电力机车驾驶室噪声分析与控制

1、电力机车驾驶室噪声分析与控制Noise analysis and control of electric locomotive cab机电工程学院 热能与动力工程 满飞 200804331摘 要随着现代科技的进步，噪声污染已成为全球三大环境污染问题之一。我国铁路高速、重载带来的列车行驶噪声问题也日趋突显。列车噪声多由牵引机车引起，而机车驾驶室噪声成为影响机车驾驶乘务员身心健康的重要因素。本文通过分析电力机车噪声对乘务员身体、心理的影响，说明了电力机车噪声控制对乘务员健康、机车行驶安全的重要性。并以HX型机车为研究对象，在介绍HX型机车整体布置和噪声识别技术的基础上，对电力机车司机室噪声的来源进

2、行了深入分析、识别，并阐述了主要设备产生噪声的机理。然后介绍了常用的噪声测量仪器，对在HX型机车上进行的噪声动态测试结果进行了简要分析，得出了HX型机车轮轨、机械间、驾驶室的噪声频率特性。在噪声控制方面，针对分析结果从密封、驾驶室和噪声源的隔声、吸声、消声提出了有效的降噪解决办法和改进建议。最后，在有源控噪方面，结合有源噪声控制技术理论，提出并制定了应用于电力机车驾驶室噪声控制的有源控噪系统方案及设计思路原理框图。关键词： HX；驾驶室；噪声；ANCIAbstractWith the progress of modern science and technology, noise pollut

3、ion has become one of the three global environmental pollution problems. Brought about by Chinese railways high-speed, heavy haul, train noise problems are becoming increasingly prominent. Noise is usually caused by traction locomotives and locomotive cab noise become an important factor affecting t

4、he locomotive driver's crew of physical and mental health.Analyzing the noise of electric locomotive attendants effects of physical, mental, This article described the noise control of electric locomotive for crew health and importance of locomotive running safety. We researched HXlocomotive for

5、 the study. Described in HXlocomotive on the basis of overall arrangement and noise recognition technology, electric locomotive cab noise sources were analyzed in-depth, recognized and we expounded the noise mechanism of major equipment. And then described common noise measuring instruments, noise o

6、n the HX locomotive dynamic test and a brief analysis of the results. Then we come up with HX locomotive cab noise frequency between wheel and rail, mechanical and characteristics. In terms of noise control, for analyzing results from seals, cabs and noise source of sound insulation, sound absorptio

7、n and effective noise reduction, we give solutions and suggestions for improvement. Finally, in terms of active noise control, combining with active noise control technology theory, we proposed and developed to power the locomotive cab noise control scheme and design of active noise control system p

8、rinciple diagram.Keys: HX;cab; noise; ANCII目 录摘要Abstract1 绪论11.1 课题背景11.2 国内外机车驾驶室噪声研究发展概况21.2.1 国内列车降噪技术的发展21.2.2 国外列车降噪技术的发展22 电力机车驾驶室噪声污染及危害分析43 电力机车整机组成及噪声源识别53.1 电力机车总体布置53.2 噪声源识别技术63.2.1 噪声源识别的主要方法63.2.2 驾驶室噪声源识别方法的选择93.3 机车部分设备噪声源识别93.3.1 电气部分93.3.2 机械部分103.3.3 司机室设备103.4 主要噪声机理分析103.4.1 风机空

9、气动力性噪声103.4.2 电机电磁噪声113.4.3 变压器电磁噪声114 噪声测试及分析124.1 噪声测量常用仪器124.1.1 声级计124.1.2 频谱分析仪144.1.3 实时分析仪154.1.4 磁带记录仪164.1.5 声强计174.1.6 数据自动采集和信号分析系统184.2 电力机车司机室噪声测试分析184.2.1 隔声量测试分析184.2.2 噪声源测试分析185 噪声控制及降噪设计235.1 噪声传播与控制235.1.1 噪声传播235.1.2 噪声控制方法255.2 电力机车驾驶室噪声传统无源控制255.2.1 密封处理255.2.2 驾驶室隔声、吸声处理265.2.

10、3 声源隔声、隔振、消声处理295.3 电力机车驾驶室噪声有源控制（ANC）315.3.1 有源噪声控制系统概述315.3.2 有源噪声控制系统325.3.3 电力机车驾驶室噪声有源控制33结论与展望36致谢37参考文献38IV兰州交通大学毕业设计1 绪论1.1 课题背景从1997年到2007年，我国铁路进行了六次提速，最高时速由原来的140km/h提高到250km/h。2007年的第六次提速后，我国铁路客运能力提高18%，并在现有提速干线上同时开行时速200公里的动车组和时速120公里、载重5000吨的货运重载列车。此次提速，旅客列车最高时速达到120公里及以上的线路延展里程共计2.2万公里

11、，比第五次大提速增加了6000公里。为了适应国内和国际铁路的发展，并与国际铁路标准相统一，我国修订了原国家标准GB/T3450-94铁路机车司机室噪声允许值。表1.1为原国家标准GB/T3450-94规定的铁路机车司机室内部稳态噪声的等效连续A声级的允许值。表1.1 GB/T3450-94铁路机车司机室噪声允许值车型试验车速km/h稳态噪声dB(A)添加间歇噪声后的等效声级 dB(A)客运货运内燃机车90708085电力机车90707885蒸汽机车80608590而GB/T3450-2006铁道机车和动车组司机室噪声限值及测量方法规定，电力机车司机室内噪声限值78dB(A)，HX型机车技术合同

