CRH5E型臥鋪動車組車外噪聲的仿真分析

摘 要：本文根據動車組車外噪聲指標要求，對CRH5E型動車組車外噪聲源進行的分析，并通過RAYNOISE軟件進行建模仿真，仿真結果可以作為設計方案評估。

關鍵詞：CRH5E型動車組；車外噪聲；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.224

1 引言

CRH5E型臥鋪動車組車輛車外主要噪聲源主要包括輪軌噪聲、牽引系統噪聲、集電系統噪聲、輔助設備噪聲和氣動噪聲等。

（1）輪軌滾動噪聲是由于車輪、軌道結構鋼軌表面的短波不平順激發輪軌振動通過空氣傳播而產生的。輪軌表面粗糙度以不平順的方式輸入至輪軌接觸系統。在輪軌接觸斑處，通過接觸斑濾波作用后，對系統形成激擾，即輪軌聯合粗糙度。輪軌聯合粗糙度進而通過車輪導納、接觸導納和鋼軌導納形成輪軌相互作用力。車輪和鋼軌在輪軌相互作用力激振下會產生動態響應，體現為車輪振動和鋼軌振動，而鋼軌振動又將通過軌下墊層將部分振動能量傳遞給軌道基礎結構，引起基礎結構的振動。這些結構振動能量進一步通過空氣介質向外傳播，就形成車輪聲輻射、鋼軌聲輻射和基礎結構聲輻射。它們的傳播共同作用于車外空間，形成輪軌滾動噪聲的空間聲場響應。

（2）牽引噪聲來源于列車驅動系統，包括牽引電機、傳動裝置和其他發電機組產生的噪聲。

（3）集電系統噪聲來源于弓網系統，包括弓網的氣動噪聲和結構振動噪聲。

（4）輔助設備噪聲主要包括變壓器、牽引變流器、輔助變流器、風缸廢排等的噪聲。氣動噪聲來源于車身表面空氣動力激勵。這些聲源既可以通過空氣傳播途徑傳遞至車內，也可通過結構傳播途徑傳遞。

針對CRH5E型臥鋪動車組車輛，考慮輪軌噪聲、牽引系統噪聲、弓網噪聲及輔助設備噪聲等分布、頻率和源強特性，基于幾何聲學，使用國際知名的噪聲預測RAYNOISE軟件平臺，建立全列編組的CRH5E型臥鋪動車組車輛車外噪聲預測模型。

2 RAYNOISE軟件簡介

RAYNOISE是比利時聲學設計公司開發的一種大型聲場模擬軟件系統。其主要功能是對封閉空間或者敞開空間以及半閉空間的各種聲學行為加以模擬。它能夠較準確地模擬聲傳播的物理過程，這包括：鏡面反射、擴散反射、墻面和空氣吸收、衍射和透射等現象。該系統可以廣泛應用于廳堂音質設計，工業噪聲預測和控制，鐵路的噪聲估計等。

2.1 RAYNOISE基本原理及應用

它主要以幾何聲學為理論基礎。幾何聲學假定聲學環境中聲波以聲線的方式向四周傳播。聲線在與介質或界面（如墻壁）碰撞后能量會損失一部分，這樣，在聲場中不同位置聲波的能量累積方式也有所不同。脈沖響應的獲得是整個系統的關鍵。RAYNOISE將圓錐束法（Conical Beam Mehtod，簡稱CBM）和三棱錐束法（Triangular Beam Method，簡稱TBM）混合使用作為其計算聲場脈沖響應的核心技術。

RAYNOISE可以廣泛用于工業噪聲預測和控制，首先要求準確快速地建立廳堂的三維模型，因為它直接關系到計算機模擬的精度。RAYNOISE系統為計算機建模提供了交互界面。用戶既可以直接輸入由AutoCAD或HYPERMESH等產生的三維模型。

建模的主要步驟包括：

（1）啟動RAYNOISE；（2）選擇模型；（3）輸入幾何尺寸；

（4）定義各面的材料及性質（包括吸聲系數等）；（5）定義聲源特性；（6）定義接收場；（7）其它說明或定義，如所考慮的聲線根數、反射級數等。

通過對計算結果進行處理，可以獲得所關心的接收場中某點的聲壓級、A聲級、回聲圖、和頻率脈沖響應函數等聲學參量。如果還想知道該點的聽音效果，可以先將脈沖響應轉化為雙耳傳輸函數，并將其與事先在消聲室錄制好的干信號相卷積，便可以通過耳聽到該點的聽音效果。

2.2 RAYNOISE的特點

RAYNOISE計算模型所采用的方法為綜合了鏡像聲源法和聲線跟蹤法的混合方法，可在封閉空間、半封閉空間、敞開空間內進行眾多聲學參數的計算。該軟件有如下特點：

（1）計算模型表面數量無限制，因此可以盡可能詳細、符合實際地仿真待預測聲場的表面形狀；（2）吸聲材料的數量無限制，模型有多少表面就可定義多少種吸聲材料；（3）數據庫是開放式的，用戶可隨時根據實際情況對其修改，且可接受為文本文件格式的數據文件；（4）基于賽賓吸收的墻壁吸聲仿真計算；（5）模型中聲源的數量無限制，可以根據實際需要來設定足夠數量的各種聲源，并可在所定義的聲源中任意選取所需數量的聲源進行計算；（6）聲像法中的反射階數及聲線法中的聲線數皆可自定義等；（7）內含各種CAD接口，如AUTOCAD、ANSYS、I-DEARS等；（8）友好的用戶界面；（9）彩色圖或等高線圖輸出。（10）計算結果有：聲壓級、A聲級、混響時間、混響半徑、側向反射率、早期反射聲、清晰度（D50）、明晰度（C80）。在指定計算點后可得到該計算點的時間序列及對應的聲線、該點的頻率響應、該點的雙耳脈沖響應及主觀音質評價聲音文件等。

3 車外噪聲仿真預測模型

根據CRH5E型臥鋪動車組車輛參數和既有線路區段條件，參考ISO3095相關參數設置，對運行狀態下的車輛外部噪聲進行仿真計算。運行狀態下，除考慮輪軌噪聲、弓網噪聲和輔助設備噪聲等，還加載了氣動激勵。

4 車外運行噪聲預測結果

圖1給出了CRH5E型臥鋪動車組車輛以250km/h運行時，車外噪聲的仿真預測結果。

由圖1可見，CRH5E型臥鋪動車組車輛以250km/h運行時，距離軌道中心線25m遠、鋼軌頂面3.5m高測點等效連續A聲級為87.3dB（A），滿足要求的車外噪聲≯90dB（A）的限值。

參考文獻：

[1]CRH系列動車組噪聲等評價指標暫行規定[S].

[2]GB/T12816《鐵道客車內部噪聲限值及測量方法》[S].