孫振旭, 姚永芳, 楊 焱, 楊國(guó)偉, 郭迪龍

(1. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 流固耦合與系統(tǒng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

0 引 言

當(dāng)前我國(guó)高速鐵路和高速列車正處于蓬勃發(fā)展的階段。截至2017年，我國(guó)高速鐵路里程達(dá)到2.5萬(wàn)km，占世界高鐵總量的66.3%。按照十三五規(guī)劃，新研發(fā)的高速列車將要達(dá)到400 km/h，而高速磁浮列車運(yùn)行速度則達(dá)到600 km/h。

研究表明，如圖1所示，牽引噪聲和輪軌噪聲分別與列車運(yùn)行速度的一次方和三次方成正比，而氣動(dòng)噪聲則與列車運(yùn)行速度的六次方成正比[1]。由圖1可見(jiàn)，當(dāng)列車運(yùn)行速度超過(guò)250 km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲超越輪軌噪聲成為主導(dǎo)。因而，可以預(yù)見(jiàn)，新設(shè)計(jì)高速列車在噪聲方面遇到的一個(gè)突出的問(wèn)題是氣動(dòng)噪聲問(wèn)題。環(huán)境友好性要求高速列車必須滿足一定的噪聲規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因而高速軌道交通必須要解決好氣動(dòng)噪聲問(wèn)題。低噪聲設(shè)計(jì)成為更高速度級(jí)列車外形設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，針對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲的研究將直接影響到高速軌道交通的實(shí)用性和可持續(xù)發(fā)展。

盡管自20世紀(jì)90年代開(kāi)始中國(guó)就開(kāi)始研發(fā)“中華之星”等自主品牌的高速列車，但是高速列車在中國(guó)真正蓬勃發(fā)展始自10年前引進(jìn)的各類動(dòng)車組。受益于國(guó)家高鐵發(fā)展戰(zhàn)略，針對(duì)高速列車氣動(dòng)特性、氣動(dòng)噪聲特性的研究也同時(shí)快速增長(zhǎng)起來(lái)。鑒于近年來(lái)我國(guó)在高鐵領(lǐng)域的快速發(fā)展，本文主要梳理自2010年以來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者在高速列車氣動(dòng)噪聲方面的相關(guān)研究，而國(guó)外進(jìn)行的高速列車氣動(dòng)噪聲研究則不在討論之列。本文試圖將當(dāng)前國(guó)內(nèi)氣動(dòng)噪聲研究的現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題以及未來(lái)可能的研究方向進(jìn)行描述和討論。在內(nèi)容上主要包括以下四個(gè)部分：

(1) 高速列車氣動(dòng)噪聲的研究方法。重點(diǎn)對(duì)實(shí)車試驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬三類研究方法進(jìn)行概述，并對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者采用的主流數(shù)值模擬方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

(2) 高速列車氣動(dòng)噪聲源識(shí)別。主要介紹國(guó)內(nèi)學(xué)者在高速列車氣動(dòng)噪聲源定位以及強(qiáng)弱排序等方面開(kāi)展的相關(guān)工作。

(3) 氣動(dòng)噪聲源特性與優(yōu)化。針對(duì)每一個(gè)噪聲源，重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)學(xué)者在噪聲源產(chǎn)生機(jī)理、頻譜特性以及針對(duì)相關(guān)噪聲源進(jìn)行的降噪優(yōu)化工作。

(4) 高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射特性。重點(diǎn)介紹整車以及部件級(jí)的氣動(dòng)噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性、指向性等相關(guān)工作。

1 高速列車氣動(dòng)噪聲研究方法

當(dāng)前針對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲的研究主要包括實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬兩大類，其中前者主要包括實(shí)車試驗(yàn)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，后者則是指利用計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)(CAA)的方法，針對(duì)高速列車進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得高速列車近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的氣動(dòng)噪聲特性。接下來(lái)本文將針對(duì)這些方法進(jìn)行一一介紹。

1.1 實(shí)驗(yàn)分析方法

高速列車氣動(dòng)噪聲的實(shí)驗(yàn)研究，按照是否對(duì)列車模型進(jìn)行縮比，可以分為實(shí)車試驗(yàn)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)兩大類。

1.1.1 實(shí)車試驗(yàn)

實(shí)車試驗(yàn)即實(shí)際列車車型在某一固定線路上運(yùn)行，而在該線路周邊采用聲陣列、實(shí)時(shí)分析聲級(jí)計(jì)和測(cè)量列車運(yùn)行速度的輔助設(shè)備等進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。聲陣列可以識(shí)別噪聲源方向和位置，實(shí)時(shí)分析聲級(jí)計(jì)無(wú)指向性，但是可以獲得列車在通過(guò)時(shí)該測(cè)點(diǎn)位置的聲壓級(jí)實(shí)時(shí)變化特性。一般是在距離列車軌道中心一定距離的某一位置布置傳聲器陣列，聲信號(hào)經(jīng)傳聲器接收并放大和轉(zhuǎn)換，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期處理。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠獲得真實(shí)條件下的噪聲值，無(wú)車體模型簡(jiǎn)化、物理模型近似等問(wèn)題，其缺點(diǎn)在于資源上，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，投入人力、物力較多；物理上，實(shí)車試驗(yàn)測(cè)量得到的噪聲為整體噪聲，獲取噪聲值是輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲等的綜合值?，F(xiàn)階段實(shí)車試驗(yàn)仍然是工業(yè)部門嚴(yán)格要求必須要進(jìn)行的。圖2(a)為在京津城際鐵路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)布置的多通道陣列式噪聲數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)[1]，該陣列共78通道，直徑40 m，陣列中心距鋼軌頂面2.1 m高，距軌道中心線12.0 m遠(yuǎn)，能夠滿足400～8000 Hz頻率分析范圍內(nèi)的要求。該實(shí)車試驗(yàn)的列車和線路狀況均滿足了ISO 3095-2005標(biāo)準(zhǔn)?；诓ㄊ尚温曉醋R(shí)別原理，測(cè)量獲得CRH3型車以394 km/h速度運(yùn)行下的車外輻射噪聲聲強(qiáng)云圖。圖2(b)給出了手持式Casella CEL-490 型聲級(jí)計(jì)外形和標(biāo)準(zhǔn)配置，喻華華等[2]利用該設(shè)備在京津城際線上進(jìn)行了遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)的單點(diǎn)測(cè)量，獲取了當(dāng)?shù)鼐€路條件下特定速度下測(cè)點(diǎn)具體的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，以用于校驗(yàn)物理模型和計(jì)算預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

(a) 聲陣列

(b) 手持式聲級(jí)計(jì)

圖2高速列車實(shí)車試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備
Fig.2Measuringdevicesforhighspeedtrainrealvehicletests

董孝卿等[3]在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院東郊分院環(huán)行線和膠濟(jì)線高密到即墨段兩個(gè)線路段上進(jìn)行了高速列車氣動(dòng)噪聲的實(shí)車試驗(yàn)。該測(cè)量采用了多通道聲學(xué)分析儀器一臺(tái)，型號(hào)為PAK MK II, BSWA801型聲級(jí)計(jì)3臺(tái)，同時(shí)還有16支傳聲器以及1支校準(zhǔn)器。氣動(dòng)噪聲測(cè)量方式仍為單點(diǎn)測(cè)量。

