一種高速列車車內(nèi)噪聲分析預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及了一種噪聲預(yù)測(cè)方法，尤其是涉及了軌道交通振動(dòng)與噪聲領(lǐng)域的一種 高速列車車內(nèi)噪聲分析預(yù)測(cè)方法，本發(fā)明可稱為統(tǒng)計(jì)聲學(xué)能量流（SAEF-Statistical Acoustic Energy Flow)方法，基于統(tǒng)計(jì)能量分析技術(shù)提出，在高速列車開發(fā)設(shè)計(jì)階段對(duì)列 車車內(nèi)噪聲進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前我國的高速列車線路覆蓋面積正在逐步擴(kuò)大，在給人們出行提供便利的同時(shí) 也帶來了噪聲問題。高速列車與普通列車的本質(zhì)區(qū)別在于列車運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)環(huán)境發(fā)生 了質(zhì)變，即起主導(dǎo)作用的機(jī)械特性改變?yōu)闅鈩?dòng)特性。隨著車速增加和乘坐舒適性要求的提 高，聲學(xué)設(shè)計(jì)已經(jīng)是高速列車設(shè)計(jì)階段必不可少的元素。若沿用傳統(tǒng)的降噪方法，即等到實(shí) 車搭載試驗(yàn)運(yùn)行后再評(píng)價(jià)噪聲問題再采取各種應(yīng)對(duì)措施，這對(duì)于耗資巨大的高速列車而 言，后期優(yōu)化和生產(chǎn)成本會(huì)進(jìn)一步加大。如果在列車設(shè)計(jì)階段能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)車內(nèi)噪聲水平， 將會(huì)為促進(jìn)高速列車設(shè)計(jì)和制造的短周期化、低成本化和低噪聲化提供參考。
[0003] 對(duì)于高速列車車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)這類大型聲學(xué)問題，目前由于分析頻段的限制而采用 結(jié)構(gòu)一聲親合法(FEA-BEA-Finite Element Analysis-Boundary Element Analysis)、混 合有限元分析一統(tǒng)計(jì)能量分析法(FEA-SEA)、統(tǒng)計(jì)能量分析法(SEA-Statistical Energy Analys i s)三種方法，來分別計(jì)算車內(nèi)低頻、中頻和高頻噪聲。結(jié)合上述三種方法可以較準(zhǔn) 確地進(jìn)行列車車內(nèi)各頻段聲學(xué)預(yù)測(cè)，但是由于各個(gè)方法存在著不足，同時(shí)各個(gè)方法所需的 模型不同，研究效率不高。采用FEA-BEA研究車內(nèi)低頻噪聲時(shí)，由于整備車體的自由度很大， 聲學(xué)模型的自由度隨頻率上升而急劇增大，隨著分析頻域上限提高，求解過程所需的資源 和時(shí)間迅速增加。采用FEA-SEA和SEA研究車內(nèi)中高頻噪聲時(shí)，通常將車身結(jié)構(gòu)鋁型材等效 為平板或曲面子系統(tǒng)時(shí)會(huì)引起板件隔聲量的改變，此外內(nèi)飾件等效為聲學(xué)包裝或吸聲系數(shù) 時(shí)忽略了內(nèi)飾件與白車身之間的約束，這些都會(huì)引起車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)的誤差。另一方面，目前 高速列車車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)研究還沒有完整考慮車外激勵(lì)，研究結(jié)果大多是某單個(gè)聲源的激勵(lì) 結(jié)果。在這種研究背景下，針對(duì)高速列車這種大型的聲學(xué)研究對(duì)象缺少了一種準(zhǔn)確合理的 聲學(xué)預(yù)測(cè)方法，確保車外激勵(lì)的準(zhǔn)確度，在保證預(yù)測(cè)精度的基礎(chǔ)上，減少建模工作量并拓寬 分析頻段，即用盡可能少的分析模型預(yù)測(cè)車內(nèi)全頻段的聲學(xué)響應(yīng)，為高速列車設(shè)計(jì)階段車 內(nèi)噪聲控制提供依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有三種高速列車車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)方法中存在 的分析頻域上限局限性、計(jì)算周期長、計(jì)算量大、計(jì)算流程繁雜、計(jì)算精度不高等問題，提供 了一種高速列車車內(nèi)噪聲分析預(yù)測(cè)方法，以拓寬車內(nèi)噪聲分析頻段，提高計(jì)算效率和預(yù)測(cè) 精度，為列車車內(nèi)噪聲控制提供依據(jù)，能夠縮短高速列車聲學(xué)設(shè)計(jì)周期，降低開發(fā)試驗(yàn)成 本，使列車車內(nèi)噪聲滿足設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下步驟的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示：
