第40卷第4期2020年8月振动㊁测试与诊断J o u r n a l o fV i b r a t i o n,M e a s u r e m e n t&D i a g n o s i sV o l.40N o.4A u g.2020D O I:10.16450/j.c n k i.i s s n.1004-6801.2020.04.018高速列车转向架区域车内噪声控制及优化设计*高阳1,2,谢素明1,李朝威1,滕万秀2,张捷3(1.大连交通大学机械工程学院大连,116028)(2.中车长春轨道客车股份有限公司长春,130062)(3.西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都,610031)摘要高速列车的转向架区域上方为车内噪声最显著位置,采用试验分析和仿真预测相结合的方法,根据 声源-路径-响应 的车内噪声机理,研究了转向架区域上方的车内声振特性㊁转向架区域地板的结构优化以及转向架区域车内噪声预测㊂研究发现,转向架区域上方车内噪声在500~800H z频率区段存在显著峰值㊂其中,500H z以上主要来自于空气传声路径,200H z以下主要来自于结构传声路径㊂车内噪声与地板的隔声量呈负相关,与地板的振动加速度级呈正相关㊂随着地板的隔声量不断增大或者加速度级不断降低,其对车内噪声的影响呈逐渐变小的趋势㊂该研究成果可为高速列车车内噪声控制提供参考和依据㊂关键词高速列车;转向架;车内噪声;结构优化;隔声;振动中图分类号 U270.1+6引言高速列车的车内噪声影响司乘人员的乘车舒适性,是制约高速铁路绿色环保㊁可持续发展的关键科学问题[1-2]㊂大量研究结果表明[3-5],转向架区域㊁受电弓区域㊁车间连接区域以及车头区域等是对应车内噪声最显著的位置㊂掌握上述区域的声振特性,从声源或传递路径的角度进行控制研究,对于降低高速列车的车内噪声具有重要意义㊂S o e t a等[4]通过测试不同的列车类型,研究了轮轨摩擦㊁电机和齿轮箱对车辆噪声特性的影响㊂结果表明,高速列车的车内噪声在250H z以下的频率成分更为明显,具有显著的中低频特性㊂张捷等[6]研究了高速列车客室端部的噪声分布特性,并计算车内声学模态,发现车内客室端部异常噪声分布的激励源来自于列车250k m/h运行时的过枕垮频率,形成原因是车内声学模态与结构模态的耦合共振㊂郭建强等[7]分析了高速列车受电弓区域的噪声和振动特性,设计了一种锥形椭圆结构减振座,研究了减振支座的降噪效果㊂王金田等[8]针对高速列车车间连接处的车内噪声问题,测试并识别了该区域的主要噪声源㊂研究结果表明,高速列车的风挡结构不仅存在隔声不足的问题,还存在较显著的结构振动声辐射㊂可见,针对高速列车不同位置的车内噪声研究已有很多,为车内减振降噪技术提供了科学依据㊂但对于高速列车车内噪声最关键的位置 转向架区域上方仍缺乏系统的研究,包括转向架区域上方的车内声振特性㊁转向架区域地板的结构优化以及转向架区域车内噪声的预测分析等㊂笔者采用试验分析和仿真预测相结合的方法,根据 声源-路径-响应 的车内噪声机理,针对高速列车转向架区域车内噪声控制及结构优化设计开展研究㊂1转向架区域车内声振特性分析1.1振动噪声试验及测点布置高速列车转向架区域车内振动噪声试验在国内某高架线路上开展㊂列车为8节编组,测试车厢为一节中间车,图1为转向架区域车内振动噪声测点布置图㊂在车内客室端部距离内地板表面垂直1.2m高处布置一个麦克风,在麦克风下方的内地板表面布置一个垂向加速度计;在转向架区域中心位置布置一个麦克风,在转向架的轴箱㊁构架㊁车体外地板分别布置一个垂向加速度计㊂当高速列车以300k m/h匀速运行时开始采集*中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2015J009-B)收稿日期:2019-05-08;修回日期:2019-07-12图1 转向架区域车内振动噪声测点布置F i g .1 T h em e a s u r e m e n t po i n t s o f s o u n d a n d v i b r a t i o n i n b o gi e a r e a 数据,采集时长约为30s㊂其中,噪声的采样频率为32768H z ,加速度的采样频率为8192H z ㊂1.2 车内声振特性图2为转向架区域上方车内声振特性频谱㊂可见,车内噪声在500~800H z 频率区段存在显著峰值,典型的峰值频率为549,577,606和637H z ,频率间隔约为29H z㊂这和车轮非圆化的阶次激励频率相关,分别对应于车轮19~22阶多边形[9-10]㊂因此,转向架区域上方车内噪声和轮轨系统的振动噪声关系密切㊂进一步,车内地板振动的频谱分布规律和客室前噪声基本一致,特别是局部峰值(包括577和637H z),说明结构振动传递对于车内噪声有重要贡献,同时也具有频率上的差异㊂图2 车内声振特性频谱F i g .2 T h e s pe c t r u mof i n t e r i o r n o i s e a n dv i b r a t i o n 1.3 转向架区域声振特性图3为转向架区域声振特性频谱㊂可见,在0~1000H z范围内,转向架区域噪声水平整体上随着频率的提高而提高㊂特别的,在500~800H z 频率区段存在约29H z 的频率间隔,峰值频率包括577,606和637H z 等;轴箱㊁构架及车体外地板的振动加速度逐级衰减㊂在0~1000H z 范围内,从轴箱传递到构架,加速度平均衰减了约1.1m /s2;从构架传递到车体外地板,加速度平均衰减了约0.1m /s 2㊂轴箱㊁构架及车体外地板的振动加速度均在549,577,606和637H z 存在峰值,与车内振动噪声峰值存在对应关系㊂图3 转向架区域声振特性频谱F i g .3 T h e s p e c t r u mo f n o i s e a n dv i b r a t i o n i nb o gi e a r e a 转向架区域振动噪声传递到车内主要有空气传声路径和结构传声路径㊂其中:空气传声路径是指转向架区域噪声通过车体隔声传递至车内;结构传声路径是指转向架区域振动通过结构振动传递至车内㊂为了进一步研究转向架区域到车内的振动噪声传递特性,分别将转向架区域噪声和车内噪声㊁转向架区域外地板振动和车内地板振动的频谱进行对比分析㊂1.4 