高速動車組風笛遠場輻射聲預測研究

趙艷菊 林 鵬 帥仁忠 陳 艷

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

高速列車的風笛放置于頭車內(nèi)部，當進出隧道等工況時，司機會鳴笛對鐵路兩邊的行人以警告，但是風笛聲的大小需要滿足TBT 3051.2-2009標準，風笛的發(fā)聲參數(shù)、風笛的安裝位置等設計因素，都會影響車外風笛聲的大小。本文通過采用Virtual.lab聲學間接邊界元方法，根據(jù)高速動車組提供的風笛參數(shù)以及頭車司機室部分的幾何模型，對風笛發(fā)出的遠場聲壓進行預測，并與實測結果進行對比分析，預測結果與測試結果基本吻合，因此通過聲學仿真可以有效指導風笛選型以及安裝位置等方案的設計。

1 仿真建模

1.1 風笛聲源等效

目前高速動車組的風笛分為370Hz的高音低頻和660Hz的低音高頻兩組，每組都由兩個風笛組成，具體參數(shù)為：高音低頻風笛：(370±10)Hz，當空氣壓力為8kg/cm2，在距風笛口30m測量時，音壓為112～114dB；低音高頻風笛：(660±15)Hz，當空氣壓力為8kg/cm2，在距風笛口30m測量時，音壓為104～107dB。以上提供的風笛參數(shù)只是在30m和5m的聲壓測量值，不能直接作為聲源輸入?yún)?shù)進行風笛遠場輻射聲壓的計算，需要對風笛進行聲源等效。

根據(jù)點聲源定義，當聲源半徑遠小于聲波波長，或者聲源尺寸遠小于測點到聲源的距離時，可將該聲源近似為點聲源。動車風笛型式試驗標準為在距離軌面1.2m、頭車頭部5m和30m處進行測量。風笛尺寸0.43m遠小于5m的測量距離，因此可以將風笛視為點聲源。

點聲源的衰減計算公式為：

ΔL=10lg(1/4πr2)

(1)

式中r為點聲源和測量點之間的距離，根據(jù)公式(1)，計算得出輸入點聲源的聲壓如表1所示。

表1 計算模型點聲源輸入聲壓值

1.2 仿真建模

高速動車組的風笛安裝在列車頭部開閉罩內(nèi)，因此計算風笛的遠場噪聲需要根據(jù)頭車司機室部分的幾何參數(shù)建立頭車的聲學模型，圖1為頭車前部的幾何模型，圖2為根據(jù)提供的幾何模型建立的結構網(wǎng)格。

圖1 高速動車組司機室頭部幾何模型

圖2 根據(jù)提供的幾何模型建立的結構網(wǎng)格

2 風笛聲遠場計算

2.1 聲學間接邊界元方法

聲學間接邊界元可以同時計算網(wǎng)格的外聲場和內(nèi)聲場，計算的聲腔可以是封閉的也可以是非封閉的。由于開閉罩有開口，不能構成完整的封閉聲腔，因此計算模型采用聲學間接邊界元方法。聲學間接邊界元法，不僅需要結構的有限元網(wǎng)格，還需要建立貼近于結構網(wǎng)格表面的聲腔面網(wǎng)格，圖3為根據(jù)結構有限元網(wǎng)格生成的聲腔面網(wǎng)格。

圖3 結構內(nèi)部的聲腔面網(wǎng)格

2.2 模型建立

高速動車組的風笛安裝在頭車司機室隔墻與開閉罩之間，為了減小計算量，計算模型只取了司機室隔墻與開閉罩之間的蒙皮、骨架、排障器和下面的擋板部分。隔墻與蒙皮的連接部分采用的約束條件為簡支約束。地面采用Virtual.lab中的對稱面模型來模擬地面對聲音的反射作用，為了進一步了解風笛聲音的外場輻射情況，在頭車0-30m的橫向位置以及在5m和3m縱向位置都建立了場點相應面。因為開閉罩開啟時風笛的標準值滿足試驗大綱要求，所以仿真模型只建立了頭罩關閉狀態(tài)的風笛遠場聲壓預測模型，具體模型如圖4所示。

圖4 高速動車組風笛聲遠場預測模型

3 計算結果分析

對圖4所示的風笛遠場聲壓預測模型進行仿真計算，得到遠場的聲壓分布情況，圖5和圖6為風笛遠場聲壓的計算結果。從圖5可以看出，370Hz低頻高音風笛隨著距離的增大，輻射的聲壓逐漸減小，呈階梯狀，符合低頻點聲源的聲輻射特性，而圖6中660Hz高頻低音風笛，隨著距離的增大，輻射聲壓也逐漸減小，但是呈放射狀，這是因為高頻聲音的聲波較短，聲音的指向性較強，類似手電筒的光線輻射，表2為計算結果與測試結果的對比分析，從表中可以看出，仿真結果與測試結果誤差控制在2dB以內(nèi)，滿足工程需要。

圖5 370Hz低頻高音風笛的計算結果

圖6 660Hz低頻高音風笛的計算結果

距離(m)頻率(Hz)仿真結果(dB)測試結果(dB)5370107．9109．53037094．793．5

4 結論

本文通過采用Virtual.lab聲學間接邊界元方法，根據(jù)高速動車組提供的風笛參數(shù)以及頭車司機室部分的幾何模型，對風笛發(fā)出的遠場聲壓進行預測，并與實測結果進行對比分析，仿真結果與測試結果誤差在2dB以內(nèi)，滿足工程需要，說明文中建立的聲學模型以及仿真方法的有效性，這樣通過仿真就可以指導新型動車組的風笛選型以及安裝位置等方案的設計，減小了計算量，提高了工作效率。

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