基于有限元-无限元法的列车声辐射

朱程,郑天锐,徐力,金鑫,汤学军,周劲松

(1.中车南京浦镇车辆有限公司技术中心,南京 210031; 2.同济大学,铁道与城市轨道交通研究院,上海 201804)

高速列车在运行过程中,受气流扰动的影响会向周边空间进行声辐射,不仅影响车内乘坐的舒适性,而且对轨道线路周边的环境形成噪声污染,因此开展对车辆的声学特性研究具有重要意义。

针对列车的气动声学研究,刘翰林等[1]基于大涡模拟和FW-H(Fowcs-Williams-Hawkings)方程,研究了运行速度与各部件偶极子声源能量占比的相关性,并获取转向架区域的噪声贡献主体频段。王毅刚等[2]利用转向架区域以偶极子声源为主的声源特征,将气动声源等效为无数个球形声源的集合,建立高速列车偶极子声源识别方法,分析了流场产生声源的本质。赵萌等[3]利用涡模拟方法对非定常流场中的受电弓作业姿态进行分析,发现滑板区域和底座区域在受电弓开口和闭口时受到的干扰程度最严重。朱程等[4]基于标准湍流模型,对车辆不同噪声源产生的气动噪声频谱特性进行了分析,发现车体和转向架噪声主频在400～1 250 Hz,而受电弓主频出现在500 Hz。朱剑月等[5]基于声类比方法分析了平行凹坑对转向架区域流场的影响,并通过风洞测试发现在列车排障器底部后端设置凹坑可抑制转向架区域流场剪切层的生长和发展。Li等[6]声学模拟方法,研究了高速列车前车的气流气动噪声行为,发现在前车周围形成的湍流具有与几何结构分离的多尺度涡流的特征。Li 等[7]采用分离涡模拟方法对列车的非定常流动进行了数值模拟和风洞实验,提出一种预测列车气动噪声的逐步计算方法,实现利用声源预测了列车的远场总噪声。

以上研究结果对列车不同区域的气动特性开展了研究,但是关键部件对整车的声辐射特性研究工作开展得相对较少,因此基于气动仿真模拟方法,建立车辆气动噪声模型,对车辆不同区域的频谱特性进行分析,为后续研究提供一定参考。

1 有限元-无限元法原理

针对结构在声场全域的声辐射模拟,将其远场离散为无限元域,近场离散为有限元域,利用无限元边界面实现近场和远场的划分(图1)。其中有限元域的声模拟通过有限元法实现,无限元域利用无限单元法[8-9]进行声模拟,通过定义虚拟节点提高模型的精准性。

图1 声辐射模拟

利用声压对频域Lighthill方程进行描述为

(1)

式(1)在有限域内变分和离散后的声场方程为

(2)

对于无限区域假设其为无穷大的“有限”单元,得到无限区域的声场方程为

(3)

将式(2)与式(3)联合推导可知,全域的声场方程为

(4)

轨道车辆的运行环境较空旷,气动噪声辐射主要来自地面,因此将列车的外声场模拟为半无限大的自由声场,地面默认为全反射刚性面,建立半椭球形的有限元-无限元声场,如图2所示。

图2 有限元-无限元声场

2 建立列车声场模型

2.1 建立车辆模型

基于某型动车组建立包含车辆的有限元模型,其外声场由有限元域、刚性边界面及无限元边界面三部分组成,其中车辆底部的地面设置为全反射的刚性面,考虑到车辆的实际几何轮廓与矩形接近,因此无限元边界面采用六面体进行包络建模,具体的声场模型如图3所示。

图3 车辆的声场模型

2.2 设置监测面和监测点

根据标准GB/T 5111—2011《声学 轨道机车车辆发射噪声测量》和ISO 3095—2005《Acoustics-Railway Applications-Measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles》,建立车辆外场的声辐射监测面,探究运行速度在300 km/h时车辆的气动频响特性。由图4可知,在距离车辆轨道中心线的横向0、7.5 m和25 m处,分别对头车、尾车和中间车(带受电弓)设置声辐射监测面。

图4 车辆场外的噪声监测面分布

针对车辆近场关键区域的声压级,采用有限元节点作为监测点,进行流场参数的收集和评估。针对转向架区域,监测点设置在轨面上方0.5 m处的转向架中心处,每个转向架处有1个监测点,共计6个监测点;考虑到受电弓区域结构复杂,因此在受电弓的前后侧和碳滑板处共设置7个监测点;在车头和车尾的鼻尖区域(鼻尖处、距遮流板处0.1 m处、司机室玻璃下方处)各设置3个监测点(图5)。

图5 车辆近场区域的监测点分布

3 车辆声辐射的频响分析

3.1 直接频响分析理论

直接频响分析作为一种在特定频率区段内对外荷载响应进行过程描述的方法[10],其本质对输入点(外荷载)和输出点(应力、位移等)的相关性进行耦合分析,其运动方程为

[-ω2M+iωB+K]u(ω)=P(ω)

(5)

式中:ω为声场频率;i为动力学系数;M为刚度矩阵;K为刚度矩阵;B为结构阻尼矩阵;u为声压向量;P为外部激励。

3.2 头车区域的声场频响分析

头车区域的流场分布如图6所示。当频率在50、100及300 Hz时,车辆外流场在车体顶部平滑区域的声辐射较小,而在车体鼻尖和转向架区域的声压级较大,其中鼻尖前方区域的声压级较大,而声辐射的区域较小。通过2个转向架的对比发现,车头下方转向架的声压级比后方的转向架区域大,主要分布在车轮和空簧位置处。当频率为600 Hz时,车辆前端和上部区域的声压级较均匀且水平较低,而在转向架区域虽然声压级和辐射范围均相对低频时降低,但仍是主要噪声区域。

