摘 要

从19世纪末以来，经过全世界诸多领域人们的研究，出现了非常多的预防波磨的报告。虽然相关研究人员发表的理论众多，但是这些理论还是不能很好地解释波磨的形成机理,目前也没有人提出能很好地解决波磨问题的方法。近些年来，由于列车的速度越来越快、然后还不断引入新型车辆等原因, 形成的波磨也越来越多了,因此人们意识到进行波磨的相关研究变得必不可少了。波磨的研究与很多领域都有关系，如固体接触力学、滚动接触理论、结构动力学、摩擦学、计算方法等。所以，对地铁钢轨波磨问题进行更多更深的研究是必不可少的，通过研究钢轨波磨的形成机理，然后对此提出一些减缓波磨形成的措施，对促进我国地铁发展、减少噪声具有非常大的帮助。本文通过对由实验采集的信号进行分帧、加窗、快速傅里叶变换等处理，得出结果。最后，本文选取处理之后的结果，进行对比，得出结论。本文的主要研究成果为：

（1）阐述信号处理的研究现状，结合文献综述概括了信号处理的方法；

（2）学习理解常用的几种处理信号的方法，对由实验台采集信号进行分帧、加窗、快速傅里叶变换等处理，完成了对双轮实验台进行信号处理的工作；

（3）通过选取处理之后的结果，进行对比，得出结论：首先，转速和冲角对啸叫噪声的大小有着比较大的影响；其次，转速对啸叫噪声的大小为主导作用，冲角为次要作用。

（4）根据分析结果，本文提出3条抑制啸叫噪声的建议。

关键词：波磨，噪声，信号处理，加窗

Abstract

Since the end of the 19th century, there have been many reports of the prevention of wave grinding through the research of people in many fields around the world. Although there are many theories published by relevant researchers, these theories cannot explain the formation mechanism of wave grinding. At present, no one has proposed a method that can solve the wave grinding problem well. In recent years, due to the increasing speed of trains and the continued introduction of new types of vehicles, wave formation has also become more frequent. As a result, people are aware that research on wave grinding has become indispensable. The study of wave grinding has relations with many fields, such as solid contact mechanics, rolling contact theory, structural dynamics, tribology, and calculation methods. Therefore, it is indispensable to carry out more in-depth studies on the rail railing problem of subways. By studying the formation mechanism of rail corrugations, some measures to mitigate the formation of corrugations are proposed to promote the development of subways and reduce noise in China. Very big help. In this paper, the results obtained by dividing the frame, window, and fast Fourier transform of the signal collected by the experiment. Finally, this article selects the results after processing, compares and draws conclusions. The main research results of this article are:

(1) Explain the research status of signal processing, and summarize the signal processing methods based on literature review;

(2) To learn to understand several commonly used signal processing methods, and perform signal processing such as frame division, windowing, and fast Fourier transform on the signal acquired by the experimental station, and perform signal processing on the two-wheel experiment bench;

(3) Comparing the results after the selection and processing, the conclusion is drawn: Firstly, the rotational speed and the angle of attack have a relatively large influence on the size of the howling noise; secondly, the rotational speed has a dominant effect on the size of the howling noise. For the secondary role.

(4) Based on the above analysis results, this paper proposes three suggestions to suppress howling noise.

