高速列车气动噪声源远场噪声贡献度研究

张 军，朱 程

(大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028)

高速列车运行噪声已成为其乘坐舒适性的主要影响因素之一。无论轮轨噪声还是气动噪声都随着运行速度的增加而显著增加,空气动力噪声主要是由于车体表面湍流边界层产生的，车体、转向架及受电弓是主要气动噪声源。空气动力噪声随速度增加而增加，幅度大大超过轮轨噪声随速度增加的幅度，当速度超过300 km·h-1以上时气动噪声超过轮轨噪声，成为高速列车的主要噪声源[1]。因此，降低高速列车气动噪声已成为降低高速列车总体噪声的关键问题之一。高速列车气动噪声问题的研究方法主要是实验法[2-5]和数值计算法[6-9]。实验法是通过风洞试验或者通过线路测试得到噪声特性,风洞试验得到的是试验模型的总体气动噪声。线路试验得到的是包括气动噪声、轮轨噪声等在内的所有噪声。与此相反，数值法可以对整车或者针对转向架、受电弓等主要噪声源进行详细分析和计算[10-15]，并分析降低噪声的方法和措施。无论是数值计算还是测试试验，某一点噪声主要来自哪个噪声源一直是研究的重点内容之一[16]。文献[17]通过对车内噪声的测试分析，发现车内噪声主要来自车底部和顶部，车底部包括轮轨噪声和气动噪声，车顶部主要是来自受电弓产生的气动噪声。文献[18]通过对高速列车噪声测试数据的统计分析表明，下部噪声以轮轨噪声和车体气动噪声为主, 上部噪声以弓网噪声为主。从气动噪声来看，主要气动噪声源是车体表面、车下转向架和车顶部受电弓。

本文建立CRH3型高速列车3辆编组的气动噪声计算模型，计算高速列车单个转向架、全部6个转向架、车体头部、车体尾部、车体中间部、全部车体、受电弓、列车整体分别为噪声源的远场气动噪声，分析高速列车不同噪声源的远场气动噪声特点和对总体噪声的贡献，并验证高速列车整体对远场的辐射噪声与各局部噪声源气动噪声的叠加值基本相等。

1 气动声学计算原理

1.1 气动噪声计算基本理论

气动噪声是流体流过固体表面时流体与结构相互作用的结果，气动声学计算是计算流体动力学(CFD)的一部分。目前，气动声学计算多是基于Lighthill方程。Lighthill以流体力学的质量和动量守恒方程为基础,推导出静止流体包围的小尺度范围内湍流产生的气动噪声波动方程,表示为

(1)

式(1)左端和以密度ρ为变量的声学方程相同，右端相当于声源项，称为Lighthill声源项。如果右端项为零,则该方程转化为一般的声速为c0的静止流体中的声波动方程。Lighthill指出，如果将方程右端看成是四极子源项，则式(1)就是1个典型的声学波动方程。

以Lighthill方程为基础，FW-H(Ffowcs Williams and Hawkings)应用广义Green函数，将Lighthill声类比理论推广到了有任意固体边界存在的流体流动发声问题中，即物体在流体中运动的发声问题，得到目前被广泛应用的FW-H方程，表示为

(2)

式中：vn为表面发向速度，Pij为表面应力张量，H为Heaviside函数。

FW-H方程右边也可视为声源项，其中：第1项表示Lighthill声源项，为四极子声源；第2项表示由表面脉动压力引起的声源(力分布)，是偶极子声源；第3项表示由表面加速度引起的声源(流体位移分布)，是单极子声源。Lighthill声源项只存在于运动固体表面之外，在表面内为零；第2、第3声源项仅在固体表面上产生。目前，基于FW-H方程的气动声学计算已成为气动声学计算的主要方法。

1.2 声源叠加基本理论

在高速列车的噪声控制应用中，涉及车体、受电弓、转向架等噪声源的噪声叠加问题。噪声叠加遵循声压幅值的平方相加规则，设有n个噪声源，它们在某位置分别单独产生有效声压pi，与其对应的声压级为Li，其合成有效声压平方为

