扈 凱，王巖松

（上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海201620）

軌道車輛車內(nèi)聲場仿真及聲品質(zhì)優(yōu)化

扈 凱，王巖松

（上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海201620）

以上海軌道交通九號線為例，對車內(nèi)噪聲進(jìn)行現(xiàn)場測試，測量車廂結(jié)構(gòu)參數(shù)并建立有限元模型，采用Actran軟件進(jìn)行聲學(xué)仿真，并使用A計權(quán)聲壓級和特征響度兩個主要的聲品質(zhì)客觀評價參量驗證仿真的結(jié)果，隨后提出聲品質(zhì)優(yōu)化方案，使車內(nèi)聲壓級降低5 dB，特征響度總體下降，總響度值降低1.26 sone，對提高車內(nèi)聲品質(zhì)和改善車內(nèi)聲場環(huán)境具有一定的參考價值。

聲學(xué)；軌道車輛；車內(nèi)聲場；Actran仿真；聲品質(zhì)優(yōu)化

另一方面，在聲學(xué)仿真方面，有限元方法、無限元方法、統(tǒng)計能量分析等數(shù)值計算方法和仿真技術(shù)被廣泛運(yùn)用在各個行業(yè)[2]，成為了解決噪聲問題的有效手段。

本文采用有限元方法以A計權(quán)聲壓級和特征響度兩個聲品質(zhì)參量對軌道車輛車廂內(nèi)聲場進(jìn)行試驗和仿真研究，以上海地鐵九號線車廂為研究對象，用丹麥B&K公司的Pluse多通道聲學(xué)測量平臺進(jìn)行噪聲采集，同時，測量了車廂的三維空間坐標(biāo)進(jìn)行建模，用聲學(xué)軟件Actran進(jìn)行仿真分析并提出優(yōu)化設(shè)計方案。

1 噪聲數(shù)據(jù)采集及分析

1.1 噪聲數(shù)據(jù)采集

以上海地鐵九號線AC04型車輛車廂為研究對象，列車為6節(jié)編組，測試時風(fēng)速小于5.5 m/s，測試路段為直線。車廂長寬高分別是21.54 m、2.81 m、2.056 m，車廂內(nèi)部未作任何吸聲處理。測量設(shè)備采用丹麥B&K公司的Pulse聲音數(shù)據(jù)采集平臺。采樣頻率設(shè)置為44 100 Hz，將采集到的噪聲信號做頻程濾波處理，并將所有原信號和濾波信號存入計算機(jī)中以備后續(xù)處理。試驗選取中間車廂中部的兩個位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每個測點測量5次，采樣的平均時間為15 s。經(jīng)作者試聽后選取環(huán)境干擾較小的一個噪聲樣本進(jìn)行分析，傳聲器高度設(shè)置為1.1 m，測量工況為軌道車輛在地下隧道以時速60 km/h運(yùn)行。車廂結(jié)構(gòu)布置及測點如圖1所示。

圖1 測點布置

1.2 噪聲數(shù)據(jù)分析

將采集到的噪聲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為*.mat格式導(dǎo)入Matlab軟件中，編程并計算噪聲數(shù)據(jù)的有效聲壓級，根據(jù)聲能量疊加的公式，得到不同測點噪聲樣本的總聲壓級，如表1所示。

表1 兩個測點的總聲壓級

由表1可以看出，測點2的總聲壓級比測點1的總聲壓級大0.4 dB，其主要原因可能是由于測試時背景噪聲不同和作者在數(shù)據(jù)篩選時存在隨機(jī)誤差導(dǎo)致。

將采集的噪聲數(shù)據(jù)導(dǎo)入Pulse軟件中進(jìn)行1/3倍頻程下的A計權(quán)聲壓級頻譜分析，如圖2所示。

由圖2可知，兩個測點的總聲壓級相差不大，由于車廂內(nèi)部噪聲以中低頻噪聲為主，而1/3倍頻程下的A聲級計權(quán)主要對500 Hz以下的中低頻噪聲進(jìn)行衰減[3]，從而可以較好地模擬人耳特性，因此，對車廂內(nèi)部噪聲數(shù)據(jù)的各個頻率上進(jìn)行A計權(quán)處理，以方便觀察其噪聲能量分布。

2 仿真分析及模型驗證

2.1 模型建立

在UG軟件中建立車廂的三維模型，如圖3所示。將CAD模型做適當(dāng)簡化處理，去除對車廂內(nèi)聲場影響不大的桿類部件并導(dǎo)入Hyper Mesh軟件中，按照聲學(xué)網(wǎng)格每波長至少六個單元的計算要求進(jìn)行網(wǎng)格繪制[4]。設(shè)定網(wǎng)格尺寸為70 mm，共生成節(jié)點數(shù)385 856個，單元數(shù)2 241 322個，得到軌道車輛車廂有限元模型如圖4所示。

