高速動車組風(fēng)笛遠(yuǎn)場輻射聲預(yù)測研究

趙艷菊 林 鵬 帥仁忠 陳 艷

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

高速列車的風(fēng)笛放置于頭車內(nèi)部，當(dāng)進(jìn)出隧道等工況時，司機(jī)會鳴笛對鐵路兩邊的行人以警告，但是風(fēng)笛聲的大小需要滿足TBT 3051.2-2009標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)笛的發(fā)聲參數(shù)、風(fēng)笛的安裝位置等設(shè)計因素，都會影響車外風(fēng)笛聲的大小。本文通過采用Virtual.lab聲學(xué)間接邊界元方法，根據(jù)高速動車組提供的風(fēng)笛參數(shù)以及頭車司機(jī)室部分的幾何模型，對風(fēng)笛發(fā)出的遠(yuǎn)場聲壓進(jìn)行預(yù)測，并與實測結(jié)果進(jìn)行對比分析，預(yù)測結(jié)果與測試結(jié)果基本吻合，因此通過聲學(xué)仿真可以有效指導(dǎo)風(fēng)笛選型以及安裝位置等方案的設(shè)計。

1 仿真建模

1.1 風(fēng)笛聲源等效

目前高速動車組的風(fēng)笛分為370Hz的高音低頻和660Hz的低音高頻兩組，每組都由兩個風(fēng)笛組成，具體參數(shù)為：高音低頻風(fēng)笛：(370±10)Hz，當(dāng)空氣壓力為8kg/cm2，在距風(fēng)笛口30m測量時，音壓為112～114dB；低音高頻風(fēng)笛：(660±15)Hz，當(dāng)空氣壓力為8kg/cm2，在距風(fēng)笛口30m測量時，音壓為104～107dB。以上提供的風(fēng)笛參數(shù)只是在30m和5m的聲壓測量值，不能直接作為聲源輸入?yún)?shù)進(jìn)行風(fēng)笛遠(yuǎn)場輻射聲壓的計算，需要對風(fēng)笛進(jìn)行聲源等效。

根據(jù)點聲源定義，當(dāng)聲源半徑遠(yuǎn)小于聲波波長，或者聲源尺寸遠(yuǎn)小于測點到聲源的距離時，可將該聲源近似為點聲源。動車風(fēng)笛型式試驗標(biāo)準(zhǔn)為在距離軌面1.2m、頭車頭部5m和30m處進(jìn)行測量。風(fēng)笛尺寸0.43m遠(yuǎn)小于5m的測量距離，因此可以將風(fēng)笛視為點聲源。

點聲源的衰減計算公式為：

ΔL=10lg(1/4πr2)

(1)

式中r為點聲源和測量點之間的距離，根據(jù)公式(1)，計算得出輸入點聲源的聲壓如表1所示。

表1 計算模型點聲源輸入聲壓值

1.2 仿真建模

高速動車組的風(fēng)笛安裝在列車頭部開閉罩內(nèi)，因此計算風(fēng)笛的遠(yuǎn)場噪聲需要根據(jù)頭車司機(jī)室部分的幾何參數(shù)建立頭車的聲學(xué)模型，圖1為頭車前部的幾何模型，圖2為根據(jù)提供的幾何模型建立的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

圖1 高速動車組司機(jī)室頭部幾何模型

圖2 根據(jù)提供的幾何模型建立的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

2 風(fēng)笛聲遠(yuǎn)場計算

2.1 聲學(xué)間接邊界元方法

聲學(xué)間接邊界元可以同時計算網(wǎng)格的外聲場和內(nèi)聲場，計算的聲腔可以是封閉的也可以是非封閉的。由于開閉罩有開口，不能構(gòu)成完整的封閉聲腔，因此計算模型采用聲學(xué)間接邊界元方法。聲學(xué)間接邊界元法，不僅需要結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格，還需要建立貼近于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格表面的聲腔面網(wǎng)格，圖3為根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格生成的聲腔面網(wǎng)格。

圖3 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲腔面網(wǎng)格

2.2 模型建立

高速動車組的風(fēng)笛安裝在頭車司機(jī)室隔墻與開閉罩之間，為了減小計算量，計算模型只取了司機(jī)室隔墻與開閉罩之間的蒙皮、骨架、排障器和下面的擋板部分。隔墻與蒙皮的連接部分采用的約束條件為簡支約束。地面采用Virtual.lab中的對稱面模型來模擬地面對聲音的反射作用，為了進(jìn)一步了解風(fēng)笛聲音的外場輻射情況，在頭車0-30m的橫向位置以及在5m和3m縱向位置都建立了場點相應(yīng)面。因為開閉罩開啟時風(fēng)笛的標(biāo)準(zhǔn)值滿足試驗大綱要求，所以仿真模型只建立了頭罩關(guān)閉狀態(tài)的風(fēng)笛遠(yuǎn)場聲壓預(yù)測模型，具體模型如圖4所示。

圖4 高速動車組風(fēng)笛聲遠(yuǎn)場預(yù)測模型

3 計算結(jié)果分析

對圖4所示的風(fēng)笛遠(yuǎn)場聲壓預(yù)測模型進(jìn)行仿真計算，得到遠(yuǎn)場的聲壓分布情況，圖5和圖6為風(fēng)笛遠(yuǎn)場聲壓的計算結(jié)果。從圖5可以看出，370Hz低頻高音風(fēng)笛隨著距離的增大，輻射的聲壓逐漸減小，呈階梯狀，符合低頻點聲源的聲輻射特性，而圖6中660Hz高頻低音風(fēng)笛，隨著距離的增大，輻射聲壓也逐漸減小，但是呈放射狀，這是因為高頻聲音的聲波較短，聲音的指向性較強(qiáng)，類似手電筒的光線輻射，表2為計算結(jié)果與測試結(jié)果的對比分析，從表中可以看出，仿真結(jié)果與測試結(jié)果誤差控制在2dB以內(nèi)，滿足工程需要。

圖5 370Hz低頻高音風(fēng)笛的計算結(jié)果

圖6 660Hz低頻高音風(fēng)笛的計算結(jié)果

距離(m)頻率(Hz)仿真結(jié)果(dB)測試結(jié)果(dB)5370107．9109．53037094．793．5

4 結(jié)論

本文通過采用Virtual.lab聲學(xué)間接邊界元方法，根據(jù)高速動車組提供的風(fēng)笛參數(shù)以及頭車司機(jī)室部分的幾何模型，對風(fēng)笛發(fā)出的遠(yuǎn)場聲壓進(jìn)行預(yù)測，并與實測結(jié)果進(jìn)行對比分析，仿真結(jié)果與測試結(jié)果誤差在2dB以內(nèi)，滿足工程需要，說明文中建立的聲學(xué)模型以及仿真方法的有效性，這樣通過仿真就可以指導(dǎo)新型動車組的風(fēng)笛選型以及安裝位置等方案的設(shè)計，減小了計算量，提高了工作效率。

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