使用​LabVIEW​实现​KTX​高速​列车​噪声​源​可​视化

Youngkey K..Kim (SM Instruments Co. Ltd.)

“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。”

- Youngkey K..Kim (SM Instruments Co. Ltd.)

挑战:

与​韩国​铁道​科学​研究院​合作​开发​KTX-​Sancheon​高速​列车​开发​噪声​源​可​视​化​系统,​以期​降低​环境​噪声。

解决​方案:

使用​NI LabVIEW​软件​和​144​通道​麦克​风​相​控​阵​列​开发​移动​声​源​波束​成形​应用​程序。

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)​和​专门​从事​声音​和​振动​测量​的​NI​金牌​联盟​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

图​1. ​ ​韩国​高速​列车 ​
图​2. ​ ​基于​LabVIEW​的​SeeSV230​声学​相机​程序​流 ​
图​4. ​ ​螺线​麦克​风​阵​列​的​设计 ​
图​5. ​ ​不同​频率​的​噪声​源​验证 ​
图​6. ​ ​车轮​的​噪声​源​可​视​化 ​