地鐵車輛輔助變流器降噪方案的仿真分析

2018-07-11 13:17:44王永勝曾亞平鄧創華胡昌發

鐵道機車車輛 2018年3期

丁　杰，王永勝，曾亞平，鄧創華，胡昌發

(1　湘潭大學　土木工程與力學學院，湖南湘潭 411105；2　株洲中車時代電氣股份有限公司　技術中心，湖南株洲 412001)

輔助變流器作為地鐵車輛的重要設備，內部集成了逆變模塊、充電機模塊、變壓器和電抗器等部件，采用強迫風冷方式進行散熱。因缺少裙板的遮擋，產生的噪聲會直接輻射到車外乘客，也會以繞射、透射等方式傳播到車內乘客[1-3]，因此，輔助變流器的噪聲控制問題引起了人們的關注。

顏猛等[4]對某變流器運行狀態的噪聲進行測試，識別出風機氣動噪聲是變流器的主要噪聲源，通過粘貼吸聲材料和增加導風結構降低了變流器的氣動噪聲。由于實際的變流器設備結構復雜，運行工況多變，噪聲測試較難全面了解變流器設備的噪聲源特性，且需要在實物上進行測試，有必要通過數值模擬手段在產品設計階段進行噪聲的預測與聲學優化設計。向陽[5]介紹了有限元法、邊界元法、波疊加法、統計能量分析法和無限元法在結構輻射噪聲預測中的發展歷程、特點、現狀和存在的問題。高春宏等[6]基于統計能量分析法對地鐵車輛的噪聲進行了預估，根據計算得到的車輛內部噪聲聲壓級找到了車輛噪聲的薄弱環節。魏周艷等[7]對某輔助變流器的噪聲源進行分析，簡單介紹了利用VA One軟件進行降噪方案的聲學仿真和評價試驗。

針對某地鐵車輛輔助變流器進行噪聲測試，利用測試得到的聲源激勵進行輔助變流器的噪聲仿真，對比分析了不同降噪方案的降噪效果，試驗驗證了仿真分析方法的可行性。

1　輔助變流器的噪聲測試

某地鐵車輛輔助變流器額定容量為160 kVA，風機的轉速可分為高速和低速兩檔，轉速分別為2 900,1 450 r/min，整機的負載可分為空載、半載和滿載3種。為獲取輔助變流器的噪聲分布特性，在半消室內開展了噪聲測試[8]。為方便起見，將圖1所示的輔助變流器柜體電抗器側定義為A面，風機側為B面，逆變模塊側為C面，出風口側為D面，柜體頂部和底部分別為E面和F面。以A面左下頂點為坐標原點，分別以柜體長度、寬度和高度方向為x軸、y軸和z軸建立坐標系。在輔助變流器每個面與柜體壁板垂直距離1 m處布置3個測點，依次編號為N1～N18，其中N2、N5、N8、N11和N14是A～E面的評測點。圖2為輔助變流器的測點布置示意圖。

圖1　輔助變流器結構示意圖

根據風機轉速和整機負載的不同，可得到工況1(風機低速整機空載)、工況2(風機低速整機半載)和工況3(風機高速整機滿載)。圖3為各噪聲測點的等效A計權聲壓級測試結果。可以看出輔助變流器在3種工況下的噪聲最大值均出現在F面N18測點，說明柜體底部出風口為最主要噪聲源。E面N13和N14測點噪聲值相對較大，說明電抗器進風口為主要噪聲源。3種工況中，工況1的噪聲最小，工況3的噪聲最大。

圖2　測點布置示意圖

圖3　各噪聲測點等效A計權聲壓級

圖4為各評測點在不同工況的聲壓級1/3倍頻程頻譜。可以看出工況1和工況2的頻譜在2 500 Hz差異較大，其他頻帶差異很小，工況3的頻譜在160～1 000 Hz頻段高出其他兩種工況10 dB(A)以上。在3種工況下，N2、N5和N8的噪聲相對較小，N11和N14的噪聲相對較大，N11在500 Hz以上頻段的噪聲相對突出，N14在400 Hz以下頻段的噪聲相對突出。

