城市軌道車輛司機(jī)室內(nèi)噪聲特性研究

崔宏飛，　錢　燕，　黃　捷

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，江蘇　無(wú)錫　214121)

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城市軌道車輛司機(jī)室內(nèi)噪聲特性研究

崔宏飛，錢燕，黃捷

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，江蘇無(wú)錫214121)

摘要：城市軌道客車司機(jī)室內(nèi)噪聲對(duì)駕駛員的生理和心理有重要負(fù)面影響，因而是設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。本文以車身轉(zhuǎn)向架下三向載荷譜為輸入，采用有限元計(jì)算司機(jī)室車體表面的振動(dòng)速度，并采用邊界元法預(yù)報(bào)內(nèi)聲場(chǎng)；最后，分析司機(jī)室表面各部分的面板貢獻(xiàn)量影響規(guī)律，認(rèn)為車體上加強(qiáng)筋和車內(nèi)吸聲材料對(duì)面板貢獻(xiàn)量的影響可觀，其機(jī)理需要后續(xù)工作深入探討。

關(guān)鍵詞：內(nèi)聲場(chǎng)； 城市軌道車輛； 有限元； 邊界元

對(duì)城市軌道客車司機(jī)而言，長(zhǎng)時(shí)間暴露在高水平的噪聲環(huán)境內(nèi)，將對(duì)其生理和心理有重要影響，主要包括以下方面：首先，身體疲勞，聽覺(jué)和視力靈敏度下降；其次，心理出現(xiàn)波動(dòng)，表現(xiàn)在煩躁甚至易怒。這直接導(dǎo)致其工作效率降低、判斷能力下降、甚至出現(xiàn)誤操作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響行駛安全。因此，司機(jī)室內(nèi)噪聲預(yù)報(bào)和控制是車輛設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。車內(nèi)噪聲主要由電力機(jī)車、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)，經(jīng)過(guò)懸架和車身等動(dòng)力放大后，以結(jié)構(gòu)噪聲的形式進(jìn)入到車內(nèi)艙室。現(xiàn)有的研究主要集中在車輛車身振動(dòng)引起的室內(nèi)噪聲。馬天飛和林逸等[1]建立了轎車車身和其內(nèi)部聲學(xué)空腔有限元模型，通過(guò)對(duì)比車身振動(dòng)模態(tài)和聲學(xué)空腔諧振模態(tài)，給出了車身修改的建議。黃捷等采用有限元結(jié)合邊界元建立了城市軌道客車聲振模型，分析了乘員車廂內(nèi)的噪聲分布規(guī)律，并給出不同面板的振動(dòng)對(duì)乘員處的聲學(xué)貢獻(xiàn)量[2]。左言言等建立了鋁合金地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)有限元模型、車內(nèi)聲場(chǎng)邊界元模型和車輛軌道耦合模型,計(jì)算了頻率200 Hz范圍內(nèi)車內(nèi)不同位置的低頻結(jié)構(gòu)噪聲分布特性[3]。此外，劉巖等[4]通過(guò)試驗(yàn)分析研究了鐵路車輛的車內(nèi)噪聲規(guī)律以及主要影響因素。湯晏寧等[5]通過(guò)試驗(yàn)分析了輕軌客車在不同行駛速度下車內(nèi)噪聲的頻譜分布規(guī)律，并據(jù)此確定噪聲源。惠巍和劉更等采用有限元結(jié)合邊界元建立了轎車聲固耦合模型，分析了車身不同面板的振動(dòng)對(duì)司機(jī)左右耳的聲學(xué)貢獻(xiàn)量[6-7]，但所得到的結(jié)論不適用于城市軌道車輛司機(jī)室內(nèi)噪聲。

本文建立了城市軌道客車司機(jī)室結(jié)構(gòu)有限元模型和室內(nèi)聲場(chǎng)邊界元模型,分析車身轉(zhuǎn)向架受三向激勵(lì)下,司機(jī)室結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)，將得到的振動(dòng)響應(yīng)作為邊界條件傳遞給車內(nèi)聲場(chǎng)邊界元模型，計(jì)算了200 Hz范圍內(nèi)司機(jī)室內(nèi)典型位置的低頻結(jié)構(gòu)噪聲分布特性；并分析不同頻率下各振動(dòng)區(qū)域?qū)κ覂?nèi)聲場(chǎng)貢獻(xiàn)量的規(guī)律。

1結(jié)構(gòu)有限元建模

司機(jī)室內(nèi)空氣為輕流體，因此司機(jī)室結(jié)構(gòu)和聲場(chǎng)之間的相互作用可以采用單向耦合方式處理，司機(jī)室結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)方程有如下標(biāo)準(zhǔn)形式[8]：

(1)

