朱程,鄭天銳,徐力,金鑫,湯學軍,周勁松

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司技術中心,南京 210031; 2.同濟大學,鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804)

高速列車在運行過程中,受氣流擾動的影響會向周邊空間進行聲輻射,不僅影響車內乘坐的舒適性,而且對軌道線路周邊的環(huán)境形成噪聲污染,因此開展對車輛的聲學特性研究具有重要意義。

針對列車的氣動聲學研究,劉翰林等[1]基于大渦模擬和FW-H(Fowcs-Williams-Hawkings)方程,研究了運行速度與各部件偶極子聲源能量占比的相關性,并獲取轉向架區(qū)域的噪聲貢獻主體頻段。王毅剛等[2]利用轉向架區(qū)域以偶極子聲源為主的聲源特征,將氣動聲源等效為無數(shù)個球形聲源的集合,建立高速列車偶極子聲源識別方法,分析了流場產生聲源的本質。趙萌等[3]利用渦模擬方法對非定常流場中的受電弓作業(yè)姿態(tài)進行分析,發(fā)現(xiàn)滑板區(qū)域和底座區(qū)域在受電弓開口和閉口時受到的干擾程度最嚴重。朱程等[4]基于標準湍流模型,對車輛不同噪聲源產生的氣動噪聲頻譜特性進行了分析,發(fā)現(xiàn)車體和轉向架噪聲主頻在400～1 250 Hz,而受電弓主頻出現(xiàn)在500 Hz。朱劍月等[5]基于聲類比方法分析了平行凹坑對轉向架區(qū)域流場的影響,并通過風洞測試發(fā)現(xiàn)在列車排障器底部后端設置凹坑可抑制轉向架區(qū)域流場剪切層的生長和發(fā)展。Li等[6]聲學模擬方法,研究了高速列車前車的氣流氣動噪聲行為,發(fā)現(xiàn)在前車周圍形成的湍流具有與幾何結構分離的多尺度渦流的特征。Li 等[7]采用分離渦模擬方法對列車的非定常流動進行了數(shù)值模擬和風洞實驗,提出一種預測列車氣動噪聲的逐步計算方法,實現(xiàn)利用聲源預測了列車的遠場總噪聲。

以上研究結果對列車不同區(qū)域的氣動特性開展了研究,但是關鍵部件對整車的聲輻射特性研究工作開展得相對較少,因此基于氣動仿真模擬方法,建立車輛氣動噪聲模型,對車輛不同區(qū)域的頻譜特性進行分析,為后續(xù)研究提供一定參考。

1 有限元-無限元法原理

針對結構在聲場全域的聲輻射模擬,將其遠場離散為無限元域,近場離散為有限元域,利用無限元邊界面實現(xiàn)近場和遠場的劃分(圖1)。其中有限元域的聲模擬通過有限元法實現(xiàn),無限元域利用無限單元法[8-9]進行聲模擬,通過定義虛擬節(jié)點提高模型的精準性。

圖1 聲輻射模擬

利用聲壓對頻域Lighthill方程進行描述為

(1)

式(1)在有限域內變分和離散后的聲場方程為

(2)

對于無限區(qū)域假設其為無窮大的“有限”單元,得到無限區(qū)域的聲場方程為

(3)

將式(2)與式(3)聯(lián)合推導可知,全域的聲場方程為

(4)

軌道車輛的運行環(huán)境較空曠,氣動噪聲輻射主要來自地面,因此將列車的外聲場模擬為半無限大的自由聲場,地面默認為全反射剛性面,建立半橢球形的有限元-無限元聲場,如圖2所示。

圖2 有限元-無限元聲場

2 建立列車聲場模型

2.1 建立車輛模型

基于某型動車組建立包含車輛的有限元模型,其外聲場由有限元域、剛性邊界面及無限元邊界面三部分組成,其中車輛底部的地面設置為全反射的剛性面,考慮到車輛的實際幾何輪廓與矩形接近,因此無限元邊界面采用六面體進行包絡建模,具體的聲場模型如圖3所示。

圖3 車輛的聲場模型

2.2 設置監(jiān)測面和監(jiān)測點

根據(jù)標準GB/T 5111—2011《聲學 軌道機車車輛發(fā)射噪聲測量》和ISO 3095—2005《Acoustics-Railway Applications-Measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles》,建立車輛外場的聲輻射監(jiān)測面,探究運行速度在300 km/h時車輛的氣動頻響特性。由圖4可知,在距離車輛軌道中心線的橫向0、7.5 m和25 m處,分別對頭車、尾車和中間車(帶受電弓)設置聲輻射監(jiān)測面。