12、规定，该机车司机室内部噪声限值为75dB(A)。随着我国铁路列车速度的不断提高，我国各铁路机车厂在不断研发新型大功率机车来适应高速要求，但机车驾驶室的噪声水平也随之提高。机车在高速行驶时，在车体上部，高速气流引起的空气动力性噪声表现最显著，大约和机车运行速度的6次方成正比；在车体下部，机车与轨道之间的轮轨噪声表现最显著，大约和机车运行速度的23次方成正比。虽然电力机车噪声水平较内燃机车低，但电力机车噪声源较多，噪声种类繁杂，噪声控制亦不易。机车驾驶室的噪声直接影响到机车乘务员的身心健康和行车安全。列车的噪声污染，也是限制列车运行速度提高的一个重要因素。随着国家对噪声污染的重视，国家标准对噪声的

13、限制要求也越来越严格。表1.2为修订后的铁路机车司机室噪声允许值标准。表1.2 铁路机车司机室噪声允许值新标准 /dB线路类型160km/h160km/h300km/h强制允许值强制允许值建议允许值敞开式线路787875半敞开式线路8380如何更有效地控制机车，尤其是机车驾驶室内的噪声已经成为机车设计与制造面临的一个复杂而迫切的课题。所以，必须采用结构改进、污染防治等措施来降低机车驾驶室内噪声，为铁路机车乘务人员创造一个良好、舒适的工作环境，使我国铁路更快地迈向高速、重载的时代。1.2 国内外机车驾驶室噪声研究发展概况1.2.1 国内列车降噪技术的发展上世纪80年代末至90年代初，我国铁路进入

14、快速发展时期，为了改变我国铁路交通运输落后的局面，1995年，铁道部召开了高速铁路研讨会，开始研制高速列车，与此同时设计人员开始考虑客车车内的降噪问题。我国在从英国引进的样车基础上开发的蓝箭号，是我国第一代投入商业运营的动车组，最高运营速度200km/h。在高速度的同时，该车采取了很多降噪措施。为降低空气动力性噪声，在车体下部安装了封闭裙板；在机车车头前部采用了5m长的流线型结构，以减小列车运行时的空气阻力。目前，我国在机车车辆设计中尚未充分考虑噪声振动问题。国产高速列车在广深线上的实验数据表明，国产高速列车的减振降噪水平与日、德、法等技术先进国家的列车仍存在较大差距。所以，我国高速列车在设计

15、阶段应综合考虑各方面的性能要求，必须将噪声控制作为一个重要研究问题。1.2.2 国外列车降噪技术的发展二次大战以后，为了摆脱铁路客运的困境，增强铁路对航空、公路的竞争能力，铁路设计人员开始考虑高速列车的开发。今天，许多国家已经设计建成高效、快速的高速列车，如日本新干线列车、法国TGV高速列车、德国ICE高速列车等。在高速、高效的同时，列车噪声问题也突显出来。所以，为了达到既高速、安全，又保护环境、舒适良好的目的，各国都在列车上采取了一些降噪措施。如日本的新干线列车，经过近50年的发展，在减振降噪方面做了很多的理论和实验研究，技术较为成熟。目前的N700系列高速列车就采取了许多减振降噪措施：机车

16、前端采用流线型设计；列车上装配有源控振装置；利用主动倾摆装置来减小转弯离心力；机车转向架上安装半主动悬挂装置；车辆间的通过台采用弹性渡板封闭；车体轻量化、低重心化；采用有源减振支撑的无摇枕转向架；车身表面及车底平滑化等。- 40 -2 电力机车驾驶室噪声污染及危害分析机车驾驶室内的噪声是影响机车乘务员身体健康的重要因素之一，也是影响乘务员行车时语言信息传递及其信号交流的不安全因素之一。机车驾驶室为封闭空间声场，噪声信号不易散播，因此，噪声对乘务员的危害较为严重。一般，机车噪声会对驾驶室内的乘务员造成两方面的危害，其一是对听力的影响；其二是对机体其它系统的影响，主要表现在中枢神经系统、心血管系统

17、方面，会引起不同程度的疾病。（1）对听力的影响短期内会引发暂时性听阈偏移，主要表现在暂时听力下降，在安静环境中休息后可恢复。而长期处于高噪声环境，会导致噪声性耳聋，这是一种病理状态，主要表现在内耳听觉器官发生病变，形成永久性听阈偏移，也叫做职业性听力损失。（2）其他疾病中等强度的噪声就能影响中枢神经系统，会是大脑皮层长期兴奋以致平衡失调，导致注意力分散、条件反射异常，使乘务员烦躁难耐、反应迟钝，且会加速疲劳，从而影响机车驾驶及行车安全。由于中枢神经受到影响，会导致消化、内分泌、血液循环等体液系统失常，出现头疼脑涨、失眠多梦、消化不良、心肌受损、内分泌失调等机体病变。强噪声可以使神经紧张，会出现

