高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?/h1>
2019-09-23 08:04:42亢佳賀劉曉日王儒梟胡佳岑秦博黎蘇
內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置 2019年4期
亢佳賀，劉曉日,*，王儒梟，胡佳岑，秦博，黎蘇
(1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津300401；2.象限空間(天津)科技有限公司，天津301701)
0 引言
高速列車(chē)的運(yùn)行速度越來(lái)越快，氣動(dòng)噪聲的影響更加突出，文獻(xiàn)[1]通過(guò)不同車(chē)速下列車(chē)模型的噪聲云圖，表明列車(chē)表面氣動(dòng)噪聲隨車(chē)速的增加而增加[1]。有關(guān)研究[2-4]表明，隨著車(chē)速的增加，各類(lèi)噪聲呈指數(shù)倍增長(zhǎng)，氣動(dòng)噪聲與車(chē)速的6次方成正比，動(dòng)力系統(tǒng)噪聲和輪軌等機(jī)械噪聲分別與車(chē)速的1次方和3次方成正比。高速列車(chē)附近的最大動(dòng)壓隨著長(zhǎng)度的增加逐漸減小，在模型表面設(shè)置的數(shù)值仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈隨機(jī)震蕩，進(jìn)行傅里葉變換之后，聲壓幅值隨著頻率的增大而逐漸減小[5]。
聲學(xué)探究多數(shù)依靠測(cè)量聲壓，環(huán)境對(duì)聲壓的測(cè)量結(jié)果影響很大，環(huán)境改變時(shí)測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)很大的偏差，因此要得出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，通常需要尋找和建立特殊的聲學(xué)環(huán)境，這無(wú)疑增加了試驗(yàn)的難度，使試驗(yàn)效率大幅度降低。
互譜法測(cè)量聲強(qiáng)不受自由場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)條件的限制，不需要消聲室，使試驗(yàn)更加方便快捷，能夠在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)器的噪聲，因而廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。
本文中采用互譜聲壓法，即間接法(P-P法)對(duì)聲強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量[6]。設(shè)計(jì)并搭建高速列車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)1:1參考模型和1:87微縮模型的雷諾數(shù)估算、相似性原則和試驗(yàn)中的相似條件進(jìn)行對(duì)比，確定微縮模型實(shí)驗(yàn)的合理性；對(duì)高速列車(chē)外部的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真分析，得出表面氣動(dòng)噪聲分布；對(duì)高速列車(chē)的噪聲進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)測(cè)量列車(chē)在不同風(fēng)速下的噪聲，結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析不同工況下的噪聲和分布。
1 建模
1.1 高速列車(chē)微縮模型
探究高速列車(chē)的氣動(dòng)噪聲需要借助風(fēng)洞試驗(yàn)，但是通過(guò)風(fēng)洞對(duì)實(shí)際的高速列車(chē)測(cè)量難度較大，實(shí)踐中通常是對(duì)按一定比例縮小的模型進(jìn)行研究。本文中探索1:87微縮模型的合理性，取代實(shí)際的高速列車(chē)對(duì)微縮模型展開(kāi)研究。
1.1.1 參考模型和微縮模型
以比例1:1的CRH 380A高鐵列車(chē)空氣動(dòng)力噪聲試驗(yàn)臺(tái)為參考模型[7]，開(kāi)展1:87微縮模型高鐵列車(chē)空氣動(dòng)力噪聲試驗(yàn)臺(tái)的研制。建立1:87模型和參考模型的數(shù)據(jù)，證明1:87模型的合理性，為微縮模型研究的應(yīng)用提供幫助。
