轨道交通车辆NVH测试中的轮轨噪声测试技术

轮轨噪声是轨道交通车辆NVH（噪声、振动与声振粗糙度）性能的核心关注点之一，直接影响乘客舒适度与沿线环境友好性。轮轨噪声测试技术作为NVH评估的关键环节，通过量化轮轨接触界面的振动与声辐射特性，为车辆设计优化、轨道维护及噪声控制提供数据支撑。本文聚焦轮轨噪声测试的技术路径、设备应用及场景适配，拆解其在工程中的落地逻辑。

轮轨噪声的产生机制与测试靶点

轮轨噪声源于轮轨接触的动态激励：一是轮轨表面粗糙度的相互作用（高频粗糙度引发弹性振动）；二是轮轨接触的局部变形（如轮缘摩擦导致的滑动振动）；三是轨道不连续结构的冲击（如焊缝、道岔的台阶接触）。这些激励通过轮对与钢轨的振动，最终辐射为空气声。

测试需瞄准“激励-振动-辐射”链条的关键靶点：首先是轮轨接触区的动态接触力（噪声的根源）；其次是轮对与钢轨的振动响应（轮辋径向加速度、钢轨垂向/横向加速度）；最后是辐射噪声的空间分布（车辆周边及轨道沿线的声压级）。

例如，针对高频粗糙度噪声（1000-5000Hz），测试需重点捕捉轮辋的高频率振动；针对道岔冲击噪声（50-500Hz），则需关注钢轨的低频振动峰值，靶点的选择直接决定数据的针对性。

测试系统的核心组成与设备选型

轮轨噪声测试系统由前端感知、数据采集、分析软件三部分构成。前端传感器需匹配测量对象：轮对振动用压电式加速度传感器（量程±500g，频率响应0.5-20kHz），安装于轮辋内侧或轴箱，需耐高温（制动热可达150℃）；钢轨振动用磁座式加速度传感器，吸附于钢轨腰部，不影响轮轨接触；声压测量用Class 1级声级计，采样率≥48kHz，满足宽频噪声捕捉需求。

数据采集仪需具备多通道同步采集能力（至少8通道），采样频率需覆盖最高分析频率的2倍以上——若分析到5kHz，采样率需≥10kHz，工程中常选25.6kHz以预留余量。例如，采集轮对加速度（2通道）、钢轨加速度（2通道）、声压（4通道），需8通道采集仪同步触发。

分析软件需支持实时频谱分析（FFT）、阶次分析及时间-频率联合分析（如短时傅里叶变换）。常用的LMS Test.Lab软件内置“轮轨噪声模块”，可自动提取粗糙度激励的特征频率（如轮径×转速×粗糙度波长的倒数），简化数据分析流程。

静态台架与动态线路测试的场景适配

静态测试基于滚动台架开展，模拟轮对在钢轨滚筒上的滚动状态，控制荷载、转速及钢轨粗糙度。台架的优势是变量可控、重复性强，适合验证设计参数的影响——例如，对比标准踏面与减噪踏面的轮辋振动差异，快速定位减噪效果。

动态线路测试在实际运营线或试验线进行，需覆盖不同轨道类型（碎石道床、整体道床）、线路条件（直线、曲线、道岔）及工况（加速、匀速、制动）。线路测试的挑战是干扰多：侧风会影响声压指向性，轨道旁建筑会反射噪声，需通过设置防风罩、选择开阔路段降低干扰。

工程中通常“台架筛选+线路验证”组合：台架快速定位优化方向（如车轮阻尼环的效果），线路测试验证实际运营噪声是否符合标准（如地铁车外噪声≤70dB(A)）。例如，某地铁车辆台架测试显示阻尼环降噪3dB(A)，线路测试验证其在80km/h匀速段的车外噪声从72dB(A)降至69dB(A)，满足要求。

线路实测的关键变量控制

速度是线路测试的核心变量——轮轨噪声随速度6次方增长（Lp ∝ 60logV），需严格控制速度稳定性，偏差≤±2km/h。例如，测试80km/h匀速段噪声，需通过车辆牵引系统闭环控制保持速度恒定。

轴重影响显著，重载铁路（25t轴重）比客运专线（16t轴重）噪声高5-8dB(A)。测试前需用称重仪测量实际轴重，并标注在数据中，避免不同轴重的数据混淆。

轨道状态需提前排查：用粗糙度仪测量钢轨Ra值，用轨面检测仪检查焊缝台阶高度（≤0.3mm为合格）。若测试路段有0.5mm焊缝台阶，需在测点布置时覆盖焊缝前后5m区域，捕捉冲击噪声峰值。

轮轨接触力的间接测量方法

轮轨接触力是噪声的根源，但直接测量（如埋入式传感器）会破坏接触界面，工程中用间接方法：一是轮对振动反演，基于轮对的弹性梁模型，将轮辋加速度输入模型，计算接触力时域波形；二是钢轨应变测量，在钢轨腰部粘贴应变片，通过弯曲应变转换为接触力。

钢轨应变测量需对称粘贴应变片（中性轴两侧），消除温度应变影响。测试前用已知荷载（如10t砝码）校准，建立应变与接触力的线性关系，确保反演精度≥90%。例如，某钢轨应变值100με对应接触力50kN，校准后误差≤5kN。

这种方法的优势是不影响运营，适合线路长期监测——某高铁线路通过钢轨应变片监测接触力，当峰值超过设计值120%时，触发轨道打磨预警，预防轮轨过度磨损。

噪声源识别的常用算法应用

噪声源识别需区分轮轨噪声与其他噪声（如电机、空调）。波束形成算法是空间定位的常用方法：布置8-16个麦克风的线性阵列，通过声压相位差计算噪声源位置，分辨率可达0.5m（针对1kHz噪声）。例如，在车辆侧面布置阵列，可定位轮轨噪声的主要辐射区域（车轮踏面或钢轨顶面）。

传递路径分析（TPA）用于量化各路径对车内噪声的贡献——轮轨噪声通过轮对→转向架→车体传递，测试时需测量各路径的传递函数（如转向架与车体连接点的频响函数），结合振动加速度计算贡献量。例如，某地铁车内噪声中，轮轨路径贡献65%，电机路径贡献25%，据此优先优化轮轨减噪。

阶次分析用于识别轮轨滚动相关的噪声：轮对滚动频率f=V/(πD)（V为速度，D为车轮直径），其谐波频率（2f、3f）对应粗糙度激励的噪声。通过阶次跟踪，可从复杂频谱中提取轮轨成分，排除电机的50Hz谐波干扰。

测试数据的有效性验证策略

数据有效性需通过三项验证：一是重复性验证，同一条件下重复测试3次，变异系数（CV）≤3%——例如，3次声压级为78、79、78.5dB(A)，CV=0.8%，符合要求。

二是传感器校准验证，测试前用标准校准源（如B&K 4231声校准器，输出94dB(A)@1kHz）校准声级计，误差≤±0.5dB；加速度传感器用振动校准台校准，灵敏度误差≤±1%。

三是对比验证，将数据与已有数据库或标准曲线对比——某车轮轮辋加速度10m/s²（1000Hz），与同类型车轮的台架数据（9.5-10.5m/s²）一致，说明数据可信。

此外，需剔除异常数据：若某测点声压突然升高20dB(A)，需检查是否有外界干扰（如工程车经过），确保数据真实反映轮轨噪声特性。