潘德闊，賈尚帥，孫艷紅，代文強(qiáng)，鄭 旭

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)研究中心，河北 唐山063035；2.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州310027)

隨著中國(guó)高速列車產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，列車的噪聲、振動(dòng)及舒適性問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。西南交通大學(xué)等單位學(xué)者們先后基于統(tǒng)計(jì)能量法開(kāi)展了一系列高速列車艙內(nèi)噪聲的仿真預(yù)測(cè)研究，并取得了良好的研究成果[1-4]。在此基礎(chǔ)上，浙江大學(xué)鄭旭等先后提出了統(tǒng)計(jì)振聲能量流和改進(jìn)的聲學(xué)能量有限元等方法，將艙內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)拓展到了全頻范圍，并有效地提升了預(yù)測(cè)的效率和精度[5-7]。

而在與乘客主觀舒適性感受更為緊密的高速列車車內(nèi)聲品質(zhì)研究方面，目前國(guó)內(nèi)外的研究主要是基于現(xiàn)有和改進(jìn)的聲品質(zhì)算法的試驗(yàn)研究[8-12]，而針對(duì)聲品質(zhì)進(jìn)行基于仿真的預(yù)測(cè)及優(yōu)化研究鮮有報(bào)道。因此，本文擬將改進(jìn)的聲學(xué)能量有限元方法與聲品質(zhì)算法相結(jié)合，開(kāi)展高速列車艙內(nèi)聲品質(zhì)的預(yù)測(cè)及優(yōu)化研究。

1 車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型

本文基于改進(jìn)的能量有限元方法進(jìn)行高速列車艙內(nèi)的噪聲特性的仿真分析，該方法的詳細(xì)理論可參考文獻(xiàn)[13]，基本原理介紹如下。

針對(duì)高速列車車內(nèi)聲腔，其能量密度控制方程如(1)所示：

式中：Cg表示板結(jié)構(gòu)的群速度和分別為板結(jié)構(gòu)平均能量密度和平均功率流；ηc表示聲腔內(nèi)損耗因子；πin表示單位聲腔內(nèi)外界對(duì)聲腔內(nèi)做的平均功率密度。

圖1 聲腔-板結(jié)構(gòu)-聲腔系統(tǒng)能量傳遞

式中：τ11表示板結(jié)構(gòu)的功率反射系數(shù)；ηrad表示板結(jié)構(gòu)的輻射損耗系數(shù)，ηrad=ρa(bǔ)caσrad/ρhω，式中ρa(bǔ)、σrad分別為聲腔介質(zhì)密度和板結(jié)構(gòu)的聲輻射效率。由于板結(jié)構(gòu)功率傳遞系數(shù)和功率反射系數(shù)之和為1，τ13+τ11=1，代入方程(2)可得到：

式中：β表示特征阻抗率，β=ρa(bǔ)c/ρa(bǔ)cg。

當(dāng)外聲腔2 向板結(jié)構(gòu)傳遞能量時(shí)，功率傳遞系數(shù)可表達(dá)為

式中：M表示板結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量；n()ω表示模態(tài)密度。對(duì)于板結(jié)構(gòu)，其彎曲模態(tài)密度可表示為

式中：A表示板的面積；k表示板彎曲波的波數(shù)。

針對(duì)圖1所示的系統(tǒng)，改進(jìn)的能量有限元方法的思想如下：外聲腔經(jīng)過(guò)板結(jié)構(gòu)向內(nèi)聲腔傳遞能量時(shí)，整個(gè)過(guò)程的功率傳遞系數(shù)采用結(jié)構(gòu)隔聲量（Sound transmission loss，STL）代替。因此在考慮聲激勵(lì)作用下車內(nèi)的噪聲響應(yīng)時(shí)可轉(zhuǎn)化為外部聲能通過(guò)結(jié)構(gòu)隔聲量特性衰減后到達(dá)車廂聲腔，外部聲激勵(lì)產(chǎn)生的輸入考慮表示為

