空调对车内噪声影响的仿真分析

李新一　高阳　王奇　陈鹏　徐圣辉

摘要：為研究市域列车空调系统对车内噪声的影响，本文结合边界元法和声线跟踪法，建立了市域列车空调声源车内噪声仿真模型，模型在低频区（160 Hz以下）使用边界元法，考虑了空调机组和风道气流等声源在空调风道以及客室车厢内传播的特性，在高频区（160 Hz以上）使用声线跟踪法，最终得到整个频段的车内噪声。选取车内中心距离地板1.6 m高度处的声压级仿真与试验结果进行对比，结果显示试验与仿真曲线的变化趋势基本一致，声压级总值相差1 dB以内，各频段声压级差值在5 dB以内，验证了声学模型的准确性。最后应用该模型对空调降噪措施进行了仿真，当仅存在空调声源时，在管道底部铺设2 m的玻璃丝绵可降低车内噪声4.0 dB（A）。

关键词：市域列车；空调；车内噪声；声线法；边界元法

中图分类号：U270.38+3                   文献标志码：A                           doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.005

文章编号：1006-0316 （2023） 08-0032-07

Study on the Influence of Air Conditioning Sound Source on Stationary Interior Noise

LI Xinyi GAO Yang WANG Qi CHEN Peng XU Shenghui

（ 1.CRRC Changchun Railway Vehicles Co.， Ltd.， Changchun 130113， China;2.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610036， China ）

Abstract：In order to study the influence of the air conditioning system on the interior noise of the city train， this paper combines the boundary element method and the sound ray tracking method to establish a simulation model of the interior noise of the air conditioning sound source of the city train. The model uses the boundary element method in the low frequency region （ below 160 Hz ）. Considering the characteristics of the sound source of the air conditioning unit and the air flow in the air conditioning duct and the passenger compartment， the sound ray tracking method is used in the high frequency region （above 160 Hz）， and the interior noise of the whole frequency band is finally obtained. The sound pressure level simulation and test results at a height of 1.6m from the floor in the center of the vehicle are compared. The results show that the change trend of the test and simulation curves is basically the same. The total sound pressure level difference is within 1dB， and the sound pressure level difference of each frequency band is within 5 dB， which verifies the accuracy of the acoustic model. Finally， the model is used to simulate the noise reduction measures of air conditioning. When there is only air conditioning sound source， laying 2 meters of glass sponge at the bottom of the pipe can reduce the interior noise by 4.0 dB（A）.

Key words：regional trains；air conditioning；interior noise；ray tracing method；boundary element method

轨道列车静置或低速运行时，空调噪声是车内主要噪声源。某地铁列车在空调开启及关闭状态下测得的客室噪声声压级总值如表1所示^[1]。可以看出，列车静置时，开启空调使得车内噪声声压级上升了40 dB（A）左右；列车以20 km/h速度运行时，开启空调使得车内噪声声压级上升了12 dB（A）左右，说明列车静置或低速运行时空调对车内噪声影响较大。

目前针对地铁和市域车等低速运营列车空调对车内噪声的影响，主要是从试验的角度开展研究^[2]。基于统计能量法建立的车内噪声仿真模型^[3-4]同样将实测空调机组声源和实测出风口声源作为激励源。然而，当车辆或空调结构发生改变时，声源输入需重新测量，不利于仿真空调各降噪措施对动车组车内噪声的影响。因此，有必要建立有效的空调声源车内噪声仿真模型，以更有效地研究空调降噪措施对车内的影响。

针对空调噪声车内噪声仿真模型，国内外众多学者进行了相应研究。张振威等^[5]采用有限元方法，建立高速列车空调风道部分有限元模型，忽略风道中气流噪声的影响，仅计算经由风道传播的列车空调机组产生的中低频噪声，与相应的实验数据对比发现，有限元法可以用来预测经由风道传播的空调机组噪声；由于只建立了部分风道模型，同时忽略了风道中气流噪声的影响，使得在大部分的测点处，仿真结果比实测结果大5 dB以上。孙艳红等^[6]针对某高速列车空调风道噪声，采用FE-SEA（Finite Element method and Statistical Energy Analysis，有限元法与统计能量分析）混合法，建立了阻抗复合消声风道结构分析模型，基于声学有限元法计算了风道结构内部的声学模态，基于统计能量法对模型施加边界条件与声场激励，对比试验得到简单膨胀腔的传声损失曲线，发现FE-SEA混合法适用于80～2500 Hz中低频计算，且能有效减少计算时间，但在计算更高频噪声时，仿真值与实测值之间的差值超过10 dB。在仿真精度、效率和应用方面，上述研究对空调宽频段噪声研究各自存在不足。

