基于FE-SEA混合法的列車結構噪聲降噪研究

羅文俊，蔣峻楠，劉全民，黃大維

(1.華東交通大學 鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 3300132.廣州地鐵集團有限公司 運營事業總部，廣東 廣州 510310)

中國高速鐵路以其運行速度快而聞名中外，但是高速的同時也帶來了車內噪聲過大等問題，為了改善乘客乘坐高速列車的舒適性，必須高度重視降低車內噪聲問題。

文獻[1]針對高速列車車內低頻噪聲，分別建立了有框架和無框架的車體有限元模型，并比較了這兩種模型計算的聲壓水平。文獻[2]等通過建立車體振動輻射噪聲的計算模型，完成了車內聲腔與白車身的耦合模態分析，并得到了車內低頻噪聲的形成機制。文獻[3]結合邊界元法建立了有限元列車模型，得到了車內低頻噪聲的噪聲值，發現了噪聲值的大小隨車速平方的增加而增大。文獻[4]通過建立高速列車FE-SEA混合法車內噪聲預測模型，分析箱梁板塊振動對車內噪聲的貢獻度，得到了箱梁底板對車內噪聲貢獻度最大的結論。文獻[5]分析了提高密封性和添加隔聲墊等措施對高速列車內部噪聲的影響。張磊[6]以計算得到的200 Hz以內的車體振動為邊界條件，求解車內的聲輻射。文獻[7]實測了運營中的高速列車車內噪聲，并且考慮了車身內飾和座椅所具備的吸聲性能，對車內噪聲進行了分析，結果表明，在中低頻段內，列車振動對車內噪聲有顯著的影響。文獻[8]研究了高速列車中阻尼材料對鋁型材地板的減振降噪效果，結果表明，隨著阻尼層厚度的增加，鋁型材地板的隔聲效果明顯增強。

由于有限元法對高頻局部振動分析效率不高且精度不夠，因此以往用來預測20～200 Hz頻段內車內結構噪聲。同時由于高速列車的結構復雜，因此大多研究只是針對白車身，即沒有考慮車內吸聲材料的影響，因此在仿真計算精度上大大降低。而且，對于車內降噪研究，大多只分析一種吸聲材料的降噪特性，不同種類及不同參數吸聲材料對車內噪聲影響的研究較少。

文獻[9]提出了FE-SEA混合法，將復雜系統按模態數劃分為FE子系統和SEA子系統，提高了FEM的計算效率，擴展了SEA的應用頻段。本文采用FE-SEA混合法建立高速列車車體-聲腔耦合系統模型，預測了20～500 Hz頻段內高速列車車體振動輻射的噪聲，探究了不同吸聲材料對車內結構噪聲的影響。本文模型大大提高了FEM的計算效率，有效地解決了計算效率與計算精度的矛盾，大大擴展了車內結構噪聲分析頻段，提高了分析精度。

1 FE-SEA混合法原理

FE子系統的運動方程可表示為[10]

( 1 )

( 2 )

SEA子系統輸入的平均功率流為[10]

( 3 )

輸出功率流Pout,j為

( 4 )

子系統自身消耗的平均功率流為[10]

Pdiss,j=ωηjEj

( 5 )

因此，子系統的能量平衡方程可以表示為

( 6 )

由于njηjk=nkηkj，式( 6 )可改寫成

( 7 )

2 列車模型

2.1 模型的建立

本文研究對象為某高速列車，用VA One軟件分別對車體和車內聲腔建立模型，以板單元模擬車體頂板、側墻、底板及玻璃等，而底架則以梁單元模擬。在建立車內聲腔模型時，為了分析不同位置的噪聲情況，將車內大聲腔劃分為5個不同的小聲腔，見圖1，兩側聲腔(A、C)內部為開水間、盥洗室等，中間聲腔B1為站姿聲腔，B2為坐姿聲腔，B3為腿部聲腔。圖2給出了車體結構板塊的模態數，可看出隨著頻率的上升結構板塊模態數也在增加，一般情況下，模態數大于5采用SEA計算才能保證結果有效[10]。本文建立FE-SEA混合法模型，模態數低于5的子系統用FE單元模擬，模態數高于5的子系統用SEA單元模擬，由圖2可以看出車體頂板、底板、側墻等結構的模態數在200～500 Hz頻段內已大于5。因此，20～500 Hz的車體模型分為兩個部分，20～200 Hz內用FE單元模擬，200～500 Hz內用SEA單元模擬。

