自动旅客运输系统车辆结构噪声仿真研究*

朱冬进 徐海大 周劲松

(1.中车浦镇阿尔斯通运输系统有限公司, 241007，芜湖；2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海∥第一作者，高级工程师)

自动旅客运输(APM)系统是一种独具特色的城市轨道交通形式[1]。随着国民生活水平的不断提升，交通运输工具本身的振动和噪声已经成为衡量装备性能的重要指标[2-4]。

本文针对APM车辆建立了车内噪声有限元仿真预测模型，分别对其结构模态和声学模态进行分析得到其振型特性。通过现场测试，得到电机对车体结构的振动激励，并且建立了UM(多体系统)动力学仿真模型，用以得到空气弹簧施加于车体结构上的振动激励。基于建立的有限元模型和结构振动激励计算得到车内的结构声响应，并分析其频域特性，为改善APM车内噪声环境提供参考。

1 APM车体有限元模型

1.1 车体结构有限元模型

APM车辆由车顶、侧墙、端墙、地板等部分组成。将既有车体三维模型导入到Hypermesh软件中，对局部复杂部分进行必要的简化处理并对其进行抽中面和网格划分处理，进而得到简化后的车体有限元模型，见图1。其网格大小为50 mm×50 mm。

图1 简化车体有限元模型

1.2 车体声腔有限元模型

在简化车体有限元模型的基础上，补全车窗等必要单元网格，使其形成密闭空间，进而建立车内声腔有限元模型，见图2。模型单元尺寸为 50 mm×50 mm。

图2 声腔有限元模型

2 模态分析

2.1 结构模态分析

通过结构模态分析可确定设计机构或者零部件的振动特性，并且得到由结构本身特性和材料决定的固有频率和固有振型。本文采用HyperWork软件的OptiStruct求解器，对整个车体进行模态求解，得到车体前30阶的固有频率和固有振型。图3为几个具有代表性的模态振型。

a)第9阶模态振型

从图3中可以看出：第9阶模态振型为菱形振型，车体变形主要集中在车顶两侧；第10阶模态振型为扭转振型，车体变形主要集中在车顶的4个边角处；第15阶模态振型为呼吸振型，车体变形主要集中在车顶中心和侧墙中部。

2.2 声学模态分析

当车门及车窗封闭时，车厢内为封闭空腔。在一定的声学模态频率下，车厢内不同位置会产生不同的声压分布，从而形成声学模态振型。当结构系统产生的振动频率与声腔产生的模态频率相近时，声腔容易产生共鸣导致噪声放大。对图2中的声腔有限元模型进行声学模态分析，设置空腔内介质密度和声速等参数，其中空气密度取1.225 kg/m3，声速为340 m/s，计算得到车内声学模态前20阶频率，见表1。从表1中可以看出：第1阶声学模态频率远小于1 Hz，为整车客室内空腔的声学共振。第1阶声学模态频率远小于人类听力的范围，故对整车的舒适性影响较小。

表1 声学模态频率表

图4为部分具有代表性的模态振型。从图4中可以看出：第2阶声学模态为纵向声学模态，声压最小出现在车体中部，从车体中部沿纵向向两端增大；第6阶声学模态为横向声学模态，声压最小值出现在车体横向一截面处，并向两侧递增；第10阶声学模态为垂向声学模态，声压最小值出现在车体垂向一截面处，并沿垂向递增；第12阶声学模态为综合叠加模态，声压最大值出现在车底，为95.5 dB，并向车顶处递减。

a)第2阶模态振型

3 获取载荷

3.1 获取电机激励

电机悬挂于车体下方，电机振动将直接作用于车体结构。因此，可对APM车辆车下电机处振动进行测试，并将测试得到的结果与电机质量相乘，即得到电机处的激励。

3.2 空气弹簧激励获取

来自路面的激励通过车轮及空气弹簧的衰减形成二系悬挂力作用于车辆底部，从而造成结构噪声。本文通过UM动力学软件来获取空气弹簧处的二系悬挂力。如图5所示，车体模型包括1个车体、2个轴桥、4个走行轮和8个导向轮。将车体和道路部分相互连接、耦合后，即可提取其中的垂向二系悬挂力。

图5 UM动力学模型

4 车内声学响应分析

根据GB/T 3499—2011《声学轨道车辆内部噪声测量》和GB/T 14892—2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》，在模型中分别选取车体一位端、一位端车门、车体中部、二位端车门、车体二位端共5个观测点，如图6所示。5个观测点位于地板上方1.6 m处。

图6 客室内声压级观测点位置示意图

各观测点的频率响应A计权声压级频谱如图7所示。

由图7可以看出：随着振动频率的提升，车内各观测点的声压级逐渐升高；各观测点在振动频率范围内存在多个明显的噪声峰值，其中所有观测点都在315 Hz产生了较大的结构声响应，并且达到了最大的声压级，且最大声压级分别为71.43 dB(A)、72.41 dB(A)、75.19 dB(A)、71.38 dB(A)和71.72 dB(A)；此外，车体一位端、二位端车门和车体二位端均在630 Hz处产生了噪声峰值，而且噪声峰值分别为67.85 dB(A)、63.78 dB(A)、65.34 dB(A)；一位端车门和车体中部在500 Hz处产生了噪声峰值，且噪声峰值分别为68.12 dB(A)、62.58 dB(A)；车内5个观测点的A计权总声压级分别为73.45 dB(A)、72.91 dB(A)、76.12 dB(A)、72.38 dB(A)和73.23 dB(A)，由此可见：在315 Hz处出现的不同程度的结构声响应，是导致车内结构噪声的主要原因；车体中部噪声较大，其余4个观测点的噪声值差别不大。

a)车体一位端

5 结语

本文基于某APM车辆结构，采用现场测试和建立UM动力学模型相结合的方式，分别得到了电机和空气弹簧对车体的振动激励，结合建立的有限元模型进一步得到电机激励和空气弹簧激励下的车内结构噪声响应。分析其噪声特性，得出以下结论：

1)在电机和空气弹簧的结构振动激励下，车内结构噪声响应存在多个峰值，特别是在315 Hz处，各个观测点的A计权声压级较大。

2)车体中部的结构声最大，与其他4个观测点相比，其A计权总声压级高3 dB(A)左右。