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噪音与振动报告

噪音的建模与抑制

摘要：我们用一个简洁的数学模型对车轮啸叫噪声的振动幅值和声压级进行了预测，并通过滚动接触式双轨试验台和现场试验验证了该模型的正确性。对于在爬行现象和在发生噪音产生准周期振荡振动的稳态时 ，该模型是用来执行一个基于能量的分析来确定一个封闭的形式解决方案。我们的模型的解析解与用完全非线性形状的实验调谐蠕变曲线的数值解进行了比较。在试验台在不同轧制速度下，我们模型预测的噪声水平的趋势也与在不同的运动速度记录（冲角的比例）做了比较。 此外，我们还对轮噪音在300米外的测得的啸叫曲线上进行了进一步的验证。我们还与RUDD的文章的简化修改结果作了比较，并强调了我们的模型的准确性和优点。分析解决方案（解析解）提供了为什么噪声的声压水平能增加偏航速度（或冲角）以及振幅如何被关键的噪声几种因素影响，这些因素里包括模态阻尼。最后，我们运用这个有效的模型对实现噪声降低6分贝的方法进行了一项准调查研究。结果强调偏航速度（或冲角）以及蠕变曲线的参数因素的重要性，这些参数因素可以被第三方控制（即摩擦改进剂）。

1介绍

车轮啸叫是一种高音调的噪音，可能发生在火车与铁路线（弯道）的火车上。它经常发生在我们的耳朵最敏感的频率范围内，因此我们对轨道附近的接收器非常讨厌。这一现象多年来一直困扰着铁路行业，随着铁路使用量的增加和主观人的噪音容忍度的降低，铁路的重要性不断上升。例如，在澳大利亚，尤其是在大都市地区，车轮噪音是铁路货运对紧曲线的主要影响。虽然在过去的十年中，人们对噪音的机理已经有了很多的研究，但是车轮噪音的出现和振幅在现场仍然不可预测，因为它的发生似乎依赖于非常多的车辆和轨道因素。 此外，噪音的振幅是由非线性准周期振荡，模型难以确定除非通过复杂的仿真。许多关于车轮噪音的建模出现在Rudd的著名作品[ 1 ]和雷明顿[2]和汤普森等人的评论之后。在文章[ 3 ]里由于横向蠕滑的基本机制被巩固。曲线噪音被认为是由于铁路车轮在受到较大的蠕变力的同时，在拐角处的不稳定振动响应而产生的。从文学传统的机制是，噪音根源于接触区类似于小提琴的弦弯曲侧的粘滑机制不稳定的激发。特别是，当一个转向架通过曲线轨道，有滚动速度和车轮速度之间的错位，即冲角，导致偏航速度，即横向滑动速度，如图1所示。

参照图1，一个轨道车轮产生噪音的机制是类似于拉小提琴，它们依赖于的横向蠕滑力/牵引力和横向蠕滑（冲角）行为条件。牵引/蠕滑曲线的摩擦系数、形状和斜率受所谓的第三接触体的影响，由接触相互作用产生的润滑剂、污染物和材料组成的界面层[ 6 ]。如果偏航速度（或冲角）足够大，它的振荡将在全滑动区域C发生）。这个区域的负斜率可以与蠕变振荡的负阻尼联系在一起，从而引起尖叫噪音不稳定性。这将导致自激“粘滑”振荡，从而激发车轮（或小提琴弦）的振动和辐射声。相反，值得注意的是，最近的一些研究认为，正常和切向动力学之间的模态耦合现象可能会引起不稳定。参考文献7。啸叫噪音的纯音成分，一般都与对应于外平面的车轮弯曲（或轴向）模式的车轮固有频率有关。

过去对噪声建模的研究多在进行模拟轮轨机械阻抗的细节差异（分析[ 8e12 ]，[4，13，14 ]）、垂向动力学[ 4，14 ]，接触力和车轮声辐射[ 4,13,14 ]。有些还包括轮轨表面粗糙度或车轮旋转作用[11,12]。最近，对车轮的横向蠕滑进行了瞬态分析，以反映摩擦力的非线性，并且产生的激励轮模式似乎能更好地匹配现场观测[ 15 ]。值得注意的是，由Heckl和亚伯拉罕[ 11 ]一个时域模型，以由一个扁平的圆盘兴奋一点，沿边缘的干摩擦力取决于盘速度产生的噪声。本文认为，曲线啸叫噪声是一种不稳定的轮振荡，产生出准周期振荡，其幅值相等或非常接近偏航速度。此外，对chiello等人的仿真结果，[ 16 ]表明，振动速度稳定在横向滑动速度。RUDD（1）开发了一个尖叫噪声幅度估计算法，假设特定的简化（指数）蠕变和转弯力学，仅限于较低的横向滑动速度（或冲角）。大的冲角，Rudd也表示的振动速度接近横向滑动速度（即偏航速度）。本作者在文献中进一步研究了这一点。文献[ 17,23 ]使用数值功率平衡分析，然而，分析预测和解释没有实现。

