高速列車氣動噪聲及影響

袁 磊，李人憲

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

隨著列車運行速度的提高，許多在低速時被忽略的問題都日漸突出，并且在很大程度上影響著列車的提速。車速提高，作用在列車車身的空氣脈動壓力波動也顯著增加，氣動噪聲變得越來越明顯。研究表明，高速列車氣動噪聲的大小主要取決于列車的運行速度v，氣動噪聲聲壓大約正比于v6～v8。因此，隨著列車運行速度的提高，氣動噪聲將急劇增加。當(dāng)列車的運行速度達(dá)到300km／h時，產(chǎn)生的氣動噪聲將超過輪軌噪聲，成為高速列車的主要噪聲源。所以，高速列車的氣動噪聲對環(huán)境有著不可忽視的影響，降低氣動噪聲已成為控制高速列車噪聲的關(guān)鍵問題之一［1］。

本文采用計算流體力學(xué)流場大渦模擬方法結(jié)合Lighthill聲類比理論，對高速列車外流場進(jìn)行數(shù)值模擬計算，以得出車體表面氣動偶極子聲源分布情況，以此為聲源邊界條件，利用直接邊界元法對聲學(xué)方程進(jìn)行求解，以對高速列車遠(yuǎn)場氣動噪聲的傳播情況進(jìn)行計算分析。

1 氣動聲學(xué)理論

1952年，Lighthill在沒作任何簡化和假定的前提下，通過流體運動方程，得到自由空間中流場聲波運動與流場參數(shù)之間關(guān)系的Lighthill波動方程：

其中：Tij為Lighthill張量；ρ為流場密度；ρ′為流場密度脈動量，ρ′＝ρ－ρ0，ρ0為未受擾動時流場密度或其均值；▽為 Hamilton算子；vi、vj分別為i、j方向流體速度分量；δij為流體張量；pij＝（p－p0）δij－σij，σij為流體的黏性應(yīng)力張量，p為流場壓力，p0為未受擾動時流場壓力或其均值；c0為聲音在勻質(zhì)介質(zhì)中的傳播速度。

方程（1）將流場參數(shù)與聲場參數(shù)分立于方程的兩側(cè)，為流場和聲場的解耦分析建立了基礎(chǔ)。1955年，Curle將Lighthill方程進(jìn)行推廣，得到考慮流場中存在固壁邊界影響的更一般的方程的解，即Lighthill－Curle解形式。1966年，F(xiàn)fowcs Williams和 Hawkings將Curle的研究成果擴(kuò)展到運動固體邊界，并按Lighthill方程的推導(dǎo)方法，得出FW－H方程：

其中：p′為流場壓力脈動量，p′＝p－p0；δ（f）為狄拉克函數(shù)；函數(shù)f用來描述無限空間中的外部流場問題。

1974年，Goldstein拓展了FW－H方程，得到了流場發(fā)聲聲源更清晰的解形式［2］：其中：函數(shù)G為格林函數(shù)；vn為垂直于表面方向上的速度分量；ρ（x，t）為點x處t時刻的密度；ρ′（x，t）為點x在t時刻的密度脈動量；V、S分別為體積分、面積分。

式（3）中，等式右邊A項為存在于運動固體表面之外的四極子聲源項；B項為由固體表面氣體脈動壓力引起的偶極子聲源項；C項為由固體表面垂直運動引起的單極子聲源項。

單極子聲源強度與車體表面垂向速度有關(guān)，而車體表面可近似看作是剛性的，垂向運動速度幾乎為零，故單極子聲源的影響可忽略不計。四極子聲源強度與偶極子聲源強度之比正比于馬赫數(shù)的平方，本文研究車速為300km／h，此時的偶極子聲源強度遠(yuǎn)強于四極子聲源，故四極子聲源也可以忽略。

2 車體表面偶極子聲源

偶極子聲源的計算需求解列車在一定速度下運行時其周圍的流場參數(shù)，得出車體附近氣體脈動壓力，再通過傅立葉變換得到不同頻域下的列車表面偶極子聲源強度［3－6］。由于聲學(xué)計算的精度要求邊界網(wǎng)格大小不得超過最小計算波長的1／6，針對人耳對1kHz～3 kHz的頻率范圍聲音最為靈敏并考慮到目前計算機(jī)的計算能力，本文分析最高頻率為2 000Hz，并取頭車和尾車建立計算模型，如圖1所示。

圖1 CRH2型高速列車幾何模型

采用大渦模擬湍流模型，對時速為300km／h的列車外部非定常流場進(jìn)行仿真計算。將流場動態(tài)計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成車體表面偶極子聲源強度分布，如圖2所示。從圖2可見，最大聲壓級（105dB）出現(xiàn)在頭車底部轉(zhuǎn)向架附近；車頭與車身過渡曲面區(qū)域和車身中段的氣流分離附著區(qū)湍流強度較大，其聲源聲壓級也較大，為69dB～89dB。在速度相同的條件下，其他頻率車身表面偶極子聲源的分布規(guī)律也基本一致，但隨著頻率的升高聲源聲壓級有所下降。

圖2 車身表面偶極子聲源分布（1 000Hz，300km／h）

3 列車聲源輻射場及周邊環(huán)境噪聲分析

將空氣密度設(shè)定為1．225kg／m3，聲速為340m／s，在300km／h速度下高速列車表面分布的偶極子聲源作為邊界條件，利用直接邊界元，計算出列車外部輻射聲場的聲壓級分布情況。列車縱向?qū)ΨQ面上1 000 Hz和2 000Hz的聲壓分布情況如圖3所示。從圖3中可以看出：①車體表面偶極子聲源在縱向?qū)ΨQ面上輻射主要在與對稱面成20°～160°夾角區(qū)間內(nèi)；②頻率越低，縱向?qū)ΨQ面上聲源輻射方向與地面夾角越大，聲壓越高。