振动噪声传递特性图4为噪声传递特性频谱㊂可以看出,在0~1000H z范围内,转向架区域噪声水平整体上随着频率的提高而提高,但客室前的噪声水平则基本不随频率变化㊂这是因为地板以及其他车体结构的隔声量基本是随着频率的提高而增加(质量定律),这使中高频噪声相对于低频噪声不容易传入车内㊂总体上,车内噪声为中低频显著,但在500H z 以上的频率峰值和转向架区域噪声吻合度更高,特别是车轮非圆化激励频率㊂图5为振动传递特性频谱㊂可以看出,在0~1000H z范围内,车内地板振动加速度峰值和车体外地板振动加速度峰值呈较强对应关系,特别是在257振 动㊁测 试 与 诊 断第40卷图4 噪声传递特性频谱F i g .4 T h e s pe c t r u mof n o i s e t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s 400H z 以上的频率㊂总体上,在300H z 以上频率,车体外地板传递到车内地板的振动均有较好的衰减,但在300H z 以下,特别是在200H z 以下,车体外地板的振动基本直接传递到了车内地板㊂因此,低频结构传声作用明显㊂图5 振动传递特性频谱F i g .5 T h e s pe c t r u mof v i b r a t i o n t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s 通过转向架区域车内声振特性分析发现,车内噪声较为突出的频段是500~800H z ,对上述频段内的峰值频率进行控制能够有效降低车内噪声㊂2 转向架区域地板结构优化设计控制高速列车转向架区域上方的车内噪声,一方面要考虑控制该区域的噪声源,另一方面则要控制噪声的传递路径㊂根据前文分析可知,车内噪声的主要激励来自于转向架区域的噪声和振动,但不同频率噪声的传递路径是不一样的㊂只有针对性进行优化设计才能取得预期的效果㊂由于高速列车的噪声源控制措施相对于传递路径较难实施,因此下面将主要从空气传声路径(地板的隔声设计)和结构传声路径(地板的隔振设计)来研究转向架区域地板的结构优化㊂2.1 地板的隔声设计高速列车地板复合结构由车外一侧至车内一侧,一般由铝型材㊁弹性支撑㊁木骨㊁隔振垫㊁吸声材料㊁隔声材料和内地板等组成,如图6所示㊂图6 地板复合结构组成F i g .6 C o m po s i t i o no f t h e f l o o r 地板的隔声设计除了对铝型材进行结构优化设计外,更多是研究隔声材料㊁吸声材料的优选和安装㊂针对4种隔声设计方案进行试验对比研究,分别为:方案1在内地板下方铺设厚度为0.8mm 隔声材料;方案2在内地板下方铺设厚度为5mm 隔声材料;方案3在方案2的基础上增加一层厚度为0.8m m 隔声材料;方案4将方案2更换为面密度更高(由6k g /m 2变为10k g /m 2)的5m m 隔声材料㊂在声学实验室中根据标准[11],采用双混响室法测试不同地板方案的隔声量㊂对于不同地板方案的隔声量评价,除了使用计权隔声量之外,定义试件单位质量下的隔声效率为R e =R wm(1)其中:R w 为试件的计权隔声量;m 为试件单位面积的质量㊂图7为地板4种隔声设计方案的结果㊂可见,方案1~4随着隔声材料厚度(质量)的增加,地板的计权隔声量逐渐提高,特别是方案4,相对于方案1~3,计权隔声量提高明显,这与方案4的隔声材料质量显著增加有关㊂虽然方案1~4的计权隔声量逐渐提高,但隔声效率却逐渐降低㊂这说明质量提高后,试件的隔声性能并未得到除了质量因素以外的有效改善,地板的隔声设计还需要从新结构㊁新材料上寻求突破㊂2.2 地板的隔振设计地板的隔振设计主要考虑外地板(铝型材)和内357 第4期高 阳,等:高速列车转向架区域车内噪声控制及优化设计图7地板4种隔声设计方案F i g.7 S o u n d i n s u l a t i o nd e s i g no f t h e f l o o r地板(层合板)之间的连接,即木骨和减振垫㊂针对减振垫的不同高度㊁弹性模量及阻尼系数,基于地板结构的有限元与统计能量混合计算模型,计算减振垫参数变化对地板振动声辐射的影响㊂图8为地板振动声辐射预测模型[12]㊂地板结构在车体横向方向上按实际长度进行离散,采用简支约束模拟其与侧墙之间的连接;在纵向方向上拉伸3m,采用自由边界考虑长度方向上的延伸㊂在地板结构的下方即铝型材面向车外的一侧,随机布置10个激励力作为系统的振动输入㊂激励力的谱形式为上限截止频率1k H z的白噪声㊂图8地板振动声辐射预测模型F i g.8 V i b r a t i o n i s o l a t i o nd e s i g no f t h e f l o o r图9为减振垫的不同高度㊁弹性模量及阻尼系数对地板振动声辐射的影响㊂名义变化量x1~x5对应的高度依次为8,9,10,11和12m m,对应的弹性模量依次为9.9,8.25,6.6,4.95和3.3M P a,对应的阻尼系数依次为基准阻尼系数的50%,75%,100%,125%和150%㊂基准的高度和弹性模量分别为12m m和3.3M P a㊂图10为减振垫的阻尼系数㊂由图9可见,随着减振垫高度的增加㊁弹性模量的降低以及阻尼系数的增加,地板的辐射声功率呈降低趋势㊂因此,在综合考虑车辆整体性能以及材料可选性的基础上,可适当提高减振垫的高度㊁降低其弹性模量以及提高其阻尼系数㊂图9地板振动声辐射影响F i g.9 S o u n d r a d i a t i o no f t h e f l o o r图10阻尼系数F i g.10 D a m p i n g l o s s f a c t o r3转向架区域车内噪声预测分析3.1车内噪声建模及验证基于统计能量分析方法[13],在声学仿真软件V A O n e中建立高速列车转向架区域车内噪声仿真模型,根据车体复杂结构耦合系统的自然几何边界㊁材料介质特性等子系统划分原则和方法[14],对转向架区域车体结构进行子系统划分,如图11所示㊂图12为高速列车车内噪声预测模型使用的振图11转向架区域上方车内噪声仿真模型F i g.11 P r e d i c t i o n m o d e l o f t h e i n t e r i o rn o i s e a b o v eb o-g i e a r e a457振动㊁测试与诊断第40卷图12 