轮轨激励下高速列车的室内噪声仿真分析

    高速列车的运行速度不断提高，使得铁路噪声问题日益突出，运行时产生很大的噪声传递到客车车内，会使乘客的乘车舒适度大为降低，而且还会造成环境污染，危害健康。因此，研究在不同速度级下，对各类噪声源进行声源的识别与分离，获得关键部位各类噪声的频谱特征、噪声级随速度变化的关系，建立流-固耦合模型，总结高速列车车内噪声形成机理和传播途径，对高速列车的发展有着重要意义。

    高速列车室内噪声主要来源于结构振动噪声、列车运行时产生的流体噪声和电器设备噪声等。本文主要研究轮轨激励引起的结构振动低频噪声，采用有限元法进行列车车厢的模态分析，声振耦合系统声学响应分析和贡献量分析。

一、建立数值模型

    在VirtualLab中，由于声学有限元一般计算封闭空间的声场，所以使用声学有限元计算时，必须把辐射的声场离散成网格，通常是四面体网格或六面体网格；对于声学边界元模型，可以计算封闭空腔中的声场，也可以计算开口空间中的声场，一般是面网格，而不是体网格。

    在VirtualLab中，导入结构模型，设定最高分析频率之后，可以生成相应的声学有限元网格和声学边界元网格。由于要满足最大单元边长要小于计算频率最短波长的1/6，所以设定最高计算频率为300Hz，相应的elementsize为188.889mm。下图分别为列车车厢的结构网格、声学边界元网格、声学有限元网格和场点网格。

图1 列车车厢的结构网格、声学边界元网格、声学有限元网格和场点网格

    路面的轮轨激励经过转向架和空气弹簧，传递到车厢底板。计算采用了位移传感器记录的空气弹簧纵向和垂向的位移，其中采样总时间为16s。为精确模拟信号的加载，将位移曲线与空气弹簧的弹性模量相乘得到载荷时间曲线，在做FFT变换，得到空气弹簧接触点的载荷频谱曲线。以下两图分别为车厢地板与空气弹簧与接触区加载位置和垂直方向的载荷时间曲线。

图2 车厢地板与空气弹簧与接触区加载位置和垂直方向的载荷时间曲线。

    在LMSVirtualLab下的DSP模块中做FFT变换，设定最高频率为300Hz，得到幅频曲线，发现轮轨激励的振动幅值较大部分主要集中在低频段。以下两图分别为垂向和横向的载荷频谱曲线。

图3 垂向和横向的载荷频谱曲线

二、车厢结构模态分析

    在结构的尺寸比较大时，流体对结构的反作用力比较大，需要考虑流体与结构的耦合关系，计算结构模态。在VirtualLab11中已经可以调用结构求解器SAMCEF计算车厢结构模态。结构的模态主要取决于物理结构的质量分布、结构形状尺寸和结构的刚度。对车厢采用自由模态分析其固有特性，前六阶模态为刚体模态，不予考虑。下表为车厢结构的前60阶模态f（Hz）：