明線(xiàn)上與隧道內(nèi)高速列車(chē)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)噪聲源

譚曉明，余 振，譚曉星，楊志剛，高 宗

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.浙江森澤新材料有限公司，浙江 杭州 311222;4.上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108）

高速列車(chē)已經(jīng)成為中長(zhǎng)距離旅行的首選交通工具，對(duì)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和文化交流發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［1-2］。然而隨著運(yùn)行速度進(jìn)一步提高（300 km·h-1以上），高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲問(wèn)題變得尤為突出。

高速列車(chē)以低于350 km·h-1速度運(yùn)行時(shí)，沿線(xiàn)測(cè)點(diǎn)噪聲以偶極子噪聲為主［3-6］，而以600 km·h-1速度運(yùn)行時(shí)，靠近頭車(chē)的測(cè)點(diǎn)噪聲以偶極子噪聲為主，靠近尾車(chē)的測(cè)點(diǎn)噪聲以偶極子、四極子噪聲為主［7］。偶極子噪聲源可采用列車(chē)表面的脈動(dòng)壓力描述［8-10］，其與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。高速列車(chē)不同部件流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的誘發(fā)機(jī)制差異較大，因此氣動(dòng)發(fā)聲特征/機(jī)理也呈現(xiàn)多樣性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速列車(chē)氣動(dòng)發(fā)聲特征/機(jī)理開(kāi)展大量研究，主要結(jié)論有：①高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲源呈現(xiàn)分布式特征，主要分布在轉(zhuǎn)向架、受電弓、空調(diào)、風(fēng)擋等突出部位［11-12］，其中頭車(chē)1位轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲源強(qiáng)度顯著大于其他噪聲源［13］。②高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲沿線(xiàn)分布特征總體呈現(xiàn)“靠近頭車(chē)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲較大，而靠近尾車(chē)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲較小”的特征［14］。③受電弓的氣動(dòng)噪聲源主要分布在底架、3 個(gè)絕緣子、平衡梁、上臂框及下臂桿處，這些部件的聲源能量約占總能量的92%［15］；受電弓不同部位偶極子噪聲的優(yōu)勢(shì)頻率不相同，底架部位偏向低頻，弓頭部位偏向高頻［16］。④桿件處的氣流分離、渦脫落及其相互作用是受電弓氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的主要原因［15］；腔體的流動(dòng)模式與輪對(duì)、車(chē)軸等的鈍體流動(dòng)模式在狹小的轉(zhuǎn)向架艙內(nèi)相互交融，是轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理［13］；尾車(chē)的氣流分離及與旋轉(zhuǎn)方向相反的分離對(duì)渦結(jié)構(gòu)是列車(chē)尾流區(qū)氣動(dòng)噪聲主要產(chǎn)生機(jī)制［17-18］。目前高速列車(chē)氣動(dòng)發(fā)聲特征/機(jī)制研究工作主要集中于明線(xiàn)上，較少涉及明線(xiàn)上與隧道內(nèi)高速列車(chē)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)噪聲源特征的對(duì)比分析。隨著隧道內(nèi)高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲問(wèn)題逐漸凸顯，亟須明確明線(xiàn)上與隧道內(nèi)高速列車(chē)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)噪聲源特征的差異性，以便治理隧道內(nèi)高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲。并且，由于受隧道環(huán)境限制，隧道內(nèi)高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲研究較難采用實(shí)車(chē)試驗(yàn)、聲學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)，只能借助數(shù)值仿真工具。然而高速列車(chē)在隧道內(nèi)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲聲壓遠(yuǎn)小于壓縮波和膨脹波壓力，這使得隧道內(nèi)高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬中聲波往往被壓縮波或者膨脹波埋沒(méi)，從而無(wú)法精確模擬隧道內(nèi)高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲。

本文在成熟的明線(xiàn)上高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲計(jì)算模型基礎(chǔ)上，建立隧道內(nèi)高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲計(jì)算模型，研究隧道內(nèi)高速列車(chē)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與本體氣動(dòng)噪聲源相對(duì)明線(xiàn)上的差異。

1 數(shù)值計(jì)算模型

由于無(wú)限長(zhǎng)隧道可消除壓縮波和膨脹波對(duì)高速列車(chē)附近聲場(chǎng)的污染，因此隧道內(nèi)高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲計(jì)算模型采用無(wú)限長(zhǎng)隧道。

