CRH5E型臥鋪動(dòng)車組車外噪聲的仿真分析

張德?tīng)I(yíng)　牛牧

摘 要：本文根據(jù)動(dòng)車組車外噪聲指標(biāo)要求，對(duì)CRH5E型動(dòng)車組車外噪聲源進(jìn)行的分析，并通過(guò)RAYNOISE軟件進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)方案評(píng)估。

關(guān)鍵詞：CRH5E型動(dòng)車組；車外噪聲；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.224

1 引言

CRH5E型臥鋪動(dòng)車組車輛車外主要噪聲源主要包括輪軌噪聲、牽引系統(tǒng)噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、輔助設(shè)備噪聲和氣動(dòng)噪聲等。

（1）輪軌滾動(dòng)噪聲是由于車輪、軌道結(jié)構(gòu)鋼軌表面的短波不平順激發(fā)輪軌振動(dòng)通過(guò)空氣傳播而產(chǎn)生的。輪軌表面粗糙度以不平順的方式輸入至輪軌接觸系統(tǒng)。在輪軌接觸斑處，通過(guò)接觸斑濾波作用后，對(duì)系統(tǒng)形成激擾，即輪軌聯(lián)合粗糙度。輪軌聯(lián)合粗糙度進(jìn)而通過(guò)車輪導(dǎo)納、接觸導(dǎo)納和鋼軌導(dǎo)納形成輪軌相互作用力。車輪和鋼軌在輪軌相互作用力激振下會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)，體現(xiàn)為車輪振動(dòng)和鋼軌振動(dòng)，而鋼軌振動(dòng)又將通過(guò)軌下墊層將部分振動(dòng)能量傳遞給軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，引起基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。這些結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量進(jìn)一步通過(guò)空氣介質(zhì)向外傳播，就形成車輪聲輻射、鋼軌聲輻射和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)聲輻射。它們的傳播共同作用于車外空間，形成輪軌滾動(dòng)噪聲的空間聲場(chǎng)響應(yīng)。

（2）牽引噪聲來(lái)源于列車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括牽引電機(jī)、傳動(dòng)裝置和其他發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的噪聲。

（3）集電系統(tǒng)噪聲來(lái)源于弓網(wǎng)系統(tǒng)，包括弓網(wǎng)的氣動(dòng)噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲。

（4）輔助設(shè)備噪聲主要包括變壓器、牽引變流器、輔助變流器、風(fēng)缸廢排等的噪聲。氣動(dòng)噪聲來(lái)源于車身表面空氣動(dòng)力激勵(lì)。這些聲源既可以通過(guò)空氣傳播途徑傳遞至車內(nèi)，也可通過(guò)結(jié)構(gòu)傳播途徑傳遞。

針對(duì)CRH5E型臥鋪動(dòng)車組車輛，考慮輪軌噪聲、牽引系統(tǒng)噪聲、弓網(wǎng)噪聲及輔助設(shè)備噪聲等分布、頻率和源強(qiáng)特性，基于幾何聲學(xué)，使用國(guó)際知名的噪聲預(yù)測(cè)RAYNOISE軟件平臺(tái)，建立全列編組的CRH5E型臥鋪動(dòng)車組車輛車外噪聲預(yù)測(cè)模型。

2 RAYNOISE軟件簡(jiǎn)介

RAYNOISE是比利時(shí)聲學(xué)設(shè)計(jì)公司開(kāi)發(fā)的一種大型聲場(chǎng)模擬軟件系統(tǒng)。其主要功能是對(duì)封閉空間或者敞開(kāi)空間以及半閉空間的各種聲學(xué)行為加以模擬。它能夠較準(zhǔn)確地模擬聲傳播的物理過(guò)程，這包括：鏡面反射、擴(kuò)散反射、墻面和空氣吸收、衍射和透射等現(xiàn)象。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)，工業(yè)噪聲預(yù)測(cè)和控制，鐵路的噪聲估計(jì)等。

2.1 RAYNOISE基本原理及應(yīng)用

它主要以幾何聲學(xué)為理論基礎(chǔ)。幾何聲學(xué)假定聲學(xué)環(huán)境中聲波以聲線的方式向四周傳播。聲線在與介質(zhì)或界面（如墻壁）碰撞后能量會(huì)損失一部分，這樣，在聲場(chǎng)中不同位置聲波的能量累積方式也有所不同。脈沖響應(yīng)的獲得是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。RAYNOISE將圓錐束法（Conical Beam Mehtod，簡(jiǎn)稱CBM）和三棱錐束法（Triangular Beam Method，簡(jiǎn)稱TBM）混合使用作為其計(jì)算聲場(chǎng)脈沖響應(yīng)的核心技術(shù)。