圖2 兩個測點1/3倍頻程的A計權(quán)聲壓級曲線

圖3 車廂UG模型

圖4 車廂有限元模型

2.2 Actran的仿真分析

Actran是基于有限元法和無限元法的聲學(xué)計算軟件，能夠研究產(chǎn)品的聲學(xué)、振動聲學(xué)或氣動聲學(xué)性能。Actran獨有頻率響應(yīng)函數(shù)Krylov解算器可大幅提高計算效率，尤其適用于聲輻射、聲傳播分析。

在Actran仿真軟件中，將在HyperMesh中構(gòu)建完成的有限元模型以*.bdf的格式導(dǎo)入，采用直接頻率響應(yīng)分析，分析的頻率范圍為20 Hz～400 Hz，步長1 Hz。由于軌道車輛運(yùn)行過程中，車廂內(nèi)噪聲的主要噪聲源為輪軌噪聲和電器設(shè)備噪聲[5]，因此，在軟件中的輪軌處和車廂頂部分別設(shè)置一個線聲源來模擬輪軌噪聲和空調(diào)噪聲，均給予適當(dāng)大小的激勵，同時，對車廂體、車門、窗戶等分別定義材料屬性。

由于軟件只能對固定聲源的情況進(jìn)行仿真分析，所以，我們將試驗所測點的瞬間樣本數(shù)據(jù)與Actran中相同測點位置的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，以此來驗證模型的正確性。

通過Actran軟件處理后得到試驗所測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比值如圖5所示，其中（a）為聲壓級對比曲線，圖（b）為特征響度的對比曲線。

圖5 仿真與試驗的聲壓級和特征響度對比曲線

由圖5可知，仿真結(jié)果與真實值存在一定的誤差，原因是只實現(xiàn)了對輪軌噪聲和空調(diào)設(shè)備噪聲的仿真，對于車內(nèi)聲場受到的風(fēng)激勵噪聲在仿真中并沒有實現(xiàn)，同時，列車運(yùn)行過程中也受到復(fù)雜多變的環(huán)境因素的影響。但是兩者整體變化趨勢一致，誤差范圍也在可接受范圍之內(nèi)，總體來說仿真結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)基本符合，從而可以證明模型建立和聲源定義是正確的。

3 仿真優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》的規(guī)定[6]，城市軌道交通系統(tǒng)中地鐵和輕軌車輛客室內(nèi)噪聲等效A計權(quán)聲壓級最大允許值見表2。

表2 地鐵和輕軌車輛等效聲級的最大允許限值

由測試數(shù)據(jù)可知，軌道車輛在運(yùn)行過程中噪聲長期處于75 dB以上。如果人長期處于超過70 dB的環(huán)境中，就會對身體健康產(chǎn)生危害，表現(xiàn)為心煩意亂、頭昏、神經(jīng)衰弱等[7]，大大降低了軌道交通的乘坐舒適性。

造成車廂內(nèi)部聲品質(zhì)差的主要原因是車廂在制造過程中并未采取任何降噪措施，車廂的制作材料多為鋁合金，車內(nèi)座椅主要由高密度聚乙烯塑料或鋁合金制成，窗戶的材料則是普通玻璃，這些材料都是堅硬光滑的反射面，使得車廂內(nèi)的混響噪聲較大。同時，車體、門窗、車廂連接處的密封性不好，噪聲通過縫隙傳入車內(nèi)，使噪音進(jìn)一步加大，嚴(yán)重影響了車內(nèi)的聲品質(zhì)。

為改善車廂內(nèi)部聲場環(huán)境、提高聲品質(zhì)，可以對車廂內(nèi)進(jìn)行吸聲處理，將車廂兩側(cè)內(nèi)壁噴涂了聚酯纖維吸聲材料，其各頻帶吸聲系數(shù)如表3所示，并根據(jù)材料屬性在軟件中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。最后，對比已做吸聲處理與未做吸聲處理的車廂內(nèi)聲壓級、1/3倍頻程下的A計權(quán)聲壓級、特征響度和總響度，分別如圖6（a）（b）（c）所示。

表3 各頻率吸聲系數(shù)

