李新一　高陽(yáng)　王奇　陳鵬　徐圣輝

摘要：為研究市域列車空調(diào)系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，本文結(jié)合邊界元法和聲線跟蹤法，建立了市域列車空調(diào)聲源車內(nèi)噪聲仿真模型，模型在低頻區(qū)（160 Hz以下）使用邊界元法，考慮了空調(diào)機(jī)組和風(fēng)道氣流等聲源在空調(diào)風(fēng)道以及客室車廂內(nèi)傳播的特性，在高頻區(qū)（160 Hz以上）使用聲線跟蹤法，最終得到整個(gè)頻段的車內(nèi)噪聲。選取車內(nèi)中心距離地板1.6 m高度處的聲壓級(jí)仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示試驗(yàn)與仿真曲線的變化趨勢(shì)基本一致，聲壓級(jí)總值相差1 dB以內(nèi)，各頻段聲壓級(jí)差值在5 dB以內(nèi)，驗(yàn)證了聲學(xué)模型的準(zhǔn)確性。最后應(yīng)用該模型對(duì)空調(diào)降噪措施進(jìn)行了仿真，當(dāng)僅存在空調(diào)聲源時(shí)，在管道底部鋪設(shè)2 m的玻璃絲綿可降低車內(nèi)噪聲4.0 dB（A）。

關(guān)鍵詞：市域列車；空調(diào)；車內(nèi)噪聲；聲線法；邊界元法

中圖分類號(hào)：U270.38+3?????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????????????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.005

文章編號(hào)：1006-0316 （2023） 08-0032-07

Study on the Influence of Air Conditioning Sound Source on Stationary Interior Noise

LI Xinyi GAO Yang WANG Qi CHEN Peng XU Shenghui

（ 1.CRRC Changchun Railway Vehicles Co.， Ltd.， Changchun 130113， China;2.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610036， China ）

Abstract：In order to study the influence of the air conditioning system on the interior noise of the city train， this paper combines the boundary element method and the sound ray tracking method to establish a simulation model of the interior noise of the air conditioning sound source of the city train. The model uses the boundary element method in the low frequency region （ below 160 Hz ）. Considering the characteristics of the sound source of the air conditioning unit and the air flow in the air conditioning duct and the passenger compartment， the sound ray tracking method is used in the high frequency region （above 160 Hz）， and the interior noise of the whole frequency band is finally obtained. The sound pressure level simulation and test results at a height of 1.6m from the floor in the center of the vehicle are compared. The results show that the change trend of the test and simulation curves is basically the same. The total sound pressure level difference is within 1dB， and the sound pressure level difference of each frequency band is within 5 dB， which verifies the accuracy of the acoustic model. Finally， the model is used to simulate the noise reduction measures of air conditioning. When there is only air conditioning sound source， laying 2 meters of glass sponge at the bottom of the pipe can reduce the interior noise by 4.0 dB（A）.

Key words：regional trains；air conditioning；interior noise；ray tracing method；boundary element method

軌道列車靜置或低速運(yùn)行時(shí)，空調(diào)噪聲是車內(nèi)主要噪聲源。某地鐵列車在空調(diào)開啟及關(guān)閉狀態(tài)下測(cè)得的客室噪聲聲壓級(jí)總值如表1所示^[1]。可以看出，列車靜置時(shí)，開啟空調(diào)使得車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)上升了40 dB（A）左右；列車以20 km/h速度運(yùn)行時(shí)，開啟空調(diào)使得車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)上升了12 dB（A）左右，說(shuō)明列車靜置或低速運(yùn)行時(shí)空調(diào)對(duì)車內(nèi)噪聲影響較大。

目前針對(duì)地鐵和市域車等低速運(yùn)營(yíng)列車空調(diào)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，主要是從試驗(yàn)的角度開展研究^[2]?；诮y(tǒng)計(jì)能量法建立的車內(nèi)噪聲仿真模型^[3-4]同樣將實(shí)測(cè)空調(diào)機(jī)組聲源和實(shí)測(cè)出風(fēng)口聲源作為激勵(lì)源。然而，當(dāng)車輛或空調(diào)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，聲源輸入需重新測(cè)量，不利于仿真空調(diào)各降噪措施對(duì)動(dòng)車組車內(nèi)噪聲的影響。因此，有必要建立有效的空調(diào)聲源車內(nèi)噪聲仿真模型，以更有效地研究空調(diào)降噪措施對(duì)車內(nèi)的影響。