圖4 車輛場外的噪聲監(jiān)測面分布

針對車輛近場關鍵區(qū)域的聲壓級,采用有限元節(jié)點作為監(jiān)測點,進行流場參數(shù)的收集和評估。針對轉向架區(qū)域,監(jiān)測點設置在軌面上方0.5 m處的轉向架中心處,每個轉向架處有1個監(jiān)測點,共計6個監(jiān)測點;考慮到受電弓區(qū)域結構復雜,因此在受電弓的前后側和碳滑板處共設置7個監(jiān)測點;在車頭和車尾的鼻尖區(qū)域(鼻尖處、距遮流板處0.1 m處、司機室玻璃下方處)各設置3個監(jiān)測點(圖5)。

圖5 車輛近場區(qū)域的監(jiān)測點分布

3 車輛聲輻射的頻響分析

3.1 直接頻響分析理論

直接頻響分析作為一種在特定頻率區(qū)段內對外荷載響應進行過程描述的方法[10],其本質對輸入點(外荷載)和輸出點(應力、位移等)的相關性進行耦合分析,其運動方程為

[-ω2M+iωB+K]u(ω)=P(ω)

(5)

式中:ω為聲場頻率;i為動力學系數(shù);M為剛度矩陣;K為剛度矩陣;B為結構阻尼矩陣;u為聲壓向量;P為外部激勵。

3.2 頭車區(qū)域的聲場頻響分析

頭車區(qū)域的流場分布如圖6所示。當頻率在50、100及300 Hz時,車輛外流場在車體頂部平滑區(qū)域的聲輻射較小,而在車體鼻尖和轉向架區(qū)域的聲壓級較大,其中鼻尖前方區(qū)域的聲壓級較大,而聲輻射的區(qū)域較小。通過2個轉向架的對比發(fā)現(xiàn),車頭下方轉向架的聲壓級比后方的轉向架區(qū)域大,主要分布在車輪和空簧位置處。當頻率為600 Hz時,車輛前端和上部區(qū)域的聲壓級較均勻且水平較低,而在轉向架區(qū)域雖然聲壓級和輻射范圍均相對低頻時降低,但仍是主要噪聲區(qū)域。

圖6 縱向中心面的聲壓級分布

3.3 中間車區(qū)域的聲場頻響分析

中間車區(qū)域(車體和受電弓)的流場分布如圖7所示。當頻率為50 Hz時,受電弓區(qū)域的聲壓級水平很高,尤其在碳滑板和底架處尤為明顯,其次在轉向架區(qū)域的聲輻射能力也較大。當頻率提高到100 Hz和300 Hz時,受電弓和轉向架區(qū)域的聲輻射范圍大幅降低,且能量也有顯著的衰減,車體上方的聲壓級分布相對低頻時更加均勻。因此中間車區(qū)域的受電弓與轉向架在低頻區(qū)段能量較大,而在高頻區(qū)段能量較小。

圖7 中間車區(qū)域聲壓級云圖

3.4 尾車區(qū)域聲場頻響分析

尾車區(qū)域(車體和轉向架)的流場分布如圖8所示。當頻率為50 Hz和100 Hz時,車輛外流場的較大聲壓級主要集中在尾部鼻尖、前部車體凸起處(安裝空調外機)和尾部轉向架處。其中尾部轉向架的聲壓級的水平和輻射范圍比前部轉向架大。在車尾后方較大區(qū)域內,聲壓級水平和聲輻射范圍都很大,存在明顯的流場影響。當頻率提高到600 Hz時,車輛外部流場的聲壓級總體分布均勻,且聲壓級的水平較低。該頻率下的轉向架區(qū)域和尾部鼻尖處的聲輻射范圍都顯著減小。

圖8 車尾聲壓級云圖

4 車輛監(jiān)測點和監(jiān)測面的頻譜分析

4.1 車輛監(jiān)測面

結合第3節(jié)分析發(fā)現(xiàn),在低頻區(qū)段時車輛近場的聲壓級水平較高,為分析其遠場監(jiān)測面的聲壓分布情況,對不同監(jiān)測面進行對比評估(圖9),發(fā)現(xiàn)頭車、中間車和尾車在各頻率成分下,其7.5 m處的監(jiān)測面聲壓級均比25 m處的監(jiān)測面聲壓級大,且隨著頻率的增加,聲壓級都呈下降的趨勢。其中頭車在7.5 m和25 m處監(jiān)測面的聲壓級最大,為149.6 dB,其次為尾車、中間車。