在外部聲能量傳遞過(guò)程中，結(jié)構(gòu)起到隔聲性能載體作用，不參與能量計(jì)算，因此結(jié)構(gòu)特性將不影響外部聲能向內(nèi)部聲腔傳遞。結(jié)構(gòu)隔聲量特性則可采用試驗(yàn)測(cè)試以及聲學(xué)有限元預(yù)測(cè)等更為準(zhǔn)確的方法得到，從而提高內(nèi)部聲腔噪聲的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。由于文獻(xiàn)[14]系統(tǒng)地分析了高速列車的振動(dòng)和聲學(xué)激勵(lì)源、車廂內(nèi)的聲腔內(nèi)損耗因子、吸聲系數(shù)、結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子以及各區(qū)域組合板的隔聲性能，本文在后續(xù)的研究中將直接引用數(shù)據(jù)。

譯者是翻譯的主體，也是民族文化建構(gòu)的重要參與者。從功能角度看，中國(guó)文化外譯屬于外宣翻譯。在外宣翻譯中，譯者的主體性體現(xiàn)尤為重要，因?yàn)橹袊?guó)在國(guó)際社會(huì)的形象很大程度上取決于外宣翻譯的質(zhì)量（張健，2013）。為達(dá)到傳播和接受效果，需要譯者在翻譯過(guò)程中時(shí)刻考慮目標(biāo)讀者的閱讀感受。在中國(guó)文化外譯過(guò)程中，譯者主體性影響、制約和支配著文化翻譯的效果。

以某型高速列車為例，建模時(shí)保留了主要車廂結(jié)構(gòu)及外型特征，去除了受電弓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。如圖2(a)所示為高速列車車廂EFEA 結(jié)構(gòu)模型，主要?jiǎng)澐譃檐図?、?cè)墻、設(shè)備艙和窗戶等區(qū)域。結(jié)構(gòu)模型用三角形網(wǎng)格離散，單元尺寸大小為200 mm，由18 190 個(gè)單元，9 008 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。圖2(b)所示為EFEA 車內(nèi)聲腔模型，用四面體網(wǎng)格進(jìn)行離散，由123 550個(gè)單元，24 768個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。圖2(c)為EFEA車外聲腔模型，為車體表面向外0.5 m距離的空氣層，用四面體網(wǎng)格進(jìn)行離散，由71 422個(gè)單元和20 520個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。本文在模型驗(yàn)證和后續(xù)的聲品質(zhì)優(yōu)化研究中，所采用的工況皆為高速列車在350 km/h 下的普通直線行駛工況，將各聲學(xué)激勵(lì)源施加在車體表面，機(jī)械激勵(lì)以點(diǎn)力的形式施加在車廂二系懸掛連接位置，如圖3所示。本文研究中的激勵(lì)源通過(guò)仿真獲得，由于文獻(xiàn)[7]中對(duì)于上述激勵(lì)特性已經(jīng)有詳細(xì)的描述，因此本文引用了相關(guān)計(jì)算方法和結(jié)果。

為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3381:2005，選取車廂縱向中心線中心距離地板1.2 m 位置的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知，車廂內(nèi)中部和兩段位置的噪聲仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在分析頻段內(nèi)趨勢(shì)一致，總聲壓級(jí)誤差中部、前端和后端分別為0.9 dB、0.2 dB 和1.5 dB。后端由于列車實(shí)際高速行駛中受電弓表面受到脈動(dòng)壓力激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)在仿真過(guò)程中無(wú)法考慮，所以誤差相對(duì)偏大?？傮w而言，基于EFEA方法建立的車內(nèi)聲學(xué)預(yù)測(cè)模型的有效性得到了驗(yàn)證，能夠用于后續(xù)的聲品質(zhì)預(yù)測(cè)及優(yōu)化研究中。

圖2 高速列車車廂能量有限元模型

圖3 外部激勵(lì)源在能量有限元車廂模型的加載示意圖

2 聲品質(zhì)仿真基本模型

2.1 響度模型

本文的響度計(jì)算采用基于Zwicker 模型的ISO 532響度標(biāo)準(zhǔn)。

將經(jīng)過(guò)外中耳傳遞的聲音定義為激勵(lì)級(jí)E，則主響度N′計(jì)算可表示為

式中主響度N′單位為πsone/aBark，ETQ表示人耳聽(tīng)閾激勵(lì)級(jí)，E0表示參考聲強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)級(jí)。N′0表示參考特征響度，當(dāng)N′0取值為0.08，s和k表示參考特征響度計(jì)算常數(shù)，相應(yīng)取值分別為0.5 和0.23；當(dāng)N′0取值為0.065 時(shí)，s和k的相應(yīng)取值分別為0.25 和0.25。

