鋁合金地鐵車體內(nèi)部的噪聲預(yù)測(cè)與控制技術(shù)

沈旭奎

摘 ?要：地鐵車體的低噪聲設(shè)計(jì)對(duì)降低車內(nèi)低頻噪聲具有重要意義。為獲得車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別建立了鋁合金地鐵車體的有限元模型和聲固耦合模型。選取車體與轉(zhuǎn)向架的連接點(diǎn)作為激勵(lì)點(diǎn)，模擬預(yù)測(cè)了聲場(chǎng)觀測(cè)平面內(nèi)的聲壓分布和觀測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)譜。通過對(duì)峰值頻率處聲貢獻(xiàn)的分析，得出貢獻(xiàn)最大的面板。最后，根據(jù)貢獻(xiàn)分析結(jié)果，對(duì)頂板和局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使145Hz和195Hz處的聲壓分別降低了9.41dB（A）和8.75dB（A）。因此，本文將主要探討鋁合金地鐵噪聲的預(yù)測(cè)與控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：鋁合金;地鐵車;噪聲預(yù)測(cè);控制技術(shù);

為了達(dá)到輕量化的目的，人們開始采用大型空心鋁型材制造地鐵車結(jié)構(gòu)，這樣會(huì)降低地鐵的剛度，從而影響聲學(xué)特性。結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的車內(nèi)噪聲主要集中在低頻段，而傳統(tǒng)的吸聲降噪措施效果甚微，因此結(jié)構(gòu)的低噪聲設(shè)計(jì)成為最實(shí)用的解決方案。目前，控制車內(nèi)噪聲的常用方法是在生產(chǎn)完成后，對(duì)其車內(nèi)噪聲進(jìn)行測(cè)量，然后采取降噪措施，這增加了設(shè)計(jì)周期，也提高了設(shè)計(jì)成本。因此，在設(shè)計(jì)階段對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化是十分必要的。

1計(jì)算模型

1.1車體有限元模型

枕梁和緩沖梁為鋼結(jié)構(gòu)，整個(gè)車體由不同規(guī)格的空心擠壓鋁型材制成。形成結(jié)構(gòu)的空心擠壓鋁型材壁厚為（2.5-6）mm，屬于空間薄殼零件，因此可以選擇符合薄殼力學(xué)特性的單元來模擬鋁型材結(jié)構(gòu)?？紤]到計(jì)算精度、計(jì)算速度和網(wǎng)格質(zhì)量，選定的單元基本尺寸為80mm。車身的焊縫和鉚接連接可以用剛性連接來模擬，假設(shè)門窗玻璃和車窗之間的連接是剛性連接。鋁合金的彈性模量為（6.9x10）Pa，泊松比為0.33，密度為2700kg/m3。鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量為（2.1x10）Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/ m3。門窗玻璃采用工程玻璃，彈性模量（7.2x10）Pa，泊松比0.22，密度2600kg/ m3。

1.2車體聲固耦合模型

選取聲腔邊界作為耦合邊界建立車體的聲固耦合模型。車體的聲固耦合模型，如圖所示。

二、計(jì)算結(jié)果與分析

2.1車內(nèi)聲場(chǎng)預(yù)測(cè)

在預(yù)測(cè)車體振動(dòng)響應(yīng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)車輛的實(shí)際運(yùn)行工況，測(cè)量軌道的激勵(lì)。然而，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，在分析簡(jiǎn)諧響應(yīng)時(shí)，對(duì)每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)分別施加了垂直、縱向和水平三個(gè)單位的簡(jiǎn)諧力。激振力作用于轉(zhuǎn)向架與車體之間的力。在四個(gè)連接點(diǎn)處，頻率范圍為（20-200）Hz，頻率增量步長(zhǎng)為5 Hz。由于車體可以看作是由轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧支撐，因此進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，可視為自由約束。因此可以看出對(duì)車內(nèi)聲場(chǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)也是非常重要的一個(gè)方面，這對(duì)于整體噪聲的控制來說也是非常重要的一個(gè)方面。

