地鐵A型車內裝結構對車內噪聲的影響分析

張克姝

(南車青島四方機車車輛股份有限公司，266111，青島∥高級工程師)

城市軌道交通列車在運行過程中的振動及其所引起的噪聲問題嚴重影響乘客的舒適度［1－3］，對這一問題的研究目前已顯得尤為迫切。本文針對包含內裝結構的地鐵車輛的聲－固耦合進行研究，根據車體及內裝結構CAD圖紙，建立車體三維實體模型和內裝三維模型，通過有限元軟件、聲學仿真軟件，對含內裝結構的車體與不帶內裝結構的車體進行振動響應分析和噪聲預測，為改善車體和內裝結構以獲得良好的車內聲學環境提供理論依據。

1 車體有限元模型

1.1 無內裝地鐵A型車模型

無內裝地鐵A型車的車體由底架、側墻、端墻、車頂等部件組成，為鋁合金型材焊接結構，底架為無中梁結構。車輛承載結構有限元模型如圖1所示。

圖1 車輛承載結構有限元模型

車窗所用玻璃材料為脆性材料，在實際建模中根據機械工程材料手冊上工程玻璃的相關參數進行模擬。在車窗玻璃的有限元模型建模中，忽略車窗模型與周邊窗框的橡膠等彈性連接件。地鐵車輛車窗玻璃一般為雙層結構，中間有塑料薄膜夾層。塑料薄膜一般不起結構承載作用，因此，針對車窗玻璃的建模忽略塑料薄膜材料，分別建立不同厚度的雙層玻璃窗模型，并應避免共振。

在地鐵車輛車門結構建模過程中，對整個車門進行簡化，忽略車門中復雜的鎖閉裝置，保留門框、門板等主要結構承載件。根據實際車輛的車下設備吊掛位置及空調機組的位置，采用集中質量點單元對空調機組及車下設備進行模擬，通過剛性連接單元將質量點連接到車身上。添加車下設備及空調機組后的整車有限元模型如圖2所示。

圖2 車體加吊掛后的有限元模型

1.2 含內裝的地鐵A型車模型

1.2.1 車頂骨架模塊建模

車頂骨架結構采用模塊化設計，便于整車模塊化拼裝。每個車頂骨架模塊包含3個主結構，由上到下依次為風道、中頂板及扶手。圖3為劃分好網格的單個車頂骨架模塊效果圖。

圖3 車頂骨架模塊效果圖

1.2.2 浮置地板建模

為簡化計算，針對蜂窩地板進行研究，將其等效為各向同性的具有一定厚度的板材［5］。浮置地板形狀與車體底板形狀相同。浮置地板與車體底板之間通過線性彈簧單元進行連接。彈簧單元的位置根據原橡膠墊的間距布置，剛度根據車輛廠提供的橡膠墊測試三向剛度結果。浮置地板的框架采用等截面梁單元進行建模。最后效果如圖4所示。

圖4 浮置地板模型效果圖

1.2.3 含內裝的地鐵A型車有限元模型

基于圖3、圖4的模塊，將車輛各內裝模塊進行裝配。裝配完成的車輛內裝模型包含4個風道、4套扶手、8塊中頂板、1塊浮置地板和若干吊座。最后內裝車輛模型包含1 833 058個單元、1 184 588個節點。圖5為車體內裝模型軸視圖。圖6為含內裝的車輛車體有限元模型。

圖5 車體內裝模型軸視圖

圖6 含內裝的車輛車體有限元模型

1.3 無內裝的地鐵A型車聲學模型

車輛聲學模型是根據車輛的內室空腔進行建模。若采用有限元方法計算聲學，則需要針對形成的聲腔密閉空間進行實體網格劃分，形成實體模型。實體單元即為聲音傳播的材料，一般車內聲腔中的聲音傳播介質為空氣。

依據無內裝建模車輛結構的有限元模型，提取其模型的車體內表面網格，添加必要的單元使該邊界網格形成密閉的空腔。針對該車體內室空腔網格形成的空間，采用實體單元進行網格劃分，形成聲學有限元網格。最后生成的車輛聲學有限元模型包含165 775個節點、741 232個單元。圖7為無內裝的地鐵A型車內室空腔的有限元模型。