(3)

式中：p为有效声压。

根据声压级定义可得

(4)

式中：Lp为有效声压级；pref为参考声压。

因为pi=pref10Li/20，将其代入式(4)可得有效声压级的叠加公式,表示为

(5)

实际工程问题中噪声由多个噪声源产生，不同位置产生最高声压级的来源不同，因此在某位置降噪应该先从对该位置产生最高声压级的噪声源采取降噪措施。

2 高速列车气动噪声计算模型

2.1 车体物理模型

3辆车编组的CRH3型动车组气动噪声计算模型包括1个头车、1个中间车和1个尾车，每车带有2个转向架，中间车带有受电弓，车厢连接处采用外包风挡。由于高速列车的表面形状不规则，带有受电弓等复杂结构，因此对计算模型进行适当简化，忽略一些细小结构。计算模型如图1所示，动车编组长75 m，宽3.2 m，高3.8 m，头车和尾车结构一样，对称设置。

图1 CRH3动车3辆车编组几何模型

2.2 计算域

计算域大小主要考虑计算精度和计算时间及内存需求，在保证计算精度的同时尽量减少模型， 以提高计算效率。3辆车编组所需计算域如图2所示，计算域总长为495 m，宽110 m，高80 m。列车底部为水平地面，位于y=0的平面上。列车沿纵向中心线位于计算宽度的正中央，即z=0位置处。考虑到列车的尾流不稳定，列车头车鼻锥顶点距入口处100 m，尾车距出口约275 m。计算区域的边界条件定义如下：abcd面为速度入口，根据计算速度设定，efgh面为1个标准大气压的压力出口，底面abfe为滑移壁面，其余边界设为无滑移固定壁面。

图2 计算区域及边界设置(单位：m)

2.3 网格划分

本文模型的网格量为2 600万，其中最小网格尺寸为2 mm，在列车的车头、车尾鼻锥处进行了网格局部加密，以便计算中更好地捕捉到气流梯度变化。考虑到整车模型中含有转向架、受电弓、空调导流罩等复杂结构，对模型进行结构网格划分比较困难，本文采用非结构化网格，对车体、受电弓和转向架表面使用三角形网格进行划分，距车体近处采用四面体网格，远处采用六面体网格，四面体网格向六面体网格过渡区域采用五面体网格，三维网格的尺寸按一定比例向外扩大。图3为车头、受电弓、车厢连接处和转向架的表面网格。

图3 结构表面网格

3 远场气动噪声贡献度

3.1 远场噪声监测点

为了研究高速列车的车体、转向架、受电弓等噪声源对远场气动噪声的贡献，在车体侧向从车头到车尾共设置18个监测点，监测点位置按照国际铁路噪声测量标准ISO-2005的要求[19]，即每个点垂向距离轨面高3.5 m、距离车体纵向中心线25 m处，如图4所示。在车体长度方向上，监测点1和18分别位于距车头部、尾部鼻锥1 m处，监测点2和17分别与车头部鼻锥、尾部鼻锥平齐，监测点3，6，8，11，13，16分别对应6个转向架中心位置处，监测点7和12分别对应2个车厢的连接处，监测点4，5，9，10，14，15分别均匀布置于各车厢转向架之间对应处。

图4 远场噪声监测点位置

3.2 转向架为噪声源的远场噪声贡献度

每个转向架如图3(d)所示，3辆车编组从车头到车尾共6个转向架，如图1、图4所示。每个转向架对18个监测点的远场辐射噪声如图5所示。图5中纵坐标为不同转向架噪声源对各监测点辐射的未计权的总声压级，图中给出了每个转向架及全部6个转向架为噪声源对各监测点辐射的总声级，“转向架合成”曲线是按照式(5)对各单个转向架声压级在监测点合成得到的。图5表明，从车头到车尾即监测点1至监测点18，车头部第1个转向架即转向架1对远场的辐射噪声远远大于其它转向架，在车头部即监测点1至监测点5，转向架1远场辐射噪声几乎与全部转向架为噪声源辐射的噪声相同。每个转向架在与其对应的监测点产生最大远场噪声，随着监测点远离噪声源，转向架对其辐射的噪声级逐渐降低。全部转向架为噪声源时，在监测点5产生最大声压级，全部转向架在监测点1至监测点18产生的噪声分布与转向架1的噪声分布趋势相同，总体上全部转向架对远场辐射噪声级从车头到车尾逐渐降低。6个单个转向架在各监测点辐射噪声按式(5)的合成声级与全部转向架为噪声源的声级曲线几乎重合，说明转向架声源符合噪声叠加原理。