振动噪声激励输入F i g .12 S o u r c e i n pu t s o f s o u n da n dv i b r a t i o n 动噪声激励输入,包括线路测试得到的声源激励(转向架区域噪声和车身表面噪声等)以及振动激励(地板振动㊁侧墙振动和顶板振动等),加速度级的参考值为1m /s2㊂上述激励均使用多组测试结果的平均值㊂其中,空气声源使用散射声场(d i f f u s e a c o u s t i c f i e l d ,简称D A F )加载于车体外声腔子系统上,结构振动使用约束加载于车体结构子系统上㊂考虑车体关键部位的隔声特性,包括地板㊁侧墙㊁顶板㊁车门和车窗等,对转向架区域上方的车内噪声进行预测㊂图13为前转向架区域上方(客室前)和后转向架区域上方(客室后)车内噪声试验结果和预测结果的频谱㊂图13 车内噪声试验结果和预测结果频谱F i g .13 S p e c t r u mo f t h em e a s u r e m e n t a n d p r e d i c t i o n r e -s u l t s o f i n t e r i o r n o i s e由图13可见,客室前和客室后的车内噪声预测和试验结果在频谱分布上以负偏差为主,特别是客室后㊂这可能是因为客室后还存在受电弓振动噪声激励,虽然模型中也考虑了此激励的作用,但是当声源变多之后,其耦合作用越发复杂,计算结果出现的误差也就越明显㊂总体上,客室前的车内噪声预测结果和试验结果在频率分布上的平均差值为0.7d B (A ),客室后的车内噪声预测结果和试验结果在频率分布上的平均差值为-2.6d B (A )㊂在总声压级方面,客室前的车内噪声预测结果和试验结果相差0.1d B (A ),客室后的车内噪声预测结果和试验结果相差-2.1d B (A )㊂无论是频谱还是总值,预测结果和试验结果的差值均小于3d B (A )㊂可见,仿真模型是可靠的,具有较好的仿真精度㊂针对高速列车转向架区域到车内的噪声传递路径,基于车内噪声预测模型,从地板的隔声参数和隔振参数两方面研究其对车内噪声的影响㊂3.2 地板的隔声参数影响将转向架区域地板的隔声量进行全频段上限平移ʃ5d B ㊁步长1d B 的灵敏度分析㊂图14为地板隔声量变化对车内噪声的影响㊂可见,随着地板隔声量的提高,车内噪声逐渐降低,两者呈负相关㊂当地板隔声量降低5d B 时,客室前和客室后噪声分别提高1.9d B (A )和1.5d B (A )㊂当地板隔声量提高5d B 时,客室前和客室后噪声分别降低0.9d B (A )和0.7d B (A )㊂随着地板的隔声量不断增大,其对于车内噪声的影响逐渐变小,这主要是受到了地板初始隔声量的影响㊂当地板初始隔声量越高,继续提高其隔声水平对车内噪声的控制效果就越小,此时应该关注声源或振动路径的控制,以期提高车内减振降噪效率㊂图14 地板隔声量变化对车内噪声的影响F i g .14 T h e i n f l u e n c e o f t h e c h a n g eo f f l o o r s o u n d i n s u -l a t i o no n t h e i n t e r i o r n o i s e式(2)~(3)分别为客室前和客室后噪声随地板隔声量变化的拟合曲线y1=0.0205x 2-0.2764x +69.5(2)y2=0.0173x 2-0.2127x +72.3(3)557 第4期高 阳,等:高速列车转向架区域车内噪声控制及优化设计其中:y 1和y 2分别为客室前和客室后的噪声;x 为地板隔声量的变化量㊂可以看出,客室前噪声对于地板隔声量的变化率略高于客室后,但总体上两者差异很小㊂这主要是由于客室前和客室后均位于转向架上方,客室后更靠近车厢端部,以及车间连接处的传声路径影响㊂3.3 地板的隔振参数影响将转向架区域地板的振动加速度级进行全频段上限平移ʃ5d B ㊁步长1d B 的灵敏度分析㊂图15为地板振动加速度级变化对车内噪声的影响规律㊂可见,随着地板振动的提高,车内噪声逐渐提高,两者呈正相关㊂当地板振动降低5d B 时,客室前和客室后噪声分别降低0.5d B (A )和0.3d B (A )㊂当地板振动提高5d B 时,客室前和客室后噪声分别提高1.2d B (A )和0.7d B (A )㊂类似的,随着地板的加速度级不断降低,其对于车内噪声的影响逐渐变小,且地板的振动相对于地板的隔声,对于车内噪声的影响略低㊂因此,在结合地板的隔声和振动优化设计时,有必要优先考虑隔声设计㊂图15 地板振动加速度级变化对车内噪声的影响F i g .15 T h e i n f l u e n c e o f t h e c h a n ge of f l o o r v i b r a t i o no n t h e i n t e r i o r n o i s e式(4)~(5)分别为客室前和客室后噪声随地板振动加速度级变化的拟合曲线y1=0.0159x 2+0.1691x +69.5(4)y2=0.0083x 2+0.0973x +72.3(5)其中:y 1和y 2分别为客室前和客室后的噪声;x 为地板振动加速度级的变化量㊂与地板的隔声参数影响类似,客室前噪声对于地板振动加速度级的变化率略高于客室后,总体上两者依旧差异很小㊂4 结 论1)转向架区域上方车内噪声在500~800H z频率区段存在显著峰值㊂其中:500H z 以上的频率峰值主要来自于空气传声路径;200H z 以下的频率峰值主要来自于结构传声路径;而在200~500H z频率区段,两种路径共同作用,较难区分㊂2)增加隔声材料的质量可以提高地板的隔声量,但是其隔声效率却有所降低㊂因此,对于地板的隔声设计还需要从新结构㊁新材料上寻求突破㊂3)随着地板中间减振垫高度的增加㊁弹性模量的降低以及阻尼系数的增加,地板的辐射声功率呈降低趋势㊂4)地板的隔声量与车内噪声呈负相关㊂随着地板的隔声量不断增大,其对于车内噪声的影响逐渐变小,主要是受到了地板初始隔声量的影响㊂5)地板的振动加速度级与车内噪声呈正相关㊂随着地板的加速度级不断降低,其对于车内噪声的影响逐渐变小㊂6)对于不同的车辆系统,其结构对于声源和路径特性有很大的影响,所得规律不尽相同,但本研究方法和结果可作为一般性参考㊂参 考 文 献[1] 杨国伟,魏宇杰,赵桂林,等.高速列车的关键力学问题[J ].