声学边界元法适用于低频噪声仿真^[7]，具有使分析问题降维、适用于复杂结构、计算精度高、计算量相对较小等优点。声线跟踪法适用于高频以及几何形状较为规则的空间内，结果较为准确。针对目前列车空调风道噪声研究的不足，本文提出综合建模方法：运用边界元法计算低频部分空调噪声对车内噪声的影响，同时考虑风道内的气流噪声，运用声线跟踪法计算高频部分空调噪声对车内噪声的影响，从而实现在宽频率范围内仿真空调对车内噪声的影响，为空调系统降噪提供参考和依据。

1 空调噪声特性试验分析

列车空调系统的主要噪声源有冷凝风机、送风风机、制冷压缩机和空调风道中的气流流动。其中，冷凝风机噪声主要通过空调机组上部散热面向机体上部辐射（即装车后车顶外部），送风风机噪声主要通过送风口和回风口向空调机组下方辐射（即装车后的空调通风管道系统），而制冷压缩机等其他噪声源由于在空调机组内部，主要通过空调机组上下壳体向外部辐射^[6]。

1.1 空调声源特性测试

为掌握列车空调噪声声源特性，在距离空调机组1 m、高度与空调机组持平位置布置声传感器，测试列车静置状态下空调机组辐射噪声水平，以计算声源特性。同时，为掌握空调系统对车内噪声的影响，按照ISO 3381－2011标准，在前空调机组下方（以车头为前），车体纵向中心线上方距离地板面1.6 m处布置测点（声学评价点），测试列车静置状态下仅空调机组工作时的车内噪声水平。如图1所示。

1.2 空调声源特性分析

列车静置、空调机组工作状态下，空调机组测点和车内测点的客室噪声幅频特性结果如图2所示。可以看出，静置状态下，空调机组噪声在1250 Hz处存在噪声峰值，主频在125～3150 Hz频段内；客室噪声在125 Hz和400 Hz处存在噪声峰值，噪声主频在80～2500 Hz频段内。除此之外，空调机组噪声和客室噪声在25 Hz的低频区存在明显的峰值噪声。

此外，中心频率小于125 Hz的低频区域，空调机组与客室噪声曲线峰值和趋势相似，可以认为客室噪声主要受空调声源影响。在高于125 Hz的区域，客室噪声峰值与空调噪声峰值不一致。原因可能是，空调机组风道内的气流噪声和客室声学环境对客室噪声产生了影响。

图2中实测空调噪声声压级小于客室噪声声压级，其原因在于声壓受到测点位置与声源的距离影响。为便于建模仿真，基于点声源传播特性，将测试的声压级数据换算成声功率级，如图3所示。可以看出，与A计权声压级不同，空调机组声源声功率（未计权）在25 Hz、160 Hz和315 Hz存在峰值。

2 空调噪声风道客室仿真模型

2.1 车内低频噪声预测

2.2 车内高频噪声预测

首先建立空调声源客室噪声预测模型，运用声线法进行预测。基于声线法假设，空调声源在空间中以声线的形式向四周扩散，每根声线的能量相同，总和等于空调声源的能量。同时假定车体为一定吸声系数的平面，以模拟车体壁面，当声线撞击到壁面时，产生镜面反射，同时能量产生衰减，当声线能量达到设置的限值时，计算机停止对该声线的追踪，当每根声线的能量都达到限制，则计算结束。以车内噪声测试位置为车内声学评价点，提取车内声学评价点的响应时，通过该点所有声线的能量总和就是该点的声能量。

列车高频噪声预测模型如图9所示，声源主要考虑以中高频噪声为主的空调机组噪声。将空调声源以点声源的形式布置在空调风道的四个入风口处。

3 模型验证

声线法和综合法在声学评价点处仿真得到的幅频特性曲线如图10所示。可以看出，仿真低频噪声时，声线法无法准确模拟声波的传播特性，比如低频波的衍射和干涉，因此，声线法不适用于低频噪声计算。160 Hz及以下频段，声线法在各中心频段上的仿真数值与实测值之间相差都在5 dB（A）以上。且越往低频，差值越大。160 Hz以上频段，声线法仿真数值与试验数据在各中心频段上声压级差值都在5 dB（A）以内，且频率越高仿真曲线与试验曲线拟合得越好，这符合声线法适用于高频计算的特性。