圖1 車內聲腔

圖2 模態數與頻率關系

在20～200 Hz頻段內，對車體進行網格劃分，連接車體與車內SEA聲腔以進行耦合，FE車體模型見圖3。在200～500 Hz頻段內，SEA單元模擬的包括車體頂板、底板、側墻等，玻璃和窗戶之間的側墻通過FE單元模擬。FE-SEA混合法模型見圖4，將各結構板塊及聲腔進行耦合連接，結構板塊之間的線連接見圖5。

圖3 FE車體模型

圖4 FE-SEA混合法模型

2.2 模型的參數計算及模型驗證

模型計算所需參數有模態密度、內損耗因子和耦合損耗因子。由于VA One軟件能自行計算模態密度和耦合損耗因子[11]，所以只需計算內損耗因子。本文車體結構板塊的內損耗因子采用文獻[12]中的實測數據。圖6為部分聲腔內損耗因子。

車內聲腔內損耗因子的公式為

( 8 )

式中：T60為混響時間，s。

圖6 部分聲腔內損耗因子

輪軌間作用力經過列車懸掛系統衰減后，在列車底部形成二系懸掛力，從而引發車體的振動，并以車體垂向振動為主導。同時，垂向作用力在勻速直線運行的列車所產生的輪軌作用力中處于支配地位。因此，本文只考慮垂向二系懸掛力。建立車軌耦合的Simpack模型計算垂向二系懸掛力，激勵施加位置示意見圖7，輸入高速列車混合法模型中計算列車的振動并與試驗結果進行對比，由此驗證模型的正確性，這方面內容在文獻[13]中已詳細介紹。

圖7 激勵施加位置示意

3 車內裝飾材料對車內噪聲的影響

在實際情況中，列車內部裝飾材料對降低車內噪聲有著不容忽視的作用，但是由于計算方法有一定的局限性，所以在研究車內噪聲時，很少考慮車身內飾的影響。本文采用FE-SEA混合法對高速列車車內噪聲進行仿真分析，將考慮列車內部裝飾的影響，使車內噪聲的預測精度能夠大大提高。車內內飾材料對車內噪聲主要起吸聲作用，現考慮多孔吸聲材料與微穿孔板對列車內部噪聲的影響。在通常情況下，車內乘客聽覺器官所處的位置一般相當于坐姿聲腔(B2)的位置，因此本文主要的研究對象為坐姿聲腔(B2)位置的噪聲值。

3.1 吸聲材料的影響

為探討車內噪聲隨多孔吸聲材料的變化規律，分別選取厚度為50 mm的玻璃棉、礦棉和毛氈等多孔吸聲材料對車身內部進行裝飾。圖8為裝飾了玻璃棉、礦棉和毛氈的B2聲腔的1/3倍頻程聲壓級，可見在裝飾了玻璃棉、礦棉及毛氈的情況下，車內噪聲聲壓級在大部分頻率下都有所降低，但是在20～25 Hz頻段內，礦棉和毛氈作為吸聲材料時對車內噪聲聲壓級的降低并不明顯。在20～200 Hz頻段內，礦棉和毛氈作為吸聲材料的聲腔噪聲值高于玻璃棉聲腔噪聲值，說明在此頻段內玻璃棉的降噪效果優于礦棉和毛氈；而在200～500 Hz頻段內，礦棉和毛氈的聲腔噪聲值略低于玻璃棉。同時，全頻段下，礦棉及毛氈的降噪效果相差很小。隨著頻率逐漸增加，三種材料對車內噪聲聲壓級幅值的降低幅度也逐漸增大，說明這三種多孔吸聲材料在高頻段有著優秀的降噪效果，即優于低頻段。

圖8 三種吸聲材料的坐姿聲腔噪聲頻譜

圖9為在車內裝飾玻璃棉、礦棉和毛氈三種吸聲材料的坐姿聲腔(B2)聲壓級平均值。由圖9可以看出，在20～200 Hz頻段內，玻璃棉作為吸聲材料時，平均聲壓級比礦棉和毛氈低1.5～1.6 dB(A)，在200～500 Hz頻段內，玻璃棉作為吸聲材料時，平均聲壓級比以礦棉和毛氈高2.5～2.7 dB(A)，但玻璃棉的密度僅為礦棉和毛氈的32%。因此基于列車輕量化設計的要求，車內吸聲材料選用玻璃棉的綜合效果更好。

