劉國(guó)漪 孫文靜 周勁松

摘要：

建立某地鐵列車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)和車(chē)內(nèi)聲腔有限元模型，進(jìn)行聲固耦合模態(tài)分析，得到車(chē)體結(jié)構(gòu)和車(chē)內(nèi)聲腔的模態(tài)特征。將車(chē)體動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到的車(chē)體振動(dòng)激勵(lì)施加于聲固耦合模型中，分析地鐵列車(chē)車(chē)內(nèi)低頻噪聲和車(chē)身板件聲壓貢獻(xiàn)量，得到對(duì)觀察點(diǎn)聲壓貢獻(xiàn)較大的板件，有針對(duì)性地提出車(chē)體結(jié)構(gòu)改善方案，降低觀察點(diǎn)處的噪聲，為地鐵列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲優(yōu)化提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：

地鐵列車(chē)； 聲腔； 聲固耦合； 低頻噪聲； 板件； 貢獻(xiàn)量

中圖分類(lèi)號(hào)： U270.16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Simulation of low frequency structure noise in metro train

LIU Guoyi， SUN Wenjing， ZHOU Jinsong

（Institute of Rail Transit， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract：

The finite element models of the body structure and interior acoustic cavities of a metro train are built. The modal analysis of acousticstructure coupling is carried out， and the modal characteristics of the body structure and interior acoustic cavities are obtained. The vehicle body vibration excitation obtained by the vehicle body dynamic model calculation is applied to the acousticstructure coupling model. The interior low frequency noise of metro vehicle and the sound pressure contribution of panels are analyzed. The plates that contribute greatly to the sound pressure of the observation point are found. The pointed reference to improve the vehicle body structure is proposed. The noise at the observation point is reduced. The results can provide a feasible scheme for the optimization of the interior noise of the metro vehicle.

Key words：

metro train； acoustic cavity； acousticstructure coupling； low frequency noise； panel； contribution

0 引 言

隨著地鐵列車(chē)運(yùn)行速度不斷提高，車(chē)內(nèi)噪聲不斷變大，乘客乘車(chē)舒適度大大降低，還會(huì)造成噪聲污染。列車(chē)運(yùn)行時(shí)的車(chē)內(nèi)噪聲主要由4部分組成：車(chē)體結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲；輪軌之間相互作用產(chǎn)生的輪軌噪聲；牽引系統(tǒng)產(chǎn)生的牽引噪聲；列車(chē)運(yùn)行時(shí)表面渦流壓力波擊打列車(chē)引起的壁板噪聲。各種噪聲在車(chē)內(nèi)經(jīng)過(guò)車(chē)體多次反射形成混響聲。[1]地鐵列車(chē)的運(yùn)行速度一般在200 km/h以下，因此對(duì)于車(chē)內(nèi)噪聲而言，中、低頻的噪聲占據(jù)主要地位。[2]

結(jié)構(gòu)噪聲主要由車(chē)體本身的結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生，其來(lái)源主要是輪軌激勵(lì)以及車(chē)下設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)。這些激勵(lì)通過(guò)車(chē)體的連接節(jié)點(diǎn)引起車(chē)體的振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲。研究結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)降低列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲有重要意義。張碩等[3]指出乘客的煩惱度與地鐵列車(chē)低頻噪聲密切相關(guān)；左言言等[4]對(duì)地鐵車(chē)內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，但未具體提出改進(jìn)措施的研究方案。

本文針對(duì)某地鐵列車(chē)建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，計(jì)算施加在車(chē)體結(jié)構(gòu)上的振動(dòng)激勵(lì)，建立聲固耦合的車(chē)體有限元模型，分析其特性并提出降低噪聲的相應(yīng)建議，為優(yōu)化地鐵列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲提供參考。

