专利名称：铁路客车车内噪声激励载荷的获取方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铁路车辆的噪声控制方法和装置，特别涉及一种铁路客车车内 噪声激励载荷的获取方法以及所采用的装置，属铁路车辆的噪声控制领域。
背景技术：
为保障铁路客车乘坐的舒适性，目前对铁路客车车内噪声提出了严格的控制指 标，但铁路客车设计过程中缺乏有效的噪声信息反馈，使铁路客车的噪声控制带有 很大的盲目性，采取的噪声控制方案只是凭经验进行，缺乏科学依据。为使铁路客 车噪声不超标，铁路客车生产企业往往采取各种保守、被动的措施，来降低噪声， 这势必提高铁路客车噪声控制成本，影响铁路客车生产进程。因此，对铁路客车车 内噪声进行预测，为铁路客车降噪提供理论依据，就很有必要。
车厢壁板的振动是计算铁路客车车内噪声的前提，也是对车内噪声进行贡献度 分析，采取有效降噪策略的依据。对组成车厢壁板的每一个单元进行振动测试，是 获取车厢壁板振动状况的最直接手段。但采用这种方法需布置大量传感器，操作起 来非常困难。因此，在车厢的振动激励源位置施加激励载荷，对车厢进行谐振分析， 以间接获取车厢壁板各单元的振动情况，则成了理想的途径。
车厢与转向架通过二系悬挂相连，因此，车厢与二系悬挂的接触点是动力传递 点，也是车厢振动的激振源，准确获取该接触点在横向、垂向、纵向在各频段上的 激励载荷，是对车厢进行谐振分析的基础。建立车体、转向架、轮轨、轨枕、道床 的多体动力学模型，应用多体动力学软件进行仿真，可计算出接触点的振动，但在 进行多体动力学仿真时必须以轨道粗糙度谱作为激励条件，而目前国内还没有轨道 粗糙度谱，因此，通过振动测试获取接触点的横向、垂向、纵向的振动，就势在必 行。
二系悬挂的上部与车厢相连，车厢是一个柔性体，接触点附近的振动与接触点 处有较大差别，因此，不宜将传感器安装在车厢的接触点附近。
发明内容
本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种简单精确，易于操作，并
可大大降低设计成本的铁路客车车内噪声激励载荷的获取方法，并为精确计算车内 噪声提供初始数据，同时为采取有效降噪措施提供依据。
本发明的另一个主要目的在于提供一种使用上述铁路客车车内噪声激励载荷的 获取方法所需采用的装置，确保客车在高速运行的情况下依然可以准确地测量振动 信号，操作方便，易于调整，同时也降低设计成本。
为实现上述目的，所述的铁路客车车内噪声激励载荷的获取方法，包括以下步
骤，
步骤l、利用信号检测装置采集铁路客车的转向架构架与二系悬挂的接触点处在 横向、垂向、纵向的振动加速度信号，并将其转换成电压信号；
步骤2、将上述获取的电压信号通过ISA总线及信号转换预处理装置实现同时刻信 号保持、分路A/D数字化和数据存贮；
步骤3、利用计算机装置将上述采集到的振动信号进行处理和计算，推算出客车 车厢与二系悬挂接触点处的振动载荷，从而获得铁路客车车内噪声激励载荷。
所述步骤l中的信号检测装置包括， 一个可以吸附在被测物件上的磁力座，将三 个压电式加速度传感器分别沿横向、垂向、纵向安装在所述磁力座上，所述三个传 感器分别接收所述接触点的横向、垂向、纵向的振动加速度信号。
所述步骤2中的信号转换预处理过程包括，将所述步骤l中获得的电压信号经前 置放大器放大、滤波器滤波后，用多通道高速采样板对多路电压信号同时采集，并 通过ISA总线进行数据管理。
所述步骤3中，计算机装置处理和计算所获取的振动信号的过程包括
步骤A、假设客车车厢与转向架接触点处在某一方向上的振动信号为;c(O，车厢