1.1.2 雷諾數(shù)估算
1)參考模型
由于風(fēng)來(lái)自風(fēng)洞模型的前方，屬前方風(fēng)流問(wèn)題，列車(chē)頭部的高度和寬度相似，類(lèi)似于圓柱，雷諾數(shù)
(1)
式中：D為特征長(zhǎng)度(車(chē)頭寬度)，取D=3.38 m；v為速度，取v=380 km/h；t為放置模型環(huán)境溫度，取t=20 ℃，γ為運(yùn)動(dòng)黏度，取γ= 15.7 × 10-6m2/s。
計(jì)算得出1:1模型的雷諾數(shù)Re=3.57 × 108。
2)1:87模型
1:87模型中的D相當(dāng)于把1:1模型中的D縮小為1/87，其余條件沒(méi)有改變，所以得出的1:87模型的雷諾數(shù)：Re1:87=4.1×106。
2個(gè)模型的雷諾數(shù)全部大于繞流場(chǎng)自模區(qū)[8]的雷諾數(shù)下限3×106，因此可以認(rèn)為2個(gè)模型都已經(jīng)進(jìn)入自模區(qū)。當(dāng)二者湍流強(qiáng)度足夠大并且都大于下限時(shí)，二者不需要滿足雷諾數(shù)Re相等，只需要滿足幾何相似就可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)阻力相似。高鐵列車(chē)氣動(dòng)噪聲主要由高速的風(fēng)阻和車(chē)體表面的壓力波沖擊產(chǎn)生，因此，滿足阻力相似可以大大增加模型的相似性。
1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)段
由幾何相似可以得出，列車(chē)模型l2=86.4 cm，水力直徑
(2)
式中：S0為管道斷面面積；C為斷面周長(zhǎng)；r為斷面半徑。
圖1 試驗(yàn)段
因?yàn)樵囼?yàn)段管道選擇了圓形管道(如圖1)，所以它的水力直徑和管道的直徑相等，列車(chē)模型高度為4.7 cm，傳感器距列車(chē)上表面1.5 cm，試驗(yàn)段口徑D0為11 cm，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為110 cm。
高鐵模型到試驗(yàn)段前端距離[9]
l1=(0.25～0.50)D0。
(3)
高鐵模型到試驗(yàn)段后端距離[8]
l3=(0.75～1.25)D0。
(4)
取l1=0.25D0=2.75 cm，l3=0.75D0=8.25 cm，得到試驗(yàn)段總長(zhǎng)
L=l1+l2+l3=97.4 cm。
(5)
1.3 風(fēng)洞收縮段
為了確定收縮段的最優(yōu)效果，比較了3種收縮曲線計(jì)算方法[10]：Witozinsky曲線法、五次曲線法和雙三次曲線法，如圖2所示。分析圖中3個(gè)曲線的變化趨勢(shì)，可以看出五次曲線變化比較均勻，可以讓氣流更均勻的通過(guò)收縮段，能夠滿足收縮段的設(shè)計(jì)要求。因此風(fēng)洞收縮段設(shè)計(jì)采用五次曲線方法。受加工能力的限制，本文中設(shè)計(jì)成錐形管，如圖3所示。
圖2 收縮曲線比較 圖3 風(fēng)洞收縮段
由于收縮比大都在5～10[11]，考慮到設(shè)計(jì)收縮段的加工問(wèn)題，不能選擇很大的收縮比，因此選收縮比r=5，設(shè)收縮段進(jìn)口斷面面積為s1,進(jìn)口直徑D1，應(yīng)使收縮比滿足
(6)
圖4 風(fēng)洞穩(wěn)定段
1.4 風(fēng)洞穩(wěn)定段
穩(wěn)定段直徑等于收縮段進(jìn)口直徑，D3=D1=24 cm，取穩(wěn)定段的長(zhǎng)度為直徑的1.0倍，L3=24 cm。穩(wěn)定段所采用的是風(fēng)機(jī)軟連接的方式，如圖4所示。
1.5 風(fēng)洞模型整體構(gòu)造
除風(fēng)洞試驗(yàn)段、收縮段、穩(wěn)定段外，風(fēng)洞模型還包括蜂窩器、風(fēng)機(jī)、三向風(fēng)機(jī)控制器等設(shè)備，試驗(yàn)所用的風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示。
圖5 風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)示意圖
2 試驗(yàn)計(jì)算與仿真模擬
2.1 試驗(yàn)過(guò)程