1 地鐵列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

地鐵列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型分為構(gòu)架、輪對(duì)和車(chē)體3個(gè)部分。轉(zhuǎn)向架一系懸掛由鋼制彈簧、液壓式減震器和轉(zhuǎn)臂式軸箱組成。轉(zhuǎn)向架二系懸掛由空氣彈簧和橡膠堆組成。將車(chē)體物理模型分解為多體動(dòng)力學(xué)仿真的基本要素：剛/柔體、鉸、約束和力元。將輪對(duì)和軸箱視為剛體，車(chē)體之間的鉸接關(guān)系用彈簧模擬，忽略彈性懸掛的質(zhì)量。建立多體動(dòng)力學(xué)仿真單元的關(guān)系，參照車(chē)輛參數(shù)，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型，見(jiàn)圖1。按列車(chē)最高速度120 km/h計(jì)算，選擇美國(guó)五級(jí)線路譜為軌道激勵(lì)，在4個(gè)空氣彈簧與車(chē)體接觸的位置輸出x、y和z等3個(gè)方向的激勵(lì)載荷譜。

2 聲固耦合的車(chē)體有限元模型

2.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元模型

以某地鐵列車(chē)為例，利用HyperMesh建立有限元模型。車(chē)體主要由車(chē)頂、端墻、側(cè)墻和底架等構(gòu)成。整體車(chē)身結(jié)構(gòu)選用四邊形殼單元，網(wǎng)格共823 532個(gè)，節(jié)點(diǎn)共691 002個(gè)。吊掛設(shè)備，如空調(diào)、主變壓器、低壓箱等簡(jiǎn)化處理。使用一維單元MASS模擬設(shè)備質(zhì)心，使用一維單元RBE2連接設(shè)備與車(chē)體吊掛處。其余附件和裝飾質(zhì)量以均布形式加入有限元車(chē)體模型相應(yīng)的位置。車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖2。

2.2 車(chē)體結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算

分析車(chē)體結(jié)構(gòu)模態(tài)有助于把握車(chē)內(nèi)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，可為診斷聲源和控制車(chē)內(nèi)噪聲提供依據(jù)。對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)和車(chē)內(nèi)聲腔進(jìn)行模態(tài)分析，以獲得車(chē)體和聲腔的共振頻率，為車(chē)輛聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)避免共振提供研究基礎(chǔ)。同時(shí)，分析車(chē)體結(jié)構(gòu)模態(tài)也可驗(yàn)證車(chē)體有限元模型的準(zhǔn)確性。采用Block Lanczos法提取模態(tài)，計(jì)算前60階模態(tài)。具有代表性的低階模態(tài)振型見(jiàn)圖3。

第1階自由模態(tài)頻率為1階垂向彎曲振型，頻率為6.69 Hz。因?yàn)檎麄錉顟B(tài)下車(chē)體質(zhì)量較大，所以一般要求第1階自由模態(tài)在10 Hz以下，該計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，說(shuō)明有限元模型可靠。第3階模態(tài)振型為1階菱形振型，頻率為7.83 Hz；第6階模態(tài)振型為2階垂彎振型，頻率為11.77 Hz；第7階模態(tài)為呼吸振型，頻率為12.65 Hz。低頻模態(tài)一般為整體模態(tài)；從28階（30.80 Hz）起為高頻模態(tài)，會(huì)呈現(xiàn)局部特性，主要集中在車(chē)頂?shù)目照{(diào)吊掛處和端墻處，可適當(dāng)增加車(chē)頂空調(diào)吊掛處的剛度。

2.3 聲腔有限元模型和模態(tài)分析

聲學(xué)模態(tài)頻率是聲腔內(nèi)部聲音的共鳴頻率。在各階模態(tài)頻率附近，車(chē)廂室內(nèi)的空腔會(huì)產(chǎn)生聲學(xué)共鳴，造成聲壓級(jí)增加。[5]在已有的車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元模型基礎(chǔ)上，使用六面體實(shí)體網(wǎng)格生成車(chē)內(nèi)聲腔的有限元模型，見(jiàn)圖4。在模型中通過(guò)“ACMODL”卡片設(shè)定相關(guān)參數(shù)和選項(xiàng)，將車(chē)體結(jié)構(gòu)模型和聲腔模型的重合節(jié)點(diǎn)耦合，實(shí)現(xiàn)整體模型的聲固耦合。設(shè)定空氣密度為1.225 kg/m3，聲速為340 m/s，計(jì)算0～160 Hz頻率范圍內(nèi)的模態(tài)。部分聲腔模態(tài)振型見(jiàn)圖5。

