呂 崗 袁永文 / .天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 .東營市技師學(xué)院

高速列車關(guān)鍵部位近場噪聲頻譜特性仿真

呂 崗1袁永文2/ 1.天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2.東營市技師學(xué)院

本文建立了包括受電弓、頭車、尾車、轉(zhuǎn)向架的三節(jié)車三維模型，進(jìn)行了時(shí)速200km/h和300km/h空氣動(dòng)力學(xué)仿真和聲學(xué)仿真，分別分析了流線型頭部、受電弓區(qū)域近場氣動(dòng)噪聲的頻譜特性。通過分析發(fā)現(xiàn)：高速列車運(yùn)行高速運(yùn)行時(shí)，列車受電弓區(qū)域噪聲等級(jí)高于頭部區(qū)域噪聲等級(jí)；噪聲等級(jí)的大小和曲面迎風(fēng)面與列車運(yùn)行方向有關(guān)。

高速列車；氣動(dòng)噪聲；頻譜特性；受電弓；轉(zhuǎn)向架

引 言

隨著人們對(duì)需求的不斷提高，快節(jié)奏的工作生活對(duì)交通運(yùn)輸速度的要求也不斷提高，高速鐵路成為人們工作旅行首選的交通工具。高速動(dòng)車運(yùn)行速度很高，新建城際鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為250km/h，京滬高鐵、滬昆高鐵等設(shè)計(jì)時(shí)速高達(dá)380km/h，高速鐵路帶給人們方便的同時(shí)，運(yùn)行噪聲也給鐵路沿線居民及車內(nèi)旅客的身心健康產(chǎn)生很大的危害。研究表明，當(dāng)噪聲超過一定限度和范圍時(shí)，就會(huì)干擾人們的生活和工作，使人感到煩躁，甚至?xí)：θ梭w健康，長期生活在80dB以上環(huán)境中，造成耳聾者可達(dá)50%[1-2]。因此高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該考慮的氣動(dòng)噪聲的影響，所以如何設(shè)計(jì)列車外形，并預(yù)測運(yùn)行噪聲至關(guān)重要。

截至目前，研究高速列車氣動(dòng)噪聲文獻(xiàn)很多，但多數(shù)只針對(duì)特定部分進(jìn)行研究。比如西南交通大學(xué)的董繼蕾，李輝，張亞東，張軍，趙萌[3-7]分別針對(duì)受電弓氣、列車連接處動(dòng)、轉(zhuǎn)向架處、車頭及高速列車整車（不包括受電弓）的噪聲特性進(jìn)行了研究。本文建立了全車仿真模型，包含了幾乎所有的關(guān)鍵部件，仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況。

一、近場噪聲特性分析

（一）評(píng)估點(diǎn)設(shè)置

為了研究高速列車近場噪聲特性，分別在列車關(guān)鍵部位設(shè)置若干評(píng)估點(diǎn)，評(píng)估點(diǎn)分布如圖1所示，車頭評(píng)估點(diǎn)N1、N2、N3、N4、N5，受電弓評(píng)估點(diǎn)P1、P2、P3、P4、P5五個(gè)點(diǎn)。

圖1 評(píng)估點(diǎn)位置

二、頻譜特性分析

（一）車頭近場氣動(dòng)噪聲分析

圖2為300 km/h速度運(yùn)行時(shí)，在0.35s時(shí)間內(nèi)，車頭曲面監(jiān)測點(diǎn)N1、N3、N4、N5四點(diǎn)脈動(dòng)壓力隨時(shí)間變化歷程。

圖2 300km/h 評(píng)估點(diǎn)脈動(dòng)壓力

由圖2可知，在運(yùn)行速度一定時(shí)，脈動(dòng)壓力是一種隨機(jī)壓力，它沒有一定的規(guī)律可尋。N1、N2評(píng)估點(diǎn)脈動(dòng)壓力為正值，N3、N5評(píng)估點(diǎn)脈動(dòng)壓力為負(fù)值，其中，N1點(diǎn)脈動(dòng)壓力峰值及波動(dòng)幅度最大，N5點(diǎn)相對(duì)最小，結(jié)合圖1中各監(jiān)測點(diǎn)所處的位置，表明曲面曲率變化大的區(qū)域?qū)α黧w擾動(dòng)越大，相應(yīng)的脈動(dòng)壓力峰值和波動(dòng)幅度越大。反之，曲面曲率變化小的區(qū)域，對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)壓力峰值和波動(dòng)幅度相對(duì)小些。