图6 纵向中心面的声压级分布

3.3 中间车区域的声场频响分析

中间车区域(车体和受电弓)的流场分布如图7所示。当频率为50 Hz时,受电弓区域的声压级水平很高,尤其在碳滑板和底架处尤为明显,其次在转向架区域的声辐射能力也较大。当频率提高到100 Hz和300 Hz时,受电弓和转向架区域的声辐射范围大幅降低,且能量也有显著的衰减,车体上方的声压级分布相对低频时更加均匀。因此中间车区域的受电弓与转向架在低频区段能量较大,而在高频区段能量较小。

图7 中间车区域声压级云图

3.4 尾车区域声场频响分析

尾车区域(车体和转向架)的流场分布如图8所示。当频率为50 Hz和100 Hz时,车辆外流场的较大声压级主要集中在尾部鼻尖、前部车体凸起处(安装空调外机)和尾部转向架处。其中尾部转向架的声压级的水平和辐射范围比前部转向架大。在车尾后方较大区域内,声压级水平和声辐射范围都很大,存在明显的流场影响。当频率提高到600 Hz时,车辆外部流场的声压级总体分布均匀,且声压级的水平较低。该频率下的转向架区域和尾部鼻尖处的声辐射范围都显著减小。

图8 车尾声压级云图

4 车辆监测点和监测面的频谱分析

4.1 车辆监测面

结合第3节分析发现,在低频区段时车辆近场的声压级水平较高,为分析其远场监测面的声压分布情况,对不同监测面进行对比评估(图9),发现头车、中间车和尾车在各频率成分下,其7.5 m处的监测面声压级均比25 m处的监测面声压级大,且随着频率的增加,声压级都呈下降的趋势。其中头车在7.5 m和25 m处监测面的声压级最大,为149.6 dB,其次为尾车、中间车。

图9 不同监测面的声压级

4.2 车辆监测点

4.2.1 头车和尾车区域

列车头车和尾车的结构相同,针对其相同位置进行对比。由于列车头部的遮流板处结构存在凹面,加剧了气流在此处的湍化程度,因此图10中头、尾车的该处监测点C3、C6在400～1 000 Hz区段能量较高,总声压级分别为124.8 dB和132.5 dB。考虑到尾车运行时尾部钝体的扰流作用,因此C6处相对C3处在150 Hz内的低频区段声压级更大。鼻尖处监测点(C2、C5)和鼻尖上方监测点(C1、C4)处的车辆结构相对平滑,因此其声压级相比遮流板处较小,在尾车区域尤为明显。

图10 车头和车尾区域的监测点声压级

4.2.2 转向架区域

监测点Z1和Z6所在的转向架分别位于头车和尾车的端部,由于受到较大紊乱气流的影响,相对其他位置处的转向架,其总声压级最大,分别为127.7 dB 和122 dB。监测点Z2、Z3和Z5所在的列车中间区域气流较稳定,扰动较少,因此其监测点的总声压级均在115～119 dB的范围内,总体水平较低、相差较小,在频域的分布也相似,如图11所示。

图11 转向架区域监测点的声压级

由图12可知,监测点Z4所在位置上方安装了受电弓,列车运行过程中受电弓处的复杂结构对气流的扰动较大,因此监测点Z4处受到受电弓区域的气流影响,其总声压级为123.35 dB,且其频谱分布存在较为明显的峰值,在高频区段的能量较大,分布频域较宽。

图12 转向架区域的监测点声压级

4.2.3 受电弓区域

受电弓在工作状态下为升起状态,会引起该区域的气流紊乱,因此该区域是车辆顶部的主要气动声源。其中受电弓最高处的碳滑板受气流影响最大,由图13可知该位置监测点S3在低频区段的能量幅值较大。监测点S4和S1分别位于受电弓上下臂连接处和导流罩处,该两处的声压级相差较小,但监测点S1的声压级在高频区段呈增长趋势。

图13 受电弓区域监测点的声压级

受电弓底座的监测点S6和S7相对轨道中心线呈左右对称分布,两个监测点的声压级分别为138.28 dB和149.99 dB,其差异原因是底座的绝缘设备分布不对称,因此受电弓区域容易受涡流影响,且子部件的布局对气动声压级的影响较大。

5 结论

通过对车辆开展气动声学特性研究,探究了车辆不同区域的声辐射影响,得到如下结论。

(1)头车和尾车区域的车体顶部平滑区域在低频区段的声辐射较小(60～75 dB),而在鼻尖和转向架区域的声压级较大(110～140 dB),其中鼻尖前方区域的声压级最大为153 dB,在高频区段时车辆整体声压级较均匀且水平较低。

(2)中间车区域在低频区段时受电弓区域的声压级最大为158 dB,尤其在碳滑板和底架处尤为明显,其次在转向架区域的声辐射能力较大(最大声压级125 dB)。当频率提高时,受电弓和转向架区域的声辐射能量和范围随着频率增大呈降低趋势。

(3)头、尾车在遮流板的总声压级水平最高,分别为124.8 dB和132.5 dB,鼻尖处监测点和鼻尖上方监测点处的车辆结构相对平滑,因此其声压级相比遮流板处较小,在尾车区域尤为明显。

(4)头车和尾车的端部转向架区域处总声压级最大,分别为127.7 dB 和122 dB,位于列车中间区域的转向架气流较稳定,总体水平较低。受电弓区域在低频区段的能量幅值较大,其子部件的布局对气动声压级的影响较大。