地鐵車輛輔助變流器降噪方案的仿真分析

丁　杰， 王永勝， 曾亞平， 鄧創(chuàng)華， 胡昌發(fā)

(1　湘潭大學(xué)　土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖南湘潭 411105；2　株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司　技術(shù)中心， 湖南株洲 412001)

輔助變流器作為地鐵車輛的重要設(shè)備，內(nèi)部集成了逆變模塊、充電機(jī)模塊、變壓器和電抗器等部件，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式進(jìn)行散熱。因缺少裙板的遮擋，產(chǎn)生的噪聲會(huì)直接輻射到車外乘客，也會(huì)以繞射、透射等方式傳播到車內(nèi)乘客[1-3]，因此，輔助變流器的噪聲控制問題引起了人們的關(guān)注。

顏猛等[4]對(duì)某變流器運(yùn)行狀態(tài)的噪聲進(jìn)行測(cè)試，識(shí)別出風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲是變流器的主要噪聲源，通過粘貼吸聲材料和增加導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)降低了變流器的氣動(dòng)噪聲。由于實(shí)際的變流器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行工況多變，噪聲測(cè)試較難全面了解變流器設(shè)備的噪聲源特性，且需要在實(shí)物上進(jìn)行測(cè)試，有必要通過數(shù)值模擬手段在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行噪聲的預(yù)測(cè)與聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)。向陽(yáng)[5]介紹了有限元法、邊界元法、波疊加法、統(tǒng)計(jì)能量分析法和無限元法在結(jié)構(gòu)輻射噪聲預(yù)測(cè)中的發(fā)展歷程、特點(diǎn)、現(xiàn)狀和存在的問題。高春宏等[6]基于統(tǒng)計(jì)能量分析法對(duì)地鐵車輛的噪聲進(jìn)行了預(yù)估，根據(jù)計(jì)算得到的車輛內(nèi)部噪聲聲壓級(jí)找到了車輛噪聲的薄弱環(huán)節(jié)。魏周艷等[7]對(duì)某輔助變流器的噪聲源進(jìn)行分析，簡(jiǎn)單介紹了利用VA One軟件進(jìn)行降噪方案的聲學(xué)仿真和評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

針對(duì)某地鐵車輛輔助變流器進(jìn)行噪聲測(cè)試，利用測(cè)試得到的聲源激勵(lì)進(jìn)行輔助變流器的噪聲仿真，對(duì)比分析了不同降噪方案的降噪效果，試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析方法的可行性。

1　輔助變流器的噪聲測(cè)試

某地鐵車輛輔助變流器額定容量為160 kVA，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可分為高速和低速兩檔，轉(zhuǎn)速分別為2 900,1 450 r/min，整機(jī)的負(fù)載可分為空載、半載和滿載3種。為獲取輔助變流器的噪聲分布特性，在半消室內(nèi)開展了噪聲測(cè)試[8]。為方便起見，將圖1所示的輔助變流器柜體電抗器側(cè)定義為A面，風(fēng)機(jī)側(cè)為B面，逆變模塊側(cè)為C面，出風(fēng)口側(cè)為D面，柜體頂部和底部分別為E面和F面。以A面左下頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別以柜體長(zhǎng)度、寬度和高度方向?yàn)閤軸、y軸和z軸建立坐標(biāo)系。在輔助變流器每個(gè)面與柜體壁板垂直距離1 m處布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，依次編號(hào)為N1～N18，其中N2、N5、N8、N11和N14是A～E面的評(píng)測(cè)點(diǎn)。圖2為輔助變流器的測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

圖1　輔助變流器結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和整機(jī)負(fù)載的不同，可得到工況1(風(fēng)機(jī)低速整機(jī)空載)、工況2(風(fēng)機(jī)低速整機(jī)半載)和工況3(風(fēng)機(jī)高速整機(jī)滿載)。圖3為各噪聲測(cè)點(diǎn)的等效A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯鲚o助變流器在3種工況下的噪聲最大值均出現(xiàn)在F面N18測(cè)點(diǎn)，說明柜體底部出風(fēng)口為最主要噪聲源。E面N13和N14測(cè)點(diǎn)噪聲值相對(duì)較大，說明電抗器進(jìn)風(fēng)口為主要噪聲源。3種工況中，工況1的噪聲最小，工況3的噪聲最大。

圖2　測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖3　各噪聲測(cè)點(diǎn)等效A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)