針對(duì)空調(diào)噪聲車內(nèi)噪聲仿真模型，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)研究。張振威等^[5]采用有限元方法，建立高速列車空調(diào)風(fēng)道部分有限元模型，忽略風(fēng)道中氣流噪聲的影響，僅計(jì)算經(jīng)由風(fēng)道傳播的列車空調(diào)機(jī)組產(chǎn)生的中低頻噪聲，與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有限元法可以用來(lái)預(yù)測(cè)經(jīng)由風(fēng)道傳播的空調(diào)機(jī)組噪聲；由于只建立了部分風(fēng)道模型，同時(shí)忽略了風(fēng)道中氣流噪聲的影響，使得在大部分的測(cè)點(diǎn)處，仿真結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果大5 dB以上。孫艷紅等^[6]針對(duì)某高速列車空調(diào)風(fēng)道噪聲，采用FE-SEA（Finite Element method and Statistical Energy Analysis，有限元法與統(tǒng)計(jì)能量分析）混合法，建立了阻抗復(fù)合消聲風(fēng)道結(jié)構(gòu)分析模型，基于聲學(xué)有限元法計(jì)算了風(fēng)道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲學(xué)模態(tài)，基于統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)模型施加邊界條件與聲場(chǎng)激勵(lì)，對(duì)比試驗(yàn)得到簡(jiǎn)單膨脹腔的傳聲損失曲線，發(fā)現(xiàn)FE-SEA混合法適用于80～2500 Hz中低頻計(jì)算，且能有效減少計(jì)算時(shí)間，但在計(jì)算更高頻噪聲時(shí)，仿真值與實(shí)測(cè)值之間的差值超過(guò)10 dB。在仿真精度、效率和應(yīng)用方面，上述研究對(duì)空調(diào)寬頻段噪聲研究各自存在不足。

聲學(xué)邊界元法適用于低頻噪聲仿真^[7]，具有使分析問(wèn)題降維、適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)、計(jì)算精度高、計(jì)算量相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)。聲線跟蹤法適用于高頻以及幾何形狀較為規(guī)則的空間內(nèi)，結(jié)果較為準(zhǔn)確。針對(duì)目前列車空調(diào)風(fēng)道噪聲研究的不足，本文提出綜合建模方法：運(yùn)用邊界元法計(jì)算低頻部分空調(diào)噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，同時(shí)考慮風(fēng)道內(nèi)的氣流噪聲，運(yùn)用聲線跟蹤法計(jì)算高頻部分空調(diào)噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，從而實(shí)現(xiàn)在寬頻率范圍內(nèi)仿真空調(diào)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，為空調(diào)系統(tǒng)降噪提供參考和依據(jù)。

1 空調(diào)噪聲特性試驗(yàn)分析

列車空調(diào)系統(tǒng)的主要噪聲源有冷凝風(fēng)機(jī)、送風(fēng)風(fēng)機(jī)、制冷壓縮機(jī)和空調(diào)風(fēng)道中的氣流流動(dòng)。其中，冷凝風(fēng)機(jī)噪聲主要通過(guò)空調(diào)機(jī)組上部散熱面向機(jī)體上部輻射（即裝車后車頂外部），送風(fēng)風(fēng)機(jī)噪聲主要通過(guò)送風(fēng)口和回風(fēng)口向空調(diào)機(jī)組下方輻射（即裝車后的空調(diào)通風(fēng)管道系統(tǒng)），而制冷壓縮機(jī)等其他噪聲源由于在空調(diào)機(jī)組內(nèi)部，主要通過(guò)空調(diào)機(jī)組上下殼體向外部輻射^[6]。

1.1 空調(diào)聲源特性測(cè)試

為掌握列車空調(diào)噪聲聲源特性，在距離空調(diào)機(jī)組1 m、高度與空調(diào)機(jī)組持平位置布置聲傳感器，測(cè)試列車靜置狀態(tài)下空調(diào)機(jī)組輻射噪聲水平，以計(jì)算聲源特性。同時(shí)，為掌握空調(diào)系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，按照ISO 3381－2011標(biāo)準(zhǔn)，在前空調(diào)機(jī)組下方（以車頭為前），車體縱向中心線上方距離地板面1.6 m處布置測(cè)點(diǎn)（聲學(xué)評(píng)價(jià)點(diǎn)），測(cè)試列車靜置狀態(tài)下僅空調(diào)機(jī)組工作時(shí)的車內(nèi)噪聲水平。如圖1所示。