18、心跳加快、心律失常、血压不稳等现象。长期刺激下，会导致白细胞增加、淋巴细胞增多、血糖上升，继而导致身体抵抗力下降，引发各种疾病。低频噪声传播远、穿透力强，并很容易与内脏器官发生共振，长期影响下会使身体器官受到不可逆受损。总之，机车噪声对驾驶室内乘务员的影响较为严重，在乘务员机体受到损伤的同时，会严重影响到机车的行车安全和信息传递。3 电力机车整机组成及噪声源识别3.1 电力机车总体布置本次研究以HX型电力机车为例，来介绍电力机车的整体组成。HX型电力机车是由两节完全相同的4轴电力机车通过内部重联环节连接组成的8轴重载货运电力机车，每节车设有一个司机室，为一完整系统。机车采用交-直-交电传动主电

19、路形式，可靠性高，易于维护；车体采用中央梁承载方式，便于模块化生产；转向架采用低位牵引杆，基础制动采用轮盘制动，有效提高了机车的可靠性；采用CCBII空气制动系统，电制动采用再生制动，节能环保；机车具有重联控制功能，装有LOCOTROL远程重联控制系统，司机可以在一个司机室对两台重联机车进行控制。机车车体采用整体全钢焊接结构，包括：底架、左右侧墙、司机室、司机室隔墙、车体后端墙、车内焊接件、牵引缓冲装置及车体附属部件等。车体顶部装有4个可拆卸的顶盖。车体侧墙上部结构设有带过滤器的通风风道。机车采用四轴布置，轴式为。机车的布置如下：图3.1 HX型机车总体布置HX型机车由电气部分、机械部分和空气

20、管路系统三大部分组成一个有机整体，互相配合，又各自发挥独特作用，共同保证机车性能的发挥。电气部分主要功用是将来自接触网的高压电能转变为牵引机车所需要的能量，同时还实现机车控制，包括：受电弓、主变压器、牵引变流器、主变流器柜、牵引悬挂装置、辅助逆变器柜、低压柜、信号装置等。机械部分用来安设司机室和各种电气、机械设备，同时承载机车重量，产生并传递牵引力及制动力，实现机车在线路上的行驶，机械设备有：车体及转向架、压缩机、干燥柜、冷却塔、空调机组等。空气管路系统作用是产生压缩空气供机车的各种风动机械使用，并实现机车制动。3.2 噪声源识别技术3.2.1 噪声源识别的主要方法目前，用于噪声源识别的方法很

21、多，有主观评价法、近场测量法、逐级-分部开动法、分别运行法、选择隔声法、时域分析法、频域分析法、相干分析法、倒谱分析法、声强测试法、表面振动速度测量法及声全息等方法。（1）主观评价法人的听觉系统具有比最复杂的噪声测量系统更精细的区分不同声音的能力。经过长期实践锻炼的人，有可能主观判断声源的频率和位置。但主观评价法因为有主观因素，同样的声音，不同的人鉴别结果往往不一致。此外，主观评价法也无法对噪声做出定量的评价。（2）近场测量法在声源很近的地方测量，测得的主要是直达声，即最近声源辐射。若将传声器与声源表面保持相当近的恒定距离，沿表面移动测量声辐射区及其量值，就能判断主要声源的所在。近场测量法简单

22、易行，不要求高级仪器和技术，但它有很大的局限性，一是在混响严重的声场环境，使用此方法无意义；另一方面，无法避免临近表面的影响。（3）逐级-分部开动法在缺少分析仪器的情况下，为了识别机器的噪声源，常常在可能与允许的情况下，使机器处于运转状态，分别关掉或逐级脱开各传动部件或环节，并测量每一步骤得噪声，以识别这一部件或环节对噪声的贡献，从而找出机器的主要噪声源。（4）分别运行法分别运行法的含义是，在同一匀装工况下，拆去和装上某一零件，分别在同一观测点测得两种噪声值，然后按照能量相减得出此零件的噪声辐射值。这种方法简单易行，直观性强，不用采取先进的设备、技术。但由于机械零件间的互相联系与整合，某一部分

23、的拆除和停止工作都会影响到与之相联的其他部分，故测量误差较大。此外，该方法费工费时，具有一定的局限性。（5）选择隔声法利用分别运行法可以了解机器上若干零部件的噪声辐射情况，而要了解机器上声源辐射表面的情况，则可采用选择隔声法（又称为铅屏蔽法）。它是用铅板做成一个与机器各个部分表面先接近的罩子，罩内覆盖玻璃纤维等吸声材料，以减少罩内的混响。测试时，用该罩将机器覆盖严密，其隔声量至少要在10dB以上。然后，打开罩的某个窗口，使辐射表面的某部分暴露出来，并在暴露表面一定距离处测量声压，即可表征此处的辐射大小。若依次打开这些窗口，则可得到声源表面的辐射量值。选择隔声法的优点是，只要材料覆盖严密、隔声较