圖9 不同監(jiān)測面的聲壓級

4.2 車輛監(jiān)測點

4.2.1 頭車和尾車區(qū)域

列車頭車和尾車的結構相同,針對其相同位置進行對比。由于列車頭部的遮流板處結構存在凹面,加劇了氣流在此處的湍化程度,因此圖10中頭、尾車的該處監(jiān)測點C3、C6在400～1 000 Hz區(qū)段能量較高,總聲壓級分別為124.8 dB和132.5 dB?？紤]到尾車運行時尾部鈍體的擾流作用,因此C6處相對C3處在150 Hz內的低頻區(qū)段聲壓級更大。鼻尖處監(jiān)測點(C2、C5)和鼻尖上方監(jiān)測點(C1、C4)處的車輛結構相對平滑,因此其聲壓級相比遮流板處較小,在尾車區(qū)域尤為明顯。

圖10 車頭和車尾區(qū)域的監(jiān)測點聲壓級

4.2.2 轉向架區(qū)域

監(jiān)測點Z1和Z6所在的轉向架分別位于頭車和尾車的端部,由于受到較大紊亂氣流的影響,相對其他位置處的轉向架,其總聲壓級最大,分別為127.7 dB 和122 dB。監(jiān)測點Z2、Z3和Z5所在的列車中間區(qū)域氣流較穩(wěn)定,擾動較少,因此其監(jiān)測點的總聲壓級均在115～119 dB的范圍內,總體水平較低、相差較小,在頻域的分布也相似,如圖11所示。

圖11 轉向架區(qū)域監(jiān)測點的聲壓級

由圖12可知,監(jiān)測點Z4所在位置上方安裝了受電弓,列車運行過程中受電弓處的復雜結構對氣流的擾動較大,因此監(jiān)測點Z4處受到受電弓區(qū)域的氣流影響,其總聲壓級為123.35 dB,且其頻譜分布存在較為明顯的峰值,在高頻區(qū)段的能量較大,分布頻域較寬。

圖12 轉向架區(qū)域的監(jiān)測點聲壓級

4.2.3 受電弓區(qū)域

受電弓在工作狀態(tài)下為升起狀態(tài),會引起該區(qū)域的氣流紊亂,因此該區(qū)域是車輛頂部的主要氣動聲源。其中受電弓最高處的碳滑板受氣流影響最大,由圖13可知該位置監(jiān)測點S3在低頻區(qū)段的能量幅值較大。監(jiān)測點S4和S1分別位于受電弓上下臂連接處和導流罩處,該兩處的聲壓級相差較小,但監(jiān)測點S1的聲壓級在高頻區(qū)段呈增長趨勢。

圖13 受電弓區(qū)域監(jiān)測點的聲壓級

受電弓底座的監(jiān)測點S6和S7相對軌道中心線呈左右對稱分布,兩個監(jiān)測點的聲壓級分別為138.28 dB和149.99 dB,其差異原因是底座的絕緣設備分布不對稱,因此受電弓區(qū)域容易受渦流影響,且子部件的布局對氣動聲壓級的影響較大。

5 結論

通過對車輛開展氣動聲學特性研究,探究了車輛不同區(qū)域的聲輻射影響,得到如下結論。

(1)頭車和尾車區(qū)域的車體頂部平滑區(qū)域在低頻區(qū)段的聲輻射較小(60～75 dB),而在鼻尖和轉向架區(qū)域的聲壓級較大(110～140 dB),其中鼻尖前方區(qū)域的聲壓級最大為153 dB,在高頻區(qū)段時車輛整體聲壓級較均勻且水平較低。

(2)中間車區(qū)域在低頻區(qū)段時受電弓區(qū)域的聲壓級最大為158 dB,尤其在碳滑板和底架處尤為明顯,其次在轉向架區(qū)域的聲輻射能力較大(最大聲壓級125 dB)。當頻率提高時,受電弓和轉向架區(qū)域的聲輻射能量和范圍隨著頻率增大呈降低趨勢。

(3)頭、尾車在遮流板的總聲壓級水平最高,分別為124.8 dB和132.5 dB,鼻尖處監(jiān)測點和鼻尖上方監(jiān)測點處的車輛結構相對平滑,因此其聲壓級相比遮流板處較小,在尾車區(qū)域尤為明顯。

(4)頭車和尾車的端部轉向架區(qū)域處總聲壓級最大,分別為127.7 dB 和122 dB,位于列車中間區(qū)域的轉向架氣流較穩(wěn)定,總體水平較低。受電弓區(qū)域在低頻區(qū)段的能量幅值較大,其子部件的布局對氣動聲壓級的影響較大。