CRH5E型卧铺动车组车外噪声的仿真分析

张德营　牛牧

摘 要：本文根据动车组车外噪声指标要求，对CRH5E型动车组车外噪声源进行的分析，并通过RAYNOISE软件进行建模仿真，仿真结果可以作为设计方案评估。

关键词：CRH5E型动车组；车外噪声；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.224

1 引言

CRH5E型卧铺动车组车辆车外主要噪声源主要包括轮轨噪声、牵引系统噪声、集电系统噪声、辅助设备噪声和气动噪声等。

（1）轮轨滚动噪声是由于车轮、轨道结构钢轨表面的短波不平顺激发轮轨振动通过空气传播而产生的。轮轨表面粗糙度以不平顺的方式输入至轮轨接触系统。在轮轨接触斑处，通过接触斑滤波作用后，对系统形成激扰，即轮轨联合粗糙度。轮轨联合粗糙度进而通过车轮导纳、接触导纳和钢轨导纳形成轮轨相互作用力。车轮和钢轨在轮轨相互作用力激振下会产生动态响应，体现为车轮振动和钢轨振动，而钢轨振动又将通过轨下垫层将部分振动能量传递给轨道基础结构，引起基础结构的振动。这些结构振动能量进一步通过空气介质向外传播，就形成车轮声辐射、钢轨声辐射和基础结构声辐射。它们的传播共同作用于车外空间，形成轮轨滚动噪声的空间声场响应。

（2）牵引噪声来源于列车驱动系统，包括牵引电机、传动装置和其他发电机组产生的噪声。

（3）集电系统噪声来源于弓网系统，包括弓网的气动噪声和结构振动噪声。

（4）辅助设备噪声主要包括变压器、牵引变流器、辅助变流器、风缸废排等的噪声。气动噪声来源于车身表面空气动力激励。这些声源既可以通过空气传播途径传递至车内，也可通过结构传播途径传递。

针对CRH5E型卧铺动车组车辆，考虑轮轨噪声、牵引系统噪声、弓网噪声及辅助设备噪声等分布、频率和源强特性，基于几何声学，使用国际知名的噪声预测RAYNOISE软件平台，建立全列编组的CRH5E型卧铺动车组车辆车外噪声预测模型。

2 RAYNOISE软件简介

RAYNOISE是比利时声学设计公司开发的一种大型声场模拟软件系统。其主要功能是对封闭空间或者敞开空间以及半闭空间的各种声学行为加以模拟。它能够较准确地模拟声传播的物理过程，这包括：镜面反射、扩散反射、墙面和空气吸收、衍射和透射等现象。该系统可以广泛应用于厅堂音质设计，工业噪声预测和控制，铁路的噪声估计等。

2.1 RAYNOISE基本原理及应用

它主要以几何声学为理论基础。几何声学假定声学环境中声波以声线的方式向四周传播。声线在与介质或界面（如墙壁）碰撞后能量会损失一部分，这样，在声场中不同位置声波的能量累积方式也有所不同。脉冲响应的获得是整个系统的关键。RAYNOISE将圆锥束法（Conical Beam Mehtod，简称CBM）和三棱锥束法（Triangular Beam Method，简称TBM）混合使用作为其计算声场脉冲响应的核心技术。

RAYNOISE可以广泛用于工业噪声预测和控制，首先要求准确快速地建立厅堂的三维模型，因为它直接关系到计算机模拟的精度。RAYNOISE系统为计算机建模提供了交互界面。用户既可以直接输入由AutoCAD或HYPERMESH等产生的三维模型。

建模的主要步骤包括：

（1）启动RAYNOISE；（2）选择模型；（3）输入几何尺寸；

（4）定义各面的材料及性质（包括吸声系数等）；（5）定义声源特性；（6）定义接收场；（7）其它说明或定义，如所考虑的声线根数、反射级数等。

通过对计算结果进行处理，可以获得所关心的接收场中某点的声压级、A声级、回声图、和频率脉冲响应函数等声学参量。如果还想知道该点的听音效果，可以先将脉冲响应转化为双耳传输函数，并将其与事先在消声室录制好的干信号相卷积，便可以通过耳听到该点的听音效果。

2.2 RAYNOISE的特点

RAYNOISE计算模型所采用的方法为综合了镜像声源法和声线跟踪法的混合方法，可在封闭空间、半封闭空间、敞开空间内进行众多声学参数的计算。该软件有如下特点：

（1）计算模型表面数量无限制，因此可以尽可能详细、符合实际地仿真待预测声场的表面形状；（2）吸声材料的数量无限制，模型有多少表面就可定义多少种吸声材料；（3）数据库是开放式的，用户可随时根据实际情况对其修改，且可接受为文本文件格式的数据文件；（4）基于赛宾吸收的墙壁吸声仿真计算；（5）模型中声源的数量无限制，可以根据实际需要来设定足够数量的各种声源，并可在所定义的声源中任意选取所需数量的声源进行计算；（6）声像法中的反射阶数及声线法中的声线数皆可自定义等；（7）内含各种CAD接口，如AUTOCAD、ANSYS、I-DEARS等；（8）友好的用户界面；（9）彩色图或等高线图输出。（10）计算结果有：声压级、A声级、混响时间、混响半径、侧向反射率、早期反射声、清晰度（D50）、明晰度（C80）。在指定计算点后可得到该计算点的时间序列及对应的声线、该点的频率响应、该点的双耳脉冲响应及主观音质评价声音文件等。

3 车外噪声仿真预测模型

根据CRH5E型卧铺动车组车辆参数和既有线路区段条件，参考ISO3095相关参数设置，对运行状态下的车辆外部噪声进行仿真计算。运行状态下，除考虑轮轨噪声、弓网噪声和辅助设备噪声等，还加载了气动激励。

4 车外运行噪声预测结果

图1给出了CRH5E型卧铺动车组车辆以250km/h运行时，车外噪声的仿真预测结果。

由图1可见，CRH5E型卧铺动车组车辆以250km/h运行时，距离轨道中心线25m远、钢轨顶面3.5m高测点等效连续A声级为87.3dB（A），满足要求的车外噪声≯90dB（A）的限值。

参考文献：

[1]CRH系列动车组噪声等评价指标暂行规定[S].

[2]GB/T12816《铁道客车内部噪声限值及测量方法》[S].