圖4為各評(píng)測(cè)點(diǎn)在不同工況的聲壓級(jí)1/3倍頻程頻譜?？梢钥闯龉r1和工況2的頻譜在2 500 Hz差異較大，其他頻帶差異很小，工況3的頻譜在160～1 000 Hz頻段高出其他兩種工況10 dB(A)以上。在3種工況下，N2、N5和N8的噪聲相對(duì)較小，N11和N14的噪聲相對(duì)較大，N11在500 Hz以上頻段的噪聲相對(duì)突出，N14在400 Hz以下頻段的噪聲相對(duì)突出。

為確認(rèn)除風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲外其他噪聲源對(duì)整體噪聲的貢獻(xiàn)，選取了工況4(風(fēng)機(jī)停機(jī)整機(jī)空載)、工況5(風(fēng)機(jī)停機(jī)整機(jī)半載)和工況6(風(fēng)機(jī)停機(jī)整機(jī)滿載)。圖5為N11測(cè)點(diǎn)在工況4～工況6下的1/3倍頻程頻譜?？梢钥闯?種工況的頻譜趨勢(shì)基本一致，工況6的噪聲值最大，工況4的噪聲值最小。與圖4對(duì)比可知，工況4～工況6在1.25 kHz以下的聲壓級(jí)明顯低于工況1～工況3，而在1.250～10 kHz頻段與工況1～工況3的頻譜差異較小，總聲壓級(jí)接近，說明1.25 kHz以下風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲為主，1.25 kHz以上的噪聲主要來源于結(jié)構(gòu)輻射噪聲和電磁部件的電磁噪聲等。

圖4　各評(píng)測(cè)點(diǎn)在不同工況的1/3倍頻程頻譜

圖5　N11測(cè)點(diǎn)在工況4～工況6 的1/3倍頻程頻譜

2　輔助變流器的降噪方案

2.1　降噪原則及思路

通過輔助變流器的噪聲測(cè)試及數(shù)據(jù)分析可知，輔助變流器的噪聲源主要有風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲、風(fēng)道內(nèi)的氣動(dòng)噪聲、電磁部件的電磁噪聲和壁板振動(dòng)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲等，這些噪聲通過進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、壁板縫隙、孔洞和壁板等傳播。制定輔助變流器的降噪方案時(shí)應(yīng)遵守以下原則：(1)降噪措施不能影響輔助變流器的通風(fēng)散熱、正常運(yùn)行、操作和維修；(2)降噪材料應(yīng)具有良好的阻燃性能，滿足安全、環(huán)保、工藝、輕量化和性價(jià)比等要求。

降噪思路主要有減弱聲源強(qiáng)度和傳播途徑的減振、吸聲、隔聲處理等[9-10]。目前選擇的風(fēng)機(jī)和變壓器等部件的振動(dòng)噪聲性能已處于較高水平，很難從減弱聲源強(qiáng)度的角度進(jìn)行降噪，因此，主要從以下方面考慮：(1)在風(fēng)道和柜體內(nèi)壁粘貼吸聲材料降低氣動(dòng)噪聲；(2)進(jìn)出風(fēng)口增加消聲結(jié)構(gòu)降低氣動(dòng)噪聲；(3)改善柜體壁板阻尼特性，降低振動(dòng)及其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)輻射噪聲；(4)使用隔聲材料和密封材料改善柜體壁板的隔聲及密封性能，使噪聲盡量少地傳遞到柜體外。

2.2　降噪方案

對(duì)風(fēng)道和柜體壁板進(jìn)行吸聲處理之前，需要選擇吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)。中高頻噪聲宜采用多孔吸聲材料，中低頻噪聲宜采用共振吸聲結(jié)構(gòu)，而微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)具有吸聲頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)[11]。根據(jù)輔助變流器的噪聲源特性，可考慮采用多孔吸聲材料降低中高頻噪聲。為提高中低頻噪聲的吸聲效果，可將吸聲材料厚度增加至50～100 mm，然而受柜體內(nèi)部空間的限制，不便粘貼大于50 mm厚的吸聲材料，因此，可考慮在多孔吸聲材料表面覆蓋一層穿孔率較大厚度較薄的穿孔鋁板來提高中低頻的吸聲效果。