许多最近的研究也集中在实验验证模型预测条件，在这些条件下噪音发生和摩擦改进剂[ 18 ]对现象的影响。最近的预测模型包括：[ 4,19 ]包括在饱和区的车轮和钢轨和漏电的动态行为的详细描述。双盘和转向架testrigs已用于控制环境下验证[ 20 ]。[ 4 ]，Monk-Steel等人。[ 19 ]和科赫等人。[ 21 ]。僧钢等人。报道了在尖叫噪音过程中滚动接触力条件的实验结果。[ 19 ]纵向蠕变的加入降低了侧向蠕滑力，从而改变了摩擦曲线的斜率。这导致在纵向蠕变的情况下，噪音尖叫声的发生率较低，并且啸叫声所需的侧爬阈值增加。[ 21 ]，测量是在一个1 / 4规模的试验台，包括单块轮对进行，和抗噪音试验。实验证实了噪声水平、滚动速度和冲角角之间的关系，并在干燥条件下和水中测定了平均摩擦系数作为横向蠕变的函数。文献[ 20 ]直接对双盘车轮接近接触的新仪器测量得到的侧向力更直接的验证一些现有预测模型，虽然接触第三体的出现影响测试结果的可靠性。在文献[ 18 ]中，摩擦改性剂使在欧洲的公共交通站点上的噪音和顶部的噪音降低了12分贝。

尽管有这些努力有不确定性，但在噪声随重要参数如偏航速度和冲角的变化上能充分认识、预测和验证其趋势如何。特别是，模型通常涉及到太多的复杂性，以便能够有效地预测噪音啸叫振幅，并在关键参数因素对啸叫声水平影响上进行详细的理论和实地调查。

本文利用一个简洁的数学模型，通过滚动接触式双盘试验台和现场测量结果，验证了车轮噪声的振动振幅和声压水平的有效预测。主要贡献包括：

1 噪音啸叫振动和噪声准周期幅值的理论预测。

2 验证啸叫噪声幅度的趋势与实验和现场测量，以及比较简化的修改预测 Rudd[ 1] 。

3 理论洞察为什么啸叫噪声的声压水平是强烈依赖于随运动速度以及幅度等参数因素的影响。

4 识别和量化所需的关键参数因素的变化，以大幅减少车轮啸叫噪声，包括详细的模态阻尼效果的调查。

值得注意的是，本文的重点是车轮噪音啸叫振幅的预测和减少，相反，许多以前的论文侧重于车轮啸叫的发生（即在发病的关键条件）。本文将首先介绍试验台，现场测量和数学方法用于噪声调查。随后，给出了噪音啸叫声的准周期分析，得到了噪音啸叫振动和噪声振幅的闭合解。然后将它们与数值、实验和现场测量趋势进行比较。最后，利用有效的理论模型进行了关键参数灵敏度分析，以确定在得出结论前可以降低啸i叫噪声幅度的方法

2数学方法

文中给出的实验结果在文献24中获得，用于研究啸叫噪声的滚动接触式二圆盘试验台（在第2.1节中，为了便于使用）。第2.2节描述了啸叫噪音的现场调查的细节。2.3节描述一个理论模型，在时间域（介绍参考文献[ 24 ]）。随后，第2.4节详细分析了确定噪音啸叫振荡振幅的分析方法。数值和分析模拟所使用的参数也来自于所描述的试验台的特性。

2.1实验方法

两盘滚动试验台是用于研究偏航速度对噪音的影响。参考文献[ 24 ]描述。

如图2显示的效果

上、下轮之间的侧向力可以用图2（b）中标明的应变电桥来测量，这种方法在参考文献22中详细介绍。本试验台的参数见表1

利用参考文献17中的方法对上下轮的一冲角进行了调整和测量。试验台的啸叫声压水平的记录使用麦克风放置在邻近（5 cm）较低的磁盘和上面的图2显示地面80厘米。利用国家仪器和MATLAB的调理放大器、模数转换器（ADC）和LabVIEW的信号表示器3，用参考压力设置在20兆帕rms处理信号。声音是2的记录每一次，每一次运动的速度增量在8000赫兹的采样率。用刚性冲击锤进行模态试验，对试验台的振动特性进行了研究，并用有限元法进行了分析。通过有限元分析和模态试验获得的下轮振动特性与声记录结果有较好的相关性。更多详情载于参考文献[ 17 ]。