選擇P-P法進(jìn)行試驗(yàn)，用2個(gè)相距很近的聲壓傳感器測(cè)出2個(gè)點(diǎn)的聲壓，再通過(guò)計(jì)算2個(gè)聲壓的互譜取其虛部即可得出該點(diǎn)的聲強(qiáng)，也叫做雙傳聲器法。由于試驗(yàn)臺(tái)的風(fēng)機(jī)、電機(jī)發(fā)出的電磁噪聲和風(fēng)扇發(fā)出的氣動(dòng)噪聲將會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，采用聲壓法進(jìn)行測(cè)量可減少背景噪聲的影響。本文中用的聲壓探頭型號(hào)為KSI-308A213，2個(gè)傳聲器之間的相位差是雙傳聲器聲壓探頭的一個(gè)重要指標(biāo)，理想的2個(gè)聲壓探頭的傳聲器之間應(yīng)該沒(méi)有相位差，否則測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲壓的嚴(yán)重相位誤差，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。
1)搭建試驗(yàn)臺(tái)。將風(fēng)洞的穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、擴(kuò)張段分別用8號(hào)螺栓連接，各部分之間用橡膠墊結(jié)合，目的是增加系統(tǒng)的氣密性，減少氣流損失。再用抱箍將風(fēng)洞模型固定在支架上，支架用滑動(dòng)螺栓與軌道固定，使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。
2)調(diào)整風(fēng)機(jī)。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)有支架，風(fēng)機(jī)的軸線與風(fēng)洞的軸線不同心，因此，把風(fēng)機(jī)的支架卸下來(lái)，用幾個(gè)斜面的鐵支座將風(fēng)機(jī)固定，調(diào)整鐵支座使風(fēng)機(jī)的軸心與風(fēng)洞的軸心重合。通過(guò)測(cè)量，整個(gè)裝置的軸線距離地面為43 cm。
3)固定傳感器。將2個(gè)傳感器用鐵絲固定在方形木條上，傳感器間距為5 cm，將木條插入在試驗(yàn)段打好的圓孔中并固定，探頭底面距列車(chē)模型上表面1.5 cm。
4)測(cè)量噪聲。通過(guò)DEWESoft X2軟件測(cè)出聲壓數(shù)據(jù)，并輸出成Excel文件，將聲壓數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入MATLAB中，通過(guò)快速傅里葉變換(fast Fourier transtorm,FFT)得到復(fù)數(shù)F(P1)，取復(fù)數(shù)F(P1)的共軛復(fù)數(shù)F*(P1)，再將測(cè)得的聲壓P2輸入到MATLAB中，通過(guò)FFT變換得到復(fù)數(shù)F(P2)，計(jì)算聲壓信號(hào)P1和P2的互功率譜G12=(F*(P1)·F(P2))/2，取G12的虛部得到Im，將試驗(yàn)測(cè)得的時(shí)間和聲壓P的數(shù)據(jù)輸入origin軟件中，通過(guò)FFT變換得到聲強(qiáng)級(jí)，利用ω=2πf計(jì)算出ω，利用I=-Im/(ρdω)(其中ρ為空氣密度；d為兩測(cè)點(diǎn)間的距離；ω為圓頻率)計(jì)算出聲強(qiáng)I，通過(guò)L=10·lg(I/I0)算出聲強(qiáng)級(jí)，將聲強(qiáng)級(jí)和頻率數(shù)據(jù)導(dǎo)入origin中，得到聲強(qiáng)級(jí)和頻率的曲線,見(jiàn)圖6。
圖6 36 km/h時(shí)的頻譜分布
2.2 仿真模擬
高速列車(chē)大致由車(chē)頭和幾節(jié)車(chē)廂組成，為了簡(jiǎn)化物理模型，將高速列車(chē)模型簡(jiǎn)化為一個(gè)車(chē)頭、一節(jié)車(chē)廂和一個(gè)尾車(chē)共3部分構(gòu)成。高鐵模型采用CRH380A，車(chē)長(zhǎng)78 m，車(chē)寬左右距中軸線均為1.69 m，高3.7 m，車(chē)頭為流線型，車(chē)頭長(zhǎng)度為12 m，車(chē)頭整體離地面0.376 m。通過(guò)fluent軟件仿真得出風(fēng)速為36、350、400、500 km/h時(shí)的頻譜圖和倍頻程的等效A聲級(jí)分布。