1.1.2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

基于目前已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)可以進(jìn)行高速列車氣動(dòng)噪聲風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的單位主要有兩家，即同濟(jì)大學(xué)的氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[4-5]以及中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力學(xué)研究所的航空聲學(xué)風(fēng)洞[6-8]。前者實(shí)驗(yàn)段尺寸27 m×17 m×12 m，噴口面積為27 m2，實(shí)驗(yàn)段沿射流方向有效長(zhǎng)度15 m。實(shí)驗(yàn)段按照半消聲室設(shè)計(jì)，來(lái)自于風(fēng)機(jī)的噪聲及流道內(nèi)的氣動(dòng)噪聲主要通過(guò)多級(jí)消聲處理得到控制。該中心的多功能風(fēng)洞能進(jìn)行1∶8縮比、3車編組的高速列車模型整車及頭型、轉(zhuǎn)向架、受電弓、受電弓導(dǎo)流罩、轉(zhuǎn)向架裙板、風(fēng)擋等部件的氣動(dòng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括列車模型在不同公開(kāi)條件下的自由場(chǎng)傳聲器測(cè)試、麥克風(fēng)陣列測(cè)試、表面?zhèn)髀暺鳒y(cè)試等。典型麥克風(fēng)陣列及表面?zhèn)髀暺髡?qǐng)見(jiàn)圖3。

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心在2013年建成了國(guó)內(nèi)首座大型航空聲學(xué)風(fēng)洞。該風(fēng)洞的噴口尺寸為5.5 m×4 m，實(shí)驗(yàn)段由全消聲室包圍，截至頻率約為100 Hz。為滿足地面交通工具氣動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)的需要，該風(fēng)洞配套了3/4開(kāi)口的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試模型在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可通過(guò)支撐地板固定，如圖4所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，平臺(tái)地板的存在會(huì)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲測(cè)量產(chǎn)生影響。5.5 m×4 m聲學(xué)風(fēng)洞具有兩個(gè)可更換的實(shí)驗(yàn)段。閉口實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速范圍8～130 m/s，湍流度為0.05%，主要用于氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)。開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速范圍8～100 m/s，主要用于氣動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)。開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段由一個(gè)凈空間尺寸為27 m×22 m×18 m(長(zhǎng)×寬×高)的全消聲室包圍，消聲室截止頻率為100 Hz。

麥克風(fēng)陣列架用來(lái)定位噪聲源，基于麥克風(fēng)陣列的靜態(tài)噪聲源識(shí)別定位算法是基于延遲求和的“波束成形”算法。但是在聲學(xué)風(fēng)洞中使用麥克風(fēng)陣列時(shí)，適合于聲學(xué)風(fēng)洞的噪聲源識(shí)別定位算法應(yīng)該考慮風(fēng)洞流場(chǎng)對(duì)聲波傳播的干擾修正和開(kāi)口風(fēng)洞射流剪切層修正。在開(kāi)口射流風(fēng)洞進(jìn)行氣動(dòng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于剪切層的折射效應(yīng)會(huì)改變聲波傳播方向和聲波聲壓大小。因此在射流外部采用傳聲器進(jìn)行氣動(dòng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須對(duì)剪切層效應(yīng)進(jìn)行修正[7]。

1.2 計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)分析方法

計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)分析方法可分為兩大類，第一類是直接噪聲模擬(Direct Noise Computation, DNC)，即在統(tǒng)一的包含近場(chǎng)聲源及遠(yuǎn)場(chǎng)聲場(chǎng)的區(qū)域，采用統(tǒng)一的高精度數(shù)值方法求解非定?？蓧嚎sNavier-Stokes方程，直接求解流場(chǎng)和聲場(chǎng)物理量。直接法由于湍流模型處理的不同，可分為直接數(shù)值模擬(DNS)、大渦模擬(LES)、混合模擬或脫體渦模擬(DES)，以及非定常雷諾平均模擬(URANS)等。由于聲場(chǎng)量與流場(chǎng)量存在尺度和能量上的巨大差異，比如聲壓約為宏觀壓力的1×10-4量級(jí)，需采用高階精度、低耗散、低色散的離散格式來(lái)提高求解精度，這給直接求解帶來(lái)極大的應(yīng)用難度，在高速列車這類外形及其復(fù)雜的應(yīng)用對(duì)象面前束手無(wú)策。因而當(dāng)前針對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲的數(shù)值模擬，均采用下述的混合求解方法。

混合求解方法(Hybrid Method)將氣動(dòng)噪聲的求解分為至少兩個(gè)步驟，即聲源模擬和聲傳播求解，在各自的區(qū)域(近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng))，采用不同的控制方程和數(shù)值方法。近場(chǎng)區(qū)域求解描述流動(dòng)的非線性方程，即流體動(dòng)力學(xué)方程，可以是可壓或不可壓流動(dòng)方程，可以是非定常流動(dòng)，也可以是定常流動(dòng)，方法即一般的CFD方法，湍流的處理同樣包括DNS、LES、RANS等，為了準(zhǔn)確模擬聲源，要求網(wǎng)格比較精細(xì)，數(shù)值模擬精度較高。流場(chǎng)求解后，需利用流體聲源模型獲得聲源，如Lighthill公式及其衍生公式，還有從定常流動(dòng)構(gòu)造聲源的隨機(jī)模型方法，如SNGR方法、RPM方法。聲傳播的模擬又分為聲傳播的偏微分方程，如線性化歐拉方程(LEE)、聲學(xué)擾動(dòng)方程(APE)和非線性擾動(dòng)方程(NLDE)等，和聲比擬積分方法兩類，另外還有聲學(xué)計(jì)算中常用的頻域的邊界元方法。其求解過(guò)程是將上一步(聲源模擬)獲得的聲源作為后者(聲傳播模擬)的源項(xiàng)，計(jì)算聲波傳播過(guò)程，并預(yù)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲。常見(jiàn)的聲比擬積分方法是FW-H方法以及Kirchhoff方法，是工程中普遍采用的預(yù)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的方法。

按照近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲求解方法的不同，本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹一下當(dāng)前國(guó)內(nèi)高速列車氣動(dòng)噪聲求解中應(yīng)用的方法。

1.2.1 近場(chǎng)求解方法

1.2.1.1 LES

大渦模擬，是近幾十年才發(fā)展起來(lái)的一個(gè)流體力學(xué)中重要的數(shù)值模擬研究方法，它區(qū)別于直接數(shù)值模擬(DNS)和雷諾平均(RANS)方法。其基本思想是通過(guò)精確求解某個(gè)尺度以上所有湍流尺度的運(yùn)動(dòng)，從而捕捉到RANS方法所無(wú)能為力的許多非穩(wěn)態(tài)、非平衡過(guò)程中出現(xiàn)的大尺度效應(yīng)和擬序結(jié)構(gòu)；同時(shí)，又克服了直接數(shù)值模擬由于需要求解所有湍流尺度而帶來(lái)的巨大計(jì)算開(kāi)銷問(wèn)題，因而被認(rèn)為是最具有潛力的湍流數(shù)值模擬發(fā)展方向。

大渦模擬已經(jīng)被許多學(xué)者采用來(lái)進(jìn)行高速列車近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲源求解[5, 9-21]，這其中有一些是研究的簡(jiǎn)化外形，或僅分析首尾車頭，或進(jìn)行二維截面分析，另外也有不少分析了三編組精細(xì)模型，但是從網(wǎng)格量上來(lái)看很難滿足大渦模擬方法本身對(duì)網(wǎng)格尺寸的要求，例如針對(duì)三編組帶轉(zhuǎn)向架外形進(jìn)行大渦模擬分析時(shí)采用純四面體網(wǎng)格，總體網(wǎng)格量?jī)H450萬(wàn)，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

由于計(jì)算耗費(fèi)依然很大，目前大渦模擬還無(wú)法在工程上廣泛應(yīng)用，但是大渦模擬技術(shù)對(duì)于研究許多流動(dòng)機(jī)理問(wèn)題提供了更為可靠的手段，可為研究噪聲機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。隨著計(jì)算能力的提升，大渦模擬在未來(lái)高速列車氣動(dòng)噪聲模擬中應(yīng)該會(huì)大有用武之地。

1.2.1.2 DES

RANS/LES混合計(jì)算方法是期望利用RANS 和 LES方法的各自特點(diǎn)，謀求達(dá)到兩種方法互補(bǔ)的目的。LES 方法一般需要在邊界層內(nèi)布置很密的網(wǎng)格，而 RANS 方法在近壁區(qū)域可以布置較稀的網(wǎng)格且能保證一定的準(zhǔn)度。因此，在邊界層內(nèi)使用 RANS方法，在其余區(qū)域使用 LES 方法，既可顯著降低計(jì)算量，又能保持較高的計(jì)算準(zhǔn)度。