力学进展,2015,45:201507.Y A N G G u o w e i ,W E IY u j i e ,Z HA O G u i l i n ,e t a l .R e -s e a r c h p r o g r e s so nt h e m e c h a n i c so fh i g hs pe e dr a i l s [J ].A d v a n c e s i n M e c h a n i c s ,2015,45:201507.(i nC h i n e s e)[2] J I N XS .K e yp r o b l e m s f a c e d i nh i g h -s p e e d t r a i no p e r -a t i o n [J ].J o u r n a lo fZ h e j i a n g U n i v e r s i t y -S c i e n c e A (A p p l i e d P h y s i c s &E n g i n e e r i n g ),2014,15(12):936-945.[3] HA R D Y A EJ .R a i l w a yp a s s e n ge r sa n dn o i s e [J ].P r o c e e d i n g s of t h e I n s t i t u t i o no fM e c h a n i c a lE ng i n e e r s P a r tF :J o u r n a l o fR a i l a n dR a p i dT r a n s i t ,1999,213(3):173-180.[4] S O E T A Y ,S H I MO K U R AR.S u r v e y of i n t e r i o r n o i s e c h a r a c t e r i s t i c s i nv a r i o u s t y p e so f t r a i n s [J ].A p p l i e d A c o u s t i c s ,2013,74(10):1160-1166.[5] Z HA N GJ ,X I A O XB ,S H E N G XZ ,e t a l .C h a r a c -t e r i s t i c s o f i n t e r i o rn o i s eo f aC h i n e s eh i g h -s p e e dt r a i n 657振 动㊁测 试 与 诊 断第40卷u n d e r a v a r i e t y o f c o n d i t i o n s[J].J o u r n a l o fZ h e j i a n gU n i v e r s i t y-S c i e n c eA,2017,18(8):617-630. [6]张捷,肖新标,韩健,等.高速列车车内客室端部噪声分布特性与声学模态分析[J].机械工程学报, 2014,50(12):97-103.Z HA N GJ i e,X I A O X i n b i a o,HA NJ i a n,e t a l.C h a r-a c t e r i s t i c s o f n o i s e d i s t r ib u t i o n a t t h e e n d s o f t h ec o a c ha n da c o u s t i c m o d a la n a l y s i so fh i g h-s p e e dt r a i n[J].J o u r n a l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2014,50(12):97-103.(i nC h i n e s e)[7]郭建强,葛剑敏,张华丽.高速列车受电弓区车内噪声研究与控制[J].振动㊁测试与诊断,2017,37(4): 662-666.G U OJ i a n q i a n g,G EJ i a n m i n,Z HA N G H u a l i.I n t e r n a ln o i s e r e s e a r c h a n d c o n t r o lm e a s u r e s o f p a n t o g r a p h a r e a o f h i g h-s p e e d t r a i n s[J].J o u r n a l o fV i b r a t i o n,M e a s-u r e m e n t&D i a g n o s i s,2017,37(4):662-666.(i nC h i n e s e)[8]王金田,孙强,郭伟强,等.高速列车车间连接处车内噪声特性研究[J].噪声与振动控制,2014,34(6): 97-101.WA N GJ i n t i a n,S U N Q i a n g,G U O W e i q i a n g,e ta l.S t u d y o n i n t e r i o rn o i s ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e g a n g w a 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b o r a t o r ym e a s u r e m e n t s o f a i r b o r n e s o u n d i n s u l a t i o no fb u i l d i n ge l e m e n t s[S].[S.l.]:I n t e r n a t i o n a lO r g a n i z a t i o nf o rS t a n d a r d i z a t i o n,S w i t z e r l a n d,1995.[12]张捷.高速列车车内低噪声设计方法及试验研究[D].成都:西南交通大学,2018.[13]L Y O NR H,D E J O N GRG.T h e o r y a n d a p p l i c a t i o n o fs t a t i s t i c a l e n e r g y a n a l y s i s[M].L o n d o n:B u t t e r w o r t h-H e i n e m a n n,1995:109-253.