空調對車內噪聲影響的仿真分析

李新一　高陽　王奇　陳鵬　徐圣輝

摘要：為研究市域列車空調系統對車內噪聲的影響，本文結合邊界元法和聲線跟蹤法，建立了市域列車空調聲源車內噪聲仿真模型，模型在低頻區（160 Hz以下）使用邊界元法，考慮了空調機組和風道氣流等聲源在空調風道以及客室車廂內傳播的特性，在高頻區（160 Hz以上）使用聲線跟蹤法，最終得到整個頻段的車內噪聲。選取車內中心距離地板1.6 m高度處的聲壓級仿真與試驗結果進行對比，結果顯示試驗與仿真曲線的變化趨勢基本一致，聲壓級總值相差1 dB以內，各頻段聲壓級差值在5 dB以內，驗證了聲學模型的準確性。最后應用該模型對空調降噪措施進行了仿真，當僅存在空調聲源時，在管道底部鋪設2 m的玻璃絲綿可降低車內噪聲4.0 dB（A）。

關鍵詞：市域列車；空調；車內噪聲；聲線法；邊界元法

中圖分類號：U270.38+3?????????????????? 文獻標志碼：A?????????????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.005

文章編號：1006-0316 （2023） 08-0032-07

Study on the Influence of Air Conditioning Sound Source on Stationary Interior Noise

LI Xinyi GAO Yang WANG Qi CHEN Peng XU Shenghui

（ 1.CRRC Changchun Railway Vehicles Co.， Ltd.， Changchun 130113， China;2.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610036， China ）

Abstract：In order to study the influence of the air conditioning system on the interior noise of the city train， this paper combines the boundary element method and the sound ray tracking method to establish a simulation model of the interior noise of the air conditioning sound source of the city train. The model uses the boundary element method in the low frequency region （ below 160 Hz ）. Considering the characteristics of the sound source of the air conditioning unit and the air flow in the air conditioning duct and the passenger compartment， the sound ray tracking method is used in the high frequency region （above 160 Hz）， and the interior noise of the whole frequency band is finally obtained. The sound pressure level simulation and test results at a height of 1.6m from the floor in the center of the vehicle are compared. The results show that the change trend of the test and simulation curves is basically the same. The total sound pressure level difference is within 1dB， and the sound pressure level difference of each frequency band is within 5 dB， which verifies the accuracy of the acoustic model. Finally， the model is used to simulate the noise reduction measures of air conditioning. When there is only air conditioning sound source， laying 2 meters of glass sponge at the bottom of the pipe can reduce the interior noise by 4.0 dB（A）.

Key words：regional trains；air conditioning；interior noise；ray tracing method；boundary element method

軌道列車靜置或低速運行時，空調噪聲是車內主要噪聲源。某地鐵列車在空調開啟及關閉狀態下測得的客室噪聲聲壓級總值如表1所示^[1]。可以看出，列車靜置時，開啟空調使得車內噪聲聲壓級上升了40 dB（A）左右；列車以20 km/h速度運行時，開啟空調使得車內噪聲聲壓級上升了12 dB（A）左右，說明列車靜置或低速運行時空調對車內噪聲影響較大。

目前針對地鐵和市域車等低速運營列車空調對車內噪聲的影響，主要是從試驗的角度開展研究^[2]。基于統計能量法建立的車內噪聲仿真模型^[3-4]同樣將實測空調機組聲源和實測出風口聲源作為激勵源。然而，當車輛或空調結構發生改變時，聲源輸入需重新測量，不利于仿真空調各降噪措施對動車組車內噪聲的影響。因此，有必要建立有效的空調聲源車內噪聲仿真模型，以更有效地研究空調降噪措施對車內的影響。

針對空調噪聲車內噪聲仿真模型，國內外眾多學者進行了相應研究。張振威等^[5]采用有限元方法，建立高速列車空調風道部分有限元模型，忽略風道中氣流噪聲的影響，僅計算經由風道傳播的列車空調機組產生的中低頻噪聲，與相應的實驗數據對比發現，有限元法可以用來預測經由風道傳播的空調機組噪聲；由于只建立了部分風道模型，同時忽略了風道中氣流噪聲的影響，使得在大部分的測點處，仿真結果比實測結果大5 dB以上。孫艷紅等^[6]針對某高速列車空調風道噪聲，采用FE-SEA（Finite Element method and Statistical Energy Analysis，有限元法與統計能量分析）混合法，建立了阻抗復合消聲風道結構分析模型，基于聲學有限元法計算了風道結構內部的聲學模態，基于統計能量法對模型施加邊界條件與聲場激勵，對比試驗得到簡單膨脹腔的傳聲損失曲線，發現FE-SEA混合法適用于80～2500 Hz中低頻計算，且能有效減少計算時間，但在計算更高頻噪聲時，仿真值與實測值之間的差值超過10 dB。在仿真精度、效率和應用方面，上述研究對空調寬頻段噪聲研究各自存在不足。