為確認除風機氣動噪聲外其他噪聲源對整體噪聲的貢獻，選取了工況4(風機停機整機空載)、工況5(風機停機整機半載)和工況6(風機停機整機滿載)。圖5為N11測點在工況4～工況6下的1/3倍頻程頻譜。可以看出3種工況的頻譜趨勢基本一致，工況6的噪聲值最大，工況4的噪聲值最小。與圖4對比可知，工況4～工況6在1.25 kHz以下的聲壓級明顯低于工況1～工況3，而在1.250～10 kHz頻段與工況1～工況3的頻譜差異較小，總聲壓級接近，說明1.25 kHz以下風機氣動噪聲為主，1.25 kHz以上的噪聲主要來源于結構輻射噪聲和電磁部件的電磁噪聲等。

圖4　各評測點在不同工況的1/3倍頻程頻譜

圖5　N11測點在工況4～工況6 的1/3倍頻程頻譜

2　輔助變流器的降噪方案

2.1　降噪原則及思路

通過輔助變流器的噪聲測試及數據分析可知，輔助變流器的噪聲源主要有風機旋轉噪聲、風道內的氣動噪聲、電磁部件的電磁噪聲和壁板振動的結構輻射噪聲等，這些噪聲通過進風口、出風口、壁板縫隙、孔洞和壁板等傳播。制定輔助變流器的降噪方案時應遵守以下原則：(1)降噪措施不能影響輔助變流器的通風散熱、正常運行、操作和維修；(2)降噪材料應具有良好的阻燃性能，滿足安全、環保、工藝、輕量化和性價比等要求。

降噪思路主要有減弱聲源強度和傳播途徑的減振、吸聲、隔聲處理等[9-10]。目前選擇的風機和變壓器等部件的振動噪聲性能已處于較高水平，很難從減弱聲源強度的角度進行降噪，因此，主要從以下方面考慮：(1)在風道和柜體內壁粘貼吸聲材料降低氣動噪聲；(2)進出風口增加消聲結構降低氣動噪聲；(3)改善柜體壁板阻尼特性，降低振動及其產生的結構輻射噪聲；(4)使用隔聲材料和密封材料改善柜體壁板的隔聲及密封性能，使噪聲盡量少地傳遞到柜體外。

2.2　降噪方案

對風道和柜體壁板進行吸聲處理之前，需要選擇吸聲材料或吸聲結構。中高頻噪聲宜采用多孔吸聲材料，中低頻噪聲宜采用共振吸聲結構，而微穿孔板吸聲結構具有吸聲頻帶寬的優點[11]。根據輔助變流器的噪聲源特性，可考慮采用多孔吸聲材料降低中高頻噪聲。為提高中低頻噪聲的吸聲效果，可將吸聲材料厚度增加至50～100 mm，然而受柜體內部空間的限制，不便粘貼大于50 mm厚的吸聲材料，因此，可考慮在多孔吸聲材料表面覆蓋一層穿孔率較大厚度較薄的穿孔鋁板來提高中低頻的吸聲效果。

輔助變流器的冷卻空氣在風機抽吸作用下，從柜體頂部的兩個進風口流入，分別流經逆變模塊散熱器和電抗器后在底蓋板的2個進風口匯合(見圖6a)，然后流向風機進風口，再吹向變壓器，最后由底部出風口濾網流出。吸聲材料粘貼部位可以選擇出風口頂蓋板、變壓器腔頂蓋板、變壓器腔與出風口兩側面、風機腔頂蓋板、風機腔兩側面、風機腔安裝面、電抗器進風口、電抗器腔底部、電抗器腔柜門內表面、逆變模塊進風口、逆變腔底部和底蓋板內表面等。為避免底蓋板兩個進風口氣體對流而產生噪聲，并增加有效吸聲面積，可以在底蓋板和風道蓋板之間增加兩塊粘貼20 mm厚吸聲材料的弧形導流板(見圖6b)。為避免氣流直接從出風口濾網排出，增加有效吸聲面積，可以在出風口濾網上增加由20 mm 厚吸聲材料制作成的消聲結構1(見圖6c)或消聲結構2(見圖6d)。

