軌道車輛車內(nèi)聲場(chǎng)仿真及聲品質(zhì)優(yōu)化

扈 凱，王巖松

（上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海201620）

軌道車輛車內(nèi)聲場(chǎng)仿真及聲品質(zhì)優(yōu)化

扈 凱，王巖松

（上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海201620）

以上海軌道交通九號(hào)線為例，對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)量車廂結(jié)構(gòu)參數(shù)并建立有限元模型，采用Actran軟件進(jìn)行聲學(xué)仿真，并使用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和特征響度兩個(gè)主要的聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)參量驗(yàn)證仿真的結(jié)果，隨后提出聲品質(zhì)優(yōu)化方案，使車內(nèi)聲壓級(jí)降低5 dB，特征響度總體下降，總響度值降低1.26 sone，對(duì)提高車內(nèi)聲品質(zhì)和改善車內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境具有一定的參考價(jià)值。

聲學(xué)；軌道車輛；車內(nèi)聲場(chǎng)；Actran仿真；聲品質(zhì)優(yōu)化

另一方面，在聲學(xué)仿真方面，有限元方法、無(wú)限元方法、統(tǒng)計(jì)能量分析等數(shù)值計(jì)算方法和仿真技術(shù)被廣泛運(yùn)用在各個(gè)行業(yè)[2]，成為了解決噪聲問(wèn)題的有效手段。

本文采用有限元方法以A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和特征響度兩個(gè)聲品質(zhì)參量對(duì)軌道車輛車廂內(nèi)聲場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)和仿真研究，以上海地鐵九號(hào)線車廂為研究對(duì)象，用丹麥B&K公司的Pluse多通道聲學(xué)測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行噪聲采集，同時(shí)，測(cè)量了車廂的三維空間坐標(biāo)進(jìn)行建模，用聲學(xué)軟件Actran進(jìn)行仿真分析并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 噪聲數(shù)據(jù)采集及分析

1.1 噪聲數(shù)據(jù)采集

以上海地鐵九號(hào)線AC04型車輛車廂為研究對(duì)象，列車為6節(jié)編組，測(cè)試時(shí)風(fēng)速小于5.5 m/s，測(cè)試路段為直線。車廂長(zhǎng)寬高分別是21.54 m、2.81 m、2.056 m，車廂內(nèi)部未作任何吸聲處理。測(cè)量設(shè)備采用丹麥B&K公司的Pulse聲音數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。采樣頻率設(shè)置為44 100 Hz，將采集到的噪聲信號(hào)做頻程濾波處理，并將所有原信號(hào)和濾波信號(hào)存入計(jì)算機(jī)中以備后續(xù)處理。試驗(yàn)選取中間車廂中部的兩個(gè)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量5次，采樣的平均時(shí)間為15 s。經(jīng)作者試聽后選取環(huán)境干擾較小的一個(gè)噪聲樣本進(jìn)行分析，傳聲器高度設(shè)置為1.1 m，測(cè)量工況為軌道車輛在地下隧道以時(shí)速60 km/h運(yùn)行。車廂結(jié)構(gòu)布置及測(cè)點(diǎn)如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

1.2 噪聲數(shù)據(jù)分析

將采集到的噪聲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為*.mat格式導(dǎo)入Matlab軟件中，編程并計(jì)算噪聲數(shù)據(jù)的有效聲壓級(jí)，根據(jù)聲能量疊加的公式，得到不同測(cè)點(diǎn)噪聲樣本的總聲壓級(jí)，如表1所示。

表1 兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的總聲壓級(jí)

由表1可以看出，測(cè)點(diǎn)2的總聲壓級(jí)比測(cè)點(diǎn)1的總聲壓級(jí)大0.4 dB，其主要原因可能是由于測(cè)試時(shí)背景噪聲不同和作者在數(shù)據(jù)篩選時(shí)存在隨機(jī)誤差導(dǎo)致。

將采集的噪聲數(shù)據(jù)導(dǎo)入Pulse軟件中進(jìn)行1/3倍頻程下的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜分析，如圖2所示。

由圖2可知，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的總聲壓級(jí)相差不大，由于車廂內(nèi)部噪聲以中低頻噪聲為主，而1/3倍頻程下的A聲級(jí)計(jì)權(quán)主要對(duì)500 Hz以下的中低頻噪聲進(jìn)行衰減[3]，從而可以較好地模擬人耳特性，因此，對(duì)車廂內(nèi)部噪聲數(shù)據(jù)的各個(gè)頻率上進(jìn)行A計(jì)權(quán)處理，以方便觀察其噪聲能量分布。