[14]Z HA N GJ,X I A O XB,S H E N GXZ,e t a l.S E Aa n dc o n t r i b u t i o na n a l y s i s f o r i n t e r i o rn o i s eo f ah i g hs p e e dt r a i n[J].A p p l i e dA c o u s t i c s,2016,112:158-170.第一作者简介:高阳,男,1980年3月生,博士生㊁高级工程师㊂主要研究方向为铁路噪声与振动控制㊂曾发表‘高速列车头型近场与远场噪声预测“(‘同济大学学报(自然科学版)“2018年第47卷第1期)等论文㊂E-m a i l:c k_g y@126.c o m通信作者简介:张捷,男,1987年2月生,博士㊁助理研究员㊂主要研究方向为铁路噪声与振动控制㊂E-m a i l:z h.r e c e i v e@g m a i l.c o m757第4期高阳,等:高速列车转向架区域车内噪声控制及优化设计628J o u r n a l o fV i b r a t i o n,M e a s u r e m e n t&D i a g n o s i s V o l.40 20d B,w h i c hd i r e c t l y l e a d s t o t h e s i g n i f i c a n t d i s p e r s i o no f t h em e a s u r e dv i b r a t i o n s o u r c e i n t e n s i t y s a m p l e st h r o u g h o u t t h e d a y.K e y w o r d s m e t r o;i n-s i t u t e s t;e n v i r o n m e n t a l v i b r a t i o n;v i b r a t i o n s o u r c e;d i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i c S t e e l S t r a n d sT e n s i o n I d e n t i f i c a t i o nU s i n g M u l t i-s c a l eE n e r g yE n t r o p y o fU l t r a s o n i cG u i d e d W a v e sC H E N X i n1,2,3,Z HUJ i n g s o n g1,Q I A NJ i4,Y EZ h o n g t a o2,3(1.S c h o o l o fC i v i l E n g i n e e r i n g,T i a n j i nU n i v e r s i t y T i a n j i n,300072,C h i n a)(2.C h i n aR a i l w a y B r i d g eS c i e n c eR e s e a r c h I n s t i t u t eL t d.W u h a n,430034,C h i n a)(3.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fB r i d g eS t r u c t u r eH e a l t ha n dS a f e t y W u h a n,430034,C h i n a)(4.S c h o o l o fC i v i l E n g i n e e r i n g,C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y C h o n g q i n g,400074,C h i n a)A b s t r a c t I no r d e r t o e f f e c t i v e l y e v a l u a t e t h e l o s s o f p r e-s t r e s s i n t h e i n-s e r v i c e s t e e l s t r a n d,a g u i d e dw a v e n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g m e t h o d f o r i d e n t i f y i n g t h e t e n s i l e f o r c eo f t h es t e e l s t r a n d i s p r o p o s e d.N u m e r i c a l s i m u l a t i o n s a n d e x p e r i m e n t s o f u l t r a s o n i c g u i d e dw a v e(U GW)p r o p a g a t i o n a r e c a r r i e d o u t o n s t e e l s t r a n d s w i t hd i f f e r e n t t e n s i o n s.T h em u l t i-s c a l e e n e r g y e n t r o p y o fU GW s i s u s e d a s t h e f e a t u r e v e c t o r t o c o n s t r u c t t e n s i o n i d e n t i f i c a t i o n i n d e x,a n d t h e i n f l u e n c e o f p r o p a g a t i o nd i s t a n c e a n da c q u i s i t i o nm e t h o d i s a n a l y z e d. T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h em u l t