DES方法屬于 RANS/LES 混合算法中的界面混合類方法，RANS與 LES 計(jì)算區(qū)域之間的分界面通常是動(dòng)態(tài)變化的。從大量的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)來(lái)看，DES 類方法是現(xiàn)階段復(fù)雜工程應(yīng)用中較為成功的湍流數(shù)值模擬方法，而根據(jù) Spalart 對(duì)不同湍流模擬方法應(yīng)用于非定常工程湍流問(wèn)題(對(duì)于雷諾數(shù)為1×106～1×107量級(jí))的時(shí)間預(yù)測(cè)，在今后一段時(shí)間里，DES 類方法仍是一種較好的選擇。

在降低了計(jì)算代價(jià)的前提下，DES類方法也被許多學(xué)者[22-27]成功應(yīng)用在高速列車近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲源分析上。

1.2.1.3 NLAS

非線性聲學(xué)求解器被設(shè)計(jì)來(lái)模擬近場(chǎng)聲波的產(chǎn)生和傳播。其所需的初始湍流統(tǒng)計(jì)平均解通過(guò)各向異性k-ε模型的RANS求解來(lái)獲得，這個(gè)統(tǒng)計(jì)解提供了平均流場(chǎng)的基本特征也給出了其湍流脈動(dòng)的統(tǒng)計(jì)描述。NLAS在這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果上利用SNGR隨機(jī)模型方法重建噪聲源。非線性聲學(xué)求解器有低耗散性質(zhì)，能夠在亞格子尺度上計(jì)算噪聲的產(chǎn)生，它主要基于如下思想：通過(guò)統(tǒng)計(jì)模式獲得的平均流場(chǎng)可以獲得亞格子尺度的噪聲源，也可以通過(guò)平均流場(chǎng)計(jì)算擾動(dòng)。NLAS假定對(duì)Navier-Stokes方程添加一個(gè)擾動(dòng)，即假定Navier-Stokes方程中每一項(xiàng)表達(dá)為平均項(xiàng)與脈動(dòng)項(xiàng)，代入到Navier-Stokes方程中，重新整理Navier-Stokes方程可以獲得非線性的擾動(dòng)方程(NLDE)。NLAS的關(guān)鍵一步是要提前通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RANS方法求得這些未知項(xiàng)。從而，那些不能求解的小尺度量可以根據(jù)RANS結(jié)果重構(gòu)出來(lái)，并用來(lái)生成亞格子源項(xiàng)。當(dāng)平均值和亞格子源項(xiàng)都準(zhǔn)備好以后，通過(guò)求解擾動(dòng)方程就可以計(jì)算出隨時(shí)間變化的擾動(dòng)波的傳輸，這樣就可以顯著地減少近壁面網(wǎng)格的數(shù)目。圖5給出了它與其它三種傳統(tǒng)的求解器(DNS、LES、RANS/LES)所需要的網(wǎng)格比較。

利用NLAS計(jì)算噪聲面壓力脈動(dòng)，可以在網(wǎng)格較粗糙、計(jì)算量遠(yuǎn)低于LES的情況下，對(duì)近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲給出較高精度的模擬，因此NLAS也被許多學(xué)者[28-34]用來(lái)進(jìn)行高速列車近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲源分析。

1.2.2 遠(yuǎn)場(chǎng)求解方法

如前所述，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的求解，即是求解聲波傳播到遠(yuǎn)場(chǎng)的過(guò)程。在高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射求解時(shí)常用的有兩種方法，即聲比擬方法和聲學(xué)邊界元方法。在聲比擬方法中應(yīng)用最廣泛的是FW-H積分法，因而在本節(jié)主要介紹FW-H積分方法和聲學(xué)邊界元法。

1.2.2.1 FW-H積分法

FW-H方程積分方法是工程中計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲最廣泛的一類方法，其積分控制面所需初始脈動(dòng)量信息由上一步計(jì)算得到。Ffowcs-Williams/Hawking方程的基本形式是：

4πp′(xi,t)=

其中，

Qi=(ρ∞-ρ)vi+ρui

該方程的特點(diǎn)是需要對(duì)聲源向接受點(diǎn)做延遲時(shí)間積分。延遲時(shí)間τ=t-r/c∞，指的是聲源發(fā)出的聲波傳到聲接收點(diǎn)的時(shí)間，聲源位置不同，延遲時(shí)間也就不同。

1.2.2.2 聲學(xué)邊界元法

聲學(xué)邊界元法是在有限元的離散技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)轉(zhuǎn)化 Helmholtz 方程(頻域的聲波方程)邊值問(wèn)題為邊界積分方程發(fā)展而來(lái)的。邊界元方法只需在固體邊界上劃分面網(wǎng)格，就可獲得流體(聲傳播)空間點(diǎn)的聲場(chǎng)，相比有限元方法大大減小了計(jì)算量。有限元法的基本思想是在連續(xù)體域內(nèi)劃分單元，邊界元法只在定義域的邊界上劃分單元，只在求解域的邊界上進(jìn)行離散，使積分方程成為只含有邊界節(jié)點(diǎn)未知量的代數(shù)方程組，在域內(nèi)是采用了物理問(wèn)題或彈性力學(xué)的基本解和一些積分運(yùn)算，不需要求未知量，從而大大減少了劃分單元模型的工作量和求解方程的個(gè)數(shù)，減少了數(shù)據(jù)量和計(jì)算時(shí)間，適合求解帶無(wú)窮邊界條件的開(kāi)放域問(wèn)題。

總的說(shuō)來(lái)，這種通過(guò)求解獲得邊界節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，并進(jìn)一步求得分析域內(nèi)部的參數(shù)的邊界元方法，與有限元相比，具有使分析問(wèn)題降維、適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)、單元個(gè)數(shù)少、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別便于處理無(wú)限域以及半無(wú)限域問(wèn)題。也可與有限元法相結(jié)合解決較復(fù)雜的三維流體結(jié)構(gòu)耦合的聲輻射問(wèn)題。

采用聲學(xué)邊界元法可以方便地得到整體或者局部的聲壓云圖、頻率特性及噪聲指向性等，當(dāng)前也有不少學(xué)者[16,21,35-37]采用了這種方法處理高速列車。

近場(chǎng)噪聲源以及遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射問(wèn)題。聲學(xué)邊界元方法的優(yōu)點(diǎn)是可以考慮聲波傳播過(guò)程中的散射、繞射過(guò)程，還可以分析某一頻率的聲場(chǎng)響應(yīng)，而FW-H方法是時(shí)域方法，且無(wú)法考慮有障礙物的情形。

2 高速列車氣動(dòng)噪聲源識(shí)別

當(dāng)前針對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲的研究，相當(dāng)大的一部分工作集中在高速列車氣動(dòng)噪聲源的定位與識(shí)別上，這是針對(duì)高速列車進(jìn)行進(jìn)一步降噪的前提，是氣動(dòng)噪聲研究的基礎(chǔ)。