其中[Ms]、[Ks]和[C]分別為結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量陣、總剛度陣和阻尼陣；{u}和{Fs}分別為結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移列陣和載荷列陣。位移和載荷列陣都有時(shí)間依賴因子eiωt(ω為圓頻率)，為方便起見省略。

2聲場(chǎng)邊界元建模

對(duì)于理想聲學(xué)流體，單頻激勵(lì)下的輻射聲場(chǎng)滿足如下亥姆霍茲方程：

(2)

其中，k0=ω/c為聲波波數(shù)，而c為空氣中聲速。方程(2)經(jīng)過(guò)離散，其解有如下形式[5]：

(3)

其中，{Pf}為聲場(chǎng)點(diǎn)的聲壓，[A] 和[B]分別為貢獻(xiàn)矩陣，{ps} 和{vsn}分別為結(jié)構(gòu)表面上的聲壓和法向振速。

3司機(jī)室聲振耦合模型

本文以某城市地鐵車輛司機(jī)室為研究對(duì)象。車體主要由鋼板和梁材構(gòu)成，車窗為地鐵車輛用鋼化玻璃，車內(nèi)的聲學(xué)介質(zhì)為空氣。各材料參數(shù)在表1中給出。

如圖1，對(duì)司機(jī)室主要結(jié)構(gòu)采用1051個(gè)板單元，車窗采用205個(gè)板單元，而各加強(qiáng)筋采用300個(gè)梁?jiǎn)卧Ｓ邢拊Ｐ妥鴺?biāo)系建立如下:原點(diǎn)為司機(jī)室地板中心線的中點(diǎn)處,車體首尾方向?yàn)閤方向,垂直地板向上為z向,車體橫向?yàn)閥向。

圖1　司機(jī)室有限元模型

車輛在按指定工況行駛時(shí)，車輪和軌道之間的相互作用是車身的主要激勵(lì)源，通過(guò)試驗(yàn)獲取難度很大。本文所采用的激勵(lì)數(shù)據(jù)系經(jīng)過(guò)ADAMS計(jì)算得到，擬采用車底轉(zhuǎn)向架上4個(gè)關(guān)鍵位置的載荷譜(X、Y、Z三個(gè)方向的載荷譜如圖2所示)。

表1　司機(jī)室的主要參數(shù)

圖2　采用ADAMS計(jì)算得到的轉(zhuǎn)向架上載荷譜

4數(shù)值分析結(jié)果

在車底架兩個(gè)轉(zhuǎn)向架處施加如圖2所示的載荷譜激勵(lì)，采用ANSYS諧響應(yīng)分析計(jì)算司機(jī)室表面的振動(dòng)速度分布{vsn}，即式(1)中{u}對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；各節(jié)點(diǎn)速度分實(shí)部和虛部導(dǎo)入到邊界元軟件SYSNOISE中，通過(guò){vsn}，先求表面聲壓{ps}，再利用式(2)求聲場(chǎng)聲壓{Pf}。

4.1司機(jī)室內(nèi)聲場(chǎng)分布規(guī)律

圖3和圖4分別為100Hz 和200Hz下司機(jī)室內(nèi)聲壓分布,可以發(fā)現(xiàn)司機(jī)室尾部區(qū)域聲壓更大，原因在于車輛轉(zhuǎn)向架更靠近司機(jī)室尾部，更靠近激勵(lì)源。為了綜合比較司機(jī)室內(nèi)各場(chǎng)點(diǎn)噪聲大小，選取6個(gè)典型場(chǎng)點(diǎn)，其中2個(gè)點(diǎn)靠近在司機(jī)室尾部，分別為141點(diǎn)(-1.06,0.4,1.2)和139點(diǎn)(-1.06,-0.4,1.2)，而另外4個(gè)點(diǎn)分別為：904點(diǎn)(0.0,0.4,1.2)、287點(diǎn)(0.0,0.4,1.2)、197點(diǎn)(1.06,0.4,1.2)和327點(diǎn)(1.06,-0.4,1.2)。 如表2所列為以上六個(gè)點(diǎn)的計(jì)權(quán)A聲級(jí)，可以發(fā)現(xiàn)司機(jī)室內(nèi)尾部?jī)牲c(diǎn)(139和141兩點(diǎn))的計(jì)權(quán)A聲級(jí)均高于80 dB；而在司機(jī)室中部的A聲級(jí)稍小，分別為73.58 dB和73.72 dB；司機(jī)室前部的A聲級(jí)為最小,分別為69.49 dBh和63.94 dB。由此可見，司機(jī)室內(nèi)的聲壓分布不均勻性很大，應(yīng)有針對(duì)性加以控制或在布置駕駛座椅時(shí)予以考慮。

