高速列車關鍵部位近場噪聲頻譜特性仿真

呂崗+袁永文

【摘 要】本文建立了包括受電弓、頭車、尾車、轉向架的三節車三維模型，進行了時速200km/h和300km/h空氣動力學仿真和聲學仿真，分別分析了流線型頭部、受電弓區域近場氣動噪聲的頻譜特性。通過分析發現：高速列車運行高速運行時，列車受電弓區域噪聲等級高于頭部區域噪聲等級；噪聲等級的大小和曲面迎風面與列車運行方向有關。

【關鍵詞】高速列車；氣動噪聲；頻譜特性；受電弓；轉向架

引 言

隨著人們對需求的不斷提高，快節奏的工作生活對交通運輸速度的要求也不斷提高，高速鐵路成為人們工作旅行首選的交通工具。高速動車運行速度很高，新建城際鐵路設計時速為250km/h，京滬高鐵、滬昆高鐵等設計時速高達380km/h，高速鐵路帶給人們方便的同時，運行噪聲也給鐵路沿線居民及車內旅客的身心健康產生很大的危害。研究表明，當噪聲超過一定限度和范圍時，就會干擾人們的生活和工作，使人感到煩躁，甚至會危害人體健康，長期生活在80dB以上環境中，造成耳聾者可達50% [1-2]。因此高速動車組設計之初就應該考慮的氣動噪聲的影響，所以如何設計列車外形，并預測運行噪聲至關重要。

截至目前，研究高速列車氣動噪聲文獻很多，但多數只針對特定部分進行研究。比如西南交通大學的董繼蕾，李輝，張亞東，張軍，趙萌 [3-7]分別針對受電弓氣、列車連接處動、轉向架處、車頭及高速列車整車（不包括受電弓）的噪聲特性進行了研究。本文建立了全車仿真模型，包含了幾乎所有的關鍵部件，仿真結果更接近實際情況。

一、近場噪聲特性分析

（一）評估點設置

為了研究高速列車近場噪聲特性，分別在列車關鍵部位設置若干評估點，評估點分布如圖1所示，車頭評估點N1、N2、N3、N4、N5，受電弓評估點P1、P2、P3、P4、P5五個點。

二、頻譜特性分析

（一）車頭近場氣動噪聲分析

圖2為300 km/h速度運行時，在0.35s時間內，車頭曲面監測點N1、N3、N4、N5四點脈動壓力隨時間變化歷程。

由圖2可知，在運行速度一定時，脈動壓力是一種隨機壓力，它沒有一定的規律可尋。N1、N2評估點脈動壓力為正值，N3、N5評估點脈動壓力為負值，其中，N1點脈動壓力峰值及波動幅度最大，N5點相對最小，結合圖1中各監測點所處的位置，表明曲面曲率變化大的區域對流體擾動越大，相應的脈動壓力峰值和波動幅度越大。反之，曲面曲率變化小的區域，對應的脈動壓力峰值和波動幅度相對小些。

由前面論述已知，高速列車氣動噪聲與曲面的形狀有關系，高速動車組氣動噪聲主要是偶極子為主，通過傅里葉變換，將評估點脈動壓力信號轉變成頻域信號，得到評估點噪聲頻譜。

300km/h運行速度下的高速動車組車頭表面監測點的脈動壓力轉換成頻譜，其頻譜分布如3圖所示。

從圖3中看出，各評估點氣動噪聲的頻譜特性圖很相似，聲壓在0～5000Hz范圍內存在，是一種寬頻域噪聲。從頻譜圖中看出，1000Hz以下時，聲壓等級較高，1000Hz以上時，噪聲等級區域穩定，但整體趨勢是隨著頻率的升高，各點的幅值都持續下降。

（二） 受電弓近場氣動噪聲分析

圖4為300 km/h速度運行時，在0.35s時間內，車頭曲面監測點P1、P2、P3、P5四點壓力隨時間變化歷程。受電弓監測點布置見圖1。

從圖4中可以看出各評估點脈動壓力的波動情況，P1、P2兩點脈動壓力為正值，P3、P4、P5脈動壓力為負值，P2點脈動壓力波動速度最小，因為改點所處桿件與風向成小銳角，空氣流經該處分流較小。P1、P3、P4、P5點波動幅度都較大，因為這幾個監測點都位于與風向垂直的桿件，氣流再次發生分流，脈動壓力波動較大。

在300km/h運行速度下的高速動車組受電弓表面監測點的脈動壓力轉換成頻譜，其頻譜分布如圖5所示。

圖5中可以看出，受電弓區域評估點噪聲頻譜特性與車頭區域評估點相似，噪聲在很寬的頻域內存在，低頻時噪聲等級較高，大于1000Hz后噪聲等級趨于穩定。

三、結論

在列車曲面曲率變化大的區域，脈動壓力幅值和波動幅度越大；高速動車組氣動噪聲屬于一種寬頻域噪聲，低頻時聲壓較高；高速動車組近場氣動噪聲的能量在低頻部分較大，在高頻部分較?。辉诟咚倭熊囓嚿砬媲首兓酱蟮膮^域，近場氣動噪聲波動梯度、聲壓級數值及其增長幅度越大，反之就越小；最大總聲壓級出現在受電弓附近，因為在該處結構復雜，主要是些與風向垂直的桿件，氣流在該處流動紊亂，誘發很大的氣動噪聲；當受電弓桿件結構與風向垂直時，會誘發更大的氣動噪聲。因此，合理的優化車頭、受電弓外形及優化桿件布置能夠有效地較少氣動噪聲。

參考文獻：

[1]儲榮邦；吳雙成；王宗雄.噪聲的危害與防治[J]. 電鍍與涂飾 2012，12（32）：52-57.

[2]袁磊，李人憲.高速列車氣動噪聲及影響[J]. 機械工程及自動化，2013（ 5） ： 31- 36.

[3] 董繼蕾， 沈火明.高速列車車頂受電弓氣動噪聲仿真研究[J].四川理工學院學報，2016， 29（2）： 56-60.

[4]李 輝，肖新標，李志輝，等.某型受電弓300km/h速度下氣動噪聲初步分析[J].鐵道學報，2016，38（9）： 18-22.

[5]張亞東， 張繼業， 李 田.高速列車整車氣動噪聲聲源特性分析及降噪研究[J].鐵道學報，2016，38（ 7） ： 40-49.

[6]張軍，黃艷藝，兆文忠.高速列車氣動噪聲數值仿真[J].大連交通大學學報， 2012，33（4）：1-5.

[7]趙萌，毛軍.強側風對受電弓的氣動作用規律[J].北京交通大學學報，2012，3（3）：7-11.

作者簡介：

呂崗（1987—），男，漢族，山東定陶人，助教，研究生學歷，天津鐵道職業技術學院教師，主要從事高速動車組空氣動力學噪聲方向的研究。endprint