评价值在[0.01 s，1 s]区间内分别增加了7.57 dB(A)、8.01 dB(A)、9.62 dB(A)和10.50 dB(A)；而当衰减时间取值较长（t0＞1 s）时，各车轮降噪效果评价值随t0的增加而只有少许增大，在[1 s，4 s]区间内只分别增加了0.45 dB(A)、0.44 dB(A)、0.44 dB(A)和0.45 dB(A)；尤其在t0≥4 s 后，各车轮降噪效果评价值基本保持不变，在[4 s，8 s]区间内只分别增加了0.01 dB(A)、0.01 dB(A)、0.02 dB(A)和0.01 dB(A)。由表3 可见，轴向激励下车轮降噪效果评价值的变化也遵循同样的规律。

表2 车轮声能量级总值及降幅计算结果——径向激励

3.2 对车轮各频率下降噪效果的影响

图5 和图6 分别给出了径向激励和轴向激励下的W0车轮与W4车轮的辐射声压级随时间衰减的频谱分析结果。可以看出，车轮在安装双侧阻尼环并打胶后，其辐射声在高频段的衰减速率明显快于中低频段。尤其在1 600 Hz 以上，车轮辐射声压级能够在1 s之内达到15 dB(A)以上的降幅。因此，中低频段的降噪效果评价值达到稳定状态所需的衰减时间较长（约2 s～4 s），而高频段的降噪效果评价值只需极短的衰减时间（小于1 s）就可以趋于稳定。

图5 车轮声压级时域衰减频谱分析结果-径向激励

图6 车轮声压级时域衰减频谱分析结果-轴向激励

进一步地，图7 以车轮W2为例，给出了其在1/3倍频程中心频率下，随衰减时间t0的不同而计算获得的降噪评价结果。由图7（a）可见，阻尼环装置在800 Hz以上中高频段对车轮有很好的降噪效果。其中，800 Hz～1 250 Hz 频段的降噪评价值在2 s～4 s的衰减时间内即可趋于稳定，而1 600 Hz 以上频段的降噪评价值仅在不超过1s 的衰减时间内即可趋于稳定。

接着，对t0=0.125 s和t0=4.0 s的降噪计算结果进行单独比对分析，见图7（b）。首先，当t0=0.125 s时，250 Hz、1 600 Hz 和4 000 Hz 三个频率的降噪评价值均在5 dB(A)左右，为最优降噪频率，而当t0=4.0 s时，最优降噪频率却变为3 150 Hz和4 000 Hz，其降噪评价值均高于10 dB(A)；接着，当t0=0.125 s 时，500 Hz 和1 000 Hz 频率处的降噪评价值为负值，表明车轮内侧安装阻尼环对于以上两个频率不仅没有降噪效果，反而还增强了噪声辐射，而当t0=4.0 s时，500 Hz 和1 000 Hz 频率处的降噪评价值变为正值，表明车轮内侧安装阻尼环对于以上两个频率是具有一定降噪效果的。可见，当衰减时间t0取值不同时，对于车轮在频域内降噪效果的评价结果也是不同的。轴向激励下的车轮声辐射也有相同的变化规律，这里不再赘述。

图7 车轮W2随t0变化的频域降噪计算结果

4 适用性讨论

在对车轮的声辐射时间历程试验曲线的分析中可以看出，当衰减时间t0取值较短时，车轮的降噪效果随着t0的变化而波动较大。特别地，t0取小于0.025 s 的较小值时，所对应车轮降噪值越贴近实车运行状态下的降噪效果实测值，即评价结果更加贴近实际使用效果。如张玉梅等[12]研究了当实车直线运行速度达到60 km/h时，阻尼环车轮对车轮内侧测点处轮轨噪声的总体降噪效果为2.6 dB(A)。而在本文的阻尼环车轮声辐射实验研究中，当衰减时间t0≤0.025 s时，车轮W1、W2、W3和W4在径向激励和轴向激励下的降噪效果评价值均为1.0 dB(A)～3.0 dB(A)。可见当衰减时间取值较短时，车轮降噪效果评价值与文献[12]中实际运行状态下的评价值基本处于同一量级；另一方面，若衰减时间t0为4 s或更长，该衰减时间段内评价车轮的降噪值趋近于稳定不变，这对于测试结果的统一性和稳定性是有利的，然而其得到的降噪效果评价值，对于实际使用效果而言，却往往是高估的。

因此，当在实验室条件下，需对车轮的声辐射水平进行全面评估和比较时，应选用较长的衰减时间（t0≥4 s），而当需要对车轮的实际使用降噪效果进行预测时，则应选用较短的衰减时间（t0≤0.025 s）。

5 结语

本文以某地铁阻尼环车轮为例，研究了衰减时间t0的取值对车轮声辐射水平及降噪效果评价结果的影响，并进行适用性分析得到如下结论。

(1)衰减时间取值越小，车轮辐射声能量级总值评价值也越小，但随衰减时间变化，其改变的幅度也越来越大，对应的阻尼车轮降噪效果评价值的变化也越明显。反之，衰减时间取值越大，车轮辐射声能量级总值评价值也越大，且随衰减时间的增加，评价值趋于稳定不变，对应的阻尼车轮降噪效果评价值的变化也趋于稳定不变。

(2)当衰减时间取值不同时，车轮在不同频率下的降噪效果评价值也存在差异。当衰减时间在0～2 s 内变化时，各频率下的降噪评价值差异尤其显著，而当衰减时间在4 s 以上变化时，各频率下的降噪评价值趋于稳定不变。

(3)从适用性角度来看，衰减时间取t0≥4 s 的较大值时，能够兼顾峰值与衰减两个指标，从而更加全面地评估车轮的声辐射水平；而衰减时间取t0≤0.025 s 的较小值时，能在一定程度上更贴合实车运行状态下的连续激励状态，所得阻尼车轮的降噪评价结果也与实车运行下的评价结果更贴近。因此，应结合具体适用范围与研究目标设置衰减时间的取值。

本文明确了衰减时间这一关键参数对车轮降噪效果评价结果的影响规律，为车轮噪声评价标准的起草提供了数据支持，具有工程参考和指导意义。