輔助變流器的冷卻空氣在風(fēng)機(jī)抽吸作用下，從柜體頂部的兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口流入，分別流經(jīng)逆變模塊散熱器和電抗器后在底蓋板的2個(gè)進(jìn)風(fēng)口匯合(見圖6a)，然后流向風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，再吹向變壓器，最后由底部出風(fēng)口濾網(wǎng)流出。吸聲材料粘貼部位可以選擇出風(fēng)口頂蓋板、變壓器腔頂蓋板、變壓器腔與出風(fēng)口兩側(cè)面、風(fēng)機(jī)腔頂蓋板、風(fēng)機(jī)腔兩側(cè)面、風(fēng)機(jī)腔安裝面、電抗器進(jìn)風(fēng)口、電抗器腔底部、電抗器腔柜門內(nèi)表面、逆變模塊進(jìn)風(fēng)口、逆變腔底部和底蓋板內(nèi)表面等。為避免底蓋板兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口氣體對(duì)流而產(chǎn)生噪聲，并增加有效吸聲面積，可以在底蓋板和風(fēng)道蓋板之間增加兩塊粘貼20 mm厚吸聲材料的弧形導(dǎo)流板(見圖6b)。為避免氣流直接從出風(fēng)口濾網(wǎng)排出，增加有效吸聲面積，可以在出風(fēng)口濾網(wǎng)上增加由20 mm 厚吸聲材料制作成的消聲結(jié)構(gòu)1(見圖6c)或消聲結(jié)構(gòu)2(見圖6d)。

圖6　風(fēng)道結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

根據(jù)前面的分析可以確定如表1所示的6種降噪方案。

表1　降噪方案的具體措施

3　輔助變流器的噪聲仿真分析及驗(yàn)證

為分析不同降噪方案的效果，可以采用基于統(tǒng)計(jì)能量分析法的仿真方法進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1　理論基礎(chǔ)

統(tǒng)計(jì)能量分析法從時(shí)間平均和空間平均的統(tǒng)計(jì)角度預(yù)測(cè)子系統(tǒng)間的能量流傳遞和各子系統(tǒng)的能量響應(yīng)。具有k個(gè)子系統(tǒng)的能量平衡方程為

(1)

式中Ei、Pi、ni和i分別為第i個(gè)子系統(tǒng)的能量、輸入功率、模態(tài)密度和內(nèi)部損耗因子，nij為兩個(gè)子系統(tǒng)的耦合損耗因子，ninij=njnji。

對(duì)于質(zhì)量為M的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，其速度響應(yīng)平方的空間平均值為=E/M；對(duì)于體積為V的聲腔子系統(tǒng)，其平均聲壓的平方為=ρc2E/V，其中E為子系統(tǒng)能量，ρ為空氣密度，c為聲速。將式(1)中的能量換算成相應(yīng)的速度、位移、加速度和聲壓等，經(jīng)過計(jì)算可以完成噪聲的仿真。

3.2　噪聲仿真建模

采用基于統(tǒng)計(jì)能量分析法的VA One軟件進(jìn)行輔助變流器的噪聲仿真時(shí)，首先在HyperMesh軟件中對(duì)輔助變流器柜體的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略各腔室的器件，不規(guī)則的壁板做規(guī)則化處理，然后在VA One軟件中建立板、梁和聲腔等子系統(tǒng)(見圖7)，并定義相應(yīng)的材料屬性，通過聲泄漏方式設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，再設(shè)置聲源激勵(lì)，利用半無限流場(chǎng)方式定義噪聲評(píng)測(cè)點(diǎn)，最后通過計(jì)算得到相應(yīng)的噪聲仿真結(jié)果。

圖7　聲學(xué)模型子系統(tǒng)示意圖

由于充電模塊腔、控制腔、輸入腔和輸出腔產(chǎn)生的噪聲對(duì)整體噪聲的貢獻(xiàn)較小，仿真模型中主要考慮電抗器腔、逆變腔、風(fēng)機(jī)腔和變壓器腔4處的聲源激勵(lì)。其中風(fēng)機(jī)腔的聲學(xué)激勵(lì)設(shè)置為風(fēng)機(jī)聲功率，數(shù)據(jù)通過半消聲室聲強(qiáng)掃描法測(cè)試獲得(見圖8a)，其他3個(gè)空間的聲學(xué)激勵(lì)設(shè)置為聲壓擴(kuò)散場(chǎng)，其數(shù)值分別通過測(cè)試兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處的聲壓值獲得(見圖8b)。

降噪方案中擬采用帶鋁箔的三聚氰胺棉和TMT-PUF-2028吸聲棉，材料屬性設(shè)置需要定義面密度和吸聲系數(shù)。圖9為兩種吸聲材料在不同厚度時(shí)的吸聲系數(shù)曲線。