風(fēng)速為36 km/h時(shí)頻率-聲壓級(jí)分布見(jiàn)圖7。頻率為0～2000 Hz時(shí)，聲壓級(jí)隨頻率的升高有下降的趨勢(shì)，在低頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)較大，在高頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)很小。風(fēng)速為36 km/h時(shí)倍頻程的等效A聲級(jí)分布見(jiàn)圖8。由圖8可知，風(fēng)速為36 km/h時(shí)在250 Hz附近出現(xiàn)峰值,該頻率成分的噪聲對(duì)總噪聲有較大貢獻(xiàn)，說(shuō)明該頻率成分的噪聲也是氣動(dòng)總噪聲的主要組成部分，噪聲能量主要集中在低頻區(qū)。
圖7 36 km/h時(shí)頻率-聲壓級(jí)分布
圖8 36 km/h時(shí)倍頻程的等效A聲級(jí)分布
風(fēng)速為350 km/h時(shí)頻率-聲壓級(jí)分布見(jiàn)圖9。頻率為0～5000 Hz時(shí)，聲壓級(jí)隨頻率的升高有下降的趨勢(shì)，且趨勢(shì)較緩，在低頻范圍內(nèi)聲壓較大，在高頻范圍內(nèi)聲壓很小。風(fēng)速為350 km/h下的倍頻程的等效A聲級(jí)分布見(jiàn)圖10。由圖10可知，風(fēng)速為350 km/h時(shí)在250 Hz附近出現(xiàn)峰值,該頻率成分的噪聲對(duì)總噪聲有較大貢獻(xiàn)，說(shuō)明該頻率成分的噪聲也是氣動(dòng)總噪聲的主要組成部分，噪聲能量主要集中在低頻區(qū)。
圖9 350 km/h時(shí)頻率-聲壓級(jí)分布
圖10 350 km/h時(shí)倍頻程的等效A聲級(jí)分布
風(fēng)速為400 km/h時(shí)的頻率-聲壓級(jí)分布見(jiàn)圖11。頻率為0～5000 Hz時(shí)，聲壓級(jí)隨頻率的升高有下降的趨勢(shì)，且趨勢(shì)較陡，在低頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)較大，在高頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)很小。風(fēng)速為400 km/h下的倍頻程的等效A聲級(jí)分布見(jiàn)圖12。由圖12可知風(fēng)速為400 km/h時(shí)在250 Hz附近出現(xiàn)峰值,該頻率成分的噪聲對(duì)總噪聲有較大貢獻(xiàn)，說(shuō)明該頻率成分的噪聲也是氣動(dòng)總噪聲的主要組成部分，噪聲能量主要集中在低頻區(qū)。
圖11 400 km/h時(shí)頻率-聲壓級(jí)分布
圖12 400 km/h時(shí)倍頻程的等效A聲級(jí)分布
風(fēng)速為500 km/h時(shí)的頻率-聲壓級(jí)分布見(jiàn)圖13。頻率為0～2500 Hz時(shí)，聲壓級(jí)隨頻率的升高有下降的趨勢(shì)，且趨勢(shì)較緩，在低頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)較大，在高頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)很小。風(fēng)速為500 km/h下的倍頻程的等效A聲級(jí)分布見(jiàn)圖14。由圖14可知，風(fēng)速為500 km/h時(shí)在500 Hz附近出現(xiàn)峰值，該頻率成分的噪聲對(duì)總噪聲有較大貢獻(xiàn)，說(shuō)明該頻率成分的噪聲也是氣動(dòng)總噪聲的主要組成部分，噪聲能量主要集中在低頻區(qū)。
圖13 500 km/h下頻率-聲壓級(jí)分布
圖14 500 km/h時(shí)倍頻程的等效A聲級(jí)分布
2.3 試驗(yàn)和計(jì)算比較
風(fēng)速為36 km/h時(shí)的仿真和試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖15、16，可以看出頻率為0～2000 Hz時(shí)，聲強(qiáng)級(jí)隨頻率的升高都有下降的趨勢(shì)，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。
圖15 36 km/h時(shí)的仿真結(jié)果 圖16 36 km/h時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果