圖7 無內裝的車內空腔聲學有限元模型

1.4 含內裝的地鐵A型車聲學模型

以含內裝的車輛結構有限元模型為基礎，提取車輛有限元模型的內室空腔邊界，并建立車體內室空腔幾何實體。劃分完成的車體空腔聲學有限元模型單元邊長為60 mm，包含327 628個單元、348 229個節點。圖8為劃分完成的含內裝的車內空腔聲學有限元模型。

圖8 含內裝的車內空腔聲學有限元模型

2 聲學激勵

為了計算車體壁板在模擬運行時振動激發的噪聲，需要將車體結構振動作為噪聲計算邊界條件。本文以車體板件頻率響應位移振動結果作為聲學激勵，計算車內噪聲分布，研究車體振動與車內噪聲的關系。

2.1 地鐵A型車多體動力學分析

此地鐵A型車多體動力學分析所用的軟件為SIMPACK軟件。為了得到車體板件的頻率響應位移振動結果，需要在SIMPACK軟件中建立地鐵A型車多體動力學模型，研究車輛低頻振動特性，計算獲得模擬運行時車體所受載荷的頻域幅值和相位。圖9為所建立的SIMAPCK模型示意圖。

圖9 SIMAPCK模型示意圖

分析所用的軌道譜為美國六級譜。根據車體與轉向架之間的連接關系，輸出二系懸掛、二系減振器、牽引拉桿等各個接觸點的時域作用力信號。采用漢寧窗對這些時域數據濾波，并進行快速傅里葉變換。

車輛動力學仿真結果表明:在模擬運行過程中，車體振動的能量集中在低頻區域，振動以1 Hz左右的剛體振動為主，傳遞至車身的25 Hz以上激振力很小;轉向架各部件傳遞至車體的作用力大小相差很大;各作用力在頻域上的幅值分布不相同，減振器、牽引拉桿的作用力頻率范圍較寬，空氣彈簧的作用力頻率范圍較小。

2.2 地鐵A型車頻率響應分析

將上述分析獲得的各作用力頻域幅值及頻域相位作為車體頻域激勵載荷加載在相應的加載點，計算車體在模擬運行時的頻率響應。圖10為車體頻率響應分析的加載及約束示意圖，圖10中實體三角為模型約束位置，空心三角為載荷加載位置。

圖10 頻率響應邊界條件示意圖

根據車輛的頻率響應結果可知:激振力達到25 Hz以后，車體各個部位振動形式各不相同，幅值和相位上也存在很大差異，其中以車頂、側墻的振動最為劇烈，車體地板振動形式趨向于大面積小幅度振動;隨著激勵頻率的上升，車體的位移響應呈現小區域高密度的特性，并隨頻率提高逐漸加劇。將位移結果記錄，為聲學仿真做好準備。圖11為激振力為55 Hz和60 Hz時的車體頻率響應位移云圖。

11 激振力為55 Hz和60 Hz時的車體頻率響應位移云圖

3 地鐵A型車車內噪聲分析

3.1 車內噪聲分析邊界條件及場點布置

車內噪聲分析旨在研究車體在模擬運行過程中結構壁板振動所激發的結構噪聲，分析所用模型為上述建立的車內聲學空腔有限元模型。由以上地鐵A型車頻率響應分析得到了真實模擬車輛在美國六級軌道譜上運行時的結構頻率響應位移結果。將該車輛結構頻率響應位移結果作為聲學計算的外界激勵加載到模型上計算車內噪聲。此車內噪聲計算不考慮輪軌噪聲和氣動噪聲，車內空腔邊界不做任何吸聲處理。

在聲學有限元計算中，場點相當于聲學傳感器。通過場點的布置可以有效地記錄車內聲壓的分布及其隨頻率的變化。為了更好地觀測車內噪聲的分布，在車內布置ISO標準場點。根據ISO 3381《各種有軌車輛噪聲測量》和ISO 3095《鐵道車輛噪聲測量》，在車體的地板上方設置5個離散的場點。圖12為ISO標準場點的位置圖。

