KTX​高速​列車​の​ノイズ​源​を​LabVIEW​で​視覚化

Youngkey K.Kim, SM Instruments Co. Ltd.

「騒音​の​少ない​列車​を​開発​する​ため​に​は、​ノイズ​源​に関する​深い​理解​が​必要​です。​LabVIEW​を​利用​すると​ノイズ​源​の​振幅​を​視覚​化​できる​ため、​騒音​抑制​対策​の​ため​の​ツール​として​利用​でき​ます。」

- Youngkey K.Kim, SM Instruments Co. Ltd.

課題:

環境​騒音​を​軽減​する​ため、​韓国​鉄道​技術​研究院​とともに、​KTX-​山川​高速​列車​の​ノイズ​源​を​視覚​化​する​システム​を​開発​する。

ソリューション:

NI LabVIEW​ソフトウェア​と​144​チャンネル​の​マイクロホン​フェーズ​ドア​レイ​を​使用​し​て、​移動​音源​ビーム​フォーミン​グ​アプリケーション​を​開発​した。

作成​者:

Youngkey K.Kim - SM Instruments Co. Ltd.
​Sunghoon Choi - 韓国​鉄道​技術​研究院

 

韓国​の​技術​を​使​って​2010​年​に​運用​を​開始​した​KTX-​山川​は、​韓国​鉄道​公社 (KORAIL) が​運行​する​高速​列車​です。​最高​時速​300 km (186 mph) で​走行​する​列車​の​運用​は、​推進​音​や​機械​音​など​の​回転​騒音、​車輪​と​レール​の​接触​による​機械​騒音、​列車​周囲​の​気流​による​空力​騒音​など​の​環境​騒音​に​敏感​です。​騒音​全般​を​低減​する​ため、​すべて​の​顕著​な​ノイズ​源​を​特定​しよう​と、​いくつか​の​是正​処置​が​施​さ​れ​て​き​ま​した。 

 

 

韓国​鉄道​技術​研究院​と、​NI​の​ゴール​ドア​ライアン​ス​パートナー​で​音響/​振動​の​測定​を​専門​と​するSM Instruments社は、​通常​運転​中​の​実物​大​列車​の​ノイズ​源​を​視覚​化​する​ため、LabVIEWと​フェーズ​ド​マイクロホン​アレイ​を​使​って​移動​音源​ビーム​フォーミン​グ​アプリケーション​を​開発​しま​した。​テスト​の​主​な​目的​は、​2​種類​の​列車​から​の​騒音​を​比較​する​こと​で​した。​2004​年に運用が開始された​TGV Réseau (レゾ) から​派生​した​KTX-1​が​ひとつ​で、​もう​ひとつ​は​韓国​内​で​初めて​開発​さ​れ​た​商用​高速​列車​の​新型​KTX-​山川 (KTX-​II) です。

 

 

ビーム​フォーミン​グ​と​は、​音響​アレイ​を​使用​し​て​ノイズ​源​を​マッピング​する​方法​です。​音​が​マイクロホン​アレイ​を​通過​する​際​に​発生​する​遅延​時間​から、​音​が​発生​し​て​いる​方向​を​識別​し​ます。​ただ、​移動​する​音源​では​複雑​性​が​増し​ます。​通過​テスト​の​よう​に​物体​が​アレイ​を​通過​する​際、​ドップラー​効果​によって​周波数​成分​が​歪む​から​です。​これ​は、​従来​の​リアルタイム​ビーム​フォーミン​グ​にとって​重大​な​問題​です。​これ​を​補正​する​ため、​私​達​は​ソフトウェア​で​遅延​時間​を​継続​的​に​調節​し、​移動​音源​を​追跡​する​ことに​しま​した。​この​方法​に​従​え​ば、​ドップラー​効果​を​自動的​に​除去​でき​ます。​処理​時間​は​長​く​なり​ます​が、​移動​中​の​ビーム​出力​を​平均​化​でき​た​の​です。​各​時間​ステップ​における​移動​音源​の​位置​情報​は、​トリガセンサ​を​使用​し​て​獲得​しま​した。​当社​の​ソフトウェア​では、​速度​は​一定​で​ある​と​想定​し​てい​ます。 

 

ハードウェア​構成​は、​標準​の​ビーム​フォーミン​グ​の​場合​と​ほぼ​同じ​です。​ただし、​移動​音源​の​ビームフォーマ​に​は​トリガセンサ​が​必要​です。​当社​では​2​つ​の​光電​センサ​を​使用​し​て、​位置​の​トリガ​と​列車​速度​の​計算​を​行​いま​した。

 