RAYNOISE可以廣泛用于工業(yè)噪聲預(yù)測(cè)和控制，首先要求準(zhǔn)確快速地建立廳堂的三維模型，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到計(jì)算機(jī)模擬的精度。RAYNOISE系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)建模提供了交互界面。用戶既可以直接輸入由AutoCAD或HYPERMESH等產(chǎn)生的三維模型。

建模的主要步驟包括：

（1）啟動(dòng)RAYNOISE；（2）選擇模型；（3）輸入幾何尺寸；

（4）定義各面的材料及性質(zhì)（包括吸聲系數(shù)等）；（5）定義聲源特性；（6）定義接收?qǐng)觯唬?）其它說(shuō)明或定義，如所考慮的聲線根數(shù)、反射級(jí)數(shù)等。

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，可以獲得所關(guān)心的接收?qǐng)鲋心滁c(diǎn)的聲壓級(jí)、A聲級(jí)、回聲圖、和頻率脈沖響應(yīng)函數(shù)等聲學(xué)參量。如果還想知道該點(diǎn)的聽(tīng)音效果，可以先將脈沖響應(yīng)轉(zhuǎn)化為雙耳傳輸函數(shù)，并將其與事先在消聲室錄制好的干信號(hào)相卷積，便可以通過(guò)耳聽(tīng)到該點(diǎn)的聽(tīng)音效果。

2.2 RAYNOISE的特點(diǎn)

RAYNOISE計(jì)算模型所采用的方法為綜合了鏡像聲源法和聲線跟蹤法的混合方法，可在封閉空間、半封閉空間、敞開(kāi)空間內(nèi)進(jìn)行眾多聲學(xué)參數(shù)的計(jì)算。該軟件有如下特點(diǎn)：

（1）計(jì)算模型表面數(shù)量無(wú)限制，因此可以盡可能詳細(xì)、符合實(shí)際地仿真待預(yù)測(cè)聲場(chǎng)的表面形狀；（2）吸聲材料的數(shù)量無(wú)限制，模型有多少表面就可定義多少種吸聲材料；（3）數(shù)據(jù)庫(kù)是開(kāi)放式的，用戶可隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其修改，且可接受為文本文件格式的數(shù)據(jù)文件；（4）基于賽賓吸收的墻壁吸聲仿真計(jì)算；（5）模型中聲源的數(shù)量無(wú)限制，可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)設(shè)定足夠數(shù)量的各種聲源，并可在所定義的聲源中任意選取所需數(shù)量的聲源進(jìn)行計(jì)算；（6）聲像法中的反射階數(shù)及聲線法中的聲線數(shù)皆可自定義等；（7）內(nèi)含各種CAD接口，如AUTOCAD、ANSYS、I-DEARS等；（8）友好的用戶界面；（9）彩色圖或等高線圖輸出。（10）計(jì)算結(jié)果有：聲壓級(jí)、A聲級(jí)、混響時(shí)間、混響半徑、側(cè)向反射率、早期反射聲、清晰度（D50）、明晰度（C80）。在指定計(jì)算點(diǎn)后可得到該計(jì)算點(diǎn)的時(shí)間序列及對(duì)應(yīng)的聲線、該點(diǎn)的頻率響應(yīng)、該點(diǎn)的雙耳脈沖響應(yīng)及主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)聲音文件等。

3 車外噪聲仿真預(yù)測(cè)模型

根據(jù)CRH5E型臥鋪動(dòng)車組車輛參數(shù)和既有線路區(qū)段條件，參考ISO3095相關(guān)參數(shù)設(shè)置，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)下的車輛外部噪聲進(jìn)行仿真計(jì)算。運(yùn)行狀態(tài)下，除考慮輪軌噪聲、弓網(wǎng)噪聲和輔助設(shè)備噪聲等，還加載了氣動(dòng)激勵(lì)。

4 車外運(yùn)行噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果

圖1給出了CRH5E型臥鋪動(dòng)車組車輛以250km/h運(yùn)行時(shí)，車外噪聲的仿真預(yù)測(cè)結(jié)果。

由圖1可見(jiàn)，CRH5E型臥鋪動(dòng)車組車輛以250km/h運(yùn)行時(shí)，距離軌道中心線25m遠(yuǎn)、鋼軌頂面3.5m高測(cè)點(diǎn)等效連續(xù)A聲級(jí)為87.3dB（A），滿足要求的車外噪聲≯90dB（A）的限值。

參考文獻(xiàn)：

[1]CRH系列動(dòng)車組噪聲等評(píng)價(jià)指標(biāo)暫行規(guī)定[S].

[2]GB/T12816《鐵道客車內(nèi)部噪聲限值及測(cè)量方法》[S].