图5 转向架远场噪声

3.3 车体远场噪声贡献度

为了研究车体头部、尾部、中部对高速列车远场气动噪声的辐射特点及贡献，需要分别计算车头部、中间、尾部对远场辐射的噪声级。车头部、中间部、车尾部位置如图1和图4所示，车体不同部位远场声压级如图6所示。图6中， 车体声级包括全部车体，即包括车体头部、中间部位和尾部。图6表明车体在监测点1至监测点15均产生较大总声级，在监测点4产生最大总声级，与车体中间部位产生最大声级的监测点相同，在各监测点的总体分布规律也与车体中间部位在各监测点噪声的分布规律相同。车头部位在监测点3产生最大总声级，车尾部位在监测点16产生最大总声级。总体来看车体头部对远场辐射总声级远大于车体尾部对远场辐射的总声级，车体头部在监测点3产生的声级也高于车体中间部位产生的最大总声级，即从3个车体局部噪声源来看，车体头部是主要的噪声源。车体头部、中间部位及尾部按式(5)的合成声级与全部车体为噪声源在监测点辐射的总声级曲线基本重合，说明车体各噪声源也符合声源叠加原理。

图6 车体远场声级

3.4 整车远场噪声贡献度

全部车体、全部转向架、受电弓及整车对远场噪声监测点辐射的噪声如图7所示。图7中，整车声级即包括全部车体、全部转向架、受电弓一起为噪声源时对远场各监测点产生的总声级。整车声级最大值出现在监测点4，与车体最大声级所对应的监测点4相同。总体来看，整车声级从监测点4至车体尾部逐渐降低，与车体头部对应的监测点即从监测点1至监测点4逐渐增加。从车体、转向架、受电弓3个局部噪声源来看，车体是主要噪声源，从车头到车尾部对远场辐射的噪声级远高于转向架和受电弓对远场辐射噪声级，而且其分布规律与整车声级规律相似，可以认为整车总声级主要来自车体的贡献。从车头到车尾，车体对远场辐射声级比整车声级大致小5 dB左右。从监测点1至监测点7，转向架对远场声级大于受电弓，即与头车部位对应的监测点转向架对远场辐射声级大于受电弓，从监测点7至监测点18，即为与中间车和尾车对应的各监测点，受电弓对远场辐射噪声大于转向架辐射噪声。总体来看，受电弓对远场辐射噪声大于转向架对远场辐射噪声，受电弓在与其对应的监测点10产生最大声压级，高于转向架远场最大声级2 dB。虽然6个转向架构成的声源尺度要远大于受电弓，但受电弓由于处于车体顶部，对远场的声辐射性能高于处于车体下部的转向架，形成了受电弓远场辐射噪声高于转向架远场辐射噪声。车体、全部转向架、受电弓单独为噪声源在远场的辐射噪声按式(5)叠加合成的结果与整车声级完全吻合，最大差值仅0.6 dB，说明车体、转向架、受电弓声源也符合声源叠加原理。

