城市轨道车辆司机室内噪声特性研究

崔宏飞，　钱　燕，　黄　捷

(无锡职业技术学院 汽车与交通学院，江苏　无锡　214121)



城市轨道车辆司机室内噪声特性研究

崔宏飞，钱燕，黄捷

(无锡职业技术学院 汽车与交通学院，江苏无锡214121)

摘要：城市轨道客车司机室内噪声对驾驶员的生理和心理有重要负面影响，因而是设计阶段重点关注的问题。本文以车身转向架下三向载荷谱为输入，采用有限元计算司机室车体表面的振动速度，并采用边界元法预报内声场；最后，分析司机室表面各部分的面板贡献量影响规律，认为车体上加强筋和车内吸声材料对面板贡献量的影响可观，其机理需要后续工作深入探讨。

关键词：内声场； 城市轨道车辆； 有限元； 边界元

对城市轨道客车司机而言，长时间暴露在高水平的噪声环境内，将对其生理和心理有重要影响，主要包括以下方面：首先，身体疲劳，听觉和视力灵敏度下降；其次，心理出现波动，表现在烦躁甚至易怒。这直接导致其工作效率降低、判断能力下降、甚至出现误操作，严重时会影响行驶安全。因此，司机室内噪声预报和控制是车辆设计阶段重点考虑的问题。车内噪声主要由电力机车、液压系统、传动系统的振动，经过悬架和车身等动力放大后，以结构噪声的形式进入到车内舱室。现有的研究主要集中在车辆车身振动引起的室内噪声。马天飞和林逸等[1]建立了轿车车身和其内部声学空腔有限元模型，通过对比车身振动模态和声学空腔谐振模态，给出了车身修改的建议。黄捷等采用有限元结合边界元建立了城市轨道客车声振模型，分析了乘员车厢内的噪声分布规律，并给出不同面板的振动对乘员处的声学贡献量[2]。左言言等建立了铝合金地铁车辆车体结构有限元模型、车内声场边界元模型和车辆轨道耦合模型,计算了频率200 Hz范围内车内不同位置的低频结构噪声分布特性[3]。此外，刘岩等[4]通过试验分析研究了铁路车辆的车内噪声规律以及主要影响因素。汤晏宁等[5]通过试验分析了轻轨客车在不同行驶速度下车内噪声的频谱分布规律，并据此确定噪声源。惠巍和刘更等采用有限元结合边界元建立了轿车声固耦合模型，分析了车身不同面板的振动对司机左右耳的声学贡献量[6-7]，但所得到的结论不适用于城市轨道车辆司机室内噪声。

本文建立了城市轨道客车司机室结构有限元模型和室内声场边界元模型,分析车身转向架受三向激励下,司机室结构的谐响应，将得到的振动响应作为边界条件传递给车内声场边界元模型，计算了200 Hz范围内司机室内典型位置的低频结构噪声分布特性；并分析不同频率下各振动区域对室内声场贡献量的规律。

1结构有限元建模

司机室内空气为轻流体，因此司机室结构和声场之间的相互作用可以采用单向耦合方式处理，司机室结构稳态振动方程有如下标准形式[8]：

(1)

其中[Ms]、[Ks]和[C]分别为结构的总质量阵、总刚度阵和阻尼阵；{u}和{Fs}分别为结构的节点位移列阵和载荷列阵。位移和载荷列阵都有时间依赖因子eiωt(ω为圆频率)，为方便起见省略。

2声场边界元建模

对于理想声学流体，单频激励下的辐射声场满足如下亥姆霍兹方程：

(2)

其中，k0=ω/c为声波波数，而c为空气中声速。方程(2)经过离散，其解有如下形式[5]：

(3)

其中，{Pf}为声场点的声压，[A] 和[B]分别为贡献矩阵，{ps} 和{vsn}分别为结构表面上的声压和法向振速。

3司机室声振耦合模型

本文以某城市地铁车辆司机室为研究对象。车体主要由钢板和梁材构成，车窗为地铁车辆用钢化玻璃，车内的声学介质为空气。各材料参数在表1中给出。

如图1，对司机室主要结构采用1051个板单元，车窗采用205个板单元，而各加强筋采用300个梁单元。有限元模型坐标系建立如下:原点为司机室地板中心线的中点处,车体首尾方向为x方向,垂直地板向上为z向,车体横向为y向。

图1　司机室有限元模型

车辆在按指定工况行驶时，车轮和轨道之间的相互作用是车身的主要激励源，通过试验获取难度很大。本文所采用的激励数据系经过ADAMS计算得到，拟采用车底转向架上4个关键位置的载荷谱(X、Y、Z三个方向的载荷谱如图2所示)。

表1　司机室的主要参数

图2　采用ADAMS计算得到的转向架上载荷谱

4数值分析结果

在车底架两个转向架处施加如图2所示的载荷谱激励，采用ANSYS谐响应分析计算司机室表面的振动速度分布{vsn}，即式(1)中{u}对时间的导数；各节点速度分实部和虚部导入到边界元软件SYSNOISE中，通过{vsn}，先求表面声压{ps}，再利用式(2)求声场声压{Pf}。