根據(jù)特征頻帶和主響度值決定是否考慮掩蔽效應(yīng)的影響，若有掩蔽效應(yīng)則在主響度的基礎(chǔ)上加入斜坡響度，得到特征響度值。對(duì)于特征響度在整個(gè)臨界頻帶Bark 上進(jìn)行頻域積分獲得總響度N，如下表達(dá)式：

式中響度的單位為sone，響度級(jí)的單位為phon。

2.2 Zwicker尖銳度模型

Zwicker尖銳度模型的計(jì)算如下式所示：

式中：S表示尖銳度，N表示總響度，c表示比例因數(shù)，z表示特征頻帶率，g(z)表示加權(quán)函數(shù)。

加權(quán)函數(shù)有三種形式，分別為

圖4 車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

尖銳度單位為acum，表示中心頻率為1 kHz 且?guī)拕偤玫扔谠撆R界帶寬且聲壓級(jí)為60 dB窄帶噪聲的尖銳度。

2.3 粗糙度模型

本文采用Aures 模型。其處理過(guò)程主要為：首先采用中耳傳遞函數(shù)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，并獲取24個(gè)臨界頻帶對(duì)應(yīng)的激勵(lì)譜；接著各頻帶下的激勵(lì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻域?yàn)V波，采用不同臨界頻帶采用的濾波函數(shù)，其中2 Bark～8 Bark的濾波函數(shù)通過(guò)對(duì)1 Bark和9 Bark臨界頻帶的函數(shù)插值得到。

載頻對(duì)粗糙度有較大影響，通過(guò)對(duì)調(diào)制系數(shù)mi*增加加權(quán)系數(shù)gi來(lái)考慮這一影響。因此，不同臨界頻帶下的特征粗糙度ri可表示為

特征粗糙度的單位為asper/Bark。不同臨界頻帶之間的調(diào)制系數(shù)存在不相關(guān)性，引入不同臨界頻帶濾波后包絡(luò)信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)，采用臨界頻帶i前后兩個(gè)頻帶的相關(guān)系數(shù)平均值li來(lái)防止噪聲粗糙度過(guò)大。因此，總粗糙度R可采用如下表達(dá)式計(jì)算得到：

其中：c表示標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的粗糙度為1的校準(zhǔn)系數(shù)。粗糙度的單位為asper，定義為頻率為1 kHz 的聲壓級(jí)為60 dB的純音，調(diào)頻70 Hz，100%調(diào)幅調(diào)制情況下產(chǎn)生的粗糙度。

3 車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)優(yōu)化

3.1 高速列車輪軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化

研究表明[6-7]，車廂底部聲激勵(lì)對(duì)車內(nèi)噪聲高頻部分貢獻(xiàn)突出。因此，為控制高頻車內(nèi)噪聲，提高聲品質(zhì)，有必要對(duì)輪軌噪聲激勵(lì)源進(jìn)行優(yōu)化。本文采用的優(yōu)化方案包括在高速列車車輪上安裝輻板屏蔽裝置應(yīng)用于和在鋼軌上安裝動(dòng)力吸振器。其中車輪輻板屏蔽結(jié)構(gòu)由多個(gè)扇形阻尼結(jié)構(gòu)組成并通過(guò)安裝環(huán)固定在車輪上，而鋼軌動(dòng)力吸振器是主要由質(zhì)量塊和阻尼層組成的阻尼質(zhì)量彈簧減振系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖5至圖6和表1至表2所示。

本文分析中所需的優(yōu)化后的輪軌激勵(lì)將通過(guò)仿真計(jì)算來(lái)獲得，由于文獻(xiàn)[7]中對(duì)于上述激勵(lì)特性已經(jīng)有詳細(xì)的描述，因此本文引用了相關(guān)計(jì)算方法和結(jié)果。