3.3　噪聲仿真結(jié)果及對(duì)比分析

圖10為原方案在工況1和工況3下各主要傳遞路徑對(duì)N11測(cè)點(diǎn)噪聲的輸入功率。可以看出：(1)對(duì)N11測(cè)點(diǎn)噪聲傳遞路徑貢獻(xiàn)量較大的主要有出風(fēng)口底板、電抗器腔頂板和逆變腔頂板，說明進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的聲泄漏為測(cè)點(diǎn)噪聲的主要貢獻(xiàn)途徑；(2)工況3的輸入功率大于工況1，各傳遞路徑的貢獻(xiàn)量在200，630 Hz和4 000 Hz 時(shí)出現(xiàn)峰值。

圖8　聲源激勵(lì)

圖9　吸聲材料的吸聲系數(shù)

為了研究材料種類對(duì)降噪效果的影響，圖11(a)為原方案、方案1和方案2的N11測(cè)點(diǎn)聲壓頻譜特性曲線，可以看出粘貼帶鋁箔的三聚氰胺棉和TMT-PUF-2028吸聲棉后測(cè)點(diǎn)各頻率下的噪聲值均有所下降，且TMT-PUF-2028吸聲棉的吸聲效果優(yōu)于帶鋁箔的三聚氰胺棉。為了直觀評(píng)價(jià)更換聲學(xué)材料對(duì)該型輔助變流器降噪效果的影響，以原方案各測(cè)點(diǎn)的有效聲壓級(jí)為參考，得到如圖11(b)所示的各測(cè)點(diǎn)降噪量。可以看出工況3的降噪效果優(yōu)于工況1，這主要與聲源特性和吸聲棉的吸聲特性相關(guān)。從降噪量的大小來看，受吸聲棉影響最明顯的測(cè)點(diǎn)為出風(fēng)口測(cè)點(diǎn)N18，其次為N11測(cè)點(diǎn)。

圖10　各主要傳遞路徑對(duì)N11 測(cè)點(diǎn)噪聲的輸入功率

為了研究不同的聲學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)降噪效果的影響，以原方案各測(cè)點(diǎn)的有效聲壓值為參照，得到方案2～方案6在不同工況下的降噪量，如圖12所示?？梢钥闯龈鹘翟敕桨傅慕翟胄Ч麖膹?qiáng)到弱的順序依次為方案6、方案5、方案3、方案4和方案2，受聲學(xué)結(jié)構(gòu)影響最明顯的測(cè)點(diǎn)為出風(fēng)口測(cè)點(diǎn)N18，其降噪量最大，其次為N11測(cè)點(diǎn)，這與N11測(cè)點(diǎn)靠近N18測(cè)點(diǎn)有較大的關(guān)系。

3.4　試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真方法的可行性，對(duì)表1中的6種方案分別進(jìn)行實(shí)物噪聲測(cè)試，得到如表2所示的各測(cè)點(diǎn)等效A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯龈鞣桨傅慕翟胄Ч判蚺c仿真結(jié)果一致，測(cè)試得到降噪效果與仿真結(jié)果較為接近，說明基于一定測(cè)試數(shù)據(jù)(如聲源激勵(lì)等)的仿真分析手段可以用于指導(dǎo)后續(xù)同類產(chǎn)品的噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4　結(jié)　論

通過對(duì)某地鐵車輛輔助變流器進(jìn)行噪聲測(cè)試及其特性分析，對(duì)不同降噪方案進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

圖11　吸聲材料對(duì)降噪效果的影響

圖12　聲學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)降噪效果的影響

dB(A)

(1)通過噪聲測(cè)試可以確定風(fēng)機(jī)高速整機(jī)滿載工況的噪聲最大，風(fēng)機(jī)低速整機(jī)空載工況的噪聲最小，1 250 Hz以下的噪聲主要為氣動(dòng)噪聲；

(2)增加吸聲材料可以改善降噪效果，且TMT-PUF-2028吸聲棉的吸聲效果要優(yōu)于帶鋁箔的三聚氰胺棉，增加消聲結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流板可以增加有效吸聲面積，進(jìn)一步提高降噪效果；

(3)基于聲學(xué)測(cè)試得到主要聲源激勵(lì)，再利用統(tǒng)計(jì)能量分析法進(jìn)行噪聲仿真的方法能夠較為準(zhǔn)確地模擬輔助變流器的噪聲特性，可為后續(xù)同類產(chǎn)品的噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。