24、好，较能取得较高的精度。与分别运行法比起来，它不会产生由于某个部件停止运转而带来的影响。此方法的不足是，由于材料覆盖时不易密封好，可能会影响到测量的精度，特别是对于隔声困难的低频噪声，此方法效果较差。故此方法仅适用于对高频噪声源的辐射测量。此外，用该方法需要花费较多的时间，而且对测量的声学环境有一定要求，故测试成本较高。（6）时域分析法这是一种根据声源或声源各部分时间特性的差别来进行识别的方法。一般情况下，需进一步结合机械（声源）运转和振动周期的实测或计算来确定主要声源。（7）频域分析法该法包括从获得的噪声频谱中了解噪声所含有的噪声成分及其中对噪声贡献较大的主要频率成分，进一步结合振动测量或具

25、体机械的特征频率计算，从而识别出主要噪声源；通过对噪声功率的分析，同样可以了解到噪声的频率结构，特别是周期性的频率分量；通过相干分析，从相干函数的图形上，可以帮助我们判断各个声源在总噪声中的贡献大小。频域分析法是识别噪声源的基本方法之一，也是最重要的方法。频域分析的基本方法是对噪声幅值的频谱分析。对一个非周期的噪声信号，可视其周期为无限大，那么，这个噪声信号的频谱可以由傅立叶变换来计算： （3-1）式（3-1）中， （3-2） （3-3）arc tan （3-4）对噪声信号的幅值频谱密度中，就利用式（3-3）来得到它的幅值频谱。然后，根据频谱图就会了解到噪声所含有的频率成分及其中对噪声贡献较大

26、的主要频率成分。进一步结合振动测量或具体机械的某些特征频率的计算，就会识别出主要噪声源。（8）倒谱分析法倒频谱分析技术是近代信号学科领域的重要部分。由于它能分析复杂频谱的周期结构，并能分离和提取密集泛频信号的周期成分，所以受到各个学科的重视，当然在噪声识别中，这种技术也得到了应用。到频谱定义为： （3-5）式（3-5）中，为的功率倒频谱；表示傅立叶变换；表示为的功率谱。工程中，在分析整个频率范围内的信息时常在用幅值谱： （3-6）倒频谱函数中的自变量称为倒频率。当被测系统中有反射声波时，其噪声频谱呈多波峰状，用常规的频谱分析法很难提取信号源，而采用倒频谱分析技术可以从复杂的波形中分离并提取信号

27、源。（9）表面振动速度测量法表面振动速度测量法是通过测量声源做机械振动时表面的振动速度来识别声源，由于表面振动辐射的声功率在振动表面各点做同相位振动的情况下，与表面振动速度的均方值成正比，即： （3-7）式（3-7）中，为空气特性阻抗，S为振动表面面积，为质点法向振动速度的均方值。为振动表面的声辐射系数，为振动表面的辐射声功率。因此，从质点的振动速度即可得到振动表面的辐射声功率。为了对辐射表面采取有效的降噪措施，常需要了解辐射表面上各点辐射声能的情况，以便有针对性的采取措施。这时，可以将振动表面分割成若干小块，用加速度传感器测出各点的振动速度，然后绘制出等振速线图。这种等速图可以形象地表达出声

28、辐射表面各点辐射声能的情况以及最强的辐射点。（10）近场声强测试法利用声强测量的特点，通过对机器各部件的声强测量而得到各部件的辐射声功率，然后比较其大小，识别出主要噪声源。这种方法非常适用于本底噪声很大的现场。（11）声全息法声全息技术利用了声音的强度信息和相位信息，具备一些其它噪声识别技术不具备的特点。它抗干扰性强，能够在较大的背景噪声下准确地识别出主要噪声源，并且能够通过它获知噪声的频率特性。利用声全息技术还可以实现远距离的噪声识别定位，可以将测点布置在对噪声源影响最小的位置处进行测量。3.2.2 驾驶室噪声源识别方法的选择电力机车是一个非常复杂的系统，其中多种噪声源和各类噪声相互混杂，噪

29、声相干性较大，因此，采用传统简单的噪声识别技术操作困难且不易准确识别。这里介绍一种偏相干分析法，它可以将各噪声信号相干的部分去掉，形成条件谱，准确识别噪声源。偏相干分析法是将噪声源采集的声信号进行偏相干处理，根据偏相干函数来确定多个非独立声源的相互影响。对于多输入单输出的系统，偏相干分析可利用条件输入的方法，依次排除输入信号之间的相互影响，使系统变成一个不存在相关的条件输入系统，从而辨别各输入对的输出的影响。3.3 机车部分设备噪声源识别3.3.1 电气部分电力机车电气设备主要有受电弓、变流器、变压器及各类电机等。受电弓的作用是从接触网上获取电能，安装在机车顶部，由滑板、上框架、下臂杆、底架、

30、升弓弹簧、传动汽缸、支持绝缘子等组成。电力机车受电弓引起的噪声主要是由高速气流带来的非稳态空气动力性噪声和离线时的高频电磁噪声。HX型机车每台机车上有2台水冷牵引变流器和2台辅助变流器。牵引变流器控制电源与牵引电机之间的能量传输，1台牵引变流器包含3个四象限整流器和3个逆变器；2台辅助变流器为机车的辅助电路供电，一台辅助变流器根据变频变压的要求给牵引电机、冷却塔供电，另一台辅助变流器具有恒频，给所有三相辅机供电，如泵、空调、空压机等。变流器产生的噪声主要是较少的低频电磁噪声。HX型机车上的主变压器安装在机车车底转向架之间和两个风缸之间。变压器主要噪声有由变压器本体及其冷却系统产生的不规则的、间