由圖（a）可知，經(jīng)過吸聲處理后，車內(nèi)聲壓級有所降低，整體趨勢和波動程度變化不大，圖（b）中噪聲數(shù)據(jù)經(jīng)過A計權(quán)處理之后聲壓級下降趨勢更加明顯直觀，各頻帶聲壓級降低了4 dB～6 dB，總聲壓級約降低了5 dB，圖（c）中各bark域尤其是中低頻帶的特征響度有所降低，總響度值降低了1.26 song。

通過數(shù)據(jù)可以直觀地看出，經(jīng)過吸聲處理，車廂內(nèi)聲場聲壓級總體下降，證明吸聲材料有較好的降噪效果，車內(nèi)聲品質(zhì)有所改善，提高了軌道車輛的乘坐舒適性。

4 結(jié)語

本文以上海地鐵九號線為例，使用聲學(xué)軟件Actran對軌道車輛車廂內(nèi)部聲場進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與試驗測試結(jié)果進(jìn)行比較，驗證了模型的正確性。同時，提出了在車廂內(nèi)部噴涂聚酯纖維吸聲材料的車內(nèi)聲品質(zhì)優(yōu)化方案，并在Actran中進(jìn)行仿真，取得了較好的優(yōu)化效果，將車內(nèi)噪聲聲壓級降低了5 dB左右，特征響度總體下降，總響度值降低1.26 sone，改善了車內(nèi)聲品質(zhì)，減少了噪聲對車內(nèi)乘客的不良影響，對進(jìn)一步改善車內(nèi)聲場環(huán)境有一定的參考價值。

圖6 聲學(xué)處理前后聲壓級和特征響度的對比曲線

[1]蔣偉康，閆肖杰.城市軌道交通噪聲的聲源特性研究進(jìn)展[J].環(huán)境污染與防治，2009，31(12)：64-69.

[2]程建春，田 靜.中國聲學(xué)進(jìn)展[M].北京：科學(xué)出版社，2008.539-627.

[3]Schneider M,Wilhelm,Alt N,Development of vehicle sound quality targets and methods[C].SAE International, 1995,951283:401-414.

[4]王治國.工程聲學(xué)有限元分析理論與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.78-79.

[5]張 偉，陳光雄.高速列車車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)客觀評價分析[J].鐵道學(xué)報，2011，33(2)：13-19.

[6]GB14892-2006城市軌道交通列車噪聲限值和測量辦法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[7]蔡 俊.噪聲污染控制工程[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.1-10.

[8]劉英杰，盧賢豐.城市地鐵噪聲分析與控制[J].噪聲與振動控制，2005(11)：89-92.

[9]王登峰，劉宗巍，等.車內(nèi)噪聲生品質(zhì)的主觀評價試驗與客觀量化描述[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2006，36 (2)：41-46.

[10]羅 虹，張 楊，等.車內(nèi)聲品質(zhì)評價系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代制造工程，2011，11：28-33.

Interior Sound Field Simulation and Sound Quality Optim ization of Metro Vehicles

HU Kai,WANG Yan-song

（Automotive Engineering College,Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620,China）

The interior noise and the structural parameters of vehicles in Shanghai Metro 9 are measured.The finite element model of the vehicles is established.Then,the Actran software is used for acoustical simulation.The accuracy of the simulation results are verified by using two major objective evaluation parameters of sound quality:A-weighted sound pressure level(SPL)and specific loudness.Finally,a sound quality optim ization scheme is put forward and performed.The results show that the SPL of the interior noise of vehicles can be reduced by 5 dB and the specific loudness can be reduced by 1.26 sone.The proposed scheme is effective for improving interior acoustic environment and has some significance for improving the interior sound quality of vehicles.

acoustics;railway vehicles;interior sound field;Actran simulation;sound quality optim ization

1006-1355(2014)04-0174-04

U270.1+.6文獻(xiàn)識別碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.038

近年來，城市軌道車輛發(fā)展迅速，采取有效的措施降低車內(nèi)噪聲、提高聲品質(zhì)已經(jīng)成為學(xué)者普遍關(guān)注的問題。

為改善車內(nèi)聲場環(huán)境，地鐵設(shè)計制造人員采取了各種措施，例如日本使用橡膠充氣車輪取代普通車輪，德國把制動盤放在輪心上來降低噪聲。但由于材料和結(jié)構(gòu)的限制，這些措施的降噪效果并不理想[1]。

2013-10-25

國家自然科學(xué)基金（51175320）；上海高校特聘教授（東方學(xué)者）跟蹤計劃

扈 凱（1990-），男，山東濰坊人，碩士研究生，目前從事車輛NVH測控技術(shù)研究。

E-mail:hukai0628@163.com

王巖松（1971-），男，教授，碩士生導(dǎo)師。