与二系悬挂接触点在同一方向上的振动加速度信号为:KO ，贝"(o与:KO之间满足如
下关系式，
<formula>formula see original document page 5</formula> (1)
其中，c，A:分别表示二系悬挂在该方向上的阻尼、刚度，f表示时间； 步骤B、对上述式(1)进行傅立叶变换，得二系悬挂在垂向的频响函数
<formula>formula see original document page 5</formula> (2)其中，你三，^:^丄；
对频响函数HC/釣进行离散化处理，得到序列信号//(/)。 步骤c、车厢与二系悬挂接触点处的振动加速度可表达为
y(/)P邵)邻) (3) 其中，X(/)表示x(n)经离散傅立叶变换后得到的频谱，；c(")为jc(0经采样处理 后的信号。
步骤D、车厢与二系悬挂接触点处的激励载荷可表达为
F(/)< A/- y(/) (4) 其中，M表示车厢作用在接触点处所产生的当量质量。
F(/)通常为复数，将其写成l尸(/)一^，即得到接触点在各频率上的振幅|尸(/)|和
为实现上述目的，所述的铁路客车车内噪声激励载荷的获取装置，包括信号检 测装置、信号转换预处理装置和计算机装置。
其中，信号检测装置用于采集被测接触点处在横向、垂向、纵向的振动信号， 并将其转换成电压信号；
信号转换预处理装置用于将上述的电压信号进行多路采集及处理；
计算机装置用于将采集到的信号进行处理和计算，获得所述接触点处的振动载 荷时间历程，以及所述接触点的振幅和相位。
所述信号检测装置包括， 一个可以吸附在被测物件上的磁力座，在所述磁力座 上沿横向、垂向、纵向分别安装三个压电式加速度传感器。
所述信号转换预处理装置包括，前置放大器、滤波器以及多通道高速采样板。 所述计算机装置包括，采样参数设置模块、信号处理模块以及信号显示模块。 综上内容，本发明利用转向架侧梁的刚度很大，转向架侧梁和二系悬挂的接触 点处的振动与侧梁上接触点附近的振动基本一致的特性，将传感器安装在侧梁上接 触点附近来获取侧梁与二系悬挂接触点处的振动，并通过二系悬挂的频响函数来推 算车厢与二系悬挂接触点处的振动，该方法和装置简单精确，易于操作，大大降低
了设计成本。利用本发明可以对车厢进行谐振分析，获取车厢壁板的振动情况，为 精确计算车内噪声提供初始数据，并为采取有效降噪措施提供依据。
为确保客车在高速运行的情况下依然可以准确地测量振动信号，采用了磁力座
结构，只需简单地将磁力座吸附在转向架构架的侧梁上即可完成对振动信号的采集，
结构简单，安装方便迅速，容易调整。
图l本发明系统流程图2本发明结构示意图。
如图1和图2所示，磁力座l，传感器2，非导磁性的介质组件3，长方体空腔4， 磁性的底座5，信号预处理装置6，计算机装置7。
具体实施例方式
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述 车厢与转向架构架通过二系悬挂相连，车厢与二系悬挂的接触点是动力传递点， 也是车厢振动的激振源，准确获取这些接触点在横向、垂向、纵向的振动情况，是 对车厢进行谐振分析的基础。但车厢与二系悬挂的接触点处不便于安装振动传感器， 车厢又是一个柔性体，车厢接触点附近的振动与接触点处有较大差别，因此，也不 宜将传感器安装在车厢接触点附近。二系悬挂与转向架构架的接触点位于构架侧梁 上，侧梁由四块箱形断面的轧制钢板焊接而成，刚度很大，因此，侧梁上接触点附 近的振动与接触点处的振动基本一致，可以将传感器安装在侧梁上来获取接触点附 近的振动，并通过二系悬挂的频响函数来推算车厢与二系悬挂接触点处的振动。 如图1和图2所示，所述铁路客车车内噪声激励载荷的获取方法，包括以下步