3 結(jié)論
1)通過(guò)仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析表明：頻率為0～2000 Hz時(shí)，聲壓級(jí)隨頻率的升高有下降的趨勢(shì)，在低頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)較大，在高頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)很小。建立的仿真分析模型基本能夠反映聲學(xué)風(fēng)洞中微縮模型的試驗(yàn)情況，仿真分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，噪聲隨頻率的變化趨勢(shì)基本一致，低速時(shí)氣動(dòng)噪聲小，試驗(yàn)研究應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高速風(fēng)洞。
2)從倍頻程圖中可以看出，4次不同風(fēng)速的仿真均在100～500 Hz附近出現(xiàn)峰值，顯然該頻率成分的噪聲對(duì)總噪聲有比較大的貢獻(xiàn)，說(shuō)明該頻率成分的噪聲也是氣動(dòng)總噪聲的主要組成部分，噪聲能量主要集中在低頻區(qū)。
3)為獲得精確的聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，需要減少CFD采樣時(shí)間步，增加采樣時(shí)長(zhǎng)，即增加CFD計(jì)算的瞬態(tài)數(shù)據(jù)量，以反映真實(shí)的聲場(chǎng)變化情況。
4)高速列車(chē)的總氣動(dòng)噪聲隨車(chē)速的增大而升高。
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1 建模
1.1 高速列車(chē)微縮模型
探究高速列車(chē)的氣動(dòng)噪聲需要借助風(fēng)洞試驗(yàn)，但是通過(guò)風(fēng)洞對(duì)實(shí)際的高速列車(chē)測(cè)量難度較大，實(shí)踐中通常是對(duì)按一定比例縮小的模型進(jìn)行研究。本文中探索1:87微縮模型的合理性，取代實(shí)際的高速列車(chē)對(duì)微縮模型展開(kāi)研究。
1.1.1 參考模型和微縮模型
以比例1:1的CRH 380A高鐵列車(chē)空氣動(dòng)力噪聲試驗(yàn)臺(tái)為參考模型[7]，開(kāi)展1:87微縮模型高鐵列車(chē)空氣動(dòng)力噪聲試驗(yàn)臺(tái)的研制。建立1:87模型和參考模型的數(shù)據(jù)，證明1:87模型的合理性，為微縮模型研究的應(yīng)用提供幫助。
1.1.2 雷諾數(shù)估算
1)參考模型
由于風(fēng)來(lái)自風(fēng)洞模型的前方，屬前方風(fēng)流問(wèn)題，列車(chē)頭部的高度和寬度相似，類(lèi)似于圓柱，雷諾數(shù)
(1)
式中：D為特征長(zhǎng)度(車(chē)頭寬度)，取D=3.38 m；v為速度，取v=380 km/h；t為放置模型環(huán)境溫度，取t=20 ℃，γ為運(yùn)動(dòng)黏度，取γ= 15.7 × 10-6m2/s。
計(jì)算得出1:1模型的雷諾數(shù)Re=3.57 × 108。
2)1:87模型
1:87模型中的D相當(dāng)于把1:1模型中的D縮小為1/87，其余條件沒(méi)有改變，所以得出的1:87模型的雷諾數(shù)：Re1:87=4.1×106。
2個(gè)模型的雷諾數(shù)全部大于繞流場(chǎng)自模區(qū)[8]的雷諾數(shù)下限3×106，因此可以認(rèn)為2個(gè)模型都已經(jīng)進(jìn)入自模區(qū)。當(dāng)二者湍流強(qiáng)度足夠大并且都大于下限時(shí)，二者不需要滿足雷諾數(shù)Re相等，只需要滿足幾何相似就可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)阻力相似。高鐵列車(chē)氣動(dòng)噪聲主要由高速的風(fēng)阻和車(chē)體表面的壓力波沖擊產(chǎn)生，因此，滿足阻力相似可以大大增加模型的相似性。
1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)段
由幾何相似可以得出，列車(chē)模型l2=86.4 cm，水力直徑
(2)
式中：S0為管道斷面面積；C為斷面周長(zhǎng)；r為斷面半徑。