聲學邊界元法適用于低頻噪聲仿真^[7]，具有使分析問題降維、適用于復雜結構、計算精度高、計算量相對較小等優點。聲線跟蹤法適用于高頻以及幾何形狀較為規則的空間內，結果較為準確。針對目前列車空調風道噪聲研究的不足，本文提出綜合建模方法：運用邊界元法計算低頻部分空調噪聲對車內噪聲的影響，同時考慮風道內的氣流噪聲，運用聲線跟蹤法計算高頻部分空調噪聲對車內噪聲的影響，從而實現在寬頻率范圍內仿真空調對車內噪聲的影響，為空調系統降噪提供參考和依據。

1 空調噪聲特性試驗分析

列車空調系統的主要噪聲源有冷凝風機、送風風機、制冷壓縮機和空調風道中的氣流流動。其中，冷凝風機噪聲主要通過空調機組上部散熱面向機體上部輻射（即裝車后車頂外部），送風風機噪聲主要通過送風口和回風口向空調機組下方輻射（即裝車后的空調通風管道系統），而制冷壓縮機等其他噪聲源由于在空調機組內部，主要通過空調機組上下殼體向外部輻射^[6]。

1.1 空調聲源特性測試

為掌握列車空調噪聲聲源特性，在距離空調機組1 m、高度與空調機組持平位置布置聲傳感器，測試列車靜置狀態下空調機組輻射噪聲水平，以計算聲源特性。同時，為掌握空調系統對車內噪聲的影響，按照ISO 3381－2011標準，在前空調機組下方（以車頭為前），車體縱向中心線上方距離地板面1.6 m處布置測點（聲學評價點），測試列車靜置狀態下僅空調機組工作時的車內噪聲水平。如圖1所示。

1.2 空調聲源特性分析

列車靜置、空調機組工作狀態下，空調機組測點和車內測點的客室噪聲幅頻特性結果如圖2所示。可以看出，靜置狀態下，空調機組噪聲在1250 Hz處存在噪聲峰值，主頻在125～3150 Hz頻段內；客室噪聲在125 Hz和400 Hz處存在噪聲峰值，噪聲主頻在80～2500 Hz頻段內。除此之外，空調機組噪聲和客室噪聲在25 Hz的低頻區存在明顯的峰值噪聲。

此外，中心頻率小于125 Hz的低頻區域，空調機組與客室噪聲曲線峰值和趨勢相似，可以認為客室噪聲主要受空調聲源影響。在高于125 Hz的區域，客室噪聲峰值與空調噪聲峰值不一致。原因可能是，空調機組風道內的氣流噪聲和客室聲學環境對客室噪聲產生了影響。

圖2中實測空調噪聲聲壓級小于客室噪聲聲壓級，其原因在于聲壓受到測點位置與聲源的距離影響。為便于建模仿真，基于點聲源傳播特性，將測試的聲壓級數據換算成聲功率級，如圖3所示。可以看出，與A計權聲壓級不同，空調機組聲源聲功率（未計權）在25 Hz、160 Hz和315 Hz存在峰值。

2 空調噪聲風道客室仿真模型

2.1 車內低頻噪聲預測

2.2 車內高頻噪聲預測

首先建立空調聲源客室噪聲預測模型，運用聲線法進行預測。基于聲線法假設，空調聲源在空間中以聲線的形式向四周擴散，每根聲線的能量相同，總和等于空調聲源的能量。同時假定車體為一定吸聲系數的平面，以模擬車體壁面，當聲線撞擊到壁面時，產生鏡面反射，同時能量產生衰減，當聲線能量達到設置的限值時，計算機停止對該聲線的追蹤，當每根聲線的能量都達到限制，則計算結束。以車內噪聲測試位置為車內聲學評價點，提取車內聲學評價點的響應時，通過該點所有聲線的能量總和就是該點的聲能量。

列車高頻噪聲預測模型如圖9所示，聲源主要考慮以中高頻噪聲為主的空調機組噪聲。將空調聲源以點聲源的形式布置在空調風道的四個入風口處。

3 模型驗證

聲線法和綜合法在聲學評價點處仿真得到的幅頻特性曲線如圖10所示。可以看出，仿真低頻噪聲時，聲線法無法準確模擬聲波的傳播特性，比如低頻波的衍射和干涉，因此，聲線法不適用于低頻噪聲計算。160 Hz及以下頻段，聲線法在各中心頻段上的仿真數值與實測值之間相差都在5 dB（A）以上。且越往低頻，差值越大。160 Hz以上頻段，聲線法仿真數值與試驗數據在各中心頻段上聲壓級差值都在5 dB（A）以內，且頻率越高仿真曲線與試驗曲線擬合得越好，這符合聲線法適用于高頻計算的特性。