圖3　司機(jī)室內(nèi)聲場(chǎng)分布(100 Hz)

圖4　司機(jī)室內(nèi)聲場(chǎng)分布(200 Hz)

dB(A)

4.2司機(jī)室內(nèi)聲場(chǎng)傳遞及貢獻(xiàn)量

依據(jù)聲場(chǎng)疊加原理，聲場(chǎng)內(nèi)的聲壓P(ω)可由來(lái)自不同面板振動(dòng)引發(fā)的聲場(chǎng)疊加獲得[2]：

(4)

其中Pe,i(ω)為由于第i個(gè)面板振動(dòng)引起的場(chǎng)點(diǎn)聲壓，可由方程(3)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單推導(dǎo)獲得：

(5)

在計(jì)算時(shí)先計(jì)算各節(jié)點(diǎn)對(duì)特定聲場(chǎng)點(diǎn)的聲學(xué)傳遞向量(ATV)，然后將司機(jī)室表面上材料參數(shù)相近點(diǎn)按空間劃分成若干面板(以組號(hào)區(qū)別)，計(jì)算各面板在給定頻率處對(duì)聲場(chǎng)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量。本文將司機(jī)室地板分成6塊(1-6號(hào)面板)，司機(jī)室頂部和側(cè)墻分成8塊(7-14面板)，前窗(15-16號(hào)面板)和門(17號(hào)面板)。在進(jìn)行面板貢獻(xiàn)量分析之前，確定在30 Hz頻率處，司機(jī)室內(nèi)的聲壓級(jí)較其他頻率大，因此選定30 Hz處司機(jī)室面板貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析。

如圖5和圖6，在30 Hz處，5號(hào)(靠近轉(zhuǎn)向架的有縱筋的地板)、9號(hào)(司機(jī)室頭頂處)，16和17號(hào)(前窗)等各處面板對(duì)司機(jī)室內(nèi)兩個(gè)主要聲場(chǎng)參考點(diǎn)(139和141點(diǎn))的貢獻(xiàn)量較大，都在0.4以上。同樣是靠近轉(zhuǎn)向架，司機(jī)室尾部地板上有縱筋的面板(5號(hào)面板)對(duì)聲場(chǎng)貢獻(xiàn)更大，而比5號(hào)面板更靠近轉(zhuǎn)向架的3號(hào)和4號(hào)面板的貢獻(xiàn)量都在0.3以下。在結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)5號(hào)面板加強(qiáng)筋附近的振動(dòng)響應(yīng)明顯比該面板其他區(qū)域振動(dòng)大，說(shuō)明加強(qiáng)筋的作用提高了局部振動(dòng)響應(yīng)。目前已經(jīng)有文獻(xiàn)表明[8]: 平板加筋能提高面板的輻射效率,但是加筋又能抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)，因此有必要在設(shè)計(jì)階段對(duì)加強(qiáng)筋布置進(jìn)行優(yōu)化，并從機(jī)理上探討進(jìn)一步加強(qiáng)筋平板面板貢獻(xiàn)量的定性或定量規(guī)律，指導(dǎo)工程實(shí)踐。前窗玻璃(16和17號(hào)面板)對(duì)聲場(chǎng)貢獻(xiàn)也較大，由于沒(méi)有布置吸聲材料，此處的局部聲反射系數(shù)較大。

圖5　30 Hz處司機(jī)室各面板對(duì)139點(diǎn)的面板貢獻(xiàn)量

圖6　30 Hz處司機(jī)室各面板對(duì)141點(diǎn)的面板貢獻(xiàn)量

5結(jié)論

對(duì)于城市軌道客車司機(jī)室內(nèi)噪聲，通過(guò)有限元和邊界元分析，結(jié)合面板貢獻(xiàn)度分析，結(jié)果表明：司機(jī)室尾部?jī)?nèi)的噪聲級(jí)比中前部的噪聲級(jí)高10 dB，不均勻性明顯，因此應(yīng)對(duì)司機(jī)室內(nèi)噪聲進(jìn)行重點(diǎn)治理;司機(jī)室尾部靠近轉(zhuǎn)向架的地板和司機(jī)頭頂處面板對(duì)聲場(chǎng)參考點(diǎn)的面板貢獻(xiàn)量最大，根據(jù)文獻(xiàn)[8]給出的結(jié)論，建議后續(xù)工作討論加強(qiáng)筋平板對(duì)面板貢獻(xiàn)量的影響機(jī)理，為城市軌道客車的設(shè)計(jì)階段提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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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

中圖分類號(hào)：TB 532；O 422.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7880(2016)01-0049-04

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

作者簡(jiǎn)介：崔宏飛(1975—)，女，吉林東豐人，講師，研究方向：噪聲控制。

收稿日期：2015-12-10