图 1横向蠕滑asymp;冲角 轮轨接触横向蠕滑特性 a,滑移/粘着区；b,充分滑动首先发生的临界点。；C,引起蠕变振荡负阻尼的增滑负坡区

许多最近的研究也集中在实验验证模型预测条件，在这些条件下噪音发生和摩擦改进剂[ 18 ]对现象的影响。最近的预测模型包括：[ 4,19 ]包括在饱和区的车轮和钢轨和漏电的动态行为的详细描述。双盘和转向架testrigs已用于控制环境下验证[ 20 ]。[ 4 ]，Monk-Steel等人。[ 19 ]和科赫等人。[ 21 ]。僧钢等人。报道了在尖叫噪音过程中滚动接触力条件的实验结果。[ 19 ]纵向蠕变的加入降低了侧向蠕滑力，从而改变了摩擦曲线的斜率。这导致在纵向蠕变的情况下，噪音尖叫声的发生率较低，并且噪音尖叫声所需的侧爬阈值增加。[ 21 ]，测量是在一个1 /4规模的试验台，包括单块轮对进行，和抗噪音试验。实验证实了噪声水平、滚动速度和冲角角之间的关系，并在干燥条件下和水中测定了平均摩擦系数作为横向蠕变的函数。文献[ 20 ]直接对双盘车轮接近接触的新仪器测量得到的侧向力更直接的验证一些现有预测模型，虽然接触第三体的出现影响测试结果的可靠性。在文献[ 18 ]中，摩擦改性剂使在欧洲的公共交通站点上的噪音和顶部的噪音降低了12分贝。

尽管有这些努力有不确定性，但在噪声随重要参数如偏航速度和冲角的变化上能充分认识、预测和验证其趋势如何。特别是，模型通常涉及到太多的复杂性，以便能够有效地预测噪音尖叫振幅，并在关键参数因素对尖叫声水平影响上进行详细的理论和实地调查。

本文利用一个简洁的数学模型，通过滚动接触式双盘试验台和现场测量结果，验证了轮噪声的振动振幅和声压水平的有效预测。主要贡献包括：啸叫振动和噪声准周期幅值的理论预测；验证啸叫噪声幅度的趋势与实验和现场测量，以及比较简化的修改预测 Rudd[ 1] ；理论洞察为什么啸叫噪声的声压水平是强烈依赖于随运动速度以及幅度等参数因素的影响；识别和量化所需的关键参数因素的变化，以大幅减少车轮啸叫噪声，包括详细的模态阻尼效果的调查。

值得注意的是，本文的重点是车轮噪音啸叫振幅的预测和减少，相反，许多以前的 论文侧重于车轮尖叫的发生（即在发病的关键条件）。本文将首先介绍试验台，现场测量和数学方法用于噪声调查。随后，给出了噪音啸叫声的准周期分析，得到了噪音啸叫振动和噪声振幅的闭合解。然后将它们与数值、实验和现场测量趋势进行比较。最后，利用有效的理论模型进行了关键参数灵敏度分析，以确定在得出结论前可以降低啸叫噪声幅度的方法。

2方法

文中给出的实验结果在文献24中获得，用于研究啸叫噪声的滚动接触式二圆盘试验台（在第2.1节中，为了便于使用）。第2.2节描述了尖叫噪音的现场调查的细节。2.3节描述一个理论模型，在时间域（介绍参考文献[ 24 ]）。随后，第2.4节详细分析了确定噪音尖叫振荡振幅的分析方法。数值和分析模拟所使用的参数也来自于所描述的试验台的特性。

2.1实验方法

使用滚动接触双盘试验台来研究参考文献中所述的捕捉速度对尖叫声的影响。 [24]Fig. 2.如图2（b）所示，上下车轮之间的侧向力可以用应变仪桥测量，这种方法详细介绍见参考文献。 [22]表1列出了该试验台的参数。

使用参考文献中介绍的方法调整和测量上下车轮之间的冲角。如图2所示，使用位于下盘附近（距离5cm）和地面以上80cm处的麦克风记录试验装置尖叫的声压级。调节放大器，模拟数字转换器（ADC） 和National Instruments和Matlab的Labview Signal Express 3.0来处理参考压力设置为20 mPa RMS的信号。 声音每次记录2秒，对于8000赫兹的采样速率，每次抓取速度增加两次。 利用硬顶冲击锤进行模态试验，对试验台的振动特性进行了研究，并采用有限元方法进行了分析。 从有限元分析和模态试验获得的下轮的振动特性与声音记录的结果很好地相关。 参考文献提供了更多细节。[17]。

Fig.2（a）试验台前视图;（b）试验台结构的有限元模型，其中显示了用于载荷测量的应变仪[22]。

表 1 测试台的参数和仿真。

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