綜合法仿真結果在160 Hz及以下頻段內，峰值及趨勢與試驗數據一致，在各中心頻段上聲壓級差值在5 dB（A）以內，符合工程要求。在160 Hz以上的高頻區仿真曲線與試驗聲壓級趨勢總體上保持一致，仿真曲線在試驗曲線上下波動。聲壓級總值相差在1 dB（A）以內，各頻段聲壓級差值在5 dB（A）以內。說明了該方法的有效性。

綜上所述，綜合法結合聲線法和邊界元法的優點，能有效預測空調聲源對車內噪聲的影響。在160 Hz以下頻段內，用邊界元法仿真模擬車內噪聲；在160 Hz及以上頻段內，用聲線法仿真模擬車內噪聲。

4 風道降噪措施仿真

利用本文提出的綜合法模型，仿真不同位置和不同降噪材料對車內噪聲的降噪效果^[6，10]，指導選擇空調降噪措施。

4.1 不同位置降噪特性分析

4.2 不同材料降噪特性分析

不同材料的吸聲系數值如圖13所示。在風道內側底部鋪設不同吸聲材料，管道的傳聲損失幅頻特性曲線如圖14所示。

由圖14可以看出，相比常規吸聲材料（吸聲系數均為0.41），玻璃絲綿、三聚氰胺和碳纖維可使出口處的聲功率級總值分別進一步降低3.2 dB、3.6 dB、2.3 dB；尤其是在315 Hz和500～1000 Hz中高頻段內，傳聲損失可提高2.5 dB以上；但在63～250 Hz和400 Hz頻段內，傳聲損失不升反降。

4.3 聲學評價點降噪量分析

為了評價降噪效果對車內噪聲的影響，給出不同措施下車內聲學評價點的聲壓級降低值，如表3所示。其中鋪設的吸聲材料均為2 m。

5 結論

本文基于綜合建模方法，建立了空調聲源車內噪聲仿真模型，從而實現在寬頻率范圍內仿真空調對車內噪聲的影響，為空調系統降噪提供參考和依據。主要結論如下：

（1）通過分析市域車車內噪聲和空調機組噪聲的幅頻特性曲線圖，得出空調機組噪聲聲源特性以及向車內的傳遞特性。

（2）建立空調邊界元－聲線法仿真模型。運用邊界元法計算低頻（160 Hz以下）部分空調噪聲對車內噪聲的影響，同時考慮風道內的氣流噪聲，基于流體力學理論，建立風道氣動仿真模型，計算氣流對風道壁面的脈動壓力；建立風道有限元模型，同時考慮風道中氣流噪聲和空調機組噪聲，計算風道出風口的輻射聲功率級。基于邊界元法計算車內噪聲響應。在高頻區（160 Hz以上），基于聲線法計算空調聲源向車內噪聲的傳遞。計算并對比聲學評價點處的聲壓級曲線，結果顯示仿真與試驗曲線具有較高的一致性，聲壓級總值相差在1 dB以內，各頻段聲壓級差值在5 dB以內。驗證了模型的有效性。

（3）對空調降噪措施進行仿真，建議在管道底部鋪設2 m的玻璃絲綿，可降低車內噪聲4.0 dB（A）。值得注意的是，本文所建模型僅考慮了空調聲源對車內噪聲的影響，當考慮到輔助設備噪聲對車內噪聲的影響時，降噪效果會有所降低。

參考文獻：

[1]展偉，劉巖，鐘志方，等. 地鐵車輛空調系統噪聲分布規律[J]. 噪聲與振動控制，2014，34（5）：91-94.

[2]孫強，程亞軍，張捷，等. 城市軌道車輛空調通風管道的低噪聲設計[J]. 大連交通大學學報，2019，40（2）：94-98.

[3]Zhang J，Xiao XB，Sheng XZ，et al. SEA and contribution analysis for interior noise of a high speed train[J]. Applied Acoustics，2016，（112）：158-170.

[4]劉舫泊，張捷，郭建強，等. 基于SEA-PSA的地鐵車內噪聲頂層指標分解方法[J]. 機械，2021，48（8）：22-28.

[5]張振威，蘇燕辰. 高速列車空調風道的降噪[J]. 科學技術與工程，2018，18（3）：354-360.

[6]孫艷紅，張捷，韓健，等. 高速列車風道傳聲特性及其優化設計[J]. 機械工程學報，2018，54（24）：129-137.

[7]曾向陽，陳克安. 基于聲線法的聲場脈沖響應計算機模擬研究[J]. 西北工業大學學報，2000（4）：629-633.

[8]董耀誠. 空調風管道系統氣動噪聲計算方法的對比與研究[D]. 西安：西安建筑科技大學，2018.

[9]盧勇，張繼業，劉加利. 高速列車車內低頻氣動噪聲預測[J]. 計算機輔助工程，2013，22（5）：7-13.

[10]孫艷紅，張捷，韓健，等. 高速列車風道消聲器傳聲特性[J]. 浙江大學學報（工學版），2019，53（7）：1389-1397.

[11]吳國華. 基于邊界元方法的室內三維聲波場的數值模擬與分析[D]. 南京：南京理工大學，2013.