3.2 聲品質(zhì)優(yōu)化結(jié)果

圖5 輻板屏蔽式阻尼車輪

圖6 鋼軌動(dòng)力吸振器及應(yīng)用

表1 阻尼車輪材料參數(shù)

如圖7(a)所示為轉(zhuǎn)向架區(qū)域車輪和軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的輻射噪聲水平對(duì)比?？梢钥吹?，車輪和軌道的輻射噪聲在多個(gè)1/3 倍頻程段上都有明顯的降低，其中在輪軌噪聲突出頻段聲壓級(jí)降幅約為8 dB。圖7(b)所示為所有激勵(lì)都作用情況下，分別及同時(shí)優(yōu)化輪軌噪聲激勵(lì)后車內(nèi)噪聲的效果對(duì)比。結(jié)果顯示優(yōu)化輪軌噪聲激勵(lì)后，高頻段（800 Hz～2 000 Hz）范圍內(nèi)車內(nèi)噪聲有較明顯的降低3 dB～5 dB，而低頻段內(nèi)沒(méi)有明顯效果。這是因?yàn)檩嗆壴肼暭?lì)相比于氣動(dòng)噪聲激勵(lì)以及機(jī)械激勵(lì)在低頻段內(nèi)的能量較小。

表2 鋼軌動(dòng)力吸振器的材料參數(shù)

圖7 輪軌噪聲優(yōu)化對(duì)車內(nèi)噪聲響應(yīng)對(duì)比結(jié)果

進(jìn)一步計(jì)算和對(duì)比了聲品質(zhì)參數(shù)響度、尖銳度和粗糙度，結(jié)果如表3所示。對(duì)比顯示應(yīng)用輻板屏蔽式阻尼車輪和鋼軌動(dòng)力吸振器后，車廂內(nèi)三個(gè)觀察點(diǎn)的總響度分別降低1.1 sone、1.5 sone 和2.1 sone，尖銳度分別降低0.05 acum、0.07 acum 和0.09 acum，粗糙度分別降低0.04 asper、0.03 asper 和0.03 asper，可見(jiàn)優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)參數(shù)降低明顯，降低量均在4%以上，優(yōu)化效果能被人耳感知。圖8所示為輪軌噪聲優(yōu)化對(duì)特征響度的影響，結(jié)果顯示優(yōu)化輪軌噪聲后，對(duì)應(yīng)高頻段的特征頻帶內(nèi)的特征響度明顯降低，進(jìn)一步表明優(yōu)化輪軌噪聲后高頻段內(nèi)的車內(nèi)噪聲舒適性得到改善。

表3 輪軌降噪對(duì)車內(nèi)聲品質(zhì)的影響

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于改進(jìn)的能量有限元方法，建立了高速列車車內(nèi)噪聲的預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Zwicker響度模型、Zwicker尖銳度模型和Aures 粗糙度模型，研究了輪軌噪聲激勵(lì)的優(yōu)化對(duì)車內(nèi)聲品質(zhì)的影響。

圖8 輪軌噪聲優(yōu)化對(duì)特征響度的影響

結(jié)果表明，在車輪上加裝阻尼結(jié)構(gòu)，軌道上安裝動(dòng)力吸振器對(duì)車內(nèi)噪聲有良好的控制效果，在輪軌噪聲突出頻段聲壓級(jí)降低約8 dB。由于輪軌噪聲主要在高頻段內(nèi)對(duì)車內(nèi)噪聲起主導(dǎo)作用，優(yōu)化輪軌噪聲激勵(lì)對(duì)高頻段車內(nèi)噪聲控制效果顯著。對(duì)比優(yōu)化前后車廂內(nèi)不同位置的聲品質(zhì)參數(shù)，廂內(nèi)三個(gè)觀察點(diǎn)的總響度分別降低1.1 sone，1.5 sone 和2.1 sone，尖銳度分別降低0.05 acum，0.07 acum和0.09 acum，粗糙度分別降低0.04 asper，0.03 asper 和0.03 asper。輪軌噪聲激勵(lì)優(yōu)化后車內(nèi)聲品質(zhì)參數(shù)降低明顯，優(yōu)化效果能被人耳感知。