聲學(xué)中將基本聲源分為單極子、偶極子和四極子聲源。單極子聲源又是脈動(dòng)質(zhì)量引起的，又稱厚度噪聲，通常產(chǎn)生于有厚度的螺旋槳葉片體積空間置換對(duì)空氣的擾動(dòng)。在高速列車中，車體及其部件基本可以認(rèn)為是相對(duì)固定的剛性體，因此可以不考慮單極子噪聲。偶極子聲源來(lái)自于流體與固體相互作用產(chǎn)生的振蕩力，凡是存在流體與固體的干擾，就會(huì)出現(xiàn)。對(duì)于高速列車，受電弓及車頂裝置有很多桿件結(jié)構(gòu)，尾流中產(chǎn)生橫向振動(dòng)和交替的渦脫落，就是典型的偶極子噪聲，其聲強(qiáng)正比于速度的6次方，其指向性為“8”字形。四極子噪聲是應(yīng)力聲源，是在流體在高速下產(chǎn)生的(沒(méi)有固體的相互作用)，來(lái)自于黏性應(yīng)力，一般在高速噴流中常見(jiàn)，聲強(qiáng)與流速成8次方關(guān)系，且輻射效率相比偶極子噪聲低馬赫數(shù)的二次方。當(dāng)前高速列車最高車速不超過(guò)400 km/h(馬赫數(shù)約為0.3)，故高速列車氣動(dòng)噪聲的主要的聲源性質(zhì)是偶極子。而實(shí)際的聲源與當(dāng)?shù)氐牧鲃?dòng)密切相關(guān)，除了前面提到的受電弓噪聲，還有轉(zhuǎn)向架復(fù)雜結(jié)構(gòu)、車間風(fēng)擋、車尾等引起的空腔噪聲、渦脫落和流動(dòng)分離噪聲，以及車體邊界層噪聲等較突出的聲源，它們都是由不同相位、幅值的聲源分布組成，多為寬頻噪聲和湍流噪聲，這就為其遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)帶來(lái)了復(fù)雜度。通常，人們通過(guò)研究高速列車車體周圍的流動(dòng)和近場(chǎng)壓力脈動(dòng)來(lái)理解其氣動(dòng)噪聲聲源，下文將扼要介紹這方面的研究。除此之外，基于信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)，也可能對(duì)噪聲源進(jìn)行識(shí)別與分離[38]，為高速列車氣動(dòng)聲源識(shí)別提供了另一種思路。

圖6給出了某高速列車車體周圍的湍動(dòng)能分布云圖。湍動(dòng)能表達(dá)了當(dāng)?shù)貧饬鞯耐牧鲬?yīng)力大小，根據(jù)Lighthill公式，可以近似表征當(dāng)?shù)氐臍鈩?dòng)噪聲強(qiáng)度。可以看出，高速列車氣動(dòng)噪聲源主要來(lái)源于高速列車表面的特殊部位和結(jié)構(gòu)，在高速條件下對(duì)來(lái)流擾動(dòng)形成重要?dú)鈩?dòng)噪聲源。作為在地面高速運(yùn)行的長(zhǎng)細(xì)體，高速列車主要的擾流結(jié)構(gòu)包括受電弓、空調(diào)整流罩、車間風(fēng)擋、轉(zhuǎn)向架艙等；主要的特征部位有高速列車首尾的流線頭型，這是典型的鈍體擾流，也是高速列車不可忽略的氣動(dòng)噪聲源，合理優(yōu)化首尾流線型也能有效降低高速列車的氣動(dòng)噪聲。

為了有效進(jìn)行高速列車氣動(dòng)噪聲源識(shí)別，最直接的方法是進(jìn)行線路試驗(yàn)，通過(guò)波束成形來(lái)進(jìn)行聲源識(shí)別。京津城際鐵路的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[1]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)列車以394 km/h運(yùn)行時(shí)，車外輻射噪聲的主要噪聲源是轉(zhuǎn)向架、輪軌接觸位置、受電弓以及車間風(fēng)擋。輪軌接觸位置為輪軌噪聲聲源，屬于機(jī)械噪聲源，其他均為氣動(dòng)噪聲源?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，頭車迎風(fēng)第一個(gè)轉(zhuǎn)向架的噪聲遠(yuǎn)大于其他轉(zhuǎn)向架，是轉(zhuǎn)向架中最主要的聲源部位。同樣的結(jié)論也在數(shù)值模擬中得到，這是由于氣流繞經(jīng)高速列車排障器下方后受到加速，高速氣流瞬間沖擊第一個(gè)轉(zhuǎn)向架上，擾流破碎形成多尺度的碎渦，形成強(qiáng)聲源。當(dāng)氣流繼續(xù)向下游發(fā)展流經(jīng)其它轉(zhuǎn)向架時(shí)，氣流的流速大幅降低，遠(yuǎn)小于第一轉(zhuǎn)向架區(qū)域。為了研究各主要?dú)鈩?dòng)噪聲源的強(qiáng)度，高陽(yáng)等[4]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，針對(duì)頭車鼻錐、轉(zhuǎn)向架、車間風(fēng)擋、受電弓和尾車鼻錐等幾個(gè)主要部位的噪聲源設(shè)計(jì)了四類不同的聲源影響研究方案。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型受電弓是最主要噪聲源，其次是車間風(fēng)擋，然后是頭車鼻錐和轉(zhuǎn)向架，最后是尾車。然后高陽(yáng)等[23]在另外的文獻(xiàn)中對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行引用時(shí)提到，列車高速行駛時(shí)氣動(dòng)噪聲在車頭、車尾、受電弓以及轉(zhuǎn)向架表面的噪聲排序?yàn)椋菏茈姽畲?，第一轉(zhuǎn)向架次之，車尾第三，車頭最小。

在CAA分析高速列車氣動(dòng)噪聲源識(shí)別時(shí)，一個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題是模型的復(fù)雜度，即數(shù)值模型與真實(shí)列車外形的差異到底有多大。眾所周知，實(shí)際列車外形長(zhǎng)度尺度差異巨大，部件繁多，編組較長(zhǎng)，而受限于CAA分析的網(wǎng)格要求，數(shù)值模型必然要進(jìn)行不同程度的簡(jiǎn)化，這最終將會(huì)造成的聲源識(shí)別結(jié)果上存在較大區(qū)別。數(shù)值模擬高速列車氣動(dòng)噪聲源時(shí)，必須在真實(shí)物理外形與簡(jiǎn)化數(shù)值模型上取得平衡。當(dāng)然，在針對(duì)性地進(jìn)行某一類噪聲源的研究時(shí)，可以有目的地進(jìn)行數(shù)值建模，忽略掉其他噪聲源，以提升計(jì)算效率。正是由于CAA計(jì)算分析的復(fù)雜計(jì)算代價(jià)，為了針對(duì)某個(gè)分析工況盡可能多地獲得氣動(dòng)噪聲特性，也有部分學(xué)者采用代理模型的方式，建立車外噪聲與位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在本質(zhì)上是建立了一個(gè)滿足精度要求的映射。如李輝等[39]就利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行高速列車車外氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)。利用Levenberg-Marquardt(LM)算法建立車外氣動(dòng)噪聲的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，選取車外氣動(dòng)噪聲樣本點(diǎn)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練，用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)車外氣動(dòng)噪聲。

當(dāng)前研究中，最復(fù)雜的氣動(dòng)噪聲模型為三編組模型，包含了頭車、中間車和尾車三節(jié)車廂，以及轉(zhuǎn)向架、受電弓、風(fēng)擋等部件。張軍等[37]針對(duì)CRH3型高速列車建立的模型即包含了以上所有部件，通過(guò)瞬態(tài)分析獲得了各個(gè)部件上的瞬態(tài)壓力脈動(dòng)時(shí)間歷程。進(jìn)而通過(guò)分塊建立聲學(xué)網(wǎng)格，將瞬態(tài)壓力數(shù)據(jù)加載至聲學(xué)網(wǎng)格表面上，研究各個(gè)不同部位的噪聲源分布特性和輻射特性。其研究對(duì)高速列車主要噪聲源進(jìn)行了定量排序，聲壓級(jí)從高到低順序?yàn)槭茈姽?、受電弓底座、車尾鼻錐、頭車第一轉(zhuǎn)向架、車頭鼻錐和尾車最后轉(zhuǎn)向架。其噪聲源排序結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致一致，但是對(duì)首尾車鼻錐的排序與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反。但是該研究存在一個(gè)問(wèn)題，即分塊建模加載瞬態(tài)壓力數(shù)據(jù)的做法相當(dāng)于僅考慮了局部部件表面的湍流脈動(dòng)噪聲，忽略了其它部件氣動(dòng)噪聲輻射對(duì)該局部部件的影響。王成強(qiáng)等[30]針對(duì)CRH3A型高速列車建立了三編組詳細(xì)氣動(dòng)噪聲分析模型，研究結(jié)果表明受電弓區(qū)域是高速列車的一個(gè)重要噪聲源，受電弓區(qū)域噪聲集中在滑板位置，而受電弓底部等位置噪聲強(qiáng)度略低，這主要是因?yàn)槭艿绞茈姽瓕?dǎo)流罩的導(dǎo)流影響造成的。令人遺憾的是，該研究并沒(méi)有系統(tǒng)給出列車車體周圍其他噪聲源的分析。