1.2 空調(diào)聲源特性分析

列車靜置、空調(diào)機(jī)組工作狀態(tài)下，空調(diào)機(jī)組測(cè)點(diǎn)和車內(nèi)測(cè)點(diǎn)的客室噪聲幅頻特性結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯o置狀態(tài)下，空調(diào)機(jī)組噪聲在1250 Hz處存在噪聲峰值，主頻在125～3150 Hz頻段內(nèi)；客室噪聲在125 Hz和400 Hz處存在噪聲峰值，噪聲主頻在80～2500 Hz頻段內(nèi)。除此之外，空調(diào)機(jī)組噪聲和客室噪聲在25 Hz的低頻區(qū)存在明顯的峰值噪聲。

此外，中心頻率小于125 Hz的低頻區(qū)域，空調(diào)機(jī)組與客室噪聲曲線峰值和趨勢(shì)相似，可以認(rèn)為客室噪聲主要受空調(diào)聲源影響。在高于125 Hz的區(qū)域，客室噪聲峰值與空調(diào)噪聲峰值不一致。原因可能是，空調(diào)機(jī)組風(fēng)道內(nèi)的氣流噪聲和客室聲學(xué)環(huán)境對(duì)客室噪聲產(chǎn)生了影響。

圖2中實(shí)測(cè)空調(diào)噪聲聲壓級(jí)小于客室噪聲聲壓級(jí)，其原因在于聲壓受到測(cè)點(diǎn)位置與聲源的距離影響。為便于建模仿真，基于點(diǎn)聲源傳播特性，將測(cè)試的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)換算成聲功率級(jí)，如圖3所示。可以看出，與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)不同，空調(diào)機(jī)組聲源聲功率（未計(jì)權(quán)）在25 Hz、160 Hz和315 Hz存在峰值。

2 空調(diào)噪聲風(fēng)道客室仿真模型

2.1 車內(nèi)低頻噪聲預(yù)測(cè)

2.2 車內(nèi)高頻噪聲預(yù)測(cè)

首先建立空調(diào)聲源客室噪聲預(yù)測(cè)模型，運(yùn)用聲線法進(jìn)行預(yù)測(cè)。基于聲線法假設(shè)，空調(diào)聲源在空間中以聲線的形式向四周擴(kuò)散，每根聲線的能量相同，總和等于空調(diào)聲源的能量。同時(shí)假定車體為一定吸聲系數(shù)的平面，以模擬車體壁面，當(dāng)聲線撞擊到壁面時(shí)，產(chǎn)生鏡面反射，同時(shí)能量產(chǎn)生衰減，當(dāng)聲線能量達(dá)到設(shè)置的限值時(shí)，計(jì)算機(jī)停止對(duì)該聲線的追蹤，當(dāng)每根聲線的能量都達(dá)到限制，則計(jì)算結(jié)束。以車內(nèi)噪聲測(cè)試位置為車內(nèi)聲學(xué)評(píng)價(jià)點(diǎn)，提取車內(nèi)聲學(xué)評(píng)價(jià)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)，通過(guò)該點(diǎn)所有聲線的能量總和就是該點(diǎn)的聲能量。

列車高頻噪聲預(yù)測(cè)模型如圖9所示，聲源主要考慮以中高頻噪聲為主的空調(diào)機(jī)組噪聲。將空調(diào)聲源以點(diǎn)聲源的形式布置在空調(diào)風(fēng)道的四個(gè)入風(fēng)口處。

3 模型驗(yàn)證

聲線法和綜合法在聲學(xué)評(píng)價(jià)點(diǎn)處仿真得到的幅頻特性曲線如圖10所示?？梢钥闯?，仿真低頻噪聲時(shí)，聲線法無(wú)法準(zhǔn)確模擬聲波的傳播特性，比如低頻波的衍射和干涉，因此，聲線法不適用于低頻噪聲計(jì)算。160 Hz及以下頻段，聲線法在各中心頻段上的仿真數(shù)值與實(shí)測(cè)值之間相差都在5 dB（A）以上。且越往低頻，差值越大。160 Hz以上頻段，聲線法仿真數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在各中心頻段上聲壓級(jí)差值都在5 dB（A）以內(nèi)，且頻率越高仿真曲線與試驗(yàn)曲線擬合得越好，這符合聲線法適用于高頻計(jì)算的特性。

