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高速列车作为各个城市间的客运工具,具有安全、快捷、运量大等特点,在我国的交通客运体系中占有重要地位。自2004年以来,高速列车的运行速度不断提高,随之产生的噪声问题也日益突出。高速列车室内结构噪声不但使乘坐舒适度大为降低,还影响人们的身体健康。所以本文以CRH380型列车为对象,研究轮轨激励和风压激励引起的结构振动噪声对室内噪声的影响,主要内容如下:
首先介绍了声学基本概念、波动方程以及边界条件分类;论述了列车室内噪声源的分类、传播方式以及控制方法;对高速列车室内噪声试验及数值仿真的评估标准进行简要的介绍。
然后,建立列车车厢结构模型和声学有限元模型,采用Block Lanczo法分析求解列车车厢结构模态和室内声腔模态。结果表明:列车车厢的结构模态在低频段呈现出整体特性,而在高频段呈现局部特性;在21.24Hz和35.52Hz处,车身结构模态的振动频率和声腔模态的振动频率接近,引起共振;在低频段室内声腔模态的垂向、纵向、横向振型各自独立出现,在高频段三个方向的振型叠加耦合;声腔的各阶声学模态振型呈现对称性。
接着,分析轮轨激励引起的结构振动噪声对室内噪声的影响。基于声学有限元法对Helmholtz方程进行离散,建立声振耦合方程;同时通过SIMPACK动力学仿真平台,由实测的轨道谱得到两系空气弹簧接触点的激励载荷,分析接触点的载荷谱发现空气弹簧与车厢底板接触点的激励载荷的能量主要集中在低频段0~300Hz。建立声场网格并设定监测点,采用Virtual Lab Acoustics专业声学求解器,分析了列车车厢室内声学响应,结果表明:在声场网格的水平面上声压呈现强弱交替分布,随着频率的增加,车厢内部同一平面上沿横向和纵向的干涉条纹增加;不同测点声压级差异明显,噪声空间分布不均;在20~38Hz频段,声压级处于80dB以上。
最后,研究了高速列车表面风压激励对室内噪声的影响。基于SST两方程湍流模型建立了列车外部流场的脱体涡(DES)方程组,计算了行驶速度为300km/h时列车外表面的脉动压力,将车窗表面的脉动压力作为边界条件,通过直接声振耦合响应分析,得到列车车厢内部各个测点的频响函数。分析结果表明:列车表面监测点的脉动压力低频段幅值较大,高频段幅值较小,因而气动风压主要是在低频段传递能量;低频段的车厢内部声压较大区域主要集中在车厢壁板附近;列车车窗表面风压激励引起的车窗结构振动对室内噪声的整体水平影响不大。