图7 整车远场辐射噪声

3.5 远场噪声贡献度误差分析

各局部噪声源对远场辐射声级的叠加合成声级与各局部一起形成整体声源对远场辐射声级之间的误差，如图8所示。图8中3条曲线分别是转向架合成声级与全部转向架作为声源声级差值，车体合成声级与全部车体作为声源声级差值，车体、转向架和受电弓合成声级与整车作为声源声级差值。图9表明，最大差值小于1.7 dB，转向架叠加合成声级与全部转向架作为噪声源声级之间产生了最大误差值，其值为1.68 dB。总体来看，在车体两端误差较大，在车体中间部位误差较小。尤其从整车来看，将高速列车整车分成车体、转向架、受电弓3个噪声源时，它们对远场声级的叠加合成声级与高速列车整体作为噪声源远场辐射声级差值最大值仅为0.6 dB，充分说明高速列车各气动噪声源之间符合噪声叠加原理，这为高速列车气动噪声研究提供了新的思路。本文气动噪声计算采用FW-H噪声模拟法，它的基本前提条件是紧致声源[20-21]，即假设移动物体表面的湍流噪声源为单极子声源、偶极子声源及四极子声源，并且是紧致声源，其声压级之间可以按照式(5)进行叠加计算。本文通过高速列车不同局部噪声源之间的叠加值与整体作为噪声源的仿真值之间的比较验证了高速列车不同气动噪声源之间符合叠加原理。

图8 局部合成声级与总体声源声级误差

4 基于贡献度的高速列车降噪分析

如果认为高速列车对远场辐射噪声是由不同气动噪声源之间叠加产生的，则按照式(5)，可以定量分析出某个噪声源在某一点辐射噪声减小ΔSPL时导致的整体噪声级降低值。图7表明,高速列车整车对远场监测点4辐射噪声最大,同时也表明对监测点4噪声贡献大小依次为车体、转向架和受电弓，即要降低高速列车整车对远场的辐射噪声，应该首先降低车体对该点的辐射噪声。而按照图6，车体中对监测点4噪声贡献大小依次为车体头部、车体中间部、车体尾部，车体尾部对监测点4噪声和车头部、中间部相比可以忽略不计，因此要降低高速列车对远场辐射噪声应首先减小车头部噪声，其次是车体中间部；同理，从图5表示的转向架对远场辐射噪声来看，应首先降低头部第1个转向架对远场辐射噪声级。

5 结 论

(1)单个转向架为噪声源时，皆在与其对应位置处的监测点产生最大远场噪声，其中转向架1的远场辐射噪声远大于其它转向架；全部转向架为噪声源时，在各监测点的噪声分布规律与转向架1为噪声源时一致，且在车头部的监测点处远场噪声大小与转向架1为噪声源的辐射噪声近似相同。全部转向架对远场辐射噪声级从车头到车尾呈逐步降低趋势。

(2)车体头部、中间部、尾部分别为噪声源时，分别在监测点3，4，16处产生最大总声级，且车体头部对远场辐射的总声级大于车体后2部分的总声级，车体头部是车体的主要噪声源；车体在监测点4产生最大总声级，在各监测点的总体分布规律与中间部位在各监测点的噪声分布规律一致，说明车体中间部也是车体主要气动噪声源。总体上，车体对远场辐射噪声可以认为是车头部和中间部声级的合成，车体尾部对远场辐射噪声相对较小。

(3)车体对远场辐射的噪声远高于转向架和受电弓对远场辐射的噪声级，其声压级分布规律与整车相似，辐射声级比整车大约低5 dB，故整车总声级主要来自车体。总体上受电弓对远场辐射噪声大于转向架对远场辐射噪声；整车声级最大值出现在监测点4，其声压级分布规律呈先增大后减小的趋势。

(4)车体、转向架、受电弓3个噪声源对远场辐射的叠加合成声级与整车辐射声级最大差值为0.6 dB；总体上在车体两端误差较大，在中间部位误差较小，其中转向架叠加合成声级与全部转向架作为噪声源的远场声级误差较大，但最大值小于1.68 dB。

(5)计算结果及分析表明，高速列车车体头部、第1个转向架和受电弓是高速列车远场辐射噪声的主要噪声源，降低高速列车远场辐射噪声应首先降低车体头部、受电弓和第1个转向架这3个气动噪声源远场辐射噪声。

(6)通过将不同局部噪声源辐射噪声的叠加值与整体作为噪声源的计算值进行比较分析，验证了高速列车不同气动噪声源满足声源叠加原理，这为高速列车噪声控制研究、路边声屏障设计提供了新的研究思路。