由前面論述已知，高速列車氣動(dòng)噪聲與曲面的形狀有關(guān)系，高速動(dòng)車組氣動(dòng)噪聲主要是偶極子為主，通過傅里葉變換，將評(píng)估點(diǎn)脈動(dòng)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成頻域信號(hào)，得到評(píng)估點(diǎn)噪聲頻譜。

300 km/h運(yùn)行速度下的高速動(dòng)車組車頭表面監(jiān)測點(diǎn)的脈動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換成頻譜，其頻譜分布如3圖所示。

圖3 300km/h 評(píng)估點(diǎn)噪聲頻譜

從圖3中看出，各評(píng)估點(diǎn)氣動(dòng)噪聲的頻譜特性圖很相似，聲壓在0～5000Hz范圍內(nèi)存在，是一種寬頻域噪聲。從頻譜圖中看出，1000Hz以下時(shí)，聲壓等級(jí)較高，1000Hz以上時(shí)，噪聲等級(jí)區(qū)域穩(wěn)定，但整體趨勢是隨著頻率的升高，各點(diǎn)的幅值都持續(xù)下降。

（二）受電弓近場氣動(dòng)噪聲分析

圖4為300 km/h速度運(yùn)行時(shí)，在0.35s時(shí)間內(nèi)，車頭曲面監(jiān)測點(diǎn)P1、P2、P3、P5四點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化歷程。受電弓監(jiān)測點(diǎn)布置見圖1。

圖4 300km/h 評(píng)估點(diǎn)脈動(dòng)壓力

從圖4中可以看出各評(píng)估點(diǎn)脈動(dòng)壓力的波動(dòng)情況，P1、P2兩點(diǎn)脈動(dòng)壓力為正值，P3、P4、P5脈動(dòng)壓力為負(fù)值，P2點(diǎn)脈動(dòng)壓力波動(dòng)速度最小，因?yàn)楦狞c(diǎn)所處桿件與風(fēng)向成小銳角，空氣流經(jīng)該處分流較小。P1、P3、P4、P5點(diǎn)波動(dòng)幅度都較大，因?yàn)檫@幾個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都位于與風(fēng)向垂直的桿件，氣流再次發(fā)生分流，脈動(dòng)壓力波動(dòng)較大。

在300km/h運(yùn)行速度下的高速動(dòng)車組受電弓表面監(jiān)測點(diǎn)的脈動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換成頻譜，其頻譜分布如圖5所示。

圖5 300km/h 受電弓區(qū)域噪聲頻譜

圖5中可以看出，受電弓區(qū)域評(píng)估點(diǎn)噪聲頻譜特性與車頭區(qū)域評(píng)估點(diǎn)相似，噪聲在很寬的頻域內(nèi)存在，低頻時(shí)噪聲等級(jí)較高，大于1000Hz后噪聲等級(jí)趨于穩(wěn)定。

三、結(jié)論

在列車曲面曲率變化大的區(qū)域，脈動(dòng)壓力幅值和波動(dòng)幅度越大；高速動(dòng)車組氣動(dòng)噪聲屬于一種寬頻域噪聲，低頻時(shí)聲壓較高；高速動(dòng)車組近場氣動(dòng)噪聲的能量在低頻部分較大，在高頻部分較??；在高速列車車身曲面曲率變化越大的區(qū)域，近場氣動(dòng)噪聲波動(dòng)梯度、聲壓級(jí)數(shù)值及其增長幅度越大，反之就越小；最大總聲壓級(jí)出現(xiàn)在受電弓附近，因?yàn)樵谠撎幗Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要是些與風(fēng)向垂直的桿件，氣流在該處流動(dòng)紊亂，誘發(fā)很大的氣動(dòng)噪聲；當(dāng)受電弓桿件結(jié)構(gòu)與風(fēng)向垂直時(shí)，會(huì)誘發(fā)更大的氣動(dòng)噪聲。因此，合理的優(yōu)化車頭、受電弓外形及優(yōu)化桿件布置能夠有效地較少氣動(dòng)噪聲。

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呂崗（1987—），男，漢族，山東定陶人，助教，研究生學(xué)歷，天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，主要從事高速動(dòng)車組空氣動(dòng)力學(xué)噪聲方向的研究。