骤
步骤l、利用信号检测装置采集铁路客车转向架构架和二系悬挂的接触点处在横
向、垂向、纵向的振动加速度信号，并将其转换成电压信号(A(/)，&(0,A(0)。
每节列车有前后两个转向架，转向架通过二系悬挂与车厢相连，车厢与二系悬挂
有4个接触点，每个转向架构架与二系悬挂有2个接触点，因此，在前、后两个转向 架的侧梁上共安装了4个信号检测装置。每个检测装置包括一个带三个压电式加速度 传感器2的专用磁力座1，三个传感器2分别沿垂向、纵向、横向安装。磁力座l牢固 地吸附在转向架构架的侧梁上，三个传感器2分别接收转向架侧梁与二系悬挂接触点 处在垂向、纵向、横向的振动加速度信号，并将其转换成电压信号
(W)W)W))。
步骤2、将上述获取的电压信号(A(0,&(0,aW)通过isa总线及信号转换预 处理装置6实现同时刻信号保持、分路A/D数字化和数据存贮。
将上述获取的电压信号(aW,/^(0，a(0)经前置放大器放大、滤波器滤波后， 用16通道高速采样板对多路电压信号同时采集，并通过isa总线对多个采样保持器、 模拟开关和adc进行管理，实现同时刻信号保持、分路a/d数字化和数据存贮。
步骤3、利用计算机装置7将上述采集到的振动信号进行处理和计算，推算出客车 车厢与二系悬挂接触点处的振动载荷，从而获得铁路客车车内噪声激励载荷。
下面说明根据转向架侧梁上的振动信号计算出车厢与二系悬挂的接触点处振动 载荷的具体算法-
安装在磁力座1上的传感器2在分别接收横向、垂向、纵向的振动加速度信号后， 将其转换成电压信号A(0,&(0，A(0，电压信号经放大滤波后、用多通道高速采样 板对电压信号A")，&(f), A(O同时采样，并进行A/D转换，电压信号&W，A W 进行转换后，分别得到序列信号/^(w),^(")，A(w)，"代表采样点的个数。对 A(")，/^(")，A(")进行离散傅立叶变换，得到频域序列信号尸,(/)，&(/), A(/)。
假设车厢与转向架接触点处的垂向振动信号为x(O，车厢与二系悬挂接触点的垂
向振动信号为MO ，则x(O与:KO之间满足如下关系式
说
式中，c,A:分别表示二系悬挂的垂向阻尼、垂向刚度，f表示时间。
对式(1)进行傅立叶变换，得二系悬挂在垂向的频响函数
《
(1)
/多靜
(2)
式中，齡S，夂P丄
对频响函数i/(y^进行离散化处理，得到序列信号//(/)。
车厢与二系悬挂接触点处在垂向的振动加速度为
y(/)P//(/)%(/) (3) 其中，Jir(/)表示;c(w)经离散傅立叶变换后得到的频谱，；c(w)为;c(O经采样处理后 的信号。
车厢与二系悬挂接触点处的激励载荷为
F(/) PAT y(/) (4) 其中，Af表示车厢作用在接触点处所产生的当量质量。 F(/)通常为复数，将其写成lF(/)—^，即得到接触点在各频率上的振幅|尸(/)|和 相位《)，这就是对车厢进行谐振分析所需要的垂向激励载荷。
通过同样的变换可获得对车厢进行谐振分析所需要的纵向激励载荷、横向激励 载荷，但式(1)中的阻尼C和刚度A应分别用纵向阻尼、纵向刚度或横向阻尼、横
向刚度来替代。
通过以上方法获取了该点的振动载荷后，就可以将车厢与二系悬挂的接触点作 为激振源，对车厢的谐振进行分析，获取壁板的振动情况，然后进行车内噪的计算 及贡献度分析，找出车厢各面板对车内噪声最大点的声学贡献，为采取吸声、隔声 或阻尼降噪手段，提供指导。
本发明所述的铁路客车车内噪声激励载荷的获取装置由信号检测装置、信号转
换预处理装置6和计算机装置7组成。
