使用LabVIEW实现KTX高速列车噪声源可视化

作者：

Youngkey K..Kim (SM Instruments Co. Ltd.)
Sunghoon Choi（韩国铁道科学研究院）

KTX-Sancheon是由Korail运营的高速列车，采用韩国技术制造，于2010年投入使用。这种高速列车的最高时速达300公里（186英里），对环境噪声非常敏感，包括推进器或机械部件等的滚动噪声、车轮和轨道接触产生的机械噪声，以及列车周围气流产生的气动噪声。为了降低总体噪声，相关方采取了一系列校正措施来识别所有主要的噪声源。 

韩国铁道科学研究院(Korea Railroad Research Institute)与专门从事声音和振动测量的NI合作伙伴SM Instruments Co. Ltd.使用LabVIEW和相控麦克风阵列开发了一款移动声源波束成形应用程序，以期对常规运营中列车整车的噪声源实现可视化处理。 测试的主要目的是对两类列车的噪声进行对比：一是KTX-1，它于2004年投入使用，由TGV Réseau列车演变而来，二是全新KTX-Sancheon (KTX-II)列车，是韩国自主研发的第一款商用高速列车。

波束成形是一种使用声学阵列映射噪声源的方法，​通过​检测​声音传过​麦克​风​阵​列​时产生​的​时间​延迟​来​辨别​声音产生的方向。移动声源更加复杂，因为对象移动经过阵列时，如在“通过”(Pass-by)测试中，多普勒效应会使频率分量失真。这会对传统实时波束成形造成重大影响。为了补偿失真，我们在软件中不断调整时间延迟，使之与移动声源同步。这种方法可自动消除多普勒效应，需要更长的处理时间，但我们​将​移动​波束​的​功率​取​平均，使用触发传感器确定移动声源在每个时间步的位置。在软件中，我们假设速度恒定。 

硬件配置几乎与标准波束成形中的一样，增加的一点是移动声源波束成形器需要触发传感器。我们使用两个光电传感器来触发位置，计算列车的速度。

对于高速列车测试，我们设计了一个144通道麦克风阵列，以提高图像的分辨率。同时采用NI PXI-4496动态信号采集模块来采集测量值，并为ICP/IEPE麦克风配备了特殊类型的光传感器来触发列车的位置。2006年，Korail开始提供高速列车服务后不久，我们对KTX进行了早期测试，使用一个48通道阵列成功捕获了时速297公里的KTX列车噪声源。  

麦克风阵列的性能由两个参数决定：(1)波束成形功率的主瓣宽度，决定图像的分辨率，以及(2)最大旁瓣电平，决定重影图像的清晰度。不同的阵列模式有不同的性能指标。当对四种模式进行比较之后，螺线模式的结果非常均衡。

对于144通道阵列，我们结合了三种不同的模式以提高性能。每种类型的模式都形状相同，但直径不同。直径较小的用于测量高频分量的低最大旁瓣电平，直径较大的用于测量低频分量的高分辨率。为了降低风致噪声，我们为麦克风安装了挡风玻璃。

采集数据并执行后处理之后，我们对右行列车最后一节车厢的图像进行检查，验证位置的精度。因为我们使用光传感器触发，所以需要考虑一定的位置偏移。列车有很多节车厢，只有最后一节车厢的顶部才有受电弓（从上方线路受电的设备）。第一幅图显示，由于涡旋脱落，受电弓在相应的位置产生500 Hz噪声。在最后一幅图中，我们还验证了2,000 Hz噪声时车轮的位置。

在频率越高，车轮产生的噪声源就越清晰。这表明，每个车轮都有不同的幅值。这种方法有可能被用来监测运行中的车轮状况，以便进行维护。

未来，列车时速可能会进一步提高，导致噪声级尤其是气动噪声级也随之提高。要设计出更安静的列车，需要深入了解噪声源。LabVIEW有助于实现噪声源幅值的可视化，具备这种功能的工具对实现降噪措施来说必不可少。

作者信息：

Youngkey K..Kim
SM Instruments Co. Ltd.
DIREC 302, Taplipdong 697, Yusunggu, Daejeon 305-701
Daejeon
South Korea
youngkey@smins.co.kr

^{NI合作伙伴是独立于NI的商业实体，与NI之间不存在代理或合资关系，亦不属于NI相关业务的一部分。}