圖12 車內聲學場點示意圖

3.2 車內ISO標準場點噪聲結果對比分析

表1為無內裝車輛與含內裝車輛車內5個ISO標準場點的總聲壓級對比。無內裝建模車輛的總聲壓級遠大于含內裝車輛。從無計權總聲壓級來看，無內裝建模車輛與含內裝車輛總聲壓級最小值都出現在3號場點，車體兩端的1號和5號場點聲壓較大。經過A計權后，無內裝車輛和含內裝車輛最小聲壓點都出現在2號場點，車體兩端1號和5號聲壓較大。兩個模型的ISO標準場點聲壓頻率特點相似，3號場點較其他場點高頻成分更多，2號場點低頻成分較多。兩個模型的ISO標準場點聲壓大小順序一致，在縱向上都存在一端較大的不對稱現象。

表1 車輛內ISO標準場點總聲壓級對比

圖13至圖17為無內裝車輛和含內裝車輛各個ISO標準場點的A計權聲壓對比圖。

由圖13～17可知:在低頻段，參考同一場點的聲壓曲線峰值頻率相似，含內裝車輛的聲壓數值較小;在高頻段，兩個模型的場點聲壓區別較大，無內裝建模車輛的峰值頻率恰好為含內裝車輛的谷值頻率;無內裝建模的車輛在 60 Hz、120 Hz、160 Hz、225 Hz處出現明顯峰值，其余頻率的聲壓數值相差較大，總聲壓級取決于主要峰值點;含內裝車輛在整個頻率范圍內，聲壓分布較平均，峰值較密集，各個峰值的數值相差較小;含內裝車輛車內噪聲各個頻率的能量分布較均勻，總聲壓級取決于整個頻率范圍內多數聲壓合成。

圖13 地鐵A型車1號ISO標準場點A計權聲壓對比圖

圖14 地鐵A型車2號ISO標準場點A計權聲壓對比圖

圖15 地鐵A型車3號ISO標準場點A計權聲壓對比圖

圖16 地鐵A型車4號ISO標準場點A計權聲壓對比圖

圖17 地鐵A型車5號ISO標準場點A計權聲壓對比圖

4 地鐵A型車聲傳遞向量的分析及對比

聲傳遞向量(VAT)是系統的一個固有屬性，是結構法線方向與場點聲壓之間的一種線性關系。在小壓力擾動情況下，可以認為聲學方程近線性的，因此可以在輸入(機械結構表面處的振動)和輸出(聲場中某點處的聲壓)之間建立一種線性關系。如果將結構表面離散成有限個單元，這樣在聲場中某點處的聲壓為:

式中:

VAT——聲傳遞向量;

νn——結構表面法線方向上的振動速度;

ω——角頻率。

通過聲傳遞向量，將聲場中某點處的聲壓與模型網格的振動速度之間建立聯系，VAT的物理意義可以理解為單元或節點在特定頻率下的單位速度在場點上引起的聲壓值［5］。

根據圖13～17中5個場點的聲壓－頻率曲線圖，確定各個場點聲壓較大的頻率。針對各個場點在高聲壓頻率點處的聲學傳遞函數進行分析，研究車體各個部位振動相對于場點聲壓的聲學傳遞向量關系。圖18與圖19為高聲壓頻率下的車體VAT云圖。

圖18 含內裝車輛的車體V AT云圖

對比無內裝建模車輛的VAT聲壓云圖，兩個模型在低頻都存在云圖的偏向性，即云圖較大值偏于場點所在端。而且VAT聲壓分布與車輛結構有關，無內裝建模車輛由于結構在縱向上的不對稱，相同頻率下參考對稱位置的場點的VAT云圖差異較大。含內裝車輛在結構上沿縱向和橫向中心面對稱，同頻率下參考對稱位置的場點的VAT云圖完全相同。再次驗證了車體的聲學傳遞函數與車內空腔形狀關系密切。

圖19 無內裝車輛的車體V AT云圖

5 結語

通過對無內裝車輛與含內裝車輛車內噪聲分析及對比表明:①無內裝車輛相對含內裝車輛聲壓更大，二者在低頻時聲壓曲線走勢相似，幅值存在差異;高頻時二者的聲壓曲線差別較大。②無內裝車輛與含內裝車輛VAT分析表明，相同頻率時無內裝車不同場點的VAT云圖差異較大，含內裝車輛相同頻率下不同場點的VAT云圖基本相似。

［1］ 張曉排.我國鐵路客車車內降噪技術研究［D］.大連:大連交通大學，2002.

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