Key words: corrugation , noise , signal processing , window

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2论文结构 2

1.3本文研究的内容与意义 3

第2章 信号处理研究现状 4

2.1信号处理研究现状 4

2.2选取信号处理方法 5

第3章 噪声信号的处理 7

3.1振动的测量 7

3.2噪声的测量 8

3.3导入实验数据 15

3.4噪声处理过程分析 17

3.4.1分帧 17

3.4.2加窗 18

3.4.3快速傅里叶变换 19

3.4.4声压变换 20

3.5噪声信号处理结果 20

3.6小结 21

第4章 实验结果分析 22

4.1转速改变 22

4.1.1冲角存在 22

4.1.2冲角不存在 26

4.2冲角改变 30

4.3小结 38

第5章 结论与展望 40

5.1结论 40

5.2展望 40

参考文献 42

附录A： 43

附录B： 45

第1章 绪论

1.1研究背景

现代社会发展越来越快，中国城市化的速度越来越快，现在大部分城市都存在一些问题，比如道路拥堵、环境污染和安全等。城市人口越来越多、机动车越来越多等现状使得各个城市的交通运输问题越来越严重，所以，迫切地需要找到一种新的运输方式来解决现代社会所面临的问题，这种方式必须要有效且比较环保，即为目前在中国发展速度特别快的城市轨道交通。城市轨道交通被公认为绿色环保交通体系，其特点是省地、全天候、节能、无或少污染，除此之外，其还具有其他方面的优点，比如方便、快捷、准时、舒适、安全、运输量大等。城市轨道交通是近代高科技的产物，它的优势非常明显：旅行速度高、载客能力大、行车密度大、疏通客流能力高。目前城市轨道交通类型比较多：地铁、轻轨、城际快铁、有轨电车以及悬浮列车等。快速发展的地铁、轻轨等交通工具在很大程度上减少了交通拥堵、环境污染等问题；但是，目前车辆运营环境比较复杂，对列车和轨道各部件造成了非常严重的损伤，其中出现比较多的就是轮轨间的疲劳和磨耗问题，如图1.1^[1]。

图1.1国内某地高速铁路钢轨波磨照片^[1]

钢轨波磨是在钢轨运行表面形成的一种沿钢轨纵向具有固定波长现象的波浪式不平顺现象，钢轨波磨受多种因素互相影响而产生：轮轨接触、轮轨间动态作用和摩擦机理因素，其形成机理十分复杂，波磨激励频率与钢轨的固有频率有非常大的关系。钢轨波磨形成后有很大的缺点，其将导致轮轨振动噪声增大，还会形成恶性循环^[2]。

在日本，以前从未出现非常严重的钢轨波纹，它是近年来开始出现地比较多。自十九世纪末以来，国内外很多学者进行了大量的研究工作，目的就是为了防止产生钢轨波纹。虽然进行了许多研究，但是目前还没有出现很好地解释钢轨波纹形成机理的理论，所以对于防止钢轨波纹产生，目前还没有出现非常好的对策。现如今由于火车速度的提高和新车辆的数目增多，波纹的产生有增加的趋势，所以，关于波纹的研究变得越来越重要^[3]。

除此之外，扭振也是波磨的可能成因之一。扭振的研究和测试是一个开始得比较早且持续到现在的课题，对于多冲程动力机械——内燃机、柴油机等来说，它们是“天生的”扭振机械，所以对它们的扭振研究和测试开始得非常早，人们在19世纪就己开始进行相关研究和测试^[4]。

轴的扭转振动是指旋转轴时快时慢的回转不均匀性，其被人们简称为扭振。轴类最常见的振动形式为扭振。扭矩一般由轴系来传递，所以当负载或者驱动力矩产生一定变化时，便会出现扭振现象，而扭振产生的动应力则会导致轴的疲劳甚至损坏^[5]。

我国目前铁路运输能力比较紧张，解决这一问题的重要举措是发展重载铁路运输，从而使铁路扩能增效。我国大秦线开行着2万吨重载列车，侯月线马上开行万吨重载列车。在高速和大轴重这种情况下，钢轨出现波浪型磨损的病害越来越多，从而导致维修成本也逐渐增多，所以钢轨的维修和养护变得越来越重要。所以，解决钢轨波磨问题，可以在一定程度上减少钢轨波磨伤损，对降低维修费用有十分重要的意义^[6]。

钢轨波磨会导致轮轨振动噪声增大，而轨道交通噪声不仅影响乘客的身心健康，还对沿线居民的身心健康有不良影响。现如今人们对轨道交通舒适性越来越重视，因此，现如今人们越来越多的将关注点放到了减少轨道交通噪声辐射、减少噪声污染这些现象上。轨道交通噪声中一个十分重要的噪声源就是轮轨噪声，其是由轮轨表面粗糙度和表面不连续的几何缺陷等激扰产生的轮轨高频振动或曲线轨道产生的轮轨摩擦振动向空中辐射而产生的。因此，研究轨道交通轮轨噪声的产生机理和激扰源，找出抑制啸叫噪声的方法，对于促进轨道交通的飞速发展，具有非常重要的理论意义和不可估量的社会价值^[7]。