31、歇的机械噪声和空气动力性噪声，还有由于交变磁场产生磁致伸缩引起的电磁噪声。变压器产生的低频噪声对人体有很大的危害，必须加以防治。电力机车上的电机在各部件中都起着至关重要的作用，电机噪声主要有三类：由电磁力作用在定、转子之间气隙中产生脉动力波引起的电磁噪声；由电机轴承和电刷振动及摩擦引起的机械噪声；由电机内冷却风扇产生的气动噪声。电机引起的噪声，空气动力性噪声最强，机械噪声次之，电磁噪声最小。3.3.2 机械部分电力机车上主要机械设备有转向架、风机、空压机、泵等转向架本身并不会产生噪声，而是由轮对和铁轨相互作用产生的轮轨噪声。风机噪声主要是由叶轮旋转和空气涡流引起的空气动力性噪声和一些机械噪声。

32、空压机噪声主要是由进气引起的气动噪声；由构件撞击、摩擦、振动引起的机械噪声；由驱动电机引起的电磁噪声。机车上的泵主要用于输送冷却液体，其产生噪声机理与风机类似，不再阐述。此外，用于机车制动的风缸在制动和缓解时会产生较强的空气动力性噪声，这种噪声是由偶极子源产生的球面波在风缸内发生涡流而出现的。3.3.3 司机室设备电力机车司机室内主要产生噪声的设备是空调和暖风机。空调噪声主要由该系统运行时自身振动引起的机械性噪声以及通风所产生的空气动力性噪声组成；暖风机系统噪声主要为风扇运转引起的空气动力性噪声。此外，机车车头的表面形状变化使空气产生湍流，引起的噪声对机车驾驶室影响较大。总之，机车正常运行时，

33、以中高频动力噪声和一些低频电磁辐射噪声为主。3.4 主要噪声机理分析3.4.1 风机空气动力性噪声HX型机车上风机主要有牵引风机、冷却用风机等。一般风机产生噪声的原因分述如下：（1）因叶片回转而产生噪声叶片旋转时会与空气产生摩擦，或发生冲击。叶片转速愈快，接解空气频率愈高，产生噪声愈尖锐。叶片宽度或厚度增加，此现象更明显。（2）因空气涡流产生噪声在风机运转期间，气流经叶片时产生紊流附面层及漩涡与漩涡的脱体，而引起叶片上压力脉动，产生涡流。涡流不但会降低风机的效率，而且会产生噪声，为缓解此现象，叶片安装角不宜过大，且叶面需平滑。（3）因乱流而产生噪声空气在流动时，若碰到尖锐的障碍物，极易发生乱流

34、，产生噪声，噪声频率较高，呈啸音状。（4）与风管外壳产生共振而引发噪声风管与风机的外壳内面接缝处若粗糙不平，极易发生撕裂声。而由于接连的管路会发生共振，会使噪声变大。3.4.2 电机电磁噪声HX型机车采用1TB2624-0TD02变频交流异步电机。电机中，主磁通大致沿径向进入定子与转子间的气隙，并产生径向力和脉动力波，引起电磁噪声。电磁噪声与电机气隙内的谐波磁场及由此产生的电磁力波幅值、电机频率和级数，以及定子本身的振动特性、声学特性有密切关系。降低电磁激振力、减小气隙内谐波磁场分量、削弱铁芯传递到机壳上的振动是防治电机电磁噪声的解决途径。3.4.3 变压器电磁噪声变压器的噪声来源于变压器本体

35、和冷却系统两个方面，变压器本体振动产生噪声的根源在于： （1）硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动。 （2）硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏磁而产生的电磁吸引力而引起的铁芯振动。 （3）当绕组中有负载电流通过时，负载电流产生的漏磁引起线圈、油箱壁的振动。 变压器噪声的另一个主要来源是冷却器。与变压器本体噪声的机理一样，冷却装置的噪声也是由于它们的振动而产生的，其振动的根源在于： （1）冷却风扇和油泵在运行时产生的振动。 （2）变压器本体的振动通过绝缘油、管接头及其装配零件传递给冷却装置，使冷却装置的振动加剧，噪声加大。另外，当铁芯加热以后，由于谐振频率和机械应力的变化，其噪声会随温度的升高而增大。4

36、 噪声测试及分析噪声测试是解决噪声问题的前提，它对如何实现噪声的有效控制起着至关重要的作用。噪声测试包括测量噪声大小、分析噪声产生机理和监测噪声变化。4.1 噪声测量常用仪器随着现代电子、计算机技术的飞速发展，噪声测量仪器发展也很快。目前，噪声测量仪器主要是以传声器为基础的测量仪器，有声级计、频谱分析仪、实时分析仪、磁带记录仪、声强计等。传声器是一种声电转换器，其基本功能是将声信号转换为相应的模拟电信号。传声器分实验用和测量用，前者用于校准，后者用于现场噪声测量。测量用传声器又有多种，如电容式、驻极体式、压电式、动圈式等。目前最常用的是电容式传声器，它的性能可以较好的满足声学测量要求，更接近于