i-s c a l e e n e r g y e n t r o p y o f g u i d e dw a v e sd i f f e r s s i g n i f i c a n t l y u n d e rd i f f e r e n t t e n s i l e f o r c e s.A no b v i o u s l i n e a r r e l a t i o n s h i p w h i c h i s l e s s a f f e c t e db yp r o p a g a t i o nd i s t a n c e a n d a c q u i s i t i o n m e t h o db e t w e e n t h e i d e n t i f i c a t i o n i n d e xa n dt e n s i o nc a nb e f o u n d.C o m p a r e dw i t ht h e f i n i t ee l e m e n t r e-s u l t s,t h em e a s u r e d p r o p a g a t i o nd i s t a n c e o f t h e i d e n t i f i c a t i o n i n d e x i n c r e a s e db y957.69%,a n d t h e s e n s i-t i v i t y c o e f f i c i e n t i n c r e a s e db y20.3%.T h es e n s i t i v i t y o f i d e n t i f i c a t i o ni n d e x g r o w sw i t ht h e i n c r e a s eo f p r o p a g a t i o nd i s t a n c e,b u t t h e g r o w t h r a t e i s o p p o s i t e.T h e a c q u i s i t i o nm e t h o d o f c e n t e rw i r e e x c i t a t i o n a n d c e n t e rw i r e r e c e i v i n g i sm o r e s e n s i t i v e t o t h e c h a n g e o f t e n s i o n.K e y w o r d s s t e e l s t r a n d;u l t r a s o n i c g u i d e dw a v e;t e n s i o n i d e n t i f i c a t i o n;m u l t i-s c a l e e n e r g y e n t r o p yI n t e r i o rN o i s eC o n t r o l a n dS t r u c t u r a lO p t i m u m D e s i g nO v e r t h eB o g i eA r e a o fH i g h-S p e e dT r a i nG A OY a n g1,2,X I ES u m i n g1,L IC h a o w e i1,T E N G W a n x i u2,Z HA N GJ i e3(1.S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y D a l i a n,116028,C h i n a)(2.C R R CC h a n g c h u nR a i l w a y V e h i c l e sC o.,L t d. C h a n g c h u n,130062,C h i n a)(3.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fT r a c t i o nP o w e r,S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y C h e n g d u,610031,C h i n a)A b s t r a c t T h et o p o f t h eb o g i ea r e ao fh i g h-s p e e dt r a i n s i st h e m o s td o m i n a n t p o s i t i o no f t h e i n t e r i o r n o i s e.U s i n g a c o m b i n a t i o no f e x p e r i m e n t a l a n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n p r e d i c t i o n,t h e i n t e r i o rn o i s em e c h a-n i s ma b o v e t h eb o g i e a r e a i s s t u d i e db a s e do n t h e n o i s em e c h a n i s mo f t h e s o u r c e-p a t h-r e s p o n s e i n t e r i o r. T h e v i b r a t i o na n d s o u n d c h a r a c t e r i s t i c s,s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o no f t h e f l o o r a n d p r e d i c t i o no f t h en o i s e i n t h eb o g i e a r e a a r e i n v e s t i g a t e d.T h e c o n c l u s i o n s a r e a s f o l l o w s:t h e r e a r e s i g n i f i c a n t p e a k so f t h e i n