朱冬進(jìn) 徐海大 周勁松

(1.中車浦鎮(zhèn)阿爾斯通運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司, 241007，蕪湖；2.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上?！蔚谝蛔髡撸呒壒こ處?

自動(dòng)旅客運(yùn)輸(APM)系統(tǒng)是一種獨(dú)具特色的城市軌道交通形式[1]。隨著國民生活水平的不斷提升，交通運(yùn)輸工具本身的振動(dòng)和噪聲已經(jīng)成為衡量裝備性能的重要指標(biāo)[2-4]。

本文針對APM車輛建立了車內(nèi)噪聲有限元仿真預(yù)測模型，分別對其結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲學(xué)模態(tài)進(jìn)行分析得到其振型特性。通過現(xiàn)場測試，得到電機(jī)對車體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)激勵(lì)，并且建立了UM(多體系統(tǒng))動(dòng)力學(xué)仿真模型，用以得到空氣彈簧施加于車體結(jié)構(gòu)上的振動(dòng)激勵(lì)。基于建立的有限元模型和結(jié)構(gòu)振動(dòng)激勵(lì)計(jì)算得到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)聲響應(yīng)，并分析其頻域特性，為改善APM車內(nèi)噪聲環(huán)境提供參考。

1 APM車體有限元模型

1.1 車體結(jié)構(gòu)有限元模型

APM車輛由車頂、側(cè)墻、端墻、地板等部分組成。將既有車體三維模型導(dǎo)入到Hypermesh軟件中，對局部復(fù)雜部分進(jìn)行必要的簡化處理并對其進(jìn)行抽中面和網(wǎng)格劃分處理，進(jìn)而得到簡化后的車體有限元模型，見圖1。其網(wǎng)格大小為50 mm×50 mm。

圖1 簡化車體有限元模型

1.2 車體聲腔有限元模型

在簡化車體有限元模型的基礎(chǔ)上，補(bǔ)全車窗等必要單元網(wǎng)格，使其形成密閉空間，進(jìn)而建立車內(nèi)聲腔有限元模型，見圖2。模型單元尺寸為 50 mm×50 mm。

圖2 聲腔有限元模型

2 模態(tài)分析

2.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

通過結(jié)構(gòu)模態(tài)分析可確定設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)或者零部件的振動(dòng)特性，并且得到由結(jié)構(gòu)本身特性和材料決定的固有頻率和固有振型。本文采用HyperWork軟件的OptiStruct求解器，對整個(gè)車體進(jìn)行模態(tài)求解，得到車體前30階的固有頻率和固有振型。圖3為幾個(gè)具有代表性的模態(tài)振型。

a)第9階模態(tài)振型

從圖3中可以看出：第9階模態(tài)振型為菱形振型，車體變形主要集中在車頂兩側(cè)；第10階模態(tài)振型為扭轉(zhuǎn)振型，車體變形主要集中在車頂?shù)?個(gè)邊角處；第15階模態(tài)振型為呼吸振型，車體變形主要集中在車頂中心和側(cè)墻中部。

2.2 聲學(xué)模態(tài)分析

當(dāng)車門及車窗封閉時(shí)，車廂內(nèi)為封閉空腔。在一定的聲學(xué)模態(tài)頻率下，車廂內(nèi)不同位置會(huì)產(chǎn)生不同的聲壓分布，從而形成聲學(xué)模態(tài)振型。當(dāng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率與聲腔產(chǎn)生的模態(tài)頻率相近時(shí)，聲腔容易產(chǎn)生共鳴導(dǎo)致噪聲放大。對圖2中的聲腔有限元模型進(jìn)行聲學(xué)模態(tài)分析，設(shè)置空腔內(nèi)介質(zhì)密度和聲速等參數(shù)，其中空氣密度取1.225 kg/m3，聲速為340 m/s，計(jì)算得到車內(nèi)聲學(xué)模態(tài)前20階頻率，見表1。從表1中可以看出：第1階聲學(xué)模態(tài)頻率遠(yuǎn)小于1 Hz，為整車客室內(nèi)空腔的聲學(xué)共振。第1階聲學(xué)模態(tài)頻率遠(yuǎn)小于人類聽力的范圍，故對整車的舒適性影響較小。