[0006] 1)建立高速列車的整備車體模型和白車身結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)能量分析模型，整備車體模型 由白車身有限元模型與列車內(nèi)飾系統(tǒng)有限元模型和牽引傳動(dòng)系統(tǒng)有限元模型相互耦合獲 得；
[0007] 2)對(duì)白車身結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)能量分析模型進(jìn)行簡化，獲得白車身結(jié)構(gòu)簡化統(tǒng)計(jì)能量分析 模型并劃分子系統(tǒng)，將車內(nèi)空間和車外空間分別建立內(nèi)部聲腔統(tǒng)計(jì)能量分析模型和外部聲 腔統(tǒng)計(jì)能量分析模型，并進(jìn)行子系統(tǒng)劃分；
[0008] 3)獲得車身各板件結(jié)構(gòu)的隔聲性能參數(shù)，并將其直接加載到白車身結(jié)構(gòu)簡化統(tǒng)計(jì) 能量分析模型中的車體板件上，獲取內(nèi)部聲腔統(tǒng)計(jì)能量分析模型中各子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)能量分 析參數(shù)，并將其加載到內(nèi)部聲腔統(tǒng)計(jì)能量分析模型的各子系統(tǒng)中；
[0009] 4)獲得車體所受外部聲激勵(lì)源能量，并將其施加到外部聲腔統(tǒng)計(jì)能量分析模型 上，經(jīng)白車身結(jié)構(gòu)簡化統(tǒng)計(jì)能量分析模型中車體結(jié)構(gòu)板件隔聲性能的衰減后到達(dá)車內(nèi)聲 腔，獲得整備車體在車廂二系懸掛力作用下向車內(nèi)輻射結(jié)構(gòu)噪聲能量，然后進(jìn)行車內(nèi)噪聲 分析預(yù)測(cè)。
[0010] 本發(fā)明關(guān)注外部聲激勵(lì)源能量經(jīng)車體組合板件隔聲性能的衰減后到達(dá)車內(nèi)聲腔 的過程，即聲能從車外到車內(nèi)的流動(dòng)，上述方法可稱為統(tǒng)計(jì)聲學(xué)能量流方法(SAEF)，采用本 方法建立的模型可稱為SAEF模型。其簡化的白車身結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)能量分析模型用于隔離車外聲 場(chǎng)與車內(nèi)聲場(chǎng)，不同于常規(guī)的板件結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)能量分析模型，它不需要定義詳細(xì)板件材料參 數(shù)，因?yàn)榘寮母袈曅阅鼙恢苯佣x在白車身結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)與車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)的連接面上。
[0011] 所述的白車身結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)能量分析模型采用以下方式進(jìn)行簡化并劃分子系統(tǒng):根據(jù) 統(tǒng)計(jì)能量分析模型的基本假設(shè)及子系統(tǒng)簡化原則，保留列車車廂的主要基礎(chǔ)板件結(jié)構(gòu)，并 將車體板件鋁型材結(jié)構(gòu)簡化為平板和曲面板結(jié)構(gòu)，然后采用統(tǒng)計(jì)能量分析方法對(duì)列車車身 進(jìn)行劃分，獲得若干個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)域，每個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)域又再劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)，再把各結(jié)構(gòu)子系 統(tǒng)按照他們本身相互位置建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到白車身簡化結(jié)構(gòu)SEA框架模型，作為白車身結(jié) 構(gòu)簡化統(tǒng)計(jì)能量分析模型。
[0012] 所述的主要基礎(chǔ)塊板件包括車窗、車窗間壁、側(cè)墻上部、側(cè)墻下部、車頂中部、車頂 兩側(cè)、通道門壁、設(shè)備艙和地板，結(jié)構(gòu)區(qū)域的數(shù)量與主要基礎(chǔ)塊板件的數(shù)量相同。