t e r i o r n o i s e i n t h e f r e q u e n c y r a n g e o f500~800H z a b o v e t h eb o g i e a r e a.A m o n g t h e m,t h e s o u n d t r a n s m i s s i o np a t ha b o v e 500H zm a i n l y co m e s f r o mt h e a i r t r a n s m i s s i o n p a t h ,a n d t h e s o u n d t r a n s m i s s i o n p a t hb e l o w 200H zm a i n l y c o m e s f r o mt h e s t r u c t u r e .T h e n o i s e i n t h e c a r i s n e g a t i v e l y c o r r e l a t e dw i t h t h e s o u n d i n s u -l a t i o no f t h e f l o o r ,a n d p o s i t i v e l y c o r r e l a t e dw i t h t h e v i b r a t i o n a c c e l e r a t i o n l e v e l o f t h e f l o o r .W i t h t h e i n -c r e a s e o f t h e s o u n d i n s u l a t i o n o r t h e d e c r e a s e o f t h e v i b r a t i o n a c c e l e r a t i o n l e v e l ,t h e i r i m pa c t o n t h e i n t e r i o r n o i s e i s g r a d u a l l y d e c r e a s i n g .T h e s o u n d i n s u l a t i o nd e s i g n o f t h e f l o o r n e e d s t ob e f u r t h e r s t u d i e d f r o mt h e n e ws t r uc t u r e a n dn e w m a t e r i a l s .T h e r e s e a r c h r e s u l t s c a n p r o v ide r ef e r e n c e a n db a s i s f o r n o i s e c o n t r o l i n h igh -s p e e d t r ai n s .K e y w o r d s h i g h -s p e e d t r a i n ;b o g i e ;i n t e r i o r n o i s e ;s t r u c t u r a l o p t i m u m ;s o u n d i n s u l a t i o n ;v i b r a t i o n R e a l T i m eE s t i m a t i o no fV e h i c l e Q u a l i t y a n dR o a dS l o peB a s e do n A d a pt i v eE x t e n d e dK a l m a nF i l t e r R E NZ h i y i n g 1, S H E NL i a n g l i a n g 1, HU A N G W e i 2, L I UX i n g x i n g1(1.S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n dA u t o m a t i o n ,F u z h o uU n i v e r s i t yF u z h o u ,350116,C h i n a )(2.F u j i a nS p e c i a l E q u i p m e n t I n s pe c t i o n I n s t i t u t e F u z h o u ,350008,C h i n a )A b s t r a c t A i m i n g a t t h e p r o b l e mt h a t t h e s t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s of t h e e x t e r n a l n o i s e i n t h e a c t u a l d r i v -i n gp r o c e s s o f t h e v e h i c l e c a n n o t b ek n o w n ,b a s e do n t h e l o n g i t u d i n a l d yn a m i c sm o d e l o f t h e v e h i c l e ,t h e a d a p t i v e e x t e n d e dK a l m a n f i l t e r (A E K F )v e h i c l e q u a l i t y a n d r o a d g r a d i e n t e s t i m a t e a l g o r i t h mi s p r o p o s e d .T a k i n g t h e d y n a m i c e s t i m a t i o n o f t h em a s s a n d s l o p e o f t h e v e h i c l e s y s t e ma s t h e r e s e a r c h o b j e c t ,t h e r o t a -t i o nm a s s c o n v e r s i o nc o e f f i c i e n t i s i n t r o d u c e d ,t h es t a t es p a c e m o