表1 聲學(xué)模態(tài)頻率表

圖4為部分具有代表性的模態(tài)振型。從圖4中可以看出：第2階聲學(xué)模態(tài)為縱向聲學(xué)模態(tài)，聲壓最小出現(xiàn)在車體中部，從車體中部沿縱向向兩端增大；第6階聲學(xué)模態(tài)為橫向聲學(xué)模態(tài)，聲壓最小值出現(xiàn)在車體橫向一截面處，并向兩側(cè)遞增；第10階聲學(xué)模態(tài)為垂向聲學(xué)模態(tài)，聲壓最小值出現(xiàn)在車體垂向一截面處，并沿垂向遞增；第12階聲學(xué)模態(tài)為綜合疊加模態(tài)，聲壓最大值出現(xiàn)在車底，為95.5 dB，并向車頂處遞減。

a)第2階模態(tài)振型

3 獲取載荷

3.1 獲取電機(jī)激勵(lì)

電機(jī)懸掛于車體下方，電機(jī)振動(dòng)將直接作用于車體結(jié)構(gòu)。因此，可對APM車輛車下電機(jī)處振動(dòng)進(jìn)行測試，并將測試得到的結(jié)果與電機(jī)質(zhì)量相乘，即得到電機(jī)處的激勵(lì)。

3.2 空氣彈簧激勵(lì)獲取

來自路面的激勵(lì)通過車輪及空氣彈簧的衰減形成二系懸掛力作用于車輛底部，從而造成結(jié)構(gòu)噪聲。本文通過UM動(dòng)力學(xué)軟件來獲取空氣彈簧處的二系懸掛力。如圖5所示，車體模型包括1個(gè)車體、2個(gè)軸橋、4個(gè)走行輪和8個(gè)導(dǎo)向輪。將車體和道路部分相互連接、耦合后，即可提取其中的垂向二系懸掛力。

圖5 UM動(dòng)力學(xué)模型

4 車內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)分析

根據(jù)GB/T 3499—2011《聲學(xué)軌道車輛內(nèi)部噪聲測量》和GB/T 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》，在模型中分別選取車體一位端、一位端車門、車體中部、二位端車門、車體二位端共5個(gè)觀測點(diǎn)，如圖6所示。5個(gè)觀測點(diǎn)位于地板上方1.6 m處。

圖6 客室內(nèi)聲壓級觀測點(diǎn)位置示意圖

各觀測點(diǎn)的頻率響應(yīng)A計(jì)權(quán)聲壓級頻譜如圖7所示。

由圖7可以看出：隨著振動(dòng)頻率的提升，車內(nèi)各觀測點(diǎn)的聲壓級逐漸升高；各觀測點(diǎn)在振動(dòng)頻率范圍內(nèi)存在多個(gè)明顯的噪聲峰值，其中所有觀測點(diǎn)都在315 Hz產(chǎn)生了較大的結(jié)構(gòu)聲響應(yīng)，并且達(dá)到了最大的聲壓級，且最大聲壓級分別為71.43 dB(A)、72.41 dB(A)、75.19 dB(A)、71.38 dB(A)和71.72 dB(A)；此外，車體一位端、二位端車門和車體二位端均在630 Hz處產(chǎn)生了噪聲峰值，而且噪聲峰值分別為67.85 dB(A)、63.78 dB(A)、65.34 dB(A)；一位端車門和車體中部在500 Hz處產(chǎn)生了噪聲峰值，且噪聲峰值分別為68.12 dB(A)、62.58 dB(A)；車內(nèi)5個(gè)觀測點(diǎn)的A計(jì)權(quán)總聲壓級分別為73.45 dB(A)、72.91 dB(A)、76.12 dB(A)、72.38 dB(A)和73.23 dB(A)，由此可見：在315 Hz處出現(xiàn)的不同程度的結(jié)構(gòu)聲響應(yīng)，是導(dǎo)致車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的主要原因；車體中部噪聲較大，其余4個(gè)觀測點(diǎn)的噪聲值差別不大。

a)車體一位端

5 結(jié)語

本文基于某APM車輛結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場測試和建立UM動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合的方式，分別得到了電機(jī)和空氣彈簧對車體的振動(dòng)激勵(lì)，結(jié)合建立的有限元模型進(jìn)一步得到電機(jī)激勵(lì)和空氣彈簧激勵(lì)下的車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲響應(yīng)。分析其噪聲特性，得出以下結(jié)論：

1)在電機(jī)和空氣彈簧的結(jié)構(gòu)振動(dòng)激勵(lì)下，車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲響應(yīng)存在多個(gè)峰值，特別是在315 Hz處，各個(gè)觀測點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級較大。

2)車體中部的結(jié)構(gòu)聲最大，與其他4個(gè)觀測點(diǎn)相比，其A計(jì)權(quán)總聲壓級高3 dB(A)左右。