本發(fā)明屬于軌道交通車輛行業(yè)的NVH測試領(lǐng)域，涉及一種自由狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試方法及裝置。

背景技術(shù)：

根據(jù)國內(nèi)外鐵路噪聲測試經(jīng)驗，輪軌滾動噪聲是由于輪軌表面粗糙度激發(fā)車輪、鋼軌和軌枕結(jié)構(gòu)振動，并通過周圍空氣向外傳播而產(chǎn)生的，是鐵路噪聲的主要來源之一，嚴重影響著鐵路車輛乘坐舒適性及鐵路沿線聲場環(huán)境。而在輪軌噪聲中，來自車輪的輻射噪聲占據(jù)了相當大的比重。對車輪進行自由狀態(tài)下振動聲輻射特性的測試，可以幫助研究人員深入探究車輪振動聲輻射的作用機理，定量分析其聲輻射水平，進而可以針對性地提出減振降噪舉措。

《ISO 3745：2003》給出了半消聲法測試聲源聲功率的具體方法，但其中要求聲源的尺寸需遠小于測試半球面的半徑。對于鐵路車輪這種聲源來說，其體積較大，若作為點聲源處理，則需要在非常大的半消聲室中才能進行試驗，對環(huán)境要求甚為苛刻，難度較大，且極大增加了試驗成本。另外，標準中沒有提出測試聲源振動的方法。

目前研究鐵路車輪振動聲輻射特性最常用的方法是有限元仿真計算，而當車輪的形狀、材料多樣且結(jié)構(gòu)復雜時，仿真計算將變得十分困難，且準確性大大降低；進一步地，無論任何仿真計算，其可靠性和可信度均不及實際測量數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：基于上述問題，本發(fā)明提供一種自由狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試方法及裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的一個技術(shù)方案是：一種自由狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試裝置，包括鑄鐵臺面、安裝于鑄鐵臺面中央用于懸掛火車車輪的懸臂梁、分別安裝于火車車輪前方和側(cè)面鑄鐵臺面上的帶有可控制鋼球的徑向落球滑道激勵裝置和軸向落球滑道激勵裝置，火車車輪通過彈性繩吊掛在懸臂梁上，徑向落球滑道激勵裝置布放于火車車輪徑向激勵點的正前方，軸向落球滑道激勵裝置布放于火車車輪軸向激勵點的正前方，徑向落球滑道激勵裝置和軸向落球滑道激勵裝置的鋼球分別擊打徑向激勵點和軸向激勵點產(chǎn)生火車車輪振動和聲輻射；火車車輪上布置有一個踏面振動傳感器和兩個輻板振動傳感器，鑄鐵臺面平面外側(cè)罩設(shè)有半球面形傳聲器布置支架，傳聲器布置支架上布置有二十個方向指向火車車輪輪心的傳聲器。

進一步地，懸臂梁包括用于固定在鑄鐵臺面上的懸臂梁底座、安裝于懸臂梁底座上方的與懸臂梁底座垂直設(shè)置的懸臂梁支座、垂直連接于懸臂梁支座頂端的圓柱型梁體，懸臂梁支座和梁體呈L型設(shè)置。懸臂梁支座垂直高度1.1m，底端有2個通孔，可通過地腳螺栓緊固在鑄鐵臺面上；懸臂梁支座頂端有2個通孔，可供圓柱型梁體水平穿過。

進一步地，彈性繩穿過火車車輪的輪孔吊掛在梁體上，將車輪吊掛在懸臂梁梁體上。

進一步地，徑向落球滑道激勵裝置和軸向落球滑道激勵裝置的結(jié)構(gòu)相同，均包括用于固定在鑄鐵臺面上的滑道底座、安裝于滑道底座上方的與滑道底座垂直設(shè)置的滑道支座、固定在滑道支座上的落球滑道，滑道支座上開設(shè)有供落球滑道在豎直方向上高度可調(diào)的滑槽，落球滑道包括位于下端的水平的出口段、位于上端的45゜傾斜的下降段以及連接出口段和下降段的弧形過度段，出口段和下降段之間夾角呈鈍角，下降段頂端設(shè)有吸住鋼球的電磁鐵。