將車體諧波響應(yīng)分析結(jié)果作為聲腔邊界元網(wǎng)格模型的邊界條件，即采用弱耦合方法完成聲場(chǎng)計(jì)算。根據(jù)GB14892《城市軌道交通列車噪聲限值及測(cè)量方法》，平面1.2米處，沿縱軸依次選擇5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)A（C點(diǎn)為縱軸中點(diǎn)）），間隔4米，測(cè)量點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果曲線如上圖所示。結(jié)果表明，在頻率范圍內(nèi)有較大的峰值，在（145～195）Hz的頻率范圍內(nèi)有幾個(gè)峰值;在實(shí)際中，這些頻率點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致車體與噪聲共振之間的發(fā)生，從而導(dǎo)致較大的噪聲。選擇距地面1.2m的平面、各觀測(cè)點(diǎn)所在的橫截面、客艙前后的橫截面作為觀測(cè)平面，計(jì)算145Hz和195Hz的分布云圖。由于客室聲腔對(duì)稱，水平觀測(cè)面聲壓基本對(duì)稱。

2.2板塊聲學(xué)貢獻(xiàn)度分析

按照鋁合金車體的各個(gè)組成模塊的所處區(qū)域，將聲學(xué)邊界元網(wǎng)格劃分為46個(gè)區(qū)域，下圖所示，圖中括號(hào)內(nèi)的編號(hào)為括號(hào)前所標(biāo)面板的對(duì)稱面板。各面板分別為：12個(gè)車窗面板.10個(gè)車門面板、12個(gè)側(cè)墻組件面板.3個(gè)車頂面板、2個(gè)空調(diào)面板、5個(gè)地板面板2個(gè)端墻面板。

為了確定具體的修正區(qū)域，總結(jié)了各頻域聲壓級(jí)曲線峰值頻率處的聲貢獻(xiàn)結(jié)果。從貢獻(xiàn)分析的結(jié)果可以看出，17#中板的剛度與23#中板的剛度不同，因此有必要對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行修改，以提高這兩個(gè)部分的剛度。整個(gè)研究全面實(shí)現(xiàn)了鋁合金車體低頻結(jié)構(gòu)噪聲的預(yù)測(cè)與分析，補(bǔ)充了我國(guó)現(xiàn)有的鐵路車輛噪聲研究成果，拓展了有限元與極限元相結(jié)合預(yù)測(cè)車輛內(nèi)部噪聲的應(yīng)用領(lǐng)域。所有的研究都具有創(chuàng)新性和前瞻性，必將對(duì)降低鋁合金地鐵車體內(nèi)噪聲和車體低噪聲結(jié)構(gòu)起到引領(lǐng)作用。通過對(duì)鋁合金地鐵車體結(jié)構(gòu)特征的提取，建立了車體結(jié)構(gòu)的有限元模型，并進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)性能計(jì)算，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。建立了車體內(nèi)部聲場(chǎng)模型和車體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部聲場(chǎng)的耦合模型。通過研究發(fā)現(xiàn)在實(shí)際操作的過程當(dāng)中這種方式是切實(shí)可行的，但是為了能夠讓實(shí)際應(yīng)用的效果變得更加良好，這就需要相關(guān)的工作人員能夠不斷地加強(qiáng)這方面的研究，積極的采取相應(yīng)的措施。

結(jié)束語

總而言之，對(duì)地鐵車內(nèi)的噪聲預(yù)測(cè)和控制是非常重要的一個(gè)方面，優(yōu)化鋁合金車體斷面，不僅能夠有效地降低成本問題，更重要的是能夠讓人們的生活環(huán)境變得更加良好，從而通過這樣的方式讓噪聲對(duì)環(huán)境的污染降到最低。其次最為重要的一點(diǎn)就是在計(jì)算的過程當(dāng)中所用到的模型和數(shù)據(jù)一定要準(zhǔn)確，只有這樣才能夠保證整體的工作始終處于一個(gè)良好的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)中，更好的推動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)和控制技術(shù)的模擬和應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)軌道車輛行業(yè)噪聲研究技術(shù)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 耿烽，王玉國(guó)，左言言，溫華兵.鋁合金地鐵車內(nèi)噪聲測(cè)試及其響度分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，12（05）：1200-1204.

[2] 呂冬連. 鋁合金地鐵車底架組合式焊接夾具的開發(fā)設(shè)計(jì)[C]. 中國(guó)智能交通協(xié)會(huì).第八屆中國(guó)智能交通年會(huì)論文集.中國(guó)智能交通協(xié)會(huì)：中國(guó)智能交通協(xié)會(huì)，2013：388-392.