圖6　風道結構的改進

根據前面的分析可以確定如表1所示的6種降噪方案。

表1　降噪方案的具體措施

3　輔助變流器的噪聲仿真分析及驗證

為分析不同降噪方案的效果，可以采用基于統計能量分析法的仿真方法進行對比分析。

3.1　理論基礎

統計能量分析法從時間平均和空間平均的統計角度預測子系統間的能量流傳遞和各子系統的能量響應。具有k個子系統的能量平衡方程為

(1)

式中Ei、Pi、ni和i分別為第i個子系統的能量、輸入功率、模態密度和內部損耗因子，nij為兩個子系統的耦合損耗因子，ninij=njnji。

對于質量為M的結構子系統，其速度響應平方的空間平均值為=E/M；對于體積為V的聲腔子系統，其平均聲壓的平方為=ρc2E/V，其中E為子系統能量，ρ為空氣密度，c為聲速。將式(1)中的能量換算成相應的速度、位移、加速度和聲壓等，經過計算可以完成噪聲的仿真。

3.2　噪聲仿真建模

采用基于統計能量分析法的VA One軟件進行輔助變流器的噪聲仿真時，首先在HyperMesh軟件中對輔助變流器柜體的幾何結構進行簡化，省略各腔室的器件，不規則的壁板做規則化處理，然后在VA One軟件中建立板、梁和聲腔等子系統(見圖7)，并定義相應的材料屬性，通過聲泄漏方式設置進風口和出風口，再設置聲源激勵，利用半無限流場方式定義噪聲評測點，最后通過計算得到相應的噪聲仿真結果。

圖7　聲學模型子系統示意圖

由于充電模塊腔、控制腔、輸入腔和輸出腔產生的噪聲對整體噪聲的貢獻較小，仿真模型中主要考慮電抗器腔、逆變腔、風機腔和變壓器腔4處的聲源激勵。其中風機腔的聲學激勵設置為風機聲功率，數據通過半消聲室聲強掃描法測試獲得(見圖8a)，其他3個空間的聲學激勵設置為聲壓擴散場，其數值分別通過測試兩個進風口和出風口處的聲壓值獲得(見圖8b)。

降噪方案中擬采用帶鋁箔的三聚氰胺棉和TMT-PUF-2028吸聲棉，材料屬性設置需要定義面密度和吸聲系數。圖9為兩種吸聲材料在不同厚度時的吸聲系數曲線。

3.3　噪聲仿真結果及對比分析

圖10為原方案在工況1和工況3下各主要傳遞路徑對N11測點噪聲的輸入功率。可以看出：(1)對N11測點噪聲傳遞路徑貢獻量較大的主要有出風口底板、電抗器腔頂板和逆變腔頂板，說明進風口和出風口的聲泄漏為測點噪聲的主要貢獻途徑；(2)工況3的輸入功率大于工況1，各傳遞路徑的貢獻量在200，630 Hz和4 000 Hz 時出現峰值。

圖8　聲源激勵

圖9　吸聲材料的吸聲系數

為了研究材料種類對降噪效果的影響，圖11(a)為原方案、方案1和方案2的N11測點聲壓頻譜特性曲線，可以看出粘貼帶鋁箔的三聚氰胺棉和TMT-PUF-2028吸聲棉后測點各頻率下的噪聲值均有所下降，且TMT-PUF-2028吸聲棉的吸聲效果優于帶鋁箔的三聚氰胺棉。為了直觀評價更換聲學材料對該型輔助變流器降噪效果的影響，以原方案各測點的有效聲壓級為參考，得到如圖11(b)所示的各測點降噪量。可以看出工況3的降噪效果優于工況1，這主要與聲源特性和吸聲棉的吸聲特性相關。從降噪量的大小來看，受吸聲棉影響最明顯的測點為出風口測點N18，其次為N11測點。

圖10　各主要傳遞路徑對N11 測點噪聲的輸入功率

為了研究不同的聲學結構對降噪效果的影響，以原方案各測點的有效聲壓值為參照，得到方案2～方案6在不同工況下的降噪量，如圖12所示。可以看出各降噪方案的降噪效果從強到弱的順序依次為方案6、方案5、方案3、方案4和方案2，受聲學結構影響最明顯的測點為出風口測點N18，其降噪量最大，其次為N11測點，這與N11測點靠近N18測點有較大的關系。