進一步地，落球滑道出口段的出口分別正對火車車輪徑向激勵點和軸向激勵點。落球滑道的橫截面為V型，且道壁光滑；滑道支座底面四角焊接有磁鐵方塊，可牢牢吸附在鑄鐵臺面上；落球滑道頂端有電磁鐵，通電后產(chǎn)生磁性，可吸附鋼球。

進一步地，火車車輪在鋼軌上滾動運行時，所有的滾動接觸點構(gòu)成了一個圓，稱為名義滾動圓；火車車輪包括對稱的左半輪和右半輪，徑向激勵點位于左半輪水平半徑所在平面與名義滾動圓的交點，與踏面振動傳感器位點關(guān)于輪心對稱，軸向激勵點位于左半輪的內(nèi)側(cè)表面距離輪緣頂端5cm處，兩個輻板振動傳感器均勻布置在火車車輪外側(cè)面的輻板上。

進一步地，二十個傳聲器的布點參照《ISO 3745-2003》中關(guān)于半消聲室聲源輻射聲功率測試方法中的20點半球面布點方法布置。傳聲器布置架的半徑為2m，采用鋁合金圓管制作而成。

進一步地，鋼球采用2.5cm直徑的軸承鋼球，徑向激勵點和軸向激勵點下方的鑄鐵臺面上均鋪蓋防止二次噪音的棉花。

進一步地，測試裝置還包括計算機、數(shù)采機箱、手動電源開關(guān)，計算機、數(shù)采機箱、傳聲器和振動傳感器，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；落球滑道激勵裝置頂端的電磁鐵連接至手動電源開關(guān)，構(gòu)成落球激勵操控系統(tǒng)。

一種自由狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試裝置的測試方法，包括以下步驟：

(1)裝配好測試裝置，包括在鑄鐵臺上固定懸臂梁；將火車車輪用彈性繩吊掛于懸臂梁上；確定傳聲器及振動傳感器布置位點；布置傳聲器和振動傳感器；確定火車車輪踏面和輪緣上的落球激勵點；布置落球滑道激勵裝置和軸向落球滑道激勵裝置；

(2)連接測試系統(tǒng)；

(3)徑向落球滑道激勵裝置的鋼球擊打徑向激勵點產(chǎn)生火車車輪振動和聲輻射，軸向落球滑道激勵裝置的鋼球擊打軸向激勵點產(chǎn)生火車車輪振動和聲輻射，采集聲信號和振動信號；

(4)計算分析自由狀態(tài)的火車車輪的振動聲輻射特性。

具體測試步驟如下：

(1)將懸臂梁通過地腳螺栓緊固于半消聲室地面的鑄鐵臺面上；

(2)將火車車輪通過輪孔用一根彈性繩吊于懸臂梁上，并調(diào)整車輪方位，一方面應(yīng)使車輪表面盡量遠離懸臂梁支座，以避免懸臂梁支座對聲傳播的影響，另一方面，應(yīng)使車輪名義滾動圓所在的平面垂直于地面；

(3)參考標準《ISO 3745-2003》，按照半徑2m的半球面?zhèn)髀暺鞑键c方法，制作半球面?zhèn)髀暺鞑贾弥Ъ埽⒃谥Ъ苌蠝蚀_標注出20個傳聲器的布置位點，在位點處加裝傳聲器夾具；

(4)垂直通過輪心的直徑將車輪分為對稱的左半輪和右半輪，振動傳感器在測試中用到3個，布點位置均在右半輪的水平半徑平面上，其中1個位于該平面與車輪名義滾動圓的交點，另外2個均勻布置在車輪外側(cè)面的輻板上；