在高速列車整體氣動(dòng)噪聲源定位時(shí)，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)研究還是計(jì)算研究，達(dá)成共識(shí)的確認(rèn)了以下幾個(gè)主要噪聲源：受電弓、轉(zhuǎn)向架、車間風(fēng)擋、首尾車流線型等。表現(xiàn)為這些區(qū)域或者部件表面曲率變化大，氣流在流經(jīng)該位置時(shí)易發(fā)生流動(dòng)分離。在流速較高的位置氣流受到擾動(dòng)較大，湍動(dòng)能增強(qiáng)，脈動(dòng)劇烈，易形成氣動(dòng)噪聲源。然而在對(duì)這些主要噪聲源進(jìn)行定量比較時(shí)，一個(gè)比較確認(rèn)的結(jié)論是受電弓區(qū)域是最強(qiáng)的噪聲源，其他噪聲源強(qiáng)弱排序并無(wú)統(tǒng)一結(jié)論。究其原因，這可能是由列車實(shí)際外形以及模型簡(jiǎn)化時(shí)的差異造成的。對(duì)于一個(gè)流線型較差的列車外形來(lái)講，頭車流線型對(duì)于均勻來(lái)流的擾動(dòng)是極大的，不同的排障器形式和司機(jī)室車窗形式對(duì)首尾車流線型噪聲源的強(qiáng)弱也有影響。整體而言，流線型外形極好、簡(jiǎn)化程度較高的前提下，尾車流線型噪聲強(qiáng)度要強(qiáng)于頭車流線型，因?yàn)槲曹囍饕鼙清F脫落渦的影響，簡(jiǎn)化與否對(duì)其影響不大。同樣的，對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域或者車間風(fēng)擋采用了不同程度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，由此也會(huì)導(dǎo)致噪聲源強(qiáng)度的區(qū)別，因此較難給出高速列車近場(chǎng)不同氣動(dòng)噪聲源的定量排序。

3 高速列車氣動(dòng)噪聲源特性與優(yōu)化

由于高速列車噪聲源眾多，部件復(fù)雜，采用系統(tǒng)集成的方法統(tǒng)一研究所有噪聲源比較適用于實(shí)車試驗(yàn)分析研究，但是對(duì)于數(shù)值分析而言難度較大。即便系統(tǒng)集成了所有氣動(dòng)噪聲源，也會(huì)因網(wǎng)格精度等問(wèn)題對(duì)計(jì)算結(jié)果精度造成影響。

本質(zhì)上來(lái)講，高速列車不同氣動(dòng)噪聲源之間是相互干擾的，即改變一個(gè)噪聲源的特性可能會(huì)在一定程度上影響其他噪聲源的強(qiáng)度分布。例如，當(dāng)針對(duì)高速列車流線型外形進(jìn)行氣動(dòng)噪聲優(yōu)化時(shí)，優(yōu)化前后從流線型表面流過(guò)的氣流特性可能會(huì)產(chǎn)生一定改變，車體表面湍流邊界層特性發(fā)生變化，因而近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲特性均會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。解決這個(gè)問(wèn)題，在數(shù)值分析上必須將高速列車作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，甚至需要引入信號(hào)分析和信號(hào)剝離等輔助手段采用對(duì)噪聲源機(jī)理進(jìn)行更深入的理解。

另一方面，從氣動(dòng)噪聲降噪優(yōu)化的角度講，更為實(shí)用的方法是，在確立了高速列車主要的氣動(dòng)噪聲源之后，分而治之，確立重點(diǎn)分析噪聲源，忽略掉其他噪聲源，以此更易于研究關(guān)注噪聲源的聲源發(fā)生機(jī)理，也更容易針對(duì)具體噪聲源進(jìn)行優(yōu)化降噪。當(dāng)前國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者有針對(duì)性地對(duì)列車主要噪聲源進(jìn)行定量分析，本節(jié)將針對(duì)各主要噪聲源進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 受電弓區(qū)域

受電弓是高速列車最主要的一個(gè)氣動(dòng)噪聲源。受電弓存在的桿件結(jié)構(gòu)在列車運(yùn)行時(shí)引發(fā)周期性的渦脫落，其發(fā)聲原理類似于柱體繞流的卡門渦街的風(fēng)吹聲機(jī)理[40]，且桿件結(jié)構(gòu)較多。圖7給出了受電弓縱剖面瞬態(tài)速度分布云圖[33]，可以看見(jiàn)在桿件下游存在著非常明顯的渦系。渦脫落在桿件上產(chǎn)生周期性的作用力，形成較強(qiáng)的偶極子聲源，產(chǎn)生以渦脫落頻率為峰值主頻的氣動(dòng)噪聲。數(shù)值模擬表明，受電弓遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲具有非常明顯的主頻，頻譜曲線以主頻及其高階諧頻為主。杜健等[6]對(duì)高速列車受電弓的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)高速列車受電弓碳滑板和弓頭是引起受電弓氣動(dòng)噪聲主要的因素。張亞?wèn)|等[19]也得到類似的結(jié)論。受電弓頂部的氣動(dòng)噪聲源強(qiáng)度要大于底部區(qū)域的氣動(dòng)噪聲源強(qiáng)度。由偶極子噪聲與速度的關(guān)系可知，隨著運(yùn)行速度的增加，遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)也升高；風(fēng)吹聲的頻率即是遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的主頻，與渦脫落頻率一致，隨其運(yùn)行速度增加，主頻升高。受電弓作為氣動(dòng)激勵(lì)源也可以作用在車身上形成氣動(dòng)噪聲，羅樂(lè)等[16]對(duì)此進(jìn)行了研究。受電弓氣動(dòng)激勵(lì)作用在車體上時(shí)并無(wú)明顯的主頻，低頻段激勵(lì)幅值較大，集中分布在車廂端部，而中高頻段激勵(lì)幅值則明顯降低，但擴(kuò)散區(qū)域更大。

作為高速列車最重要的氣動(dòng)噪聲源，對(duì)受電弓區(qū)域進(jìn)行合理優(yōu)化，降低該部位產(chǎn)生的噪聲，對(duì)整車降噪而言非常有必要。針對(duì)受電弓區(qū)域降噪，可以從兩個(gè)方向展開(kāi)：(1)受電弓本身，盡量減少受電弓桿件的數(shù)量(例如國(guó)內(nèi)高速列車采用的受電弓逐漸由雙臂受電弓向單臂受電弓轉(zhuǎn)化)；針對(duì)受電弓上面的部件，采用合適的截面外形以減少尾渦脫落的強(qiáng)度。受電弓桿件產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的根源在于渦致振動(dòng)，減弱渦的強(qiáng)度將有利于降低受電弓噪聲。肖友剛等[13]針對(duì)受電弓底部絕緣子的截面外形進(jìn)行了詳細(xì)分析，探討了截面為矩形、圓形和橢圓形的氣動(dòng)噪聲差異，研究表明，從降低氣動(dòng)噪聲的角度出發(fā)，最優(yōu)截面外形為橢圓形，且其長(zhǎng)軸應(yīng)跟氣流流向一致。日本也有不少研究人員進(jìn)行了相關(guān)截面的研究，相關(guān)研究結(jié)論不在此提及。(2)在受電弓外形確定的前提下，優(yōu)化受電弓區(qū)域環(huán)境進(jìn)行被動(dòng)降噪。為了降低受電弓區(qū)域的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲，一個(gè)比較直觀的想法是引入受電弓導(dǎo)流罩，在受電弓周圍引入導(dǎo)流罩，一定程度上屏蔽掉某些頻率范圍內(nèi)輻射的噪聲。這種控制方法應(yīng)用在CRH380A上，具體外形如圖8所示。