圖1 試驗(yàn)段
因?yàn)樵囼?yàn)段管道選擇了圓形管道(如圖1)，所以它的水力直徑和管道的直徑相等，列車(chē)模型高度為4.7 cm，傳感器距列車(chē)上表面1.5 cm，試驗(yàn)段口徑D0為11 cm，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為110 cm。
高鐵模型到試驗(yàn)段前端距離[9]
l1=(0.25～0.50)D0。
(3)
高鐵模型到試驗(yàn)段后端距離[8]
l3=(0.75～1.25)D0。
(4)
取l1=0.25D0=2.75 cm，l3=0.75D0=8.25 cm，得到試驗(yàn)段總長(zhǎng)
L=l1+l2+l3=97.4 cm。
(5)
1.3 風(fēng)洞收縮段
為了確定收縮段的最優(yōu)效果，比較了3種收縮曲線計(jì)算方法[10]：Witozinsky曲線法、五次曲線法和雙三次曲線法，如圖2所示。分析圖中3個(gè)曲線的變化趨勢(shì)，可以看出五次曲線變化比較均勻，可以讓氣流更均勻的通過(guò)收縮段，能夠滿足收縮段的設(shè)計(jì)要求。因此風(fēng)洞收縮段設(shè)計(jì)采用五次曲線方法。受加工能力的限制，本文中設(shè)計(jì)成錐形管，如圖3所示。
圖2 收縮曲線比較 圖3 風(fēng)洞收縮段
由于收縮比大都在5～10[11]，考慮到設(shè)計(jì)收縮段的加工問(wèn)題，不能選擇很大的收縮比，因此選收縮比r=5，設(shè)收縮段進(jìn)口斷面面積為s1,進(jìn)口直徑D1，應(yīng)使收縮比滿足
(6)
圖4 風(fēng)洞穩(wěn)定段
1.4 風(fēng)洞穩(wěn)定段
穩(wěn)定段直徑等于收縮段進(jìn)口直徑，D3=D1=24 cm，取穩(wěn)定段的長(zhǎng)度為直徑的1.0倍，L3=24 cm。穩(wěn)定段所采用的是風(fēng)機(jī)軟連接的方式，如圖4所示。
1.5 風(fēng)洞模型整體構(gòu)造
除風(fēng)洞試驗(yàn)段、收縮段、穩(wěn)定段外，風(fēng)洞模型還包括蜂窩器、風(fēng)機(jī)、三向風(fēng)機(jī)控制器等設(shè)備，試驗(yàn)所用的風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示。
圖5 風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)示意圖
2 試驗(yàn)計(jì)算與仿真模擬
2.1 試驗(yàn)過(guò)程
選擇P-P法進(jìn)行試驗(yàn)，用2個(gè)相距很近的聲壓傳感器測(cè)出2個(gè)點(diǎn)的聲壓，再通過(guò)計(jì)算2個(gè)聲壓的互譜取其虛部即可得出該點(diǎn)的聲強(qiáng)，也叫做雙傳聲器法。由于試驗(yàn)臺(tái)的風(fēng)機(jī)、電機(jī)發(fā)出的電磁噪聲和風(fēng)扇發(fā)出的氣動(dòng)噪聲將會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，采用聲壓法進(jìn)行測(cè)量可減少背景噪聲的影響。本文中用的聲壓探頭型號(hào)為KSI-308A213，2個(gè)傳聲器之間的相位差是雙傳聲器聲壓探頭的一個(gè)重要指標(biāo)，理想的2個(gè)聲壓探頭的傳聲器之間應(yīng)該沒(méi)有相位差，否則測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲壓的嚴(yán)重相位誤差，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。
1)搭建試驗(yàn)臺(tái)。將風(fēng)洞的穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、擴(kuò)張段分別用8號(hào)螺栓連接，各部分之間用橡膠墊結(jié)合，目的是增加系統(tǒng)的氣密性，減少氣流損失。再用抱箍將風(fēng)洞模型固定在支架上，支架用滑動(dòng)螺栓與軌道固定，使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。