綜合法仿真結(jié)果在160 Hz及以下頻段內(nèi)，峰值及趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，在各中心頻段上聲壓級(jí)差值在5 dB（A）以內(nèi)，符合工程要求。在160 Hz以上的高頻區(qū)仿真曲線與試驗(yàn)聲壓級(jí)趨勢(shì)總體上保持一致，仿真曲線在試驗(yàn)曲線上下波動(dòng)。聲壓級(jí)總值相差在1 dB（A）以內(nèi)，各頻段聲壓級(jí)差值在5 dB（A）以內(nèi)。說(shuō)明了該方法的有效性。

綜上所述，綜合法結(jié)合聲線法和邊界元法的優(yōu)點(diǎn)，能有效預(yù)測(cè)空調(diào)聲源對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。在160 Hz以下頻段內(nèi)，用邊界元法仿真模擬車內(nèi)噪聲；在160 Hz及以上頻段內(nèi)，用聲線法仿真模擬車內(nèi)噪聲。

4 風(fēng)道降噪措施仿真

利用本文提出的綜合法模型，仿真不同位置和不同降噪材料對(duì)車內(nèi)噪聲的降噪效果^[6，10]，指導(dǎo)選擇空調(diào)降噪措施。

4.1 不同位置降噪特性分析

4.2 不同材料降噪特性分析

不同材料的吸聲系數(shù)值如圖13所示。在風(fēng)道內(nèi)側(cè)底部鋪設(shè)不同吸聲材料，管道的傳聲損失幅頻特性曲線如圖14所示。

由圖14可以看出，相比常規(guī)吸聲材料（吸聲系數(shù)均為0.41），玻璃絲綿、三聚氰胺和碳纖維可使出口處的聲功率級(jí)總值分別進(jìn)一步降低3.2 dB、3.6 dB、2.3 dB；尤其是在315 Hz和500～1000 Hz中高頻段內(nèi)，傳聲損失可提高2.5 dB以上；但在63～250 Hz和400 Hz頻段內(nèi)，傳聲損失不升反降。

4.3 聲學(xué)評(píng)價(jià)點(diǎn)降噪量分析

為了評(píng)價(jià)降噪效果對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，給出不同措施下車內(nèi)聲學(xué)評(píng)價(jià)點(diǎn)的聲壓級(jí)降低值，如表3所示。其中鋪設(shè)的吸聲材料均為2 m。

5 結(jié)論

本文基于綜合建模方法，建立了空調(diào)聲源車內(nèi)噪聲仿真模型，從而實(shí)現(xiàn)在寬頻率范圍內(nèi)仿真空調(diào)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，為空調(diào)系統(tǒng)降噪提供參考和依據(jù)。主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)分析市域車車內(nèi)噪聲和空調(diào)機(jī)組噪聲的幅頻特性曲線圖，得出空調(diào)機(jī)組噪聲聲源特性以及向車內(nèi)的傳遞特性。

（2）建立空調(diào)邊界元－聲線法仿真模型。運(yùn)用邊界元法計(jì)算低頻（160 Hz以下）部分空調(diào)噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，同時(shí)考慮風(fēng)道內(nèi)的氣流噪聲，基于流體力學(xué)理論，建立風(fēng)道氣動(dòng)仿真模型，計(jì)算氣流對(duì)風(fēng)道壁面的脈動(dòng)壓力；建立風(fēng)道有限元模型，同時(shí)考慮風(fēng)道中氣流噪聲和空調(diào)機(jī)組噪聲，計(jì)算風(fēng)道出風(fēng)口的輻射聲功率級(jí)。基于邊界元法計(jì)算車內(nèi)噪聲響應(yīng)。在高頻區(qū)（160 Hz以上），基于聲線法計(jì)算空調(diào)聲源向車內(nèi)噪聲的傳遞。計(jì)算并對(duì)比聲學(xué)評(píng)價(jià)點(diǎn)處的聲壓級(jí)曲線，結(jié)果顯示仿真與試驗(yàn)曲線具有較高的一致性，聲壓級(jí)總值相差在1 dB以內(nèi)，各頻段聲壓級(jí)差值在5 dB以內(nèi)。驗(yàn)證了模型的有效性。

（3）對(duì)空調(diào)降噪措施進(jìn)行仿真，建議在管道底部鋪設(shè)2 m的玻璃絲綿，可降低車內(nèi)噪聲4.0 dB（A）。值得注意的是，本文所建模型僅考慮了空調(diào)聲源對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，當(dāng)考慮到輔助設(shè)備噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響時(shí)，降噪效果會(huì)有所降低。

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