37、理想传声器。下面对电容式传声器做一简要介绍。图4.1 电容式传声器结构简图1均压孔 2阻尼孔 3后极板4振 膜 5外壳 6绝缘体电容式测量传声器的结构简图见图4.1，振膜是一绷紧的金属膜片，其厚度在十几微米至几十微米之间。振膜与后极板组成一个极距变化型电容器，后极板上有若干个经过特殊设计的阻尼孔，振膜在声压作用下产生振动所造成的气流，将通过这些小孔产生阻尼效应，以抑制振膜的共振振幅，防止振膜因共振而损坏，在壳体上开有均压孔，用来平衡振膜两侧的静压力，以防止振膜的破裂，但均压孔对动态压力（声压）的变化不起作用，从而可以保证仅有振膜的外侧受到声压的作用。4.1.1 声级计 声级计是声学、噪声测量中

38、最基本和目前最常用的仪器，它是一种按照一定的频率计权和时间计权来测量声音的声压级和声级的测量仪器。（1）声级计的分类按照国际电工学会的标准，根据测量精度和稳定性，将声级计分为0、1、2、3等四种类型。其中，0型声级计用作标准声级计，1型声级计用作实验用精密声级计，2型声级计用作一般测量，3型声级计用作噪声监测用普及型声级计。按照声级计的性能及应用，通常又可分为以下几种：普通声级计 可用作工矿企业、城市交通和环境噪声等一般精度要求较低的声级测量，其对传声器要求不高，多为压电式、动圈式或驻极体式。精密声级计 除可完成普通声级计所能做的声学测量外，还可作要求严格、精度较高的声学测量，例如在消声室或混

39、响室内测量声源的声功率、指向特性，或研究机器噪声的辐射特性、评价产品噪声等。对机器噪声的测量与评价，一般均应使用精密声级计进行。脉冲（精密）声级计 属精密声级计，除具备一般精密声级计的功能外，还能对不连续的、持续时间较短的脉冲声或冲击声进行测量，所测得的脉冲声压级可以是有效值或峰值。对枪炮声、冲压机械的冲压声或锤击声等脉冲噪声的测量，一般均应使用脉冲声级计进行。积分（精密）声级计 属精密声级计，除具备一般精密声级计的功能外，还能测量在一定时间内的等效连续声级，时间间隔可以从几秒至二十几个小时内任意调节。特别适用于非稳态连续噪声等效连续声级的测量。频谱声级计 由声级计与实时分析仪结合而构成，它除

40、具有声级计的功能外，在噪声测量的同时，还可以获得噪声的频谱。（2）声级计的工作原理各种类型声级计的工作原理都是相同的，其差别往往是一些附加的特殊功能。声级计一般由传声器、放大器、衰减器、计权网络、检波器、指示器及电源等部分构成。图4.2为一般声级计的工作原理图。被测量的声信号由电容式传声器接收，并转换为相应图4.2 声级计工作原理框图的电信号进入前置放大器，经阻抗变换后由前置放大器获得低阻抗输出，微小的电信号被送到输入衰减器和输入放大器，衰减器对较强的输入信号加以衰减，而放大器则对较弱的输入信号加以放大，使在指示器上获得适当的指示，也使测量的量程扩大；计权网络对通过的信号进行频率滤波，使声级计

41、的整机频率响应符合国际电工学会规定的频率计权要求，以便能测量声级；信号再经输出衰减和输出放大器后被送到检波器进行检波，交流信号经检波后变为直流信号，并由表头以“dB”指示测量结果。dB表头的示值根据测量选择开关的档位不同而异。当测量开关在“线性”档时，示值为声压级；当测量开关分别置于“A”档、“B”档、“C”档和“D”档时，则表头示值相应为A声级、B声级、C声级和D声级；在实际使用过程中，可根据不同的目的和噪声特性合理选择档位进行噪声测量。一般工矿企业、车辆噪声选用A声级，脉冲噪声选用C声级，飞机等航空噪声选用D声级。（3）声级计的校准为保证噪声测量结果的准确性，必须对测量所用声级计的灵敏度进

42、行定期校准，校准声级计灵敏度的方法很多，有互易校准法、标准声源校准法、置换法等。4.1.2 频谱分析仪频谱分析仪是用来测量噪声频谱的仪器。它主要有两大部分组成，一部分是测量放大器，另一部分是滤波器。测量放大器的原理大致与声级计相同，不同的是测量放大器可以直接测量电压、峰值、平均值，有的放大器还可以直接测量正峰、负峰以及最高峰值的准确读数。一个滤波器只允许一定频率范围的波通过，超出该频率范围的上限或下限的信号将受到极大衰减。不同的滤波器与放大器配置，将构成不同的频谱分析仪，即频谱仪。频谱仪按其处理信号的方式和工作原理的不同，可分为模拟式和数字式两大类，两者主要区别在滤波器上。随着电子科技的发展，