喻華華等[33]考察了不同受電弓導(dǎo)流罩對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲輻射的影響，最終確認(rèn)圖8所示導(dǎo)流罩為最優(yōu)方案。楊帆等[41]考察了在受電弓區(qū)域增加導(dǎo)流罩對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的影響，研究結(jié)果表明引入導(dǎo)流罩后遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲得到一定優(yōu)化。張亞?wèn)|等[27]也研究了針對(duì)受電弓的優(yōu)化，包括受電弓開(kāi)口還是閉口、受電弓導(dǎo)流罩的形式以及受電弓的安裝位置等，在包含了其它部位最優(yōu)低噪聲外形的前提下，新設(shè)計(jì)的列車構(gòu)型相當(dāng)于原型車噪聲降低了約3.2dB。然而，這種方法也存在缺陷，即僅屏蔽一定頻率內(nèi)的噪聲，對(duì)降低受電弓遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射并無(wú)多大作用，導(dǎo)流罩本身也會(huì)成為比較嚴(yán)重的氣動(dòng)阻力源和噪聲源。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組研發(fā)時(shí)考察了一種新的控制受電弓噪聲的方案——受電弓艙。在保證不影響室內(nèi)空間的前提下，對(duì)受電弓進(jìn)行一定程度的下沉，使得受電弓絕緣子完全下沉到艙內(nèi)，而受電弓底部很大一部分也位于艙內(nèi)，有效降低了受電弓的迎風(fēng)面積。在受電弓艙研發(fā)時(shí)，通過(guò)研究不同受電弓艙外形、不同的下沉高度，最終確立受電弓艙外形方案(如圖9所示)。

3.2 車間風(fēng)擋

高速列車車間風(fēng)擋是另外一個(gè)重要的氣動(dòng)噪聲源，尤其是在早期時(shí)兩車廂之間僅存在內(nèi)風(fēng)擋時(shí)。因此風(fēng)擋的氣動(dòng)噪聲研究主要集中在早期的內(nèi)風(fēng)擋外形上。不同車廂間僅存在內(nèi)風(fēng)擋時(shí)，風(fēng)擋與相鄰車體形成環(huán)形空腔。高速氣流從上游流經(jīng)該空腔時(shí)，在空腔上游拐角形成速度剪切層，剪切層連接風(fēng)擋區(qū)域上下游壁面，在空腔內(nèi)形成環(huán)繞內(nèi)風(fēng)擋的強(qiáng)三維旋渦，此旋渦周圍也存在尺度小一些的小渦，不同尺度的旋渦會(huì)在風(fēng)擋周圍區(qū)域形成強(qiáng)噪聲。一個(gè)更重要的聲源是風(fēng)擋下游壁面。速度剪切層與下游壁面速度邊界層相互作用，使得下游壁面的噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)高于上游壁面。孫振旭等[28]基于CRH3型車對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出了內(nèi)風(fēng)擋區(qū)域上下游壁面的定量噪聲比較。

對(duì)車間風(fēng)擋部位而言，優(yōu)化該區(qū)域的氣動(dòng)噪聲與優(yōu)化氣動(dòng)阻力的方向是一致的，即在不影響列車轉(zhuǎn)彎半徑的前提下，盡量設(shè)計(jì)平順化足夠好的外風(fēng)擋，使氣流在流經(jīng)車間風(fēng)擋部位時(shí)受到的擾動(dòng)最低。

黃莎等[9]針對(duì)內(nèi)風(fēng)擋的長(zhǎng)高比進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高度不變時(shí)，風(fēng)擋區(qū)域噪聲水平隨長(zhǎng)度增加而增大；當(dāng)長(zhǎng)度不變時(shí)，風(fēng)擋區(qū)域噪聲水平隨高度增加而增大。黃莎還對(duì)內(nèi)風(fēng)擋進(jìn)行了改進(jìn)分析，增加了不同外形的外風(fēng)擋，外風(fēng)擋存在的情況下，各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)平均降幅約9.4%。而肖友剛等[15]針對(duì)二維列車截面的風(fēng)擋區(qū)域進(jìn)行了平順化處理，由原來(lái)的矩形凹槽修正為開(kāi)口向左右兩側(cè)發(fā)散的凹槽，采用平滑的Nurbs曲線過(guò)渡，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)之后，聲壓波動(dòng)幅值減少，氣流受到擾動(dòng)變小，噪聲水平得到了有效改善。Wu[42]針對(duì)半包外風(fēng)擋和全包外風(fēng)擋的噪聲輻射進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)相同位置測(cè)點(diǎn)全包外風(fēng)擋會(huì)比半包外風(fēng)擋最大能降低23.6 dB，非常可觀。

隨著性能更優(yōu)的高速列車的設(shè)計(jì)，車間風(fēng)擋的設(shè)計(jì)也發(fā)生了較多變化，由最開(kāi)始的僅設(shè)計(jì)內(nèi)風(fēng)擋逐漸演化為增加半包的外風(fēng)擋，一直到全封閉風(fēng)擋。如圖10所示，自2007年引進(jìn)CRH2型車開(kāi)始，到2011年研發(fā)CRH380A新一代高速列車，再到2015年中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，高速列車車間風(fēng)擋的設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)。

(a) CRH2 (b) CRH380A (c) 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組

圖10不同列車采用風(fēng)擋示意
Fig.10Differentwindshieldsfordifferenthighspeedtrains

風(fēng)擋的改進(jìn)，大大優(yōu)化了列車整車的氣動(dòng)阻力特性，同時(shí)也有效降低了風(fēng)擋區(qū)域的氣動(dòng)噪聲強(qiáng)度。新的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組由于采用了全封閉外風(fēng)擋，由風(fēng)擋帶來(lái)的氣動(dòng)噪聲已經(jīng)不明顯，因此風(fēng)擋已經(jīng)不再是高速列車近場(chǎng)主要的噪聲源。

3.3 轉(zhuǎn)向架區(qū)域

轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣流高速流經(jīng)轉(zhuǎn)向架艙時(shí)，一方面會(huì)直接撞擊到轉(zhuǎn)向架上在艙內(nèi)散射，另一方面高速旋轉(zhuǎn)的車輪也會(huì)進(jìn)一步擾動(dòng)這些散射氣流。不同尺寸的旋渦遍布整個(gè)艙內(nèi)，而所有轉(zhuǎn)向架艙中又以第一轉(zhuǎn)向架艙內(nèi)的氣流湍化程度最高。整體來(lái)看，頭車第一個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域是所有轉(zhuǎn)向架中氣動(dòng)噪聲最大的，該部位受到來(lái)流的直接沖擊，流速極高，高速氣流流入轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)時(shí)，由于復(fù)雜部件較多，小尺度脈動(dòng)極其劇烈。一方面這種高頻脈動(dòng)會(huì)形成氣動(dòng)噪聲向遠(yuǎn)場(chǎng)輻射，另一方面也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向架部件的結(jié)構(gòu)疲勞等形成損害?？疾焖械霓D(zhuǎn)向架時(shí)，靠近受電弓升弓部位的轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲強(qiáng)度也很高，這主要是由于受電弓作為氣動(dòng)激勵(lì)源向外輻射噪聲造成的，盡管此時(shí)底部流經(jīng)轉(zhuǎn)向架的氣流流速已經(jīng)遠(yuǎn)小于頭車第一轉(zhuǎn)向架。另外，尾車最后一個(gè)轉(zhuǎn)向架也是一個(gè)比較重要的噪聲源，這是因?yàn)樵撧D(zhuǎn)向架距離尾流區(qū)較近，受到尾流區(qū)反向旋渦的影響較大，氣流湍化度較附近其它轉(zhuǎn)向架略高。張軍等[43]通過(guò)三編組列車系統(tǒng)建模比較分析了六個(gè)轉(zhuǎn)向架噪聲源的強(qiáng)度，并對(duì)其進(jìn)行了排序，如圖11所示。