基于成熟的明線(xiàn)上高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲計(jì)算模型，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent建立隧道內(nèi)高速列車(chē)精細(xì)化氣動(dòng)噪聲計(jì)算模型時(shí)，采用吹風(fēng)法解決無(wú)限長(zhǎng)隧道內(nèi)高速列車(chē)的氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬問(wèn)題。計(jì)算模型采用可壓縮大渦模型，以便進(jìn)行精確模擬；邊界條件采用聲學(xué)無(wú)反射邊界條件，以有效吸收入射波，避免入射波在邊界反射形成二次波污染。

采用的高速列車(chē)幾何模型為某高速列車(chē)3 車(chē)編組、帶轉(zhuǎn)向架、無(wú)受電弓的1∶8 縮比模型，車(chē)長(zhǎng)為9.95 m，車(chē)高為0.51 m，車(chē)寬為0.42 m。

隧道內(nèi)數(shù)值計(jì)算模型的計(jì)算域橫截面為半圓形（如圖1所示），其半徑為0.86 m，面積為1.56 m2，阻塞比為0.136，在縱向x方向，車(chē)頭至計(jì)算域入口即隧道入口距離為50 m，車(chē)尾至流域出口即隧道出口距離為100 m。在橫向y方向，整個(gè)計(jì)算域關(guān)于列車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)面對(duì)稱(chēng)。輪對(duì)最底端距地面約為0.025 m。計(jì)算域入口設(shè)為壓力入口與無(wú)反射邊界條件，計(jì)算域出口設(shè)為壓力出口與無(wú)反射邊界條件。地面與隧道壁面設(shè)為滑移固壁邊界，滑移速度與來(lái)流速度（350 km·h-1）一致。模型中列車(chē)表面設(shè)為無(wú)滑移固壁邊界條件，速度為0。網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格合理性分析見(jiàn)參考文獻(xiàn)［13］。

圖1 隧道內(nèi)計(jì)算域示意圖

明線(xiàn)上穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算采用Realizable-k-ε湍流模型與增強(qiáng)壁面函數(shù)方法（Enhanced Wall Treat?ment）相結(jié)合的流場(chǎng)計(jì)算方案，隧道內(nèi)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算采用sst k-omega 模型；二者瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算均采用基于Smagorimsky Lilly 的可壓縮LES 湍流模型。穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果為瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算提供較好的初場(chǎng)，瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算輸出車(chē)體表面脈動(dòng)壓力，并將其用于計(jì)算車(chē)體表面噪聲源聲功率。

2 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

準(zhǔn)確計(jì)算高速列車(chē)車(chē)體表面脈動(dòng)壓力是高速列車(chē)聲場(chǎng)計(jì)算的關(guān)鍵，而準(zhǔn)確計(jì)算高速列車(chē)表面脈動(dòng)壓力需要精確地模擬高速列車(chē)周?chē)}動(dòng)流場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō)，評(píng)判脈動(dòng)流場(chǎng)的模擬精確程度，需要綜合考慮0 階、1 階、2 階物理量的全場(chǎng)計(jì)算精度和渦結(jié)構(gòu)捕捉能力。渦量是氣流速度的旋度，即速度1階導(dǎo)數(shù)的線(xiàn)性函數(shù)。Q值為渦量張量與應(yīng)變率張量二范數(shù)的平方差（見(jiàn)式1），可以較好地識(shí)別高速列車(chē)周?chē)臏u結(jié)構(gòu)。因此，通過(guò)速度、渦量與Q值3個(gè)物理量可揭示明線(xiàn)上與隧道內(nèi)高速列車(chē)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的差異。為便于考核，對(duì)速度幅值與渦量幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。統(tǒng)計(jì)樣本時(shí)間跨度為0.1 s。

式中：‖Ω‖為渦量張量的模；‖S‖為應(yīng)變率張量的模。

2.1 速度幅值

從列車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)面和距離地面0.05 m 等高面的速度幅值平均值分布整體和局部放大云圖，可對(duì)比高速列車(chē)隧道內(nèi)與明線(xiàn)上流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的差異，分別如圖2 與圖3 所示（二者色圖版相同）。圖中：區(qū)域1 為頭車(chē)鼻尖區(qū)域；區(qū)域2 為3 位轉(zhuǎn)向架區(qū)域；區(qū)域3 為5 位轉(zhuǎn)向架區(qū)域；區(qū)域4 為列車(chē)尾部區(qū)域。

