鋁合金地鐵車體內部的噪聲預測與控制技術

沈旭奎

摘 ?要：地鐵車體的低噪聲設計對降低車內低頻噪聲具有重要意義。為獲得車體結構的優化設計，分別建立了鋁合金地鐵車體的有限元模型和聲固耦合模型。選取車體與轉向架的連接點作為激勵點，模擬預測了聲場觀測平面內的聲壓分布和觀測點的聲壓級譜。通過對峰值頻率處聲貢獻的分析，得出貢獻最大的面板。最后，根據貢獻分析結果，對頂板和局部結構進行了改進，使145Hz和195Hz處的聲壓分別降低了9.41dB（A）和8.75dB（A）。因此，本文將主要探討鋁合金地鐵噪聲的預測與控制技術。

關鍵詞：鋁合金;地鐵車;噪聲預測;控制技術;

為了達到輕量化的目的，人們開始采用大型空心鋁型材制造地鐵車結構，這樣會降低地鐵的剛度，從而影響聲學特性。結構振動引起的車內噪聲主要集中在低頻段，而傳統的吸聲降噪措施效果甚微，因此結構的低噪聲設計成為最實用的解決方案。目前，控制車內噪聲的常用方法是在生產完成后，對其車內噪聲進行測量，然后采取降噪措施，這增加了設計周期，也提高了設計成本。因此，在設計階段對車內噪聲進行預測和優化是十分必要的。

1計算模型

1.1車體有限元模型

枕梁和緩沖梁為鋼結構，整個車體由不同規格的空心擠壓鋁型材制成。形成結構的空心擠壓鋁型材壁厚為（2.5-6）mm，屬于空間薄殼零件，因此可以選擇符合薄殼力學特性的單元來模擬鋁型材結構。考慮到計算精度、計算速度和網格質量，選定的單元基本尺寸為80mm。車身的焊縫和鉚接連接可以用剛性連接來模擬，假設門窗玻璃和車窗之間的連接是剛性連接。鋁合金的彈性模量為（6.9x10）Pa，泊松比為0.33，密度為2700kg/m3。鋼結構的彈性模量為（2.1x10）Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/ m3。門窗玻璃采用工程玻璃，彈性模量（7.2x10）Pa，泊松比0.22，密度2600kg/ m3。

1.2車體聲固耦合模型

選取聲腔邊界作為耦合邊界建立車體的聲固耦合模型。車體的聲固耦合模型，如圖所示。

二、計算結果與分析

2.1車內聲場預測

在預測車體振動響應時，應根據車輛的實際運行工況，測量軌道的激勵。然而，由于實驗條件的限制，在分析簡諧響應時，對每個激勵點分別施加了垂直、縱向和水平三個單位的簡諧力。激振力作用于轉向架與車體之間的力。在四個連接點處，頻率范圍為（20-200）Hz，頻率增量步長為5 Hz。由于車體可以看作是由轉向架上的空氣彈簧支撐，因此進行了諧響應分析，可視為自由約束。因此可以看出對車內聲場進行適當的預測也是非常重要的一個方面，這對于整體噪聲的控制來說也是非常重要的一個方面。

將車體諧波響應分析結果作為聲腔邊界元網格模型的邊界條件，即采用弱耦合方法完成聲場計算。根據GB14892《城市軌道交通列車噪聲限值及測量方法》，平面1.2米處，沿縱軸依次選擇5個觀測點A（C點為縱軸中點）），間隔4米，測量點的計算結果曲線如上圖所示。結果表明，在頻率范圍內有較大的峰值，在（145～195）Hz的頻率范圍內有幾個峰值;在實際中，這些頻率點可能會導致車體與噪聲共振之間的發生，從而導致較大的噪聲。選擇距地面1.2m的平面、各觀測點所在的橫截面、客艙前后的橫截面作為觀測平面，計算145Hz和195Hz的分布云圖。由于客室聲腔對稱，水平觀測面聲壓基本對稱。

2.2板塊聲學貢獻度分析

按照鋁合金車體的各個組成模塊的所處區域，將聲學邊界元網格劃分為46個區域，下圖所示，圖中括號內的編號為括號前所標面板的對稱面板。各面板分別為：12個車窗面板.10個車門面板、12個側墻組件面板.3個車頂面板、2個空調面板、5個地板面板2個端墻面板。

為了確定具體的修正區域，總結了各頻域聲壓級曲線峰值頻率處的聲貢獻結果。從貢獻分析的結果可以看出，17#中板的剛度與23#中板的剛度不同，因此有必要對這兩個方面進行修改，以提高這兩個部分的剛度。整個研究全面實現了鋁合金車體低頻結構噪聲的預測與分析，補充了我國現有的鐵路車輛噪聲研究成果，拓展了有限元與極限元相結合預測車輛內部噪聲的應用領域。所有的研究都具有創新性和前瞻性，必將對降低鋁合金地鐵車體內噪聲和車體低噪聲結構起到引領作用。通過對鋁合金地鐵車體結構特征的提取，建立了車體結構的有限元模型，并進行了靜、動態性能計算，驗證了模型的準確性。建立了車體內部聲場模型和車體結構與內部聲場的耦合模型。通過研究發現在實際操作的過程當中這種方式是切實可行的，但是為了能夠讓實際應用的效果變得更加良好，這就需要相關的工作人員能夠不斷地加強這方面的研究，積極的采取相應的措施。

結束語

總而言之，對地鐵車內的噪聲預測和控制是非常重要的一個方面，優化鋁合金車體斷面，不僅能夠有效地降低成本問題，更重要的是能夠讓人們的生活環境變得更加良好，從而通過這樣的方式讓噪聲對環境的污染降到最低。其次最為重要的一點就是在計算的過程當中所用到的模型和數據一定要準確，只有這樣才能夠保證整體的工作始終處于一個良好的運行狀態當中，更好的推動噪聲預測和控制技術的模擬和應用，促進我國軌道車輛行業噪聲研究技術的快速發展。

參考文獻

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