從頻譜特性上來(lái)講，轉(zhuǎn)向架部位氣動(dòng)噪聲主要是寬頻噪聲，低頻含能較高，高頻含能逐漸降低。

對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域進(jìn)行氣動(dòng)聲學(xué)降噪的首選是設(shè)置恰當(dāng)?shù)娜拱?，裙板可以將轉(zhuǎn)向架聲輻射的線路有效堵住，將轉(zhuǎn)向架的影響控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。裙板的設(shè)置對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的影響最為可觀。黃莎等[14]即針對(duì)裙板控制轉(zhuǎn)向架噪聲的輻射進(jìn)行了數(shù)值分析，通過(guò)合理設(shè)置裙板，測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)平均降幅約2.08 dBA，降噪效果明顯。在最新的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組上，也對(duì)轉(zhuǎn)向架裙板的合理設(shè)置進(jìn)行了一系列研究。車體定型階段，通過(guò)了7類不同的裙板方案，具體外形如圖12所示。通過(guò)比較這7類裙板的阻力特性和聲輻射特性，確定了最優(yōu)方案為方案6和方案3。

為了有效降低轉(zhuǎn)向架區(qū)域的噪聲，另一種比較好的辦法是有效減少轉(zhuǎn)向架艙的體積，盡量引導(dǎo)氣流向轉(zhuǎn)向架輪對(duì)側(cè)下方流過(guò)，此舉最大的作用是降低流入艙內(nèi)氣體的流速。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，可以在轉(zhuǎn)向架艙上游和下游增設(shè)導(dǎo)流板，而導(dǎo)流板的傾角則可以通過(guò)精確的計(jì)算尋找最優(yōu)解。由于減少了氣流撞擊轉(zhuǎn)向架輪對(duì)的作用面積和垂直速度，轉(zhuǎn)向架艙導(dǎo)流板也可以有效降低該區(qū)域的氣動(dòng)阻力。

3.4 首尾流線型

高速氣流在流經(jīng)流線型頭部時(shí)，首先在鼻錐位置滯止，進(jìn)而流動(dòng)加速，氣流受到較大擾動(dòng)，列車壁面附近邊界層內(nèi)氣流湍化程度較高，車頭表面脈動(dòng)壓力較大，且頭車各個(gè)部位湍化程度存在較大差異, 易在當(dāng)?shù)匦纬筛咴肼晠^(qū)域。另外，流線型區(qū)域高噪聲還有一個(gè)重要成因：即流線型部位發(fā)生的強(qiáng)流動(dòng)分離、再附等現(xiàn)象，主要發(fā)生在排障器附近、司機(jī)室車窗附近等。在流線型車尾附近，盡管包裹車尾的速度邊界層已經(jīng)非常厚，列車表面流速較低，但是尾車流線型表面上存在著比流線型頭部更為復(fù)雜的流動(dòng)分離再附等現(xiàn)象。尾車流線型最主要的特點(diǎn)位于非定常尾流區(qū)域，尾車鼻錐區(qū)域是高速列車尾流區(qū)反向旋轉(zhuǎn)拖曳渦的源頭，即“wake pumping”現(xiàn)象的源。這些流動(dòng)現(xiàn)象更加增大了該區(qū)域的噪聲水平，在高速列車所有氣動(dòng)噪聲源中占有非常重要的比重。劉加利等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，流線型頭部的聲功率級(jí)較大，而流線型車尾部位較小。但是該文獻(xiàn)采用的模型僅包含頭車流線型和尾車流線型，無(wú)中間車體，與實(shí)際列車車型差距較大，研究結(jié)論不具備普遍性。孫振旭等[28]的數(shù)值模擬結(jié)果表明，流線型頭部和尾部鼻錐區(qū)域噪聲強(qiáng)度都較高，且相同位置噪聲水平尾部要大于頭部。肖友剛等[11]僅針對(duì)頭車進(jìn)行氣動(dòng)噪聲分析，研究了列車速度變化以及測(cè)點(diǎn)距離車頭遠(yuǎn)近變化時(shí)聲壓級(jí)的變化特性，由于模型過(guò)于簡(jiǎn)單，文章的意義更體現(xiàn)在方法上，在聲源特性上參考意義并不大。

流線頭型是新設(shè)計(jì)高速列車的名片，外觀美好、性能優(yōu)異是流線頭型設(shè)計(jì)永恒的追求，而低噪聲頭型設(shè)計(jì)又是制約更高速度級(jí)高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)流線型降噪，可以從兩個(gè)方面展開(kāi)：(1) 在流線外形基本保持不變的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化流線型表面上的車窗玻璃結(jié)構(gòu)以及排障器。這兩個(gè)部件是流線型區(qū)域的關(guān)鍵部件，往往表面曲率變化大，甚至相鄰面不平順連接，這是導(dǎo)致流線型成為重要噪聲源的一個(gè)重要原因。孫振旭等[31]針對(duì)車窗玻璃和排障器給出了幾類不同的外形結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了相應(yīng)的組合建模，通過(guò)數(shù)值分析，確立了最優(yōu)的低噪聲頭型設(shè)計(jì)。相關(guān)研究表明這種局部部件最優(yōu)組合的研究方式是合理的，更易為工程設(shè)計(jì)所采用。(2) 針對(duì)首尾車流線型的氣動(dòng)噪聲特性，更深入地研究參數(shù)化流線型外形，獲得流線型的關(guān)鍵控制參數(shù)，進(jìn)一步分析控制參數(shù)對(duì)流線型氣動(dòng)噪聲源的影響。劉加利等[44]基于對(duì)流線型拓?fù)浞治?，確立了流線型上三條縱向剖面線和三種水平剖面線，進(jìn)而組合形成九種高速列車頭型，然后對(duì)比分析了高速列車頭部縱向剖面形狀和水平剖面形狀對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲的影響。這種研究對(duì)高速列車頭型設(shè)計(jì)是積極的，獲得了這些影響規(guī)律將會(huì)有效輔助于高速列車低噪聲頭型設(shè)計(jì)。孫振旭等[34]采用局部形函數(shù)法對(duì)某高速列車頭型進(jìn)行了參數(shù)化建模，提取了鼻錐高度、司機(jī)室車窗高度、司機(jī)室寬度以及流線型底部寬度等四個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量，以整車阻力和遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)影響遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的關(guān)鍵變量在于流線型底部寬度以及車窗高度。低噪聲設(shè)計(jì)外形應(yīng)著重考慮這兩個(gè)設(shè)計(jì)變量。

4 高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射特性

針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射噪聲研究，按照主要分析對(duì)象的差異，主要分為兩大類：(1)工程分析類，即針對(duì)具體的高速列車外形，按照ISO-2005-3095標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲評(píng)估，獲取遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲沿距離軌道中心線25 m遠(yuǎn)、3.5 m高的測(cè)點(diǎn)線上的空間分布特性；(2)系統(tǒng)分析遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲輻射特性，獲得遠(yuǎn)場(chǎng)空間內(nèi)不同頻率下聲壓級(jí)的空間分布特性以及相關(guān)指向性等。兩類分析對(duì)象均有不同的側(cè)重點(diǎn)，前者側(cè)重于對(duì)列車外形的評(píng)估，是新設(shè)計(jì)列車能否在線路運(yùn)行的重點(diǎn)考察對(duì)象；后者則側(cè)重于特性分析，全面獲得高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)聲場(chǎng)的輻射規(guī)律。