2)調(diào)整風(fēng)機(jī)。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)有支架，風(fēng)機(jī)的軸線與風(fēng)洞的軸線不同心，因此，把風(fēng)機(jī)的支架卸下來(lái)，用幾個(gè)斜面的鐵支座將風(fēng)機(jī)固定，調(diào)整鐵支座使風(fēng)機(jī)的軸心與風(fēng)洞的軸心重合。通過(guò)測(cè)量，整個(gè)裝置的軸線距離地面為43 cm。
3)固定傳感器。將2個(gè)傳感器用鐵絲固定在方形木條上，傳感器間距為5 cm，將木條插入在試驗(yàn)段打好的圓孔中并固定，探頭底面距列車(chē)模型上表面1.5 cm。
4)測(cè)量噪聲。通過(guò)DEWESoft X2軟件測(cè)出聲壓數(shù)據(jù)，并輸出成Excel文件，將聲壓數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入MATLAB中，通過(guò)快速傅里葉變換(fast Fourier transtorm,FFT)得到復(fù)數(shù)F(P1)，取復(fù)數(shù)F(P1)的共軛復(fù)數(shù)F*(P1)，再將測(cè)得的聲壓P2輸入到MATLAB中，通過(guò)FFT變換得到復(fù)數(shù)F(P2)，計(jì)算聲壓信號(hào)P1和P2的互功率譜G12=(F*(P1)·F(P2))/2，取G12的虛部得到Im，將試驗(yàn)測(cè)得的時(shí)間和聲壓P的數(shù)據(jù)輸入origin軟件中，通過(guò)FFT變換得到聲強(qiáng)級(jí)，利用ω=2πf計(jì)算出ω，利用I=-Im/(ρdω)(其中ρ為空氣密度；d為兩測(cè)點(diǎn)間的距離；ω為圓頻率)計(jì)算出聲強(qiáng)I，通過(guò)L=10·lg(I/I0)算出聲強(qiáng)級(jí)，將聲強(qiáng)級(jí)和頻率數(shù)據(jù)導(dǎo)入origin中，得到聲強(qiáng)級(jí)和頻率的曲線,見(jiàn)圖6。
圖6 36 km/h時(shí)的頻譜分布
2.2 仿真模擬
高速列車(chē)大致由車(chē)頭和幾節(jié)車(chē)廂組成，為了簡(jiǎn)化物理模型，將高速列車(chē)模型簡(jiǎn)化為一個(gè)車(chē)頭、一節(jié)車(chē)廂和一個(gè)尾車(chē)共3部分構(gòu)成。高鐵模型采用CRH380A，車(chē)長(zhǎng)78 m，車(chē)寬左右距中軸線均為1.69 m，高3.7 m，車(chē)頭為流線型，車(chē)頭長(zhǎng)度為12 m，車(chē)頭整體離地面0.376 m。通過(guò)fluent軟件仿真得出風(fēng)速為36、350、400、500 km/h時(shí)的頻譜圖和倍頻程的等效A聲級(jí)分布。
風(fēng)速為36 km/h時(shí)頻率-聲壓級(jí)分布見(jiàn)圖7。頻率為0～2000 Hz時(shí)，聲壓級(jí)隨頻率的升高有下降的趨勢(shì)，在低頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)較大，在高頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)很小。風(fēng)速為36 km/h時(shí)倍頻程的等效A聲級(jí)分布見(jiàn)圖8。由圖8可知，風(fēng)速為36 km/h時(shí)在250 Hz附近出現(xiàn)峰值,該頻率成分的噪聲對(duì)總噪聲有較大貢獻(xiàn)，說(shuō)明該頻率成分的噪聲也是氣動(dòng)總噪聲的主要組成部分，噪聲能量主要集中在低頻區(qū)。
圖7 36 km/h時(shí)頻率-聲壓級(jí)分布
圖8 36 km/h時(shí)倍頻程的等效A聲級(jí)分布
風(fēng)速為350 km/h時(shí)頻率-聲壓級(jí)分布見(jiàn)圖9。頻率為0～5000 Hz時(shí)，聲壓級(jí)隨頻率的升高有下降的趨勢(shì)，且趨勢(shì)較緩，在低頻范圍內(nèi)聲壓較大，在高頻范圍內(nèi)聲壓很小。風(fēng)速為350 km/h下的倍頻程的等效A聲級(jí)分布見(jiàn)圖10。由圖10可知，風(fēng)速為350 km/h時(shí)在250 Hz附近出現(xiàn)峰值,該頻率成分的噪聲對(duì)總噪聲有較大貢獻(xiàn)，說(shuō)明該頻率成分的噪聲也是氣動(dòng)總噪聲的主要組成部分，噪聲能量主要集中在低頻區(qū)。
圖9 350 km/h時(shí)頻率-聲壓級(jí)分布
圖10 350 km/h時(shí)倍頻程的等效A聲級(jí)分布