其中，信号检测装置包括一个带三个压电式加速度传感器2的专用磁力座1，三 个传感器2分别沿垂向、纵向、横向安装，磁力座l牢固地吸附在转向架构架的侧梁 上，用于采集接触点处在横向、垂向、纵向的振动加速度信号，并将其转换成电压 信号。
由于转向架是铁路客车的核心设备，在安装传感器2时，不能采取破坏转向架构 件的安装方法(如螺栓连接)，而且，测试实验是在客车运行条件下进行，因此需要 一种便捷的安装工具。根据应用需要和实际测量条件，设计了在垂向、纵向、横向 可安装传感器2的磁力座1，该磁力座l分为上下两个部分，中间用非导磁性的介质组 件3隔开，上部包含一个长方体空腔4，在长方体空腔4长、宽、高的三个面上有三个 圆形开口，通过这三个开口以螺栓连接的形式安装了三个振动加速度传感器2，以测 量侧梁与二系悬挂接触点处的纵向、横向及垂向振动，下部是一个普通的带有强磁 性的底座5。当磁力座l开关开启时，磁力座l依靠磁力牢固地吸附在转向架构架上， 当磁力座l开关关闭时，磁力座l可轻易地与转向架构架分离，该磁力座l安装方便迅 速，容易调整，可以实现铁路客车实际营运过程中的振动测试。
其中，信号转换预处理装置6包括前置放大器、滤波器以及16通道高速采样板， 电压信号经前置放大器放大、滤波器滤波后，用16通道高速采样板对多路电压信号 同时采集，并通过ISA总线对多个采样保持器、模拟开关和ADC进行管理，实现同时 刻信号保持、分路A/D数字化和数据存贮。
其中，计算机装置7包括，釆样参数设置模块、信号处理模块以及信号显示 模块。采样参数设置模块依据整周期采集数据原则对采样参数进行设置，以确保信 号不出现泄漏和失真。信号处理模块则是将采集到的振动信号依据上面的算法计算 出车厢与二系悬挂的4个接触点处的振动载荷，并得到这些接触点的振幅和相位，为 车厢的谐振分析和车内的声场计算准备必要的条件，信号显示模块则是将采集到的 信号以图表的形式显示出来。
如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。 但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的 任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1、一种铁路客车车内噪声激励载荷的获取方法，其特征在于包括以下步骤，步骤1、利用信号检测装置采集铁路客车的转向架构架与二系悬挂的接触点处在横向、垂向、纵向的振动加速度信号，并将其转换成电压信号(px(t)，py(t)，pz(t))；步骤2、将上述获取的电压信号(px(t)，py(t)，pz(t))通过ISA总线及信号转换预处理装置(6)实现同时刻信号保持、分路A/D数字化和数据存贮；步骤3、利用计算机装置(7)将上述采集到的振动信号进行处理和计算，推算出客车车厢与二系悬挂接触点处的振动载荷，从而获得铁路客车车内噪声激励载荷。
2、 根据权利要求l所述的铁路客车车内噪声激励载荷的获取方法，其特征在于 所述步骤l中的信号检测装置包括， 一个可以吸附在被测物件上的磁力座(1),将三 个压电式加速度传感器(2)分别沿横向、垂向、纵向安装在所述磁力座(1)上， 所述三个传感器(2)分别接收所述接触点的横向、垂向、纵向的振动加速度信号。
3、 根据权利要求l所述的铁路客车车内噪声激励载荷的获取方法，其特征在于 所述步骤2中的信号转换预处理过程包括，将所述步骤l中获得的电压信号(A(0，&(0,aW)经前置放大器放大、滤波器滤波后，用多通道高速采样板对多 路电压信号(A(0，&(0,A(0)同时采集，并通过ISA总线进行数据管理。