d e l o f t h ev e h i c l e l o n g i t u d i n a l d y n a m i c s y s t e mi s e s t a b l i s h e d ,a n d t h e g e a rm a t c h i n g a t d i f f e r e n t t i m e s a n d t h eh a n d l i n g o f s p e c i a l d r i v i n g c o n d i -t i o n s a r e c o n s i d e r e d .T h e s y s t e ms t a t e e q u a t i o n i sd i s c r e t i z e d t oo b t a i n t h e s y s t e ms t a t e e q u a t i o na n d t h e s y s t e m m e a s u r e m e n t e q u a t i o n .T h e n ,t h e n o i s e s t a t i s t i c a l e s t i m a t o rw i t h f o r g e t t i n g f a c t o r i s i n t r o d u c e d o n t h eb a s i s o f t h e e x t e n d e dK a l m a n f i l t e r (E K F ).T h e o n -l i n e e s t i m a t i o n a n d c o r r e c t i o no f n o i s e s t a t i s t i c s a r e p e r f o r m e db a s e do n t h e r e a l -t i m e u p d a t i n g o f t h e s t a t e e q u a t i o n a n d t h em e a s u r e m e n t e q u a t i o nb y a d a p t i v e e x t e n d e dK a l m a n f i l t e r ,s o a s t o s o l v e t h e p r o b l e mo f t i m e -v a r y i n g n o i s eo f t h e s y s t e m.T h e c o m p a r a t i v e a n a l y s i s o f t h ee s t i m a t e da n d m e a s u r e dr e s u l t so f t h i sa l g o r i t h m a n dt h eE K Fa l g o r i t h m s h o w s t h a t t h e p r o p o s e d a l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l y f i l t e r a n de s t i m a t e t h ev e h i c l em a s s a n d g r a d i e n t s i g n a l s i nt h ev e h i c l e l o n g i t u d i n a l d y n a m i c sm o d e l ,a n d g r a d u a l l y c o n v e r g e a n d a p p r o a c h t h em e a s u r e dv a l u e i n a s h o r t t i m e ,s o t h a t i t c a nb e r e a s o n a b l y a n d e f f e c t i v e l y d e t e c t t h e s t a t u s i n f o r m a t i o no f t h e v e h i c l e d u r i n g d r i v i n g.K e y w o r d s l o n g i t u d i n a l d y n a m i c sm o d e l ;a d a p t i v ee x t e n d e dK a l m a n f i l t e r (A E K F );v e h i c l e q u a l i t y ;r o a d g r a d i e n t ;f o r g e t t i n g fa c t o r A p p l i c a t i o no f I n t e g r a l S q u e e z eF i l m D a m pe r i nG e a r b o x L UK a i h u a , H EL i d o n g , Y A N W e i , D I N GJ i c h a o , MAL i a n g ,C H E NZ h a o (B e i j i n g K e y L a b o r a t o r y o fH e a l t h M o n i t o r i n g a n dS e l f -R e c o v e r y f o rH i g h -E n d M e c h a n i c a l E q u i p m e n t ,B e i j i n g U n i v e r s i t y o fC h e m i c a lT e c h n o l o g y B e i j i n g,100029,C h i n a )A b s t r a c t T h e d y n a m i c e x c i t a t i o no f t h e g e a r s y s t e mi s t r a n s m i t t e d t o t h e b o x p r i m a r i l y t h r o u g h t h e b e a r -728N o .4A b s t r a c t s o fV o l .40N o .4i nE n g l i s h。
