对新型机车车辆噪声认证的逐步改变

虽然TSI噪声在确保铁路在未来仍然是有吸引力的交通工具和允许该行业增长方面具有战略重要性，但它也意味着限制和增加个人利益相关者的成本。TSI噪声要求的合格评定主要基于现场测试，这通常是一个非常昂贵和耗时的过程。在经过、静止和启动条件下以及驾驶室内，都需要进行噪声测量。

由欧洲铁路工业联盟(UNIFE)协调的ACOUTRAIN FP7欧洲研究项目旨在开发简化TSI噪声测试程序的程序和计算工具。从2011年10月到2014年12月，15家ACOUTRAIN合作伙伴合作引入了可靠的仿真方法对噪声进行虚拟认证。

此外，ACOUTRAIN项目也促进了其他铁路噪音研究领域的进展，例如:

• 基础设施和车辆噪声的分离方法:提出了三种分离方法，并对实测数据进行了测试。这些方法既可以用于将车辆转置到不同的轨道上，也可以用于将车辆转置到同一轨道上的另一辆车上。这一概念已扩展到将测量结果转置到虚拟参考航迹的建议。

• 建立新的运行条件(如制动和弯曲)的测量程序:提出了一种新的车辆弯曲噪声类型测试程序，包括车载发生试验程序和轨道旁通过试验。

• 制定程序，为《欧洲噪音指令》(END)取得资料:建立了一个使用“虚拟测试”(VT)模型和数据来定义END噪声映射的等效噪声源的程序。该程序可以实现实际的车辆源功率分配，而无需对END的应用进行昂贵的测试。

引入了一种可靠仿真的噪声虚拟认证方法

ACOUTRAIN项目的主要目标之一是提出一个基于VT的程序，用于声学认证目的。

认证过程中的VT意味着认证所需的测试部分(或全部)用数值模拟进行。这意味着模拟模型用于评估监管(由法律强制执行)的基本要求，例如TSI噪声。

因此，VT应该是实际测试的替代方案:两个过程应该保持平等，以提高灵活性。这一基本要求意味着:

• 对于新的虚拟测试程序，TSI限值、预定义的操作和环境条件以及接收器位置应该是相同的
• 两个过程的输出结果应该是相等的。测试程序的选择不应影响接受或拒绝车辆的决定，这是一个先决条件
• 两种方法的可靠性或标准不确定度应具有可比性。

从技术上讲，声学中的VT包括将车辆建模为一组噪声源(火车=一组噪声源)，然后称为虚拟车辆(VV)。该VV在一个数值工具中处理，用于模拟火车在静止和通过时的噪声(在ACOUTRAIN中没有考虑启动噪声:这种情况下的主要来源是牵引噪声源，其启动阶段的声学行为很难建模)。因此，VT将处理:

• 仿真工具基于特定的数值方法
• 噪声源建模:噪声源的特征和表示
• 列车内噪声源集成:集成效应。

虚拟过程中涉及的所有元素(仿真工具、噪声源模型)都有助于虚拟测试的可靠性及其与真实测试结果的可比性。因此，它们将通过认证过程(例如模拟工具)或验证过程进行检查，其中虚拟测试和真实测试并行进行，以评估它们的差异。

为了与实际测试结果进行比较，VT还需要处理:

• 复杂环境中噪声的传播(地面效应、拓扑效应)。
• 跟踪描述。

以下部分介绍了ACOUTRAIN仿真工具的开发和任何仿真工具的认证过程的建议;噪声源建模和特性的问题，以及在项目内的一些应用案例中进行验证过程的结果。

源建模-安装效果

轨道车辆上的声源可分为两类:(1)与轨道-车轮相互作用有关的噪声源，即车轮、轨道和枕木的辐射;(2)车辆部件的噪声源。后一类可分为(a)以风扇和其他冷却设备为主要动力源的部件，以及(b)以振动外壳为主要动力源的部件，例如由于电磁力(变压器、电机)或机械接触(齿轮箱)。在高速下，具有空气动力源(c)的部件变得越来越重要，例如转向架和受电弓。ACOUTRAIN的主要任务之一是开发适用于车辆源类型的评估方法，主要是冷却风扇和电磁源。

对于风机源，将实际源建模为少量等效单极子源的方法已成功地应用于暖通空调(HVAC)冷却风机的现场数据。此外，已证明可以使用相当简单的屏幕分析模型来确定屋顶安装源的安装效果。采用射线追迹法和能量边界元法确定了转向架信号源的高频安装效果，并提出了一种现场测试安装效果的实用方法。针对高速应用，提出了一种计算效率高的基于构件的模型，可以准确地表示列车受电弓的频谱。虽然结果很有希望，但还需要更多的研究活动来验证所提出的流程和方法在真实车辆安装中的建模准确性和可用性，以实现TSI认证的虚拟测试框架。

仿真工具开发/评估

该项目开发了一个名为ACOUTRAIN的模拟工具，用于预测路过噪声和静止噪声。该工具能够计算出一列完整列车发出的噪音水平，同时考虑到来自不同设备的噪音。任何类型的声源都被定义为一组点源，每个单一的声源都有其声功率和指向性的特征。滚动噪声与每个轮对有关。与这些轮对相关的声学数据来自TWINS软件²．

为了能够在认证过程中使用这样的工具，有必要对工具本身进行认证。为此目的，提出了标准和方法。根据定义，这种工具的输出应是:

• 平稳计算平均三分之一倍频波段频谱
• 三分之一八度频带中的最大和平均水平，以及通过计算的总体声级与时间的关系。

通过分析计算得到了参考案例的结果。这些是基于简单的单极子和/或偶极子源，辐射在不同类型的地面上。

总共计算了13个场景来评估基本预测性能，这是用于噪声TSI认证的任何模拟工具的最低要求。然后提出了仿真工具的认证程序，包括评估标准和可接受值。

程序-验证

通过将仿真工具中的VV与轨道上的测量结果进行比较，对VT过程进行了评估。此次测试选择了庞巴迪运输公司生产的电动多单元(EMU)“NAT”，由法国国家铁路公司(SNCF)在法国进行。表示NAT的VV是用ACOUTRAIN工具和模拟工具SITARE构建的，SITARE是阿尔斯通运输公司的内部开发。

实测结果与计算结果的比较表明，在静止噪声方面存在较大差异。已证明对计算结果有强烈影响的一个参数是安装效果。NAT在车顶和裙摆上有整流罩，部分覆盖了转向架区域的牵引电机冷却系统。不幸的是，在项目中无法确定插入损耗，但在SITARE中计算了有裙边和没有裙边的测试。结果表明，裙和整流罩可能有3-7 dB(A)之间的影响取决于麦克风的位置。对于未来的认证程序，重要的是评估各种屏蔽并在VV建模中考虑这些屏蔽。

然而，缺乏合适的屏蔽模型并不能单独解释测量结果和计算结果之间的差异。在分析结果时，观察到315赫兹的一个强峰值导致对计算结果的高估。这可以被认为是来自牵引电机冷却出口的噪音。在特性测量期间，由于原始管道不可用，它不能像源安装在车辆上时那样很好地隔离。在描述不同的源时，建议尽可能使用原始系统，如冷却风扇的管道。这一建议也适用于其他组件，例如变压器，它应该具有原始转换器的特征。人们还认识到，在为VV建模时必须考虑源的指向性。

以滚动噪声为主的通过噪声计算结果与实测结果有较好的一致性。通过使用两个麦克风位置进行测量和两个轨道衰减率(TDR)测量作为计算的输入，两个结果都有一定的分布。这表明比较两种方法的困难，每种方法都有一个不确定值，这最终限制了获得完全一致的可能性。

虚拟测试实现的建议

在ACOUTRAIN项目期间进行的工作允许提出有关VT实施的建议。在ACOUTRAIN中具体制定了两个主要的VT过程:

• 延期审批方法(EoA):在这种情况下，待测车辆主要基于现有的“类似”车辆。这要求:
  • 已经为这个现有的类似车辆创建了VV
  • 该VV为类似的车辆已经验证(静止和通过配置，如前一节所述)-该车辆成为一个参考车辆
  • 然后，可以修改参考VV(为类似车辆创建和验证)，使其与待测车辆相对应，并用于VT进行认证。
• 混合方法:在这种情况下，没有确定类似车辆和/或没有创建和验证的参考车辆。必须为测试车辆创建一个特定的VV。该方法仅在静止条件下有效，可用于VT过路噪声评估。

在混合动力和EoA之间，驱动VT方法选择的两个主要概念是，是否存在已经认证的类似车辆，以及对于这类车辆，是否存在参考VV。

在ACOUTRAIN中开发了一个决策模型来验证两辆车是否足够相似，以便其中一辆作为另一辆的参考。该模型确保了两辆车之间的差异是有限的，因为测量数据的验证只对参考车辆执行，考虑到两辆车之间的修改数量，修改的性质和它所暗示的不确定性。然后，对于这种类似的车辆，可能存在一个参考车辆，即在静止和通过条件下验证的VV，根据上述章节中提到的具体验证过程，并在ACOUTRAIN VT过程中详细说明。

在任何情况下，TSI认证的实际测试仍然是一种选择(特别是在不可能验证VV的情况下)。

结论

ACOUTRAIN项目联盟开发并测试了几种方法，以完成VT过程，并使其足够可靠。现在已经有了很多结果。尽管它们不允许VT的应用案例被成功地实现，但它们允许构建VT过程的框架，定义其基本需求，并为下一步提出建议。

仿真工具的认证过程是可用的。对于滚动噪声源，定义了使用TWINS软件进行可靠评估的建议。对于车辆特定噪声源的定义，已经测试了各种方法:定义了描述这些噪声源的过程，并提出了实施集成效果的具体建议。然而，还需要做更多的研究来更好地评估源对车辆的集成效果。我们专门设计了一个验证程序，以评估VT程序与实际测试的比较。确保VT过程与实际测试过程一样可靠的关键点之一是对这两种过程的不确定程度的评估，这将在将来得到解决。

此外，ACOUTRAIN项目还为分离基础设施和机车车辆噪声贡献提供了可靠和经过测试的方法;测量新的运行状况(如制动和弯曲);以及在认证目的内使用虚拟测试输出，以根据欧洲噪声指令(END)的要求定义噪声映射的输入。

参考文献

1. 2014年欧洲噪音，EEA报告No 10/2014，欧洲环境署。
2. Thompson D.J, Hemsworth B, Vincent N.滚动噪声TWINS预测程序的实验验证，第1部分:模型和方法的描述，J Sound Vib 1996;193: 123 - 35