また、​高速​列車​の​テスト​用​に​144​チャンネル​の​マイクロホン​アレイ​を​設計​し、​画像​分解能​を​高め​ま​した。​NI PXI-4496​ダイナミック​信号​収集​モジュール​を​使用​し​て​測定​データ​を​収集​した​ほか、​特殊​な​タイプ​の​光​センサ​を​搭載​した​ICP/​IEPE​マイクロホン​によって​列車​の​位置​を​トリガ​しま​した。​前回​KTX​に対し​テスト​が​行​われ​た​の​は​2006​年、​Korail​が​高速​鉄道​の​運行​を​開始​した​直後​で​した。​この​とき、​48​チャンネル​の​アレイ​で​時速​297 km​の​KTX​から​移動​音源​を​捉える​ことに​成功​しま​した。  

 

 

マイクロホン​アレイ​の​パフォーマンス​を​左右​する​2​つ​の​パラメータ​が​あり​ます。​(1) 画像​の​分解能​を​決定​する​ビーム​フォーミン​グ​パワー​の​メイン​ローブ​幅​と、​(2) ゴースト​像​の​レベル​を​特定​する​サイド​ローブ​の​最大​レベル​の​2​つ​です。​アレイ​パターン​の​違い​によって、​パフォーマンス​の​指標​も​異​な​って​き​ます。​4​つ​の​パターン​を​比較​した​ところ、​当社​の​スパイラル​パターン​が​非常​に​バランス​の​よい​結果​を​示し​ま​した。

 

144​チャンネル​アレイ​に​は、​3​つ​の​異なる​パターン​を​組み合わせ​て​パフォーマンス​を​高め​ま​した。​どの​タイプ​の​パターン​も​形状​は​同じ​ですが、​直径​が​異​なり​ます。​小径​の​もの​は​高​周波数​で​最大​サイド​ローブ​レベル​が​低い​場合​に​適​し​て​おり、​大​径​の​もの​は​低​周波数​で​高​分解能​に​適​し​てい​ます。​風​によって​起こる​騒音​へ​の​対策​として、​マイクロホン​に​ウィンド​スクリーン​を​装着​しま​した。

 

データ​を​収集​し、​後処理​を​実施​し​ます。​次に、​右​方向​に​移動​する​列車​の​最後​尾​車両​の​画像​を​精査​し、​位置​の​精度​を​確認​し​ます。​トリガ​に​は​光​センサ​を​使用​した​ため、​位置​の​シフト​も​考慮​しま​した。​列車​に​は​多く​の​車両​が​連結​さ​れ​てい​ます​が、​最後​尾​車両​に​のみ​屋根​に​パンタグラフ (架線​から​の​集​電​装置) が​あり​ます。​最初​の​画像​は、​渦​の​離脱​により​適切​な​位置​で​500 Hz​の​騒音​を​発生​し​て​いる​パンタグラフ​を​示し​てい​ます。​2,000 Hz​の​一番​下​の​画像​では​車輪​の​位置​も​確認​しま​した。

 

より​高い​周波数​では、​車輪​から​の​ノイズ​源​が​さらに​明確​に​なり​ます。​それ​により、​各​車輪​の​振幅​は​異なる​こと​が​わか​り​ます。​この​テクニック​は、​保守​の​目的​で​運転​中​の​車輪​の​状態​を​監視​する​ことに​も​利用​可能​です。

 

今後​の​計画​では​列車​速度​の​さらなる​向上​が​求め​られる​ため、​特に​空力​騒音​によって​騒音​レベル​が​増加​する​可能性​が​あり​ます。​騒音​の​少ない​列車​を​開発​する​ため​に​は、​ノイズ​源​に関する​深い​理解​が​必要​です。​LabVIEW​を​利用​すると​ノイズ​源​の​振幅​を​視覚​化​できる​ため、​騒音​抑制​対策​の​ため​の​ツール​として​利用​でき​ます。

 

作成​者​情報:

Youngkey K.Kim
SM Instruments Co. Ltd.
​DIREC 302, Taplipdong 697, Yusunggu, Daejeon 305-701
​大田​(テジョン)
​韓国
youngkey@smins.co.kr

図​1. ​ ​韓国​高速​列車 ​
図​2. ​ ​LabVIEW​を​利用​した​SeeSV230​サウンド​カメラ​の​プログラム​フロー ​
図​4. ​ ​スパイラル​型​マイクロホン​アレイ​の​デザイン ​
図​5. ​ ​異なる​周波数​で​の​ノイズ​源​の​検証 ​
図​6. ​ ​車輪​の​ノイズ​源​を​視覚​化 ​