摘 要

近年来随着我国经济实力的不断增强，我国轨道交通发展也迅速起来。列车的快速发展以及车速的不断提高,所带来的啸叫噪声也逐渐成为了影响大家日常生活的环境问题,更为严重的是在一定范围内阻碍了轨道交通的可持续发展。管治和防止轨道交通啸叫噪声的污染已经成为了目前亟待解决的严重问题。实验室通过设计双轮实验台来分析铁路车辆轮轨啸叫噪声。本文通过收集基于光纤光栅振动传感器的研究来研究试验台上大轮振动，并通过锤击实验测量大轮模态分析了大轮的振动特性。

关键词：啸叫噪声，光纤光栅，振动，解调，锤击实验

Abstract

In recent years,with the continuous enhancement of China's economic power,the development of the rail transport in our country also progresses a lot.The rapid development of train and speed,which brings about by the squeal noise has gradually become the environmental problems affecting people's daily life,and the most serious is that it hinders the sustainable development of rail transit in a certain range.The control and prevention of rail squeal noise pollution has become a serious problem to be solved urgently at present.In the laboratory,through the design of two-wheel test rig analysis of railway vehicle wheel wheel squeal noise.This paper based on the research of fiber grating vibration sensor to study the vibration of large wheel on the test bench, and through the hammer test measurement of large wheel modal analysis of the vibration characteristics.

Key words: squeal noise,Fiber Bragg grating,vibration,demodulation,hammer test

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 拟采用的技术方案 1

第2章 光纤光栅传感技术简介 3

2.1 光纤光栅传感原理 3

2.2 光纤光栅传感器特点 4

2.3 光纤光栅灵敏度系数的标定 5

2.3.1 温度灵敏度系数的标定 5

2.3.2 应变灵敏度系数的标定 5

第3章 基于光纤光栅对振动的测量 7

3.1 被测大轮 7

3.2 接触式测量 8

3.2.1 测量原理 8

3.2.2 测量方案 8

3.2.3 光纤光栅的封装 9

3.3 非接触式测量 10

3.3.1 测量原理与FBG传感结构 10

3.3.2 传感器的整体封装结构 11

3.3.3大轮振动测量系统 12

3.4 方案比较与确定 12

第4章 光纤光栅的解调 14

4.1 光纤光栅解调仪 14

4.2 光纤光栅解调原理 15

4.3 系统硬件设计 17

4.4 数据处理 18

第5章 验证 21

5.1激光位移传感器 21

5.2 实验步骤 21

5.3 数据分析与结论 23

第6章 大轮锤击实验 26

6.1 试验测试系统与仪器设备 26

6.2 实验原理 27

6.3 实验方案与步骤 28

6.4 模态分析 35

第7章 结论 40

参考文献 41

致谢 42

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着生活水平的逐渐提高,人们对环境的要求也越来越高。轮轨啸叫噪声近年来因为其尖锐的声调和高声压级成为人们关注的对象。在欧洲，成千上万的人被它困扰，而目前仍然没有得到解决。啸叫噪声污染逐渐成为了一个日益严重的的环境问题，怎样有效的预防或者缓解噪声对人们生活的影响是实现轨道交通可持续发展的重要内容。在现场测试中科技人员发现声压级随着轮子的转速而增高。事实上在实验室中也证实了这一发现。轮轨的半径也有一定的影响。此外，刘老师的研究已证明轮轨啸叫噪声的声压级随冲角和滚动速度的增加而增加。因为振动、摩擦力及温度对冲角有着显著的影响，所以对实验台上两个轮子之间的振动、摩擦力及温度的测量十分有必要。本文设计采用光纤光栅为传感元件对大轮振动进行测试，并通过锤击实验对大轮进行模态分析，进而分析实验台上大轮在冲角及转速影响下的振动特性。

1.2 拟采用的技术方案

查阅相关资料，了解基于光纤光栅对于振动的测量方法，结合实验台制定出大轮振动测量方案，在大轮小轮之间的冲角和转速的影响下分析的大轮振动特性，并采用激光位移传感器对测量结果进一步分析。最后完成大轮锤击实验，并分析大轮振动特性。具体的技术方案流程图见图1.1。

图1.1 技术方案流程图

第2章 光纤光栅传感技术简介

2.1 光纤光栅传感原理

光纤光栅是通过周围环境温度、应力、应变或者其它物理量有所改变时，光栅的周期或纤芯折射率也将随之改变，通过测量物理量的改变前后反射光的波长的改变，就可以获得物理量的改变情况。光纤布喇格光栅（FBG）是当前使用和实验中用到最多的。FBG利用其光纤内部芯区折射率的改变，折射率的不同会使较短的一段光谱产生变化，所以，假如有宽带光源顺着光纤传递信号光波时,FBG类似于在光纤放了个带宽比较窄的可反射光的镜子,可以选取反射入射光中达到相位匹配要求的光,其它波长的光就透射过了，这就是FBG传感原理。达到反射要求的光波的中心波长称为波长,和FBG的折射率及周期之间的关系可用式（1-1）表示：

λ_B = 2 n_eff Λ （1-1）

式(1-1)得到了FBG波长与光栅周期和反向耦合模的有效折射率的关系,图2.1为FBG结构与传感原理图。从式（1-1）中能发现,只要能使有效折射率或周期改变的物理参数全部可以使FBG中心波长发生改变,所以能够利用研究FBG中心波长变化量获取对应所要测量的物理量改变状况,之后获得物理参数的实验数据。实验测试发现，FBG是比较好的传感元件,另外因为它的检测信息为波长编码,受外界影响较小,所以在通信喝传感领域被大量使用。