[0013] 所述的列車外部聲腔根據(jù)白車身結(jié)構(gòu)簡化統(tǒng)計(jì)能量分析模型的子系統(tǒng)劃分情況 離散為各個(gè)外部小聲腔(外部小聲腔用來傳遞加載在該區(qū)域的外部激勵(lì)能量到對(duì)應(yīng)白車身 簡化統(tǒng)計(jì)能量分析模型的車體板件上），每個(gè)外部小聲腔和白車身結(jié)構(gòu)簡化統(tǒng)計(jì)能量模型 的子系統(tǒng)外表面相對(duì)應(yīng)并相互耦合，耦合面的尺寸相同，并且相鄰的小聲腔之間相互耦合， 使外部聲腔覆蓋除端部以外的整個(gè)車身表面，列車外部聲腔厚度為0.4~0.6m。
[0014] 所述的列車內(nèi)部聲腔根據(jù)白車身結(jié)構(gòu)簡化統(tǒng)計(jì)能量分析模型的子系統(tǒng)劃分情況 將車廂內(nèi)部空間尚散為各個(gè)內(nèi)部小聲腔（內(nèi)部小聲腔用來傳遞對(duì)應(yīng)白車身統(tǒng)計(jì)能量分析模 型的車體板件上的能量到車內(nèi)其他聲腔中去），各個(gè)內(nèi)部小聲腔與白車身結(jié)構(gòu)簡化統(tǒng)計(jì)能 量分析模型的子系統(tǒng)內(nèi)表面對(duì)應(yīng)并相互耦合，耦合面的尺寸相同，除了設(shè)備艙以外的列車 內(nèi)部聲腔在列車高度和寬度上分為三層，各尺寸分別為〇. 8~lm和0.9~1. lm。
[0015] 所述的車體所受外部的外部聲激勵(lì)源能量包括車輪的噪聲激勵(lì)、軌道的噪聲激 勵(lì)、空氣動(dòng)力噪聲激勵(lì)和設(shè)備艙內(nèi)混響噪聲激勵(lì)。
[0016] 所述的車體所受外部的外部聲激勵(lì)源能量具體采用以下方式計(jì)算獲得：
[0017] 1)計(jì)算獲得列車車輪軌道相互作用力和車廂二系懸掛力：
[0018] 1.1)采用車輛一軌道耦合剛性多體動(dòng)力學(xué)方法，建立車體的多體動(dòng)力學(xué)模型；
[0019] 1.2)在軌道不平順性的激勵(lì)下，通過剛體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，可得到列車以勻速直 線行駛下分析頻段內(nèi)列車重力方向上的輪軌相互力以及經(jīng)過轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)衰減后的作 用于車廂上的二系懸掛力;分析頻段為50-4000HZ范圍。
[0020] 2)計(jì)算獲得車輪的噪聲激勵(lì)：
[0021 ] 2.1)建立列車車輪有限元模型并組成4個(gè)車輪對(duì)；
[0022] 2.2)采用Lanczos法計(jì)算單個(gè)車輪的約束模態(tài)特性，對(duì)軌道模型施加上述步驟 1 · 2)得到重力方向上的輪軌相互力作為垂向輪軌力，然后采用模態(tài)疊加法或直接解法計(jì)算 車輪在垂向輪軌力激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)；
[0023] 2.3)建立車輪聲輻射邊界元模型，由于分析頻段上限為4000Hz，車輪聲輻射邊界 元模型最大單元邊長約為14mm，采用多極邊界元法(FMBEM)計(jì)算車輪結(jié)構(gòu)福射噪聲；
[0024] 2.4)建立車體表面的場(chǎng)點(diǎn)模型，提取出車輪噪聲在車體表面形成的聲激勵(lì)；
[0025] 3)計(jì)算獲得軌道的噪聲激勵(lì)：
[0026] 3.1)建立完整的軌道有限元模型；
[0027] 3.2)對(duì)軌道模型施加上述步驟1.2)得到重力方向上的輪軌相互力作為垂向輪軌 力，采用直接解法計(jì)算軌道在垂向輪軌力激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)；
[0028] 3.3)提取出軌道振動(dòng)響應(yīng)，建立軌道聲輻射邊界元模型，采用多極邊界元法 (FMBEM)計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)輻射噪聲；
[0029] 3.4)建立車體表面的場(chǎng)點(diǎn)模型，提取出軌道噪聲在車體表面形成的聲激勵(lì)；
[0030] 4)計(jì)算獲得空氣動(dòng)力噪聲激勵(lì)：
[0031 ] 4.1)采用計(jì)算流體力學(xué)即CH)方法建立高速列車的模擬風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)CH)模型；
[0032] 4.2)采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型進(jìn)行定常流場(chǎng)計(jì)算，隨后采用大渦模擬(LES)求解瞬時(shí) 流場(chǎng)得到所述整備車體模型的中間節(jié)列車車體表面的脈動(dòng)壓力；
[0033] 4.3)將脈動(dòng)壓力轉(zhuǎn)化為偶極