43、数字式频谱仪应用范围将逐渐变广。（1）恒定带宽频谱分析仪属模拟式频谱分析仪，由放大器与恒定带宽滤波器配置构成。其中心频率连续可调，但分析带宽恒定不变，带宽常用5Hz、20 Hz、50 Hz和200 Hz。该分析仪具有频率选择性强的优点，尤其在高频段更为突出。因此，恒定带宽频谱分析仪适用于检验产品噪声等精确分析，但它要求所分析的噪声频率必须十分稳定，否则会造成较大的误差。（2）恒定百分比带宽频谱分析仪属模拟式频谱分析仪，由放大器与一系列恒定百分比带宽滤波器配置构成。其频带宽是随着频率的增加而增宽的，通频带宽始终等于中心频率的某一百分数，如百分数为10，中心频率为100Hz，其带宽为10Hz；若中

44、心频率为1000Hz，其带宽为100Hz。恒定百分比带宽频谱分析仪适用于测量不太稳定的噪声，并且分析时间段，能测出各谐波成分的相对大小，所测得的频率虽没有恒定带宽频谱分析仪精准，但可以满足工程上的实际需要。（3）等对数频带式频谱分析仪32在实际工程应用中，有时不需要了解噪声的详细结构，只要知道噪声在各个频带内的声压级就够了，这时可以采用等对数频带式频谱分析仪。输入4.1.3 实时分析仪41上面的各类频谱仪是对噪声信号在一定的频率范围内进行频谱分析，需要花费较长的时间，图4.3 模拟式实时分析仪原理框图1放大器 2滤波器组 3建波放大器组 4显示器这些频谱仪只能分析稳态噪声信号，而不能分析瞬态噪

45、声信号，如行驶中的汽车、机车，飞行中的飞机等。因此，需要一种能对瞬态噪声进行实时分析的仪器。实时分析仪可以对测量的信号进行实时分析，且操作方便，测量时间短，效率高。实时分析仪可采用模拟技术，也可采用数字技术，或两者结合。（1）模拟式实时分析仪模拟式实时分析仪通常采用由多个滤波器并联组成的分析器为中心的并行滤波方案，其原理框图如图4.3所示。声信号经放大器放大后，同时送入一组中心频率按一定要求排列的滤波器，每一个滤波器后都接有一套检波器，各滤波器的输出经检波后，同时接到显示器。（2）数字式实时分析仪自1995年FFT（快速傅立叶变换）算法提出以来，随着大规模集成电路的采用， 计算机技术有了飞速的

46、发展，信号的实时分析仪相继问世。输入65141321信号数字式实时分析仪的基本原理是把信7号从时域变换到频域进行分析，而信号的频域分析实际上就是用模拟或数字技术实现信号从图4.4 FFT分析仪原理框图1低通滤波器 2采样电路 3A/D转换器 4存储器 5FFT计算器 6显示器 7控制器时域到频域的傅立叶变换，应用FFT算法，则大大减少了进行傅里叶变换所需要的运算次数。FFT算法可以在电子通用计算机上运用相应软件来实现，也可在专用计算机FFT分析仪上来实现，图4.4为FFT分析仪原理框图，其中，低通滤波器完成在信号采样前的抗频混滤波；采样电路将信号进行离散采样，是原来连续的信号离散化；A/D转换

47、器则对采样信号进行幅值量化和数字化；存储器完成采样数据的存储；FFT计算器一般可完成正、负傅里叶变换、自相关、自功率谱、互相关、传递函数、卷积、平均等运算；显示器则可显示FFT计算器的相关结果。无论何种数字式实时分析仪都是以FFT分析为核心儿组成的，实时分析仪特别适合测量复杂的信号，可以分析常规方法不易分辨、间距很近的共振尖峰信号。4.1.4 磁带记录仪在现场噪声测量中，如果没有频谱仪，可以用磁带记录仪。磁带记录仪是噪声测量中常用的设备，通过对噪声信号的记录，特别是复杂的或瞬间发生的冲击噪声或间歇噪声，以便在实验室用适当仪器进行频率分析和处理；对一些有价值的信号，还可以长期保存下来。记录所用的

48、磁带记录仪必须是在需要的频率范围内，具有较好的频率响应，较宽的动态范围和较大的信噪比。频带范围与使用的磁带有关，磁带速度越小，高频上限越低，频带范围越窄。反之，磁带速度越大，高频上限越高，频带范围越宽。频率响应越好，信噪比越大越好。常用的磁带记录仪有模拟式和数字式两类。（1）模拟式磁带记录仪按记录工作原理，常用的有直接记录式和调频记录式。直接记录式 输入信号经记录放大后，不做波形变换而原样记录在磁带上，直接记录式的优点是仪器简单、信息容量大、工作频带宽（50Hz1MHz）；其缺点是不易记录52Hz以下的低频信号，因为重放磁头的感应电动势具有微分作用，而具有积分特性的电路对低频噪声特别敏感，从而