(5)傳聲器通過夾具固定在包圍車輪的半球面支架上，且傳聲器的方向指向輪心；振動傳感器用502膠水或AB膠緊緊粘貼在車輪上，振動測試方向為垂直于車輪表面；

(6)車輪振動和聲輻射的產(chǎn)生采用落球激勵方式，落球激勵方式分為徑向激勵和軸向激勵，徑向激勵是模擬車輪直線滾動行駛過程中與鋼軌碰撞所產(chǎn)生的激勵方式，而軸向激勵是模擬車輪在過曲線時其輪緣部分與鋼軌碰撞所產(chǎn)生的激勵方式；徑向激勵點位于左半輪水平半徑所在平面與名義滾動圓的交點，與踏面振動傳感器粘貼位點關(guān)于輪心對稱，軸向激勵點位于左半輪的內(nèi)側(cè)表面距離輪緣頂端5cm處；

(7)分別將2臺落球滑道激勵裝置布放于徑向激勵點和軸向激勵點正前方，并調(diào)整滑道高度和方位，直至鋼球自滑道出口飛出后，垂直擊打在車輪的徑向激勵點和軸向激勵點上；鋼球采用2.5cm直徑的軸承鋼球；分別在兩個激勵點下方鋪蓋棉花，要求鋼球擊打車輪后，下落至棉花上，不再產(chǎn)生二次噪音；

(8)連接計算機、數(shù)采機箱及所有傳感器，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；將2臺落球滑道頂端的電磁鐵連接至手動電源開關(guān)，構(gòu)成落球激勵操控系統(tǒng)；

(9)以徑向激勵測試過程為例，一個完整的測試過程是：數(shù)據(jù)采集前，先打開落球滑道頂端的電磁鐵電源，使電磁鐵產(chǎn)生磁性后，將鋼球吸附在電磁鐵上，所有人員撤出半消聲室；數(shù)據(jù)采集開始后，前數(shù)秒內(nèi)無任何動作，采集背景噪聲和振動信息，數(shù)秒后，關(guān)閉徑向落球滑道電磁鐵電源，令鋼球失去磁性吸附后自滑道滑下并撞擊徑向激勵點，產(chǎn)生振動和噪聲，等待振動和噪聲恢復至原背景水平后，停止采集，即得到一組包含有20個聲信號和3個振動信號的完整時域數(shù)據(jù)；

(10)為評價測試的可重復性，測試過程中利用第14號傳聲器所測到的總聲壓級作為監(jiān)測對象；每次測試后，記錄下該傳聲器在本次測試過程中所測到的聲壓級峰值；徑向激勵測試需進行6次，得到6組時域數(shù)據(jù)，并記錄了6個對應(yīng)的峰值，去掉6個峰值中最大值和最小值所對應(yīng)的時域數(shù)據(jù)，剩下4組時域數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)供后處理使用；軸向激勵測試亦需進行6次，得到6組時域數(shù)據(jù)，并記錄了6個對應(yīng)的峰值，去掉6個峰值中最大值和最小值所對應(yīng)的時域數(shù)據(jù)，剩下4組時域數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)供后處理使用；

(11)利用氣壓計和溫度計分別測量并記錄半消聲室內(nèi)的大氣壓和大氣溫度；

(12)以一組完整的時域測試數(shù)據(jù)為例，可參照《ISO 3745-2003》中給出的半消聲室聲源輻射聲能量級的計算公式，將得到的20個聲信號數(shù)據(jù)加以計算，得到車輪總輻射聲能量級的值；同時，測試過程中還得到了車輪輻板和踏面上共3個振動傳感器振動級的值，可識別該3個車輪敏感區(qū)域的振動特性。按照該步驟，分別處理之前得到的4組徑向激勵測試數(shù)據(jù)以及4組軸向激勵測試數(shù)據(jù)。將4組徑向激勵測試結(jié)果做算術(shù)平均，得到徑向激勵下的車輪振動聲輻射特性；將4組軸向激勵測試結(jié)果做算術(shù)平均，得到軸向激勵下的車輪振動聲輻射特性。