综合法仿真结果在160 Hz及以下频段内，峰值及趋势与试验数据一致，在各中心频段上声压级差值在5 dB（A）以内，符合工程要求。在160 Hz以上的高频区仿真曲线与试验声压级趋势总体上保持一致，仿真曲线在试验曲线上下波动。声压级总值相差在1 dB（A）以内，各频段声压级差值在5 dB（A）以内。说明了该方法的有效性。

综上所述，综合法结合声线法和边界元法的优点，能有效预测空调声源对车内噪声的影响。在160 Hz以下频段内，用边界元法仿真模拟车内噪声；在160 Hz及以上频段内，用声线法仿真模拟车内噪声。

4 风道降噪措施仿真

利用本文提出的综合法模型，仿真不同位置和不同降噪材料对车内噪声的降噪效果^[6，10]，指导选择空调降噪措施。

4.1 不同位置降噪特性分析

4.2 不同材料降噪特性分析

不同材料的吸声系数值如图13所示。在风道内侧底部铺设不同吸声材料，管道的传声损失幅频特性曲线如图14所示。

由图14可以看出，相比常规吸声材料（吸声系数均为0.41），玻璃丝绵、三聚氰胺和碳纤维可使出口处的声功率级总值分别进一步降低3.2 dB、3.6 dB、2.3 dB；尤其是在315 Hz和500～1000 Hz中高频段内，传声损失可提高2.5 dB以上；但在63～250 Hz和400 Hz频段内，传声损失不升反降。

4.3 声学评价点降噪量分析

为了评价降噪效果对车内噪声的影响，给出不同措施下车内声学评价点的声压级降低值，如表3所示。其中铺设的吸声材料均为2 m。

5 结论

本文基于综合建模方法，建立了空调声源车内噪声仿真模型，从而实现在宽频率范围内仿真空调对车内噪声的影响，为空调系统降噪提供参考和依据。主要结论如下：

（1）通过分析市域车车内噪声和空调机组噪声的幅频特性曲线图，得出空调机组噪声声源特性以及向车内的传递特性。

（2）建立空调边界元－声线法仿真模型。运用边界元法计算低频（160 Hz以下）部分空调噪声对车内噪声的影响，同时考虑风道内的气流噪声，基于流体力学理论，建立风道气动仿真模型，计算气流对风道壁面的脉动压力；建立风道有限元模型，同时考虑风道中气流噪声和空调机组噪声，计算风道出风口的辐射声功率级。基于边界元法计算车内噪声响应。在高频区（160 Hz以上），基于声线法计算空调声源向车内噪声的传递。计算并对比声学评价点处的声压级曲线，结果显示仿真与试验曲线具有较高的一致性，声压级总值相差在1 dB以内，各频段声压级差值在5 dB以内。验证了模型的有效性。

（3）对空调降噪措施进行仿真，建议在管道底部铺设2 m的玻璃丝绵，可降低车内噪声4.0 dB（A）。值得注意的是，本文所建模型仅考虑了空调声源对车内噪声的影响，当考虑到辅助设备噪声对车内噪声的影响时，降噪效果会有所降低。

参考文献：

[1]展偉，刘岩，钟志方，等. 地铁车辆空调系统噪声分布规律[J]. 噪声与振动控制，2014，34（5）：91-94.

[2]孙强，程亚军，张捷，等. 城市轨道车辆空调通风管道的低噪声设计[J]. 大连交通大学学报，2019，40（2）：94-98.

[3]Zhang J，Xiao XB，Sheng XZ，et al. SEA and contribution analysis for interior noise of a high speed train[J]. Applied Acoustics，2016，（112）：158-170.

[4]刘舫泊，张捷，郭建强，等. 基于SEA-PSA的地铁车内噪声顶层指标分解方法[J]. 机械，2021，48（8）：22-28.

[5]张振威，苏燕辰. 高速列车空调风道的降噪[J]. 科学技术与工程，2018，18（3）：354-360.

[6]孙艳红，张捷，韩健，等. 高速列车风道传声特性及其优化设计[J]. 机械工程学报，2018，54（24）：129-137.

[7]曾向阳，陈克安. 基于声线法的声场脉冲响应计算机模拟研究[J]. 西北工业大学学报，2000（4）：629-633.

[8]董耀诚. 空调风管道系统气动噪声计算方法的对比与研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2018.

[9]卢勇，张继业，刘加利. 高速列车车内低频气动噪声预测[J]. 计算机辅助工程，2013，22（5）：7-13.

[10]孙艳红，张捷，韩健，等. 高速列车风道消声器传声特性[J]. 浙江大学学报（工学版），2019，53（7）：1389-1397.

[11]吴国华. 基于边界元方法的室内三维声波场的数值模拟与分析[D]. 南京：南京理工大学，2013.