自動旅客運輸系統車輛結構噪聲仿真研究*

朱冬進 徐海大 周勁松

(1.中車浦鎮阿爾斯通運輸系統有限公司, 241007，蕪湖；2.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海∥第一作者，高級工程師)

自動旅客運輸(APM)系統是一種獨具特色的城市軌道交通形式[1]。隨著國民生活水平的不斷提升，交通運輸工具本身的振動和噪聲已經成為衡量裝備性能的重要指標[2-4]。

本文針對APM車輛建立了車內噪聲有限元仿真預測模型，分別對其結構模態和聲學模態進行分析得到其振型特性。通過現場測試，得到電機對車體結構的振動激勵，并且建立了UM(多體系統)動力學仿真模型，用以得到空氣彈簧施加于車體結構上的振動激勵。基于建立的有限元模型和結構振動激勵計算得到車內的結構聲響應，并分析其頻域特性，為改善APM車內噪聲環境提供參考。

1 APM車體有限元模型

1.1 車體結構有限元模型

APM車輛由車頂、側墻、端墻、地板等部分組成。將既有車體三維模型導入到Hypermesh軟件中，對局部復雜部分進行必要的簡化處理并對其進行抽中面和網格劃分處理，進而得到簡化后的車體有限元模型，見圖1。其網格大小為50 mm×50 mm。

圖1 簡化車體有限元模型

1.2 車體聲腔有限元模型

在簡化車體有限元模型的基礎上，補全車窗等必要單元網格，使其形成密閉空間，進而建立車內聲腔有限元模型，見圖2。模型單元尺寸為 50 mm×50 mm。

圖2 聲腔有限元模型

2 模態分析

2.1 結構模態分析

通過結構模態分析可確定設計機構或者零部件的振動特性，并且得到由結構本身特性和材料決定的固有頻率和固有振型。本文采用HyperWork軟件的OptiStruct求解器，對整個車體進行模態求解，得到車體前30階的固有頻率和固有振型。圖3為幾個具有代表性的模態振型。

a)第9階模態振型

從圖3中可以看出：第9階模態振型為菱形振型，車體變形主要集中在車頂兩側；第10階模態振型為扭轉振型，車體變形主要集中在車頂的4個邊角處；第15階模態振型為呼吸振型，車體變形主要集中在車頂中心和側墻中部。

2.2 聲學模態分析

當車門及車窗封閉時，車廂內為封閉空腔。在一定的聲學模態頻率下，車廂內不同位置會產生不同的聲壓分布，從而形成聲學模態振型。當結構系統產生的振動頻率與聲腔產生的模態頻率相近時，聲腔容易產生共鳴導致噪聲放大。對圖2中的聲腔有限元模型進行聲學模態分析，設置空腔內介質密度和聲速等參數，其中空氣密度取1.225 kg/m3，聲速為340 m/s，計算得到車內聲學模態前20階頻率，見表1。從表1中可以看出：第1階聲學模態頻率遠小于1 Hz，為整車客室內空腔的聲學共振。第1階聲學模態頻率遠小于人類聽力的范圍，故對整車的舒適性影響較小。

表1 聲學模態頻率表

圖4為部分具有代表性的模態振型。從圖4中可以看出：第2階聲學模態為縱向聲學模態，聲壓最小出現在車體中部，從車體中部沿縱向向兩端增大；第6階聲學模態為橫向聲學模態，聲壓最小值出現在車體橫向一截面處，并向兩側遞增；第10階聲學模態為垂向聲學模態，聲壓最小值出現在車體垂向一截面處，并沿垂向遞增；第12階聲學模態為綜合疊加模態，聲壓最大值出現在車底，為95.5 dB，并向車頂處遞減。

a)第2階模態振型

3 獲取載荷

3.1 獲取電機激勵

電機懸掛于車體下方，電機振動將直接作用于車體結構。因此，可對APM車輛車下電機處振動進行測試，并將測試得到的結果與電機質量相乘，即得到電機處的激勵。

3.2 空氣彈簧激勵獲取

來自路面的激勵通過車輪及空氣彈簧的衰減形成二系懸掛力作用于車輛底部，從而造成結構噪聲。本文通過UM動力學軟件來獲取空氣彈簧處的二系懸掛力。如圖5所示，車體模型包括1個車體、2個軸橋、4個走行輪和8個導向輪。將車體和道路部分相互連接、耦合后，即可提取其中的垂向二系懸掛力。

圖5 UM動力學模型

4 車內聲學響應分析

根據GB/T 3499—2011《聲學軌道車輛內部噪聲測量》和GB/T 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》，在模型中分別選取車體一位端、一位端車門、車體中部、二位端車門、車體二位端共5個觀測點，如圖6所示。5個觀測點位于地板上方1.6 m處。

圖6 客室內聲壓級觀測點位置示意圖

各觀測點的頻率響應A計權聲壓級頻譜如圖7所示。

由圖7可以看出：隨著振動頻率的提升，車內各觀測點的聲壓級逐漸升高；各觀測點在振動頻率范圍內存在多個明顯的噪聲峰值，其中所有觀測點都在315 Hz產生了較大的結構聲響應，并且達到了最大的聲壓級，且最大聲壓級分別為71.43 dB(A)、72.41 dB(A)、75.19 dB(A)、71.38 dB(A)和71.72 dB(A)；此外，車體一位端、二位端車門和車體二位端均在630 Hz處產生了噪聲峰值，而且噪聲峰值分別為67.85 dB(A)、63.78 dB(A)、65.34 dB(A)；一位端車門和車體中部在500 Hz處產生了噪聲峰值，且噪聲峰值分別為68.12 dB(A)、62.58 dB(A)；車內5個觀測點的A計權總聲壓級分別為73.45 dB(A)、72.91 dB(A)、76.12 dB(A)、72.38 dB(A)和73.23 dB(A)，由此可見：在315 Hz處出現的不同程度的結構聲響應，是導致車內結構噪聲的主要原因；車體中部噪聲較大，其余4個觀測點的噪聲值差別不大。

a)車體一位端

5 結語

本文基于某APM車輛結構，采用現場測試和建立UM動力學模型相結合的方式，分別得到了電機和空氣彈簧對車體的振動激勵，結合建立的有限元模型進一步得到電機激勵和空氣彈簧激勵下的車內結構噪聲響應。分析其噪聲特性，得出以下結論：

1)在電機和空氣彈簧的結構振動激勵下，車內結構噪聲響應存在多個峰值，特別是在315 Hz處，各個觀測點的A計權聲壓級較大。

2)車體中部的結構聲最大，與其他4個觀測點相比，其A計權總聲壓級高3 dB(A)左右。