本發(fā)明的有益效果是：一種火車車輪自由狀態(tài)下振動聲輻射特性測試方法及裝置，能夠較為準確地測量車輪在自由狀態(tài)下的振動特性和聲輻射特性，且不受車輪作為點聲源的限制，可以幫助研究人員深入探究車輪振動聲輻射的作用機理，定量分析其聲輻射水平，進而針對性地提出減振降噪舉措。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明的測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是落球滑道激勵裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是火車車輪聲輻射測點布置圖；

圖5是火車車輪振動測點在車輪1/2斷面上的布置圖；

圖6是徑向激勵下車輪踏面的振動級頻譜特性圖；

圖7是徑向激勵-1/3倍頻程聲功率級圖；

其中：1.鑄鐵臺面，2.懸臂梁，3.火車車輪，4.彈性繩，5.徑向落球滑道激勵裝置，6.軸向落球滑道激勵裝置，7.傳聲器布置支架，8.踏面振動傳感器，9.輻板振動傳感器，21.懸臂梁底座，22.懸臂梁支座，23.梁體，561.滑道底座，562.滑道支座，563.落球滑道，564.電磁鐵。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，以下實施例旨在說明本發(fā)明而不是對本發(fā)明的進一步限定。

如圖1-5所示的一種自由狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試裝置，包括鑄鐵臺面1、安裝于鑄鐵臺面1中央用于懸掛火車車輪3的懸臂梁2、分別安裝于火車車輪3前方和側(cè)面鑄鐵臺面1上的帶有可控制鋼球的徑向落球滑道激勵裝置5和軸向落球滑道激勵裝置6，火車車輪3通過彈性繩4吊掛在懸臂梁2上，徑向落球滑道激勵裝置5布放于火車車輪3徑向激勵點的正前方，軸向落球滑道激勵裝置6布放于火車車輪4軸向激勵點的正前方，徑向落球滑道激勵裝置5和軸向落球滑道激勵裝置6的鋼球分別擊打徑向激勵點和軸向激勵點產(chǎn)生火車車輪3振動和聲輻射；火車車輪3上布置有一個踏面振動傳感器8和兩個輻板振動傳感器9，鑄鐵臺面1平面外側(cè)罩設(shè)有半球面形傳聲器布置支架7，傳聲器布置支架7上布置有二十個方向指向火車車輪3輪心的傳聲器。

懸臂梁2包括用于固定在鑄鐵臺面上的懸臂梁底座21、安裝于懸臂梁底座21上方的與懸臂梁底座21垂直設(shè)置的懸臂梁支座22、垂直連接于懸臂梁支座22頂端的圓柱型梁體23，懸臂梁支座22和梁體23呈L型設(shè)置。

彈性繩4穿過火車車輪3的輪孔吊掛在梁體23上，將火車車輪3吊掛在梁體23上。

徑向落球滑道激勵裝置5和軸向落球滑道激勵裝置6的結(jié)構(gòu)相同，均包括用于固定在鑄鐵臺面1上的滑道底座561、安裝于滑道底座561上方的與滑道底座561垂直設(shè)置的滑道支座562、固定在滑道支座562上的落球滑道563，滑道支座562上開設(shè)有供落球滑道563在豎直方向上高度可調(diào)的滑槽，落球滑道563包括位于下端的水平的出口段、位于上端的45゜傾斜的下降段以及連接出口段和下降段的弧形過度段，出口段和下降段之間夾角呈鈍角，下降段頂端設(shè)有吸住鋼球的電磁鐵564。

落球滑道出口段的出口分別正對火車車輪3徑向激勵點和軸向激勵點。

火車車輪3在鋼軌上滾動運行時，所有的滾動接觸點構(gòu)成了一個圓，稱為名義滾動圓；火車車輪3包括對稱的左半輪和右半輪，徑向激勵點位于左半輪水平半徑所在平面與名義滾動圓的交點，與踏面振動傳感器8位點關(guān)于輪心對稱，軸向激勵點位于左半輪的內(nèi)側(cè)表面距離輪緣頂端5cm處，兩個輻板振動傳感器9均勻布置在火車車輪3外側(cè)面的輻板上。