圖9 分別使用三種吸聲材料時車內坐姿聲腔聲壓級平均值

為了探究玻璃棉在不同厚度下的降噪效果，分析了厚度分別為20、30、40、50 mm玻璃棉的降噪效果，見圖10。由圖10可知，裝飾玻璃棉后，在大部分頻率下，玻璃棉越厚，車內噪聲降低效果越好。但在20～31.5 Hz頻段內，玻璃棉厚度與聲壓級的關系不明顯，且對聲壓級降低幅度也不明顯。

圖10 不同玻璃棉厚度時坐姿聲腔噪聲頻譜

綜上所述，多孔吸聲材料對高頻段噪聲有明顯的降噪效果。出于減小列車自重的考慮，玻璃棉更適合作為吸聲材料，并且，增加玻璃棉厚度有利于降低列車內部噪聲。

3.2 微穿孔板的影響

在高頻段下，多孔吸聲材料具有良好的降噪效果，但是在低頻段下，尤其是在20～25 Hz頻段下，多孔吸聲材料降噪效果并不明顯。在此介紹微穿孔板的吸聲特性。

為了探究微穿孔板孔徑大小對噪聲的影響，分析孔徑分別為0.2、0.4、0.6、0.8 mm的微穿孔板的降噪效果。圖11為微穿孔板在不同孔徑下的的坐姿聲腔(B2)噪聲頻譜圖，由圖11可知，在全頻段內，微穿孔板都會降低車內聲壓級，在125～160 Hz頻段內，微穿孔板對車內噪聲的控制效果最好；隨著孔徑增加，其降噪效果有所減弱，但孔徑尺寸對125～160 Hz頻段內的噪聲影響很小。

圖11 不同微穿孔板孔徑時坐姿聲腔噪聲頻譜

為了探究微穿孔板不同穿孔率對降噪的影響，分析微穿孔板的穿孔率分別為2%、6%、10%、14%和18%時車內噪聲的降低值。圖12為微穿孔板在不同穿孔率下B2聲腔1/3倍頻程聲壓級，可知在20～80 Hz范圍內，噪聲降低值隨開孔率增加而增大，說明降噪效果隨開孔率增加在逐漸提升；而在100～500 Hz頻段內，穿孔率對降噪效果幾乎無影響。

圖12 不同微穿孔板穿孔率時坐姿聲腔噪聲頻譜

綜上所述，在20～25 Hz頻段內，微穿孔板相較于多孔吸聲材料有明顯的降噪效果，并且孔徑小、穿孔率大的微穿孔板噪聲抑制能力更強。但是，穿孔率如果過大，為了保證結構的強度，則需要加厚微穿孔板，而隨著微穿孔板厚度的增加，附加質量也會增大。因此，通過微穿孔板吸聲來控制車內噪聲時，應選用合適的孔徑尺寸和穿孔率。

4 結論

本文基于FE-SEA混合法，進行了車體振動產生的車內噪聲仿真分析。依據列車混合法模型各子系統的模態數，分別用FE和SEA單元模擬列車結構子系統，采用混合法模型計算車體板塊的加速度，在200 Hz分界點處，兩種模型計算所得板塊加速度誤差很小，說明劃分FE與SEA模塊時，分類準確且合理。

在高頻段內，三種多孔吸聲材料都有明顯的降噪效果。對比分析表明，玻璃棉與礦棉和毛氈的降噪效果無明顯差距，最大噪聲降低值之差為1.5～3 dB(A)，但是玻璃棉的密度僅為礦棉和毛氈的約1/3，為了降低列車整體質量，車內吸聲材料最優選擇為玻璃棉。玻璃棉的厚度越大，對車內噪聲的降噪效果越好。

在低頻段內，微穿孔板有明顯的降噪效果。分析表明，隨著穿孔率的增加和孔徑的減小，車內噪聲能被有效地降低。但是，過大的穿孔率則要求微穿孔板具有一定的厚度，這就會使得附加質量增大。因此，通過微穿孔板吸聲來降低車內噪聲時，應選用合適的孔徑尺寸和穿孔率。