2 仿真分析及模型驗(yàn)證

2.1 模型建立

在UG軟件中建立車廂的三維模型，如圖3所示。將CAD模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，去除對(duì)車廂內(nèi)聲場(chǎng)影響不大的桿類部件并導(dǎo)入Hyper Mesh軟件中，按照聲學(xué)網(wǎng)格每波長(zhǎng)至少六個(gè)單元的計(jì)算要求進(jìn)行網(wǎng)格繪制[4]。設(shè)定網(wǎng)格尺寸為70 mm，共生成節(jié)點(diǎn)數(shù)385 856個(gè)，單元數(shù)2 241 322個(gè)，得到軌道車輛車廂有限元模型如圖4所示。

圖2 兩個(gè)測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)曲線

圖3 車廂UG模型

圖4 車廂有限元模型

2.2 Actran的仿真分析

Actran是基于有限元法和無(wú)限元法的聲學(xué)計(jì)算軟件，能夠研究產(chǎn)品的聲學(xué)、振動(dòng)聲學(xué)或氣動(dòng)聲學(xué)性能。Actran獨(dú)有頻率響應(yīng)函數(shù)Krylov解算器可大幅提高計(jì)算效率，尤其適用于聲輻射、聲傳播分析。

在Actran仿真軟件中，將在HyperMesh中構(gòu)建完成的有限元模型以*.bdf的格式導(dǎo)入，采用直接頻率響應(yīng)分析，分析的頻率范圍為20 Hz～400 Hz，步長(zhǎng)1 Hz。由于軌道車輛運(yùn)行過(guò)程中，車廂內(nèi)噪聲的主要噪聲源為輪軌噪聲和電器設(shè)備噪聲[5]，因此，在軟件中的輪軌處和車廂頂部分別設(shè)置一個(gè)線聲源來(lái)模擬輪軌噪聲和空調(diào)噪聲，均給予適當(dāng)大小的激勵(lì)，同時(shí)，對(duì)車廂體、車門、窗戶等分別定義材料屬性。

由于軟件只能對(duì)固定聲源的情況進(jìn)行仿真分析，所以，我們將試驗(yàn)所測(cè)點(diǎn)的瞬間樣本數(shù)據(jù)與Actran中相同測(cè)點(diǎn)位置的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以此來(lái)驗(yàn)證模型的正確性。

通過(guò)Actran軟件處理后得到試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比值如圖5所示，其中（a）為聲壓級(jí)對(duì)比曲線，圖（b）為特征響度的對(duì)比曲線。

圖5 仿真與試驗(yàn)的聲壓級(jí)和特征響度對(duì)比曲線

由圖5可知，仿真結(jié)果與真實(shí)值存在一定的誤差，原因是只實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪軌噪聲和空調(diào)設(shè)備噪聲的仿真，對(duì)于車內(nèi)聲場(chǎng)受到的風(fēng)激勵(lì)噪聲在仿真中并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，列車運(yùn)行過(guò)程中也受到復(fù)雜多變的環(huán)境因素的影響。但是兩者整體變化趨勢(shì)一致，誤差范圍也在可接受范圍之內(nèi)，總體來(lái)說(shuō)仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)基本符合，從而可以證明模型建立和聲源定義是正確的。

3 仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)《城市軌道交通列車噪聲限值和測(cè)量方法》的規(guī)定[6]，城市軌道交通系統(tǒng)中地鐵和輕軌車輛客室內(nèi)噪聲等效A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最大允許值見表2。

表2 地鐵和輕軌車輛等效聲級(jí)的最大允許限值

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，軌道車輛在運(yùn)行過(guò)程中噪聲長(zhǎng)期處于75 dB以上。如果人長(zhǎng)期處于超過(guò)70 dB的環(huán)境中，就會(huì)對(duì)身體健康產(chǎn)生危害，表現(xiàn)為心煩意亂、頭昏、神經(jīng)衰弱等[7]，大大降低了軌道交通的乘坐舒適性。

造成車廂內(nèi)部聲品質(zhì)差的主要原因是車廂在制造過(guò)程中并未采取任何降噪措施，車廂的制作材料多為鋁合金，車內(nèi)座椅主要由高密度聚乙烯塑料或鋁合金制成，窗戶的材料則是普通玻璃，這些材料都是堅(jiān)硬光滑的反射面，使得車廂內(nèi)的混響噪聲較大。同時(shí)，車體、門窗、車廂連接處的密封性不好，噪聲通過(guò)縫隙傳入車內(nèi)，使噪音進(jìn)一步加大，嚴(yán)重影響了車內(nèi)的聲品質(zhì)。