二十個傳聲器的布點參照《ISO 3745-2003》中關(guān)于半消聲室聲源輻射聲功率測試方法中的20點半球面布點方法布置，如圖4所示。

鋼球采用2.5cm直徑的軸承鋼球，徑向激勵點和軸向激勵點下方的鑄鐵臺面1上均鋪蓋防止二次噪音的棉花。

測試裝置還包括計算機、數(shù)采機箱、手動電源開關(guān)，計算機、數(shù)采機箱、傳聲器和振動傳感器，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；落球滑道激勵裝置頂端的電磁鐵564連接至手動電源開關(guān)，構(gòu)成落球激勵操控系統(tǒng)。

一種自由狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試裝置的測試方法，包括以下步驟：

(1)裝配好如權(quán)利要求1所述的測試裝置；

(2)連接測試系統(tǒng)；

(3)徑向落球滑道激勵裝置的鋼球擊打徑向激勵點和軸向激勵點產(chǎn)生火車車輪振動和聲輻射，軸向落球滑道激勵裝置的鋼球擊打軸向激勵點和軸向激勵點產(chǎn)生火車車輪振動和聲輻射，采集聲信號和振動信號；

(4)計算分析自由狀態(tài)的火車車輪的振動聲輻射特性。

測試過程中應(yīng)同時測量并記錄半消聲室內(nèi)的大氣壓β和大氣溫度θ。

利用振動傳感器可直接測得火車車輪3表面的振動級數(shù)據(jù)；聲輻射特性的計算由以下計算步驟得到：

首先，測量大氣壓和溫度有關(guān)的修正系數(shù)C1和C2可根據(jù)下式得到，其中，式中β₀為參考大氣壓，

$C_1=-10\lg \left(\frac{\mathrm{\β}}{{\mathrm{\β}}_0}\sqrt{\frac{313.15}{273.15+\mathrm{\θ}}}\right),$

$C_2=-15\lg \left(\frac{\mathrm{\β}}{{\mathrm{\β}}_0}\sqrt{\frac{296.15}{273.15+\mathrm{\θ}}}\right).$

接著，測試半球面的表面聲壓級L_pf可由下式得到，其中，L_Pi(i＝1、2…20)為每個傳聲器所測得的聲壓級，

${\stackrel{\‾}{L}}_{pf}=10\lg \left(\frac{1}{20}\underset{i=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{10}^{0.1L_{pi}}\right).$

最后，聲源的輻射聲功率級可以根據(jù)下式得到，其中S₂為測試半球面表面積，

$L_w={\stackrel{\‾}{L}}_{pf}+10\lg \left(S_2\right)+C_1+C_2.$

利用本專利中提出的測試裝置及方法，對某種環(huán)形阻尼車輪及其對應(yīng)的標準車輪進行自由狀態(tài)下振動聲輻射特性的測試，可以得到兩種車輪分別在徑向激勵和軸向激勵下的振動與聲輻射特性的測試結(jié)果，并進一步可將兩車輪的測試結(jié)果進行對比，得到該環(huán)形阻尼車輪的減振降噪效果。以徑向測試為例，可以得到的結(jié)果表1、圖6、表2和圖7示，表1給出了徑向激勵下，標準車輪和環(huán)型阻尼車輪的振動級總值，并給出了環(huán)形阻尼車輪的減振效果；圖6給出了徑向激勵下標準車輪踏面與環(huán)形阻尼車輪踏面的振動級頻譜特性；表2給出了徑向激勵下，標準車輪與環(huán)形阻尼車輪的總輻射聲功率值，并給出了環(huán)形阻尼車輪的降噪效果；圖7給出了環(huán)形阻尼車輪與標準車輪振動聲輻射頻譜特性。

表1徑向激勵下車輪振動級測試結(jié)果

表2徑向激勵下車輪輻射聲功率測試結(jié)果

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。