超高速列车车内噪声预测仿真

摘　要 本文以我国500　km/h超高速列车转向架区域车内噪声为研究对象，基于混合有限元与统计能量分析（FE-SEA）方法建立其车内噪声混合预测模型。并将其车内噪声仿真预测计算结果与现场实测结果进行对比，验证了该混合预测模型的有效性。

关键词 超高速列车；车内噪声；混合FE-SEA方法

中图分类号 U260 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）121-0186-02

随着我国高速铁路的飞速发展，列车的运行速度不断地提高，车内外噪声也随之不断地提高。高速列车车外噪声主要是对高速铁路沿线环境造成污染，而车内噪声则主要影响着车内司乘人员的乘坐舒适性。过高的车内噪声，会造成驾驶员迅速疲劳，对车辆行驶安全性构成极大的威胁；振动噪声能够会引起列车某些部件的疲劳损坏，降低列车的使用寿命　。

1 噪音的来源

高速列车噪声问题可分为车外噪声和车内噪声两个方面，如图1所示。

1.1 列车噪音源及传播途径

高速列车车外噪声主要包括轮轨噪声、气动噪声、弓网噪声和高架结构二次辐射噪声四大类。高速列车车内声场声源众多，大致可分为三种类型：直达声、透射声和振动辐射声。

三种声源类型传播方式如下：直达声通过空气传播到室内；透射声先通过空气传播到车体，继而透过车体结构材料，传到车内的声音；各种振动激励源通过车体结构将振动能量传递至车厢，进而激发车厢结构振动，产生辐射声。因此，高速列车车内噪声来源可归为空气传播声和结构传播声两种。

1.2 降低噪音的策略

在了解了噪音的传播途径后，我们制定降低车内噪音的方案。根据现有相关噪声设计规范或标准限值确定车内噪声的目标值；结合高速列车设计结构和车内噪声声源特性，确定车内噪声敏感部位；针对具体的声源和其传播特性，提出低噪声设计方案；结合现场测试数据和建立的仿真预测模型，与车内噪声控制目标值比较，对低噪声设计方案作出预测评估；形成闭环回路，调整低噪声设计方案，直至满足相关要求，如图2。

2 混合FE-SEA方法

有限元（FE）方法和统计能量分析（SEA）方法是计算复杂系统振动声学耦合问题常用的两种方法。传统的有限元（FE）方法和统计能量分析（SEA）方法都具有一定的局限性。为了更好的解决此问题，P.J.Shorter和R.S.Langley提出了一种求解复杂系统振动声学中频耦合问题的方法，即混合FE-SEA方法。

3 车内噪音混合预测模型

3.1 子系统划分

基于混合FE-SEA方法，利用声振分析软件VA　One建立其车内噪声混合预测模型。车体结构用平面板和单曲面板子系统模拟：车体结构沿车体横向划分为左右对称的两个部分，沿车体纵向划分为3个区段；车内外空气流体介质用三维声腔子系统模拟；车内声腔依照车体结构子系统的划分形式，沿车体横向划分为左右对称的两个部分，沿车体纵向划分为3个区段，并沿车体垂向进一步划分为上、中、下三层；车外声腔的划分要兼顾地板、侧墙、顶板等子系统。

3.2 车体结构的隔声参数

3.2.1 地板的传递损失

地板结构由内外两层地板组成，外地板为中空铝型材，内地板为木地板，内外地板之间的空气间隔厚度约为50　mm。根据地板结构，建立地板结构子模型，用以计算地板结构的传递损失。根据外地板和内地板的隔声频谱，将其分别加入外地板和内地板的面连接中。地板结构的传递损失计算结果见图3。

3.2.2 侧墙的传递损失

侧墙结构由外侧墙和内饰板两层组成，外侧墙为中空铝型材，内饰板为玻璃钢，中间的空气间隔厚度为50　mm。根据侧墙结构，建立侧墙结构子模型，用以计算侧墙结构的传递损失。根据外侧墙和内饰板的隔声频谱，将其分别加入外侧墙和内饰板的面连接中。侧墙结构的传递损失计算结果见图4。

3.2.3 顶板的传递损失

顶板结构由外顶板和内饰板两层组成，外顶板为中空铝型材，内饰板为玻璃钢，中间的空气间隔厚度为100　mm。根据顶板结构建立顶板结构子模型，用以计算顶板结构的传递损失。根据外顶板和内饰板的隔声频谱将其分别加入外顶板和内饰板的面连接中。顶板结构的传递损失计算结果见图5。

3.3 激励载荷

3.3.1 噪声激励载荷

噪声激励载荷包括：车下转向架区域的噪声激励载荷，以约束的方式加载在车下相应位置的声腔上，车下转向架区域噪声激励载荷采用在400　km/h匀速运行状态下现场测试而得的声压频谱，见图6；车体两侧的噪声激励载荷，以散射声场的方式加载在车体两侧相应位置声腔的外表面上；顶板上方受电弓区域的噪声激励载荷，采用供货方提供的数据以自定义声功率的方式加载在顶板上方相应位置的车外声腔上。

3.3.2 振动激励载荷

车体结构的振动激励载荷包括：地板的振动激励载荷；侧墙的振动激励载荷；顶板的振动激励载荷。车体结构的振动激励载荷以约束的方式加载在车体结构相应位置的板件上。车体结构的振动激励载荷在400　km/h匀速运行状态下现场测试而得的加速度频谱，见图7。

3.4 混合模型预测验证

将在400　km/h匀速运行状态下的转向架区域车内噪声现场测试结果与仿真预测计算结果进行对比分析，以验证本混合预测模型的有效性，见图8。由图可见，仿真预测计算结果与实测结果的声压频谱特征分布基本一致，具有显著的中低频特性，能体现超高速列车车内噪声的整体特性。二者的总声压级误差约为1　dB，仿真预测计算结果能够很好地满足工程精度要求，因此本文所建立的超高速列车转向架区域车内噪声混合预测模型是有效的。

4 结论

车内噪声仿真预测计算结果与现场实测结果的声压频谱特征分布基本一致，具有显著的中低频特性，能体现超高速列车车内噪声的整体特性。二者的总声压级误差约为1　dB左右，仿真预测计算结果能够很好地满足工程精度要求，因此本文所建立的超高速列车转向架区域车内噪声混合预测模型是有效的。

参考文献

[1]冀娜.噪声对人体的危害与防护控制技术[J].中国卫生工程学，2008，7（3）：182.

[2]高军.高速铁路的噪声控制方法研究[J].铁道运输与经济，2006，28（7）：83-84.