4.1司机室内声场分布规律

图3和图4分别为100Hz 和200Hz下司机室内声压分布,可以发现司机室尾部区域声压更大，原因在于车辆转向架更靠近司机室尾部，更靠近激励源。为了综合比较司机室内各场点噪声大小，选取6个典型场点，其中2个点靠近在司机室尾部，分别为141点(-1.06,0.4,1.2)和139点(-1.06,-0.4,1.2)，而另外4个点分别为：904点(0.0,0.4,1.2)、287点(0.0,0.4,1.2)、197点(1.06,0.4,1.2)和327点(1.06,-0.4,1.2)。 如表2所列为以上六个点的计权A声级，可以发现司机室内尾部两点(139和141两点)的计权A声级均高于80 dB；而在司机室中部的A声级稍小，分别为73.58 dB和73.72 dB；司机室前部的A声级为最小,分别为69.49 dBh和63.94 dB。由此可见，司机室内的声压分布不均匀性很大，应有针对性加以控制或在布置驾驶座椅时予以考虑。

图3　司机室内声场分布(100 Hz)

图4　司机室内声场分布(200 Hz)

dB(A)

4.2司机室内声场传递及贡献量

依据声场叠加原理，声场内的声压P(ω)可由来自不同面板振动引发的声场叠加获得[2]：

(4)

其中Pe,i(ω)为由于第i个面板振动引起的场点声压，可由方程(3)经过简单推导获得：

(5)

在计算时先计算各节点对特定声场点的声学传递向量(ATV)，然后将司机室表面上材料参数相近点按空间划分成若干面板(以组号区别)，计算各面板在给定频率处对声场点的贡献量。本文将司机室地板分成6块(1-6号面板)，司机室顶部和侧墙分成8块(7-14面板)，前窗(15-16号面板)和门(17号面板)。在进行面板贡献量分析之前，确定在30 Hz频率处，司机室内的声压级较其他频率大，因此选定30 Hz处司机室面板贡献量进行分析。

如图5和图6，在30 Hz处，5号(靠近转向架的有纵筋的地板)、9号(司机室头顶处)，16和17号(前窗)等各处面板对司机室内两个主要声场参考点(139和141点)的贡献量较大，都在0.4以上。同样是靠近转向架，司机室尾部地板上有纵筋的面板(5号面板)对声场贡献更大，而比5号面板更靠近转向架的3号和4号面板的贡献量都在0.3以下。在结构振动分析中，已经发现5号面板加强筋附近的振动响应明显比该面板其他区域振动大，说明加强筋的作用提高了局部振动响应。目前已经有文献表明[8]: 平板加筋能提高面板的辐射效率,但是加筋又能抑制结构振动，因此有必要在设计阶段对加强筋布置进行优化，并从机理上探讨进一步加强筋平板面板贡献量的定性或定量规律，指导工程实践。前窗玻璃(16和17号面板)对声场贡献也较大，由于没有布置吸声材料，此处的局部声反射系数较大。

图5　30 Hz处司机室各面板对139点的面板贡献量

图6　30 Hz处司机室各面板对141点的面板贡献量

5结论

对于城市轨道客车司机室内噪声，通过有限元和边界元分析，结合面板贡献度分析，结果表明：司机室尾部内的噪声级比中前部的噪声级高10 dB，不均匀性明显，因此应对司机室内噪声进行重点治理;司机室尾部靠近转向架的地板和司机头顶处面板对声场参考点的面板贡献量最大，根据文献[8]给出的结论，建议后续工作讨论加强筋平板对面板贡献量的影响机理，为城市轨道客车的设计阶段提供参考。

参考文献：

[1]马天飞,林逸,彭彦宏，等.汽车车内低频噪声的仿真计算及试验研究[J].中国机械工程,2005(16):1489-1492.

[2]黄捷, 崔宏飞, 殷学文. 城市轨道车辆车内噪声特性研究[J]. 噪声与振动控制, 2010, 30(2):62-65.

[3]左言言,耿烽,李树栋.铝合金地铁车内低频结构噪声特性预测[J].江苏大学学报,2012(2)：139-144.

[4]刘岩,张晓排,黄彬，等. 铁路客车车内噪声分布规律研究[J].噪声与振动控制,2007(1):74-76.

[5]汤晏宁,刘岩,迟兴国，等. 轻轨车辆车内噪声研究[J].噪声与振动控制,2005(11):6-9.

[6]惠巍,刘更,吴立言. 轿车声固耦合低频噪声的有限元分析[J]. 汽车工程,2006,28(12):1070-1073.

[7]惠巍,刘更,吴立信. 车内噪声预测与面板声学贡献度分析[J].噪声与振动控制,2006(5):62-65.

[8]Crighton D G, Maidanik G. Acoustic and vibration fields generated by ribs and fluid-loaded panel I: Plane-wave problems for a single rib[J]. J. Sound and Vibration, 1981(75):437-452.

Characteristics of interior noise from driver's cabin in an urban rail passenger vehicle

CUIHongfei,QIANYan,HUANGJie

(Department of Automobiles and Transportation, Wuxi Institute of Technology, Wuxi214121, China)

Abstract：Interior noise in driver's cabin of urban rail passenger vehicles are of great concern in design phase since it has negative influence on driver's physiology and psychology. In this paper, the load spectra at the bottom frame are assumed as input, in which case, the vibration velocities on the surface of the driver's cabin are calculated by using finite element method, as a result, its interior noise field is predicted by using boundary element method. In the end, the panel contribution due to different patches on the surfaces of driver's cabin is analyzed, which suggests that stiffeners on the vehicle's body and sound-absorbing materials in the cabin have a significant impact on panel contribution, and these mechanisms will be further discussed in the coming work.

Keywords：interior noise； urban rail passenger vehicle; finite element method; boundary element method

中图分类号：TB 532；O 422.6

文献标志码：A

文章编号：1671-7880(2016)01-0049-04

DOI:10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.01.016

作者简介：崔宏飞(1975—)，女，吉林东丰人，讲师，研究方向：噪声控制。

收稿日期：2015-12-10