4、 根据权利要求l所述的铁路客车车内噪声激励载荷的获取方法，其特征在于 所述步骤3中，计算机装置(7)处理和计算所获取的振动信号的过程包括，步骤A、假设客车车厢与转向架接触点处在某一方向上的振动加速度信号为jcW， 车厢与二系悬挂接触点在同一方向上的振动加速度信号为KO ，则与J(O之间满 足如下关系式，0^(0 "(0 (1)其中，c,fc分别表示二系悬挂在该方向上的阻尼、刚度，f表示时间； 步骤B、对上述式(1)进行傅立叶变换，得二系悬挂在垂向的频响函数W釣9 . & (2)其中，必i, ii:p丄； 矢 ifc对频响函数//(_/辟进行离散化处理，得到序列信号//(/)， /表示离散点个数< 步骤c、车厢与二系悬挂接触点处的振动加速度可表达为y(/),/)邻) (3) 其中，Z(/)表示;c(")经离散傅立叶变换后得到的频谱，x(")为x( )经采样处理 后的信号。步骤D、车厢与二系悬挂接触点处的激励载荷可表达为F(/)。M-稱 (4) 其中，A/表示车厢作用在接触点处所产生的当量质量。F(/)通常为复数，将其写成l尸(/)le^、即得到接触点在各频率上的振幅lF(/)l和 相位《)。
5、 一种铁路客车车内噪声激励载荷的获取装置，其特征在于包括信号检测装 置、信号转换预处理装置(6)和计算机装置(7);其中，信号检测装置用于采集被测接触点处在横向、垂向、纵向的振动信号，并将其转换成电压信号；信号转换预处理装置(6)用于将上述的电压信号进行多路采集及处理； 计算机装置(7)用于将采集到的信号进行处理和计算，获得所述接触点处的振动载荷时间历程，以及所述接触点的振幅和相位。
6、 根据权利要求5所述的铁路客车车内噪声激励载荷的获取装置，其特征在于: 所述信号检测装置包括， 一个可以吸附在被测物件上的磁力座(1)，在所述磁力座(1)上沿横向、垂向、纵向分别安装三个压电式加速度传感器(2)。
7、 根据权利要求6所述的铁路客车车内噪声激励载荷的获取装置，其特征在于: 所述磁力座(1)分为上下两个部分，中间用非导磁性的介质组件(3)隔开，所述 磁力座(1)的上部为一个长方体空腔(4)，下部为一个带有强磁性的底座(5);该长方体空腔(4)的横向、垂向、纵向上各有一个开口，所述传感器(2)就 固定在所述开口上。
8、 根据权利要求5所述的铁路客车车内噪声激励载荷的获取装置，其特征在于: 所述信号转换预处理装置(6)包括，前置放大器、滤波器以及多通道高速采样板。
9、 根据权利要求5所述的铁路客车车内噪声激励载荷的获取装置，其特征在于: 所述计算机装置(7)包括，采样参数设置模块、信号处理模块以及信号显示模块。
全文摘要
本发明涉及一种铁路客车车内噪声激励载荷的获取方法和装置，利用转向架构架的侧梁和二系悬挂的接触点处的振动与侧梁上接触点附近的振动基本一致的特性，采集铁路客车的转向架与二系悬挂的接触点处在横向、垂向、纵向的振动信号，并通过二系悬挂的频响函数来推算车厢与二系悬挂接触点处的振动。该方法和装置简单精确，易于操作，降低了设计成本，还可对车厢进行谐振分析，获取车厢壁板的振动情况，为精确计算车内噪声提供初始数据，并为采取有效降噪措施提供依据。为确保客车在高速运行的情况下依然可以准确的测量振动信号，采用了磁力座结构，只需简单地将磁力座吸附在转向架构架的侧梁上即可完成对振动信号的采集，结构简单，安装方便，容易调整。
文档编号G01H13/00GK101354304SQ20071013075
公开日2009年1月28日 申请日期2007年7月23日 优先权日2007年7月23日
发明者王文健, 肖友刚, 马云双, 马利军 申请人:南车四方机车车辆股份有限公司