王成強(qiáng)等[30]按照第一類方法對(duì)CRH3A型高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的空間分布特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲極值出現(xiàn)在列車中部偏上游位置，從頭車鼻錐開(kāi)始到中間車受電弓區(qū)域，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲水平較高，越向下游發(fā)展，噪聲強(qiáng)度逐漸降低。孫振旭等[28]對(duì)CRH3型高速列車(無(wú)受電弓)進(jìn)行了相似處理，研究發(fā)現(xiàn)，高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲沿軸向分布比較均勻，在300 km/h速度下，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲控制在80 dBA左右。從筆者參與的各類高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲評(píng)估經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，這種空間分布受具體車型以及模型簡(jiǎn)化的影響極大，未發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律。

董孝卿等[3]對(duì)高速列車聲輻射特性進(jìn)行了線路試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了聲輻射隨距離增加逐漸衰減的規(guī)律，水平橫向距離加倍，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲值衰減約2.7～3.0 dBA，這是典型的線聲源衰減規(guī)律。同時(shí)，在橫向距離一定的情況下，距離地面高度在2.5 m～3.5 m內(nèi)變化時(shí)噪聲強(qiáng)度變化不大，但是在0～1.5 m垂直距離變化時(shí)噪聲差異較大。

當(dāng)前也有不少學(xué)者對(duì)噪聲源部件進(jìn)行了聲輻射研究。杜健等[6]對(duì)受電弓進(jìn)行了遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射研究，重點(diǎn)就其指向性進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過(guò)在距離7 m位置每隔10°布置遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)(圖13a給出了受電弓遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲測(cè)點(diǎn)的布置以及相關(guān)指向性示意圖)，可以發(fā)現(xiàn)不同車速下受電弓遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲指向性比較一致，總聲壓級(jí)均在10°～20°附近達(dá)到最大。

喻華華等[33]也針對(duì)受電弓的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射研究發(fā)現(xiàn)，受電弓作為聲源向外輻射時(shí)類似于球聲源，在距離超過(guò)25 m以后，隨著距離的加倍，衰減量接近6 dB。

(a) 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

(b) 不同速度下指向性

圖13受電弓聲輻射測(cè)點(diǎn)布置及指向性
Fig.13Probelocationforfarfieldnoisemeasurementanddirectivity

現(xiàn)代高速列車研發(fā)必須具備環(huán)境友好性，在列車外形都已確定的情況下，降低遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲最有效的方式是設(shè)置聲屏障。聲屏障平行于軌道中心線，為了達(dá)到最優(yōu)的降噪效果，聲屏障的高度和橫向距離均需要滿足一定的要求。從聲場(chǎng)控制來(lái)講，聲屏障的存在會(huì)隔斷高頻噪聲，高頻噪聲波長(zhǎng)較短，不易發(fā)生折射。對(duì)于低頻噪聲，由于其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，更容易繞過(guò)聲屏障。袁磊等[35]針對(duì)聲屏障的隔音效果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)聲屏障對(duì)100 Hz以內(nèi)的頻段隔音效果不好，對(duì)100～2000 Hz頻率范圍均有一定的隔聲效果，平均聲壓降低約3～12 dB。在1000 Hz聲壓降低最多，最高聲壓級(jí)降低約11 dB。另一方面，聲屏障的存在會(huì)導(dǎo)致屏障和列車之間的區(qū)域內(nèi)噪聲加強(qiáng)，這可能會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)噪聲增加，應(yīng)該予以考慮。

5 結(jié)論和展望

本文對(duì)自2010年以來(lái)國(guó)內(nèi)高速列車氣動(dòng)噪聲研究的現(xiàn)狀以及獲得一些成果進(jìn)行了總結(jié)?；谶@些研究概況，作者認(rèn)為當(dāng)下針對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲的研究在以下幾個(gè)方面值得開(kāi)展更進(jìn)一步和更深入的研究。

(1) 整體而言，當(dāng)前針對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲的研究偏工程應(yīng)用的較多，而針對(duì)噪聲源機(jī)理和特性的研究略少，且機(jī)理性研究還沒(méi)有深入到足夠細(xì)致的層次。這主要是因?yàn)樽鳛檎w的高速列車長(zhǎng)度尺度超大，作為氣動(dòng)噪聲聲源的部件結(jié)構(gòu)眾多，這給高速列車氣動(dòng)噪聲研究帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，國(guó)內(nèi)高速列車氣動(dòng)噪聲研究與車輛研發(fā)部門的合作比較緊密，面向?qū)嶋H外形研究較多，數(shù)值模擬采用的網(wǎng)格量遠(yuǎn)未達(dá)到精確模擬湍流的網(wǎng)格尺度要求，難以給出高仿真度的流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)和聲場(chǎng)。為了更好地從基礎(chǔ)出發(fā)輔助于工程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升分析精度，針對(duì)氣動(dòng)噪聲的研究應(yīng)該更多地集中于部件級(jí)研究，主機(jī)廠部門引領(lǐng)更多的針對(duì)部件的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)展工程化和經(jīng)驗(yàn)化的評(píng)估方法，而科研院所則著重更深入地理解典型結(jié)構(gòu)的噪聲源產(chǎn)生機(jī)理和提高噪聲預(yù)測(cè)精度。

(2) 高速列車編組長(zhǎng)度較多，當(dāng)前線路運(yùn)行的列車包括八編組或者十六編組兩類，但采用CAA分析八編組或十六編組在目前來(lái)看都是很難做到的。因而一個(gè)實(shí)用的方法是建立編組長(zhǎng)度與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將高速列車視為一個(gè)線聲源，而每節(jié)車廂可以視為組成線聲源的一個(gè)單元，編組長(zhǎng)度的變化表現(xiàn)為線聲源單元個(gè)數(shù)的增加，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的改變。該研究的難點(diǎn)在于作為噪聲源的每節(jié)車廂聲功率級(jí)并不一致，這需要實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支持，這給疊加每節(jié)線聲源單元帶來(lái)了較大難度。作者曾針對(duì)該問(wèn)題做過(guò)一些初步研究，假定每節(jié)車廂聲功率級(jí)一致，在此前提下獲得了編組長(zhǎng)度與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的關(guān)系，但同樣是因?yàn)樵摷俣▽?dǎo)致研究仍偏離實(shí)際工程應(yīng)用。盡管該問(wèn)題困難重重，但是類似的工程化方法對(duì)于實(shí)際工程而言仍具有積極意義。

(3) 當(dāng)前針對(duì)高速列車氣動(dòng)力優(yōu)化的研究工作已經(jīng)獲得了較大進(jìn)展，發(fā)展了一系列用于提升氣動(dòng)優(yōu)化效率的優(yōu)化算法和策略。另一方面，針對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲的外形優(yōu)化工作剛剛開(kāi)始，是另一個(gè)值得深入研究的方向。氣動(dòng)噪聲優(yōu)化完全可以從氣動(dòng)力優(yōu)化研究中尋求支撐，利用后者發(fā)展的優(yōu)化策略，應(yīng)用于氣動(dòng)噪聲多學(xué)科優(yōu)化。針對(duì)高速列車的氣動(dòng)噪聲優(yōu)化，可以更多地從部件級(jí)出發(fā)，重點(diǎn)在更優(yōu)部件外形上獲得突破。

(4) 更高速度列車的研制使得高速列車的氣動(dòng)噪聲環(huán)境更為嚴(yán)峻，受室外氣動(dòng)噪聲的影響，列車室內(nèi)噪聲環(huán)境也會(huì)更為苛刻。那么，室外的氣動(dòng)噪聲激勵(lì)是如何影響室內(nèi)噪聲的？常規(guī)意義下的室外氣動(dòng)噪聲源有哪些會(huì)傳播至室內(nèi)并在室內(nèi)噪聲環(huán)境下起重要作用？將氣動(dòng)噪聲的研究拓展到高速列車室內(nèi)，并探討氣動(dòng)噪聲源對(duì)室內(nèi)噪聲的影響規(guī)律，涉及流固耦合，以及聲波在流體和固體中的傳播，為耦合問(wèn)題的數(shù)值模擬方法提出了新的課題。

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