聲腔的模態(tài)以聲壓級(jí)為表征值。在圖5中，聲腔模態(tài)一般呈現(xiàn)橫向、縱向和垂向條紋狀。不考慮剛體模態(tài)第2階模態(tài)頻率為7.796 Hz，第3階模態(tài)頻率為15.612 Hz。在車(chē)體結(jié)構(gòu)某階模態(tài)的頻率與聲腔模態(tài)的某階頻率相近時(shí)，車(chē)體就會(huì)產(chǎn)生與聲腔的共振響應(yīng)，此時(shí)會(huì)造成乘客聽(tīng)覺(jué)的強(qiáng)烈不適，影響乘坐的舒適性。車(chē)內(nèi)聲腔部分模態(tài)頻率見(jiàn)表1。

3 車(chē)內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)分析

依據(jù)GB/T 3449—2011《聲學(xué) 軌道車(chē)輛內(nèi)部噪聲測(cè)量》[6]和NF F01381—2011《鐵路應(yīng)用設(shè)施 聲學(xué) 有軌車(chē)輛內(nèi)部噪聲測(cè)量》[7]選取觀察點(diǎn)。在離地板上方1.6 m處，沿車(chē)體縱軸選取5個(gè)觀察點(diǎn)，見(jiàn)圖6。

車(chē)身結(jié)構(gòu)板件振動(dòng)可引起車(chē)內(nèi)噪聲的頻率一般在160 Hz以下。[8]在車(chē)體與空氣彈簧相接觸位置的x、y和z等3個(gè)方向施加單位激勵(lì)力，采用模態(tài)疊加法計(jì)算振動(dòng)頻率160 Hz以下車(chē)體和聲腔的響應(yīng)。一般選擇提取模態(tài)的頻率為響應(yīng)頻率的2.0～2.5倍，因此設(shè)置提取模態(tài)的頻率為0～400 Hz。各觀察點(diǎn)的頻率響應(yīng)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜見(jiàn)圖7。

由圖7可知，振動(dòng)頻率在10 Hz以上時(shí)，隨著頻率的增大，車(chē)內(nèi)1～5號(hào)觀察點(diǎn)的聲壓級(jí)迅速升高。由于車(chē)體的對(duì)稱(chēng)性，1號(hào)與5號(hào)觀察點(diǎn)聲壓級(jí)曲線相似度較高，2號(hào)與4號(hào)觀察點(diǎn)的聲壓級(jí)曲線相似。振動(dòng)頻率在20～160 Hz范圍內(nèi)，各個(gè)觀察點(diǎn)有多個(gè)明顯的共振頻率，在這些頻率下車(chē)身板件與車(chē)內(nèi)聲腔發(fā)生強(qiáng)烈共振，導(dǎo)致聲壓級(jí)增大，其中：1、3、5號(hào)觀察點(diǎn)都在47.0 Hz產(chǎn)生共振，并且達(dá)到最大的聲壓級(jí)，分別為78.52、80.78和76.91 dB（A）；2、4號(hào)觀察點(diǎn)在152.0 Hz頻率時(shí)的聲壓級(jí)分別為69.53和74.85 dB（A）。除此之外，頻率為32.0、87.5和134.0 Hz時(shí)，5個(gè)觀察點(diǎn)都出現(xiàn)不同程度的共振現(xiàn)象。在某些頻率下，不同觀察點(diǎn)的響應(yīng)振動(dòng)特性不同，如在55.0 Hz處，1、2、4、5號(hào)點(diǎn)的聲壓級(jí)都在60.00 dB（A）以上，而3號(hào)點(diǎn)的聲壓級(jí)只有41.68 dB（A）。1～5號(hào)觀察點(diǎn)的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)分別為80.68、75.45、82.09、76.98和79.73 dB（A）。由此可見(jiàn)，車(chē)內(nèi)中部3號(hào)觀察點(diǎn)的頻響峰值較多，47.0、129.0和152.0 Hz處共振現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致噪聲較大。