風(fēng)速為400 km/h時(shí)的頻率-聲壓級(jí)分布見(jiàn)圖11。頻率為0～5000 Hz時(shí)，聲壓級(jí)隨頻率的升高有下降的趨勢(shì)，且趨勢(shì)較陡，在低頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)較大，在高頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)很小。風(fēng)速為400 km/h下的倍頻程的等效A聲級(jí)分布見(jiàn)圖12。由圖12可知風(fēng)速為400 km/h時(shí)在250 Hz附近出現(xiàn)峰值,該頻率成分的噪聲對(duì)總噪聲有較大貢獻(xiàn)，說(shuō)明該頻率成分的噪聲也是氣動(dòng)總噪聲的主要組成部分，噪聲能量主要集中在低頻區(qū)。
圖11 400 km/h時(shí)頻率-聲壓級(jí)分布
圖12 400 km/h時(shí)倍頻程的等效A聲級(jí)分布
風(fēng)速為500 km/h時(shí)的頻率-聲壓級(jí)分布見(jiàn)圖13。頻率為0～2500 Hz時(shí)，聲壓級(jí)隨頻率的升高有下降的趨勢(shì)，且趨勢(shì)較緩，在低頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)較大，在高頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)很小。風(fēng)速為500 km/h下的倍頻程的等效A聲級(jí)分布見(jiàn)圖14。由圖14可知，風(fēng)速為500 km/h時(shí)在500 Hz附近出現(xiàn)峰值，該頻率成分的噪聲對(duì)總噪聲有較大貢獻(xiàn)，說(shuō)明該頻率成分的噪聲也是氣動(dòng)總噪聲的主要組成部分，噪聲能量主要集中在低頻區(qū)。
圖13 500 km/h下頻率-聲壓級(jí)分布
圖14 500 km/h時(shí)倍頻程的等效A聲級(jí)分布
2.3 試驗(yàn)和計(jì)算比較
風(fēng)速為36 km/h時(shí)的仿真和試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖15、16，可以看出頻率為0～2000 Hz時(shí)，聲強(qiáng)級(jí)隨頻率的升高都有下降的趨勢(shì)，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。
圖15 36 km/h時(shí)的仿真結(jié)果 圖16 36 km/h時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果
3 結(jié)論
1)通過(guò)仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析表明：頻率為0～2000 Hz時(shí)，聲壓級(jí)隨頻率的升高有下降的趨勢(shì)，在低頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)較大，在高頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)很小。建立的仿真分析模型基本能夠反映聲學(xué)風(fēng)洞中微縮模型的試驗(yàn)情況，仿真分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，噪聲隨頻率的變化趨勢(shì)基本一致，低速時(shí)氣動(dòng)噪聲小，試驗(yàn)研究應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高速風(fēng)洞。
2)從倍頻程圖中可以看出，4次不同風(fēng)速的仿真均在100～500 Hz附近出現(xiàn)峰值，顯然該頻率成分的噪聲對(duì)總噪聲有比較大的貢獻(xiàn)，說(shuō)明該頻率成分的噪聲也是氣動(dòng)總噪聲的主要組成部分，噪聲能量主要集中在低頻區(qū)。
3)為獲得精確的聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，需要減少CFD采樣時(shí)間步，增加采樣時(shí)長(zhǎng)，即增加CFD計(jì)算的瞬態(tài)數(shù)據(jù)量，以反映真實(shí)的聲場(chǎng)變化情況。
4)高速列車(chē)的總氣動(dòng)噪聲隨車(chē)速的增大而升高。
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