高速动车组风笛远场辐射声预测研究

赵艳菊 林 鹏 帅仁忠 陈 艳

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

高速列车的风笛放置于头车内部，当进出隧道等工况时，司机会鸣笛对铁路两边的行人以警告，但是风笛声的大小需要满足TBT 3051.2-2009标准，风笛的发声参数、风笛的安装位置等设计因素，都会影响车外风笛声的大小。本文通过采用Virtual.lab声学间接边界元方法，根据高速动车组提供的风笛参数以及头车司机室部分的几何模型，对风笛发出的远场声压进行预测，并与实测结果进行对比分析，预测结果与测试结果基本吻合，因此通过声学仿真可以有效指导风笛选型以及安装位置等方案的设计。

1 仿真建模

1.1 风笛声源等效

目前高速动车组的风笛分为370Hz的高音低频和660Hz的低音高频两组，每组都由两个风笛组成，具体参数为：高音低频风笛：(370±10)Hz，当空气压力为8kg/cm2，在距风笛口30m测量时，音压为112～114dB；低音高频风笛：(660±15)Hz，当空气压力为8kg/cm2，在距风笛口30m测量时，音压为104～107dB。以上提供的风笛参数只是在30m和5m的声压测量值，不能直接作为声源输入参数进行风笛远场辐射声压的计算，需要对风笛进行声源等效。

根据点声源定义，当声源半径远小于声波波长，或者声源尺寸远小于测点到声源的距离时，可将该声源近似为点声源。动车风笛型式试验标准为在距离轨面1.2m、头车头部5m和30m处进行测量。风笛尺寸0.43m远小于5m的测量距离，因此可以将风笛视为点声源。

点声源的衰减计算公式为：

ΔL=10lg(1/4πr2)

(1)

式中r为点声源和测量点之间的距离，根据公式(1)，计算得出输入点声源的声压如表1所示。

表1 计算模型点声源输入声压值

1.2 仿真建模

高速动车组的风笛安装在列车头部开闭罩内，因此计算风笛的远场噪声需要根据头车司机室部分的几何参数建立头车的声学模型，图1为头车前部的几何模型，图2为根据提供的几何模型建立的结构网格。

图1 高速动车组司机室头部几何模型

图2 根据提供的几何模型建立的结构网格

2 风笛声远场计算

2.1 声学间接边界元方法

声学间接边界元可以同时计算网格的外声场和内声场，计算的声腔可以是封闭的也可以是非封闭的。由于开闭罩有开口，不能构成完整的封闭声腔，因此计算模型采用声学间接边界元方法。声学间接边界元法，不仅需要结构的有限元网格，还需要建立贴近于结构网格表面的声腔面网格，图3为根据结构有限元网格生成的声腔面网格。

图3 结构内部的声腔面网格

2.2 模型建立

高速动车组的风笛安装在头车司机室隔墙与开闭罩之间，为了减小计算量，计算模型只取了司机室隔墙与开闭罩之间的蒙皮、骨架、排障器和下面的挡板部分。隔墙与蒙皮的连接部分采用的约束条件为简支约束。地面采用Virtual.lab中的对称面模型来模拟地面对声音的反射作用，为了进一步了解风笛声音的外场辐射情况，在头车0-30m的横向位置以及在5m和3m纵向位置都建立了场点相应面。因为开闭罩开启时风笛的标准值满足试验大纲要求，所以仿真模型只建立了头罩关闭状态的风笛远场声压预测模型，具体模型如图4所示。

图4 高速动车组风笛声远场预测模型

3 计算结果分析

对图4所示的风笛远场声压预测模型进行仿真计算，得到远场的声压分布情况，图5和图6为风笛远场声压的计算结果。从图5可以看出，370Hz低频高音风笛随着距离的增大，辐射的声压逐渐减小，呈阶梯状，符合低频点声源的声辐射特性，而图6中660Hz高频低音风笛，随着距离的增大，辐射声压也逐渐减小，但是呈放射状，这是因为高频声音的声波较短，声音的指向性较强，类似手电筒的光线辐射，表2为计算结果与测试结果的对比分析，从表中可以看出，仿真结果与测试结果误差控制在2dB以内，满足工程需要。

图5 370Hz低频高音风笛的计算结果

图6 660Hz低频高音风笛的计算结果

距离(m)频率(Hz)仿真结果(dB)测试结果(dB)5370107．9109．53037094．793．5

4 结论

本文通过采用Virtual.lab声学间接边界元方法，根据高速动车组提供的风笛参数以及头车司机室部分的几何模型，对风笛发出的远场声压进行预测，并与实测结果进行对比分析，仿真结果与测试结果误差在2dB以内，满足工程需要，说明文中建立的声学模型以及仿真方法的有效性，这样通过仿真就可以指导新型动车组的风笛选型以及安装位置等方案的设计，减小了计算量，提高了工作效率。

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