49、导致仪器工作的幅频特性增大，信噪比降低；记录速度和磁头的工作间隙则限制了记录的高频上限；此外，由于磁带上磁层的不均匀、尘埃、损伤等，造成“信号跌落”而引起记录误差。故直接记录式磁带记录仪一般用于要求不高的场合。调频记录式 输入信号经调频器后，变为调频波再进行记录，调频波是幅值恒定的，但其频率偏移正比于信号幅值的波；重放输出后，调频波经检频器解调后，再经低通滤波而获得原记录信号。调频记录式磁带记录仪具有记录精度高、对“信号跌落”不敏感、抗干扰性强等优点，因此在测试信号的记录中得到了广泛的应用，但其工作频带的上限受截波频率的限制，一般工作频带为0100kHz，但对声源而言已经足够了。（2）数字式磁

50、带记录仪数字式磁带记录仪可以做数据采集，也可做计算机的外存储器使用。当用于数据采集记录时，需加A/D转换器，以便将模拟信号转化为数字信号进行记录；当回放时，常加D/A转换器，以便将数字信号转化为模拟信号进行波形显示。数字式磁带记录仪的优点是准确可靠，记录精度基本不受带速的影响，记录、重放电子线路简单，记录的信息可直接送入电子计算机进行处理。4.1.5 声强计长期以来，对噪声的测量都是测量噪声的声压级或声级，或通过声压级测量间接地得到声功率级这种测量的最大缺点是测量本身及测量结果受测量环境的影响和限制。声强计应用相应的声强探头和配套仪器设备，解决了这些问题，是噪声测量分析另辟蹊径。声强计由两只传

51、声器获取声信号，声信号经前置放大、A/D转换及滤波器滤波后，相加得到平均声压，相减并积分得到媒质质点速度，再将两者相乘并对时间求平均即得到声强，即： （4-1）式中，、A、B两点处的瞬时声压； 测量方向上A、B两点间的距离；媒质密度。前置放大器滤波器A/D +声强探头 + 平均电路A/D前置放大器滤波器 - +a+滤波器声强探头+前置放大器A/D+滤波器- 前置放大器 A/D 平均电路b图4.5 声强计工作原理框图a模拟式声强计 b数字式声强计图4.5为声强计工作原理框图。将声强计和一套数据处理系统组合成声强测量系统来测量声强，可以求得声源的声压级、声功率计，并能较容易地定位噪声源。4.1.6

52、 数据自动采集和信号分析系统随着计算机技术的发展，数据自动采集和信号分析系统应运而生，实现了数据自动采集、记录、处理、显示、分析、拷贝等动静态测试过程的一体化处理，能够完成振动、噪声、应力、应变、温度、压力等物理量的测试分析，实现磁带记录、示波显示、波形和频谱分析、瞬态记录分析、信号处理、模态分析、故障诊断、噪声分析、数字滤波等多种仪器功能，而且速度快、效率高、精确度好。4.2 电力机车司机室噪声测试分析4.2.1 隔声量测试分析先对机车进行静态测试，首先是对HX型机车的入口门、走廊门、侧窗、前窗的隔声量测试，表4.1所示为静态测试实验中各测点的平均隔声量。表4.1 静态试验时各测点的平均隔声

53、量测点位置测点距司机室地板上表面的高度分析说明0.3150.51入口门404650隔声量在敏感频率段较低，由于内面板穿孔致，改为无孔板可以大大降低此部分隔声量。走廊门3940-4338800Hz对应36dB，波动剧烈，说明该处的密封差，隔声不好，需提高隔声量。侧窗384248800Hz对应44dB，波动剧烈，说明该处隔声量差，密封部分和下不开口处有漏声，需加强该部分设计。前窗424145250Hz对应37dB，800Hz对应38dB，波动剧烈，该处窗有共振现象，须设法避免此现象发生。4.2.2 噪声源测试分析（1）测点布置一般现场测量，声源多，空间大小有一定限度，为了减小其它声源声辐射的影响，

54、应将传声器尽量靠近地放置在被测噪声源的噪声辐射面上，以使测出的噪声中被测噪声源的直达声占主要部分，而让其它噪声源及反射声的影响最小，即采用近场测量法。总之，由于现场条件比较复杂，当反射声和本底噪声较强时，测点需离被测声源近一些；当环境条件允许时，可离得远一些。现场测量时，测点的选择可按以下原则为进行：对外形尺寸小于0.3m的机器，测点距其外表面轮廓0.3m；对外形尺寸介于0.31m的中型机器，测点距其外表面轮廓0.5m；对外形轮廓大于1m的大型机器，测点距其外轮廓1m；对特大型或有危险的设备，可根据具体情况，把测点选择在较远位置。测点的数目，指向性声源，可选取一个测点；但一般情况下，机器辐射噪

55、声均有指向特性，因此，应在机器周围均匀的选取多个测点，一般不应少于4个。测点的高度，应以机器的一半高度为准，或选择在机器水平轴的高度，但距地面不得低于0.5m；测点应远离其它设备或墙体等反射表面，距离一般不小于2m，测量时，传声器应正对机器外表面，使声波对传声器正向入射。如上所述，由于机械设备及声场环境的影响，布置测点时应综合考虑。 对于电力机车驾驶室，由于它属于三维封闭空间声场，其中直达声与各种反射声形成的混响声混杂一起，测点布置一般较为麻烦，根据表4.1所示，可将HX型电力机车驾驶室噪声测量测点布置如下：在机车底架靠变压器梁的轮轨处布置两个测点，用于测试轮轨噪声；机械间布置一个测点，用于测试机