1.2论文结构

本文主要是理解学习几种处理信号的方法，总结并概括，并对由双轮实验台采集的信号进行加窗处理，然后对处理结果进行对比分析，得出相关结论。本文所采用的章节结构为:

1. 绪论。首先对本文进行工作的研究背景和本文论文结构进行介绍，并讲述

了本文研究的意义。

第二章 信号处理研究现状。阐述信号处理的国内外研究现状，结合文献综述概括信号处理的方法，并选择本文的信号处理方法。

第三章 对啸叫噪声进行处理。首先通过比较分析，选取本实验测量噪声的仪器；然后对噪声信号进行分帧、加窗、快速傅里叶变换等处理，得到处理结果。

第四章 实验结果分析。对由第三章得到的结果进行对比分析，分析不同转速和不同冲角对啸叫噪声的影响。

第五章 结论与展望。对本次工作进行总结，得出相关结论；并对信号处理的应用和发展进行展望。

1.3本文研究的内容与意义

轨道交通噪声不仅影响乘客的身心健康，还对沿线居民的身心健康有不良影响。现如今人们对轨道交通舒适性越来越重视，因此，人们越来越多的将关注点放到了减少轨道交通噪声辐射、减少噪声污染这些现象上。所以，研究轨道交通轮轨噪声的产生机理找出抑制啸叫噪声的方法，对于促进轨道交通的飞速发展，具有非常重要的理论意义和不可估量的社会价值^[7]。

通过本小组人员的协同合作，在老师的指导下，本小组首先进行搭建双轮实验台；然后在该双轮实验台上进行实验，完成力、振动、噪声等信号的采集、测量、记录。本文主要研究内容如下：首先，阐述信号处理的国内外研究现状，结合文献综述概括信号处理的方法，并选择本文的噪声信号处理方法；然后介绍几种常用的测量噪声的方法和仪器，通过比较分析各自的优点，结合本文由双轮实验台采集的噪声信号的特点，选取本实验测量噪声的仪器；接着通过对比分析几种信号处理方法的优缺点，结合本文需要得到的数据特征，选择对噪声信号数据进行分帧、加窗、快速傅里叶变换等处理，削除信号中的多余内容，滤出混杂的噪声干扰，得到结果图，以便后续的别的处理；最后，对几组处理结果进行对比分析，从而得出相关结论，找出转速和冲角对噪声大小的影响关系。对研究噪声产生机理和抑制啸叫噪声具有一定意义。

第2章 信号处理研究现状

本章首先对信号处理研究现状进行概括综述，然后根据本文所要处理的噪声信号的特点，结合本文研究需要得到的特征信息，从而选取合适的信号处理方法。

2.1信号处理研究现状

科技发展得越来越快，现代社会已经逐渐进入到信息化时代。对信号进行信号处理的主要目的就是通过一些方法，对那些对研究工作有用的信息进行提取。在科技时代，信号处理系统的作用越来越重要了。但是在当前社会中，随着人们日常的生活和工作需求的提高，传统的信号处理系统已经不能完全满足人们的需求了。信息技术发展到一定的阶段，Matlab作为其产物就出现了，Matlab的中文名是“矩阵实验室”。而Matlab的应用，在很大程度上改变了传统的信号处理方式。在当今社会，Matlab被人们广泛的应用到许多领域，使得人们在进行信号处理时，工作越来越方便^[8]。

然后人们进行相关研究并开发出了以Matlab作为基础的信号处理系统，该系统能帮人们解决很多问题，对人们的帮助非常大。人们将Matlab应用到众多信号处理中，使信号处理的作用得到了更好的提升，信号处理系统中广泛地应用Matlab。Matlab作为信号处理方法中的一种，有着非常重要的作用，其能够对在信号处理过程中，对信号进行计算和提取，并且对信号进行滤波，功能十分强大^[9]。

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