圖3 列車周邊噪聲輻射聲級場

國標(biāo)規(guī)定我國鐵路邊界（距鐵路外側(cè)軌道中心線30m處）噪聲限值為70dB（A），其測點位于距鐵路外側(cè)軌道中心線30m 處，高1．2m［7］。在300km／h的時速下，離鐵路中心線不同距離高1．2m處每隔2m取1個測點，共35個測點，在不同頻率下的最大A計權(quán)聲壓分布見表1。

表1 距軌道中心不同距離最大聲壓分布數(shù)據(jù) dB（A）

由表1可見：同一頻率下，隨著離軌道中心距離的增加，最大聲壓值降低，頻率越高，聲壓衰減越明顯；不同頻率下，距離中心線相同距離的噪聲聲壓也不相同，頻率越高聲壓越低；在國標(biāo)規(guī)定測點處，最高A計權(quán)聲壓出現(xiàn)在500Hz頻率下，為70．18dB，超過國標(biāo)限值，因此控制鐵路沿線氣動噪聲十分必要。

4 聲屏障對列車氣動噪聲外輻射場影響分析

距離軌道中心線5m處有、無聲屏障時列車頭部橫斷面輻射聲場如圖4～圖6所示。對比可知：①添加聲屏障之后，最大聲壓值都有所升高，增加范圍在2 dB～5dB，屏障內(nèi)側(cè)車身周圍聲壓值都有所上升；②聲屏障對低頻噪聲傳播規(guī)律影響不是很明顯；③添加聲屏障之后噪聲沿屏障頂部向外輻射，導(dǎo)致屏障外側(cè)近地面聲壓降低，其中5 00Hz～1 000Hz噪聲受阻最為明顯。

為研究聲屏障對鐵路沿線氣動噪聲的影響，本文著重分析不同頻率下鐵路邊界氣動噪聲分布情況。為降低死點對結(jié)果的影響，對鐵路邊界沿線70m范圍內(nèi)的35個測點的聲壓取平均值得到平均聲壓及最大聲壓，見表2。

由表2可見：添加聲屏障后，沿線聲壓在100Hz～2 000Hz都有所下降，平均聲壓降低在3dB～12dB，其中，500Hz～1 500Hz頻率段聲壓降低最為明顯，在1 000Hz聲壓降低最大，最高聲壓降低11dB；在添加聲屏障后，100Hz時隔音效果不明顯，最高聲壓為77．09dB，也超過了國標(biāo)限值。

圖4 500Hz時車頭橫斷面上噪聲輻射聲級場

圖5 1 000Hz時車頭橫斷面上噪聲輻射聲級場

5 結(jié)論

從Lighthill聲類比理論出發(fā)，采用計算流體力學(xué)與邊界元相結(jié)合的計算方法，對列車外部氣動噪聲場的輻射聲壓分布規(guī)律以及聲屏障對其輻射規(guī)律的影響進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：

（1）列車高速運行時，表面產(chǎn)生的偶極子聲源主要集中在湍流強度較大部位，因此，降低列車運行時表面湍流強度能夠在根源上減少氣動噪聲的產(chǎn)生。

（2）鐵路周邊距離軌道中心線越遠(yuǎn)，最大聲壓值越低，頻率越高，衰減越明顯；當(dāng)列車在時速300km／h運行時，在鐵路邊界500Hz頻率氣動噪聲已達(dá)到70．18dB，超過國標(biāo)限值70dB，頻率越低，最高聲壓值越高；氣動噪聲將對鐵路周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響，控制高速鐵路氣動噪聲對周邊環(huán)境影響很有必要。

圖6 2 000Hz時車頭橫斷面上噪聲輻射聲級場

表2 鐵路邊界測點在有、無聲屏障時不同頻率下的聲壓

（3）聲屏障對低頻噪聲的傳播路徑影響不大，低頻噪聲更容易繞射。

（4）聲屏障能使鐵路邊界100Hz到2 000Hz的氣動噪聲聲壓降低3dB～12dB，最高聲壓能夠降低11dB左右，在一定程度上降低了氣動噪聲對鐵路沿線的影響。

（5）聲屏障在降低鐵路沿線噪聲的同時也會使得屏障與列車之間的噪聲值上升，這可能使列車內(nèi)噪增加，車內(nèi)舒適度下降。

［1］ Talotte C．Aerodynamie noise：a cirtieal survey［J］．Journal of Sound and Vibration，2000，231；549－562．

［2］ Goldstein Ｍ Ｅ．Aeroacoustics［M］．New york：McGraw－Hill International Book Company，1976．

［3］ 李增剛．SYSNOISE Rev5．6詳解［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2005．

［4］ 鄭拯宇，李人憲．高速流線型車輛穩(wěn)態(tài)下速度風(fēng)噪聲源數(shù)值分析［J］．重慶工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，23（6）：1－4．

［5］ 夏恒，宮鎮(zhèn)．關(guān)于高速車輛內(nèi)部氣流噪聲計算方法的研究［J］．汽車工程，2003，25（1）．79－81．

［6］ 鄭拯宇，李人憲．高速車輛外部氣動噪聲場數(shù)值模擬研究［D］．成都：西南交通大學(xué)，2010：24－59．

［7］ 國家環(huán)境保護(hù)局．GB12525—90鐵路邊界噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)及其測量方法［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：1－5．