4 板件聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析

在低頻噪聲中主要考慮車(chē)體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，因此車(chē)身板件的振動(dòng)影響列車(chē)車(chē)內(nèi)低頻噪聲。降低車(chē)內(nèi)噪聲可從改變結(jié)構(gòu)板件方面進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)板件進(jìn)行聲學(xué)貢獻(xiàn)度分析，以確定對(duì)噪聲貢獻(xiàn)較大的板件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，控制不良板件的振動(dòng)。[910]車(chē)體主要分為側(cè)墻、車(chē)頂、地板和端墻4個(gè)板塊。由于車(chē)體的對(duì)稱(chēng)性，側(cè)墻以縱向平面為中心面對(duì)稱(chēng)選取若干板件，端墻以橫向平面為對(duì)稱(chēng)面選取板件，板件劃分見(jiàn)圖7。車(chē)體中部3號(hào)觀察點(diǎn)的聲壓級(jí)較高，因此針對(duì)共振明顯的頻率，利用Radioss對(duì)車(chē)體板件進(jìn)行聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析。

47.0、129.0和152.0 Hz處各個(gè)板件對(duì)車(chē)體中部響應(yīng)點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)量見(jiàn)圖8。在47.0 Hz頻率下，板件2、3和10對(duì)響應(yīng)點(diǎn)聲壓有較大的正貢獻(xiàn)量，這些板件的振動(dòng)大小與響應(yīng)點(diǎn)的聲壓為正相關(guān)；板件6和7對(duì)該響應(yīng)點(diǎn)的聲學(xué)貢獻(xiàn)量則為負(fù)值，說(shuō)明當(dāng)這些板件的振動(dòng)加大時(shí)，可降低響應(yīng)點(diǎn)處的聲壓。在129.0 Hz頻率下，板件2和13的聲壓正貢獻(xiàn)量

較大，板件5和7的聲壓負(fù)貢獻(xiàn)度較大。在152.0 Hz頻率下，聲壓正貢獻(xiàn)量較大的板件為板件2和12，聲壓負(fù)貢獻(xiàn)量較大的板件為板件1和11?？傊?，板件2振動(dòng)對(duì)3號(hào)觀察點(diǎn)的影響較大，而板件7的聲壓負(fù)貢獻(xiàn)程度較高。

根據(jù)板件聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析結(jié)果，改進(jìn)板件結(jié)構(gòu)以改變自身剛度，抑制其振動(dòng)峰值以降低噪聲。將板件2區(qū)域的厚度增加1 mm，重新計(jì)算客室內(nèi)聲壓級(jí)，3號(hào)觀察點(diǎn)在47.0 Hz下的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)由80.78 dB（A）下降至77.46 dB（A），下降了3.32dB（A），總聲壓級(jí)從82.90 dB（A）下降至79.97dB（A），下降了2.93 dB（A），降噪效果明顯。由此可知，分析車(chē)體板件聲壓貢獻(xiàn)量，有助于優(yōu)化車(chē)體聲場(chǎng)環(huán)境，達(dá)到降噪的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

以某地鐵列車(chē)為例，建立動(dòng)力學(xué)模型以輸出輪軌對(duì)車(chē)體振動(dòng)的激勵(lì)，建立聲固耦合的有限元模型以分析車(chē)體在低頻階段的結(jié)構(gòu)噪聲，得到結(jié)論如下：在0～160 Hz的頻率范圍內(nèi)，車(chē)體結(jié)構(gòu)與車(chē)內(nèi)聲腔有多個(gè)明顯的共振頻率，特別是47.0、55.0、129.0和152.0 Hz處，各個(gè)觀察點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)較大；在此基礎(chǔ)上，以47.0 Hz頻率為例，以車(chē)體中部3號(hào)觀察點(diǎn)為響應(yīng)輸出，進(jìn)行板件聲學(xué)貢獻(xiàn)度分析，找出貢獻(xiàn)度大的板件，通過(guò)增加厚度改變板件結(jié)構(gòu)，從而降低該點(diǎn)處的噪聲。

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（編輯 武曉英）