為改善車廂內(nèi)部聲場(chǎng)環(huán)境、提高聲品質(zhì)，可以對(duì)車廂內(nèi)進(jìn)行吸聲處理，將車廂兩側(cè)內(nèi)壁噴涂了聚酯纖維吸聲材料，其各頻帶吸聲系數(shù)如表3所示，并根據(jù)材料屬性在軟件中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。最后，對(duì)比已做吸聲處理與未做吸聲處理的車廂內(nèi)聲壓級(jí)、1/3倍頻程下的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、特征響度和總響度，分別如圖6（a）（b）（c）所示。

表3 各頻率吸聲系數(shù)

由圖（a）可知，經(jīng)過(guò)吸聲處理后，車內(nèi)聲壓級(jí)有所降低，整體趨勢(shì)和波動(dòng)程度變化不大，圖（b）中噪聲數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A計(jì)權(quán)處理之后聲壓級(jí)下降趨勢(shì)更加明顯直觀，各頻帶聲壓級(jí)降低了4 dB～6 dB，總聲壓級(jí)約降低了5 dB，圖（c）中各bark域尤其是中低頻帶的特征響度有所降低，總響度值降低了1.26 song。

通過(guò)數(shù)據(jù)可以直觀地看出，經(jīng)過(guò)吸聲處理，車廂內(nèi)聲場(chǎng)聲壓級(jí)總體下降，證明吸聲材料有較好的降噪效果，車內(nèi)聲品質(zhì)有所改善，提高了軌道車輛的乘坐舒適性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以上海地鐵九號(hào)線為例，使用聲學(xué)軟件Actran對(duì)軌道車輛車廂內(nèi)部聲場(chǎng)進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了模型的正確性。同時(shí)，提出了在車廂內(nèi)部噴涂聚酯纖維吸聲材料的車內(nèi)聲品質(zhì)優(yōu)化方案，并在Actran中進(jìn)行仿真，取得了較好的優(yōu)化效果，將車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)降低了5 dB左右，特征響度總體下降，總響度值降低1.26 sone，改善了車內(nèi)聲品質(zhì)，減少了噪聲對(duì)車內(nèi)乘客的不良影響，對(duì)進(jìn)一步改善車內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境有一定的參考價(jià)值。

圖6 聲學(xué)處理前后聲壓級(jí)和特征響度的對(duì)比曲線

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Interior Sound Field Simulation and Sound Quality Optim ization of Metro Vehicles

HU Kai,WANG Yan-song

（Automotive Engineering College,Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620,China）

The interior noise and the structural parameters of vehicles in Shanghai Metro 9 are measured.The finite element model of the vehicles is established.Then,the Actran software is used for acoustical simulation.The accuracy of the simulation results are verified by using two major objective evaluation parameters of sound quality:A-weighted sound pressure level(SPL)and specific loudness.Finally,a sound quality optim ization scheme is put forward and performed.The results show that the SPL of the interior noise of vehicles can be reduced by 5 dB and the specific loudness can be reduced by 1.26 sone.The proposed scheme is effective for improving interior acoustic environment and has some significance for improving the interior sound quality of vehicles.

acoustics;railway vehicles;interior sound field;Actran simulation;sound quality optim ization

1006-1355(2014)04-0174-04

U270.1+.6文獻(xiàn)識(shí)別碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.038

近年來(lái)，城市軌道車輛發(fā)展迅速，采取有效的措施降低車內(nèi)噪聲、提高聲品質(zhì)已經(jīng)成為學(xué)者普遍關(guān)注的問(wèn)題。

為改善車內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境，地鐵設(shè)計(jì)制造人員采取了各種措施，例如日本使用橡膠充氣車輪取代普通車輪，德國(guó)把制動(dòng)盤放在輪心上來(lái)降低噪聲。但由于材料和結(jié)構(gòu)的限制，這些措施的降噪效果并不理想[1]。

2013-10-25

國(guó)家自然科學(xué)基金（51175320）；上海高校特聘教授（東方學(xué)者）跟蹤計(jì)劃

扈 凱（1990-），男，山東濰坊人，碩士研究生，目前從事車輛NVH測(cè)控技術(shù)研究。

E-mail:hukai0628@163.com

王巖松（1971-），男，教授，碩士生導(dǎo)師。