由圖2和圖3可知如下結(jié)果。

（1）靠近頭車(chē)鼻尖上游區(qū)域。高速列車(chē)無(wú)論是在隧道內(nèi)還是在明線(xiàn)上運(yùn)行，在該區(qū)域均形成具有類(lèi)似形狀的滯止區(qū)，但是在隧道內(nèi)的滯止區(qū)體積明顯小于明線(xiàn)上。

圖2 列車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)面速度幅值平均值分布云圖

圖3 距離地面0.05 m等高面速度幅值平均值分布云圖

（2）頭車(chē)排障器下游車(chē)底空間。高速列車(chē)在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行，在該區(qū)域均出現(xiàn)1列并不相連的塊狀加速區(qū)，它們均由排障器尖點(diǎn)擾動(dòng)與車(chē)底/地面擠壓效應(yīng)綜合作用而形成，然而它們的速度幅值不相同，隧道內(nèi)約為明線(xiàn)上的1.2倍。

（3）6 個(gè)轉(zhuǎn)向架及其下游車(chē)下空間區(qū)域。高速列車(chē)在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行，在該區(qū)域均發(fā)現(xiàn)條帶狀的低速區(qū)，它們均是由轉(zhuǎn)向架艙導(dǎo)邊處脫落的剪切流被轉(zhuǎn)向架分割形成；相對(duì)于在明線(xiàn)上，隧道內(nèi)的氣流速度幅值偏大，并且氣流摻混效應(yīng)偏強(qiáng)。

（4）頭/尾車(chē)流線(xiàn)型肩部上方區(qū)域及頭車(chē)鼻尖下游2 側(cè)車(chē)體周?chē)鷧^(qū)域。高速列車(chē)在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)，在該區(qū)域均表現(xiàn)出局部加速效應(yīng)，然而隧道內(nèi)的加速效應(yīng)明顯強(qiáng)于明線(xiàn)上。

（5）頭車(chē)流線(xiàn)型肩部至尾車(chē)流線(xiàn)型肩部的車(chē)體2 側(cè)及上方區(qū)域。高速列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，在該區(qū)域呈現(xiàn)較強(qiáng)的加速效應(yīng)，氣流速度約為自由來(lái)流速度的1.2 倍，而在明線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)呈現(xiàn)微弱的加速效應(yīng)，只是在車(chē)體2 側(cè)低速區(qū)外圍出現(xiàn)1 列并不相連的相對(duì)較強(qiáng)的塊狀加速區(qū)；另外，高速列車(chē)隧道內(nèi)的邊界層厚度明顯小于明線(xiàn)上。

（6）尾車(chē)鼻尖下游區(qū)域。高速列車(chē)在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)，在該區(qū)域均形成紊度較高的回流區(qū)，回流區(qū)內(nèi)不同速度等級(jí)的低速區(qū)相互嵌套，并且在回流區(qū)2 側(cè)外圍區(qū)域出現(xiàn)1 列并不相連的塊狀加速區(qū)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的摻混效應(yīng)；相對(duì)于明線(xiàn)上，隧道內(nèi)回流區(qū)向2 側(cè)發(fā)展的速度相對(duì)較快些，當(dāng)回流區(qū)發(fā)展到隧道壁面時(shí)，受到隧道壁面的擠壓作用，致使在回流區(qū)里面出現(xiàn)塊狀加速區(qū)和更多條帶狀的低速區(qū)，從而氣流的摻混效應(yīng)變得更強(qiáng)，隧道內(nèi)回流區(qū)長(zhǎng)度變得更長(zhǎng)，約為明線(xiàn)上的1.7倍。

2.2 渦量幅值

列車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)面和距離地面0.05 m 等高面的渦量幅值平均值分布云圖分別如圖4 與圖5 所示（二者色圖版相同）。

圖4 列車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)面的渦量幅值平均值分布云圖

圖5 距離地面0.05 m等高面的渦量幅值平均值分布云圖

由圖4 與圖5 可知：高速列車(chē)在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)的渦量幅值分布規(guī)律比較一致，例如轉(zhuǎn)向架區(qū)域、頭車(chē)排障器區(qū)域與尾流區(qū)等為強(qiáng)渦量區(qū)域，其中轉(zhuǎn)向架區(qū)域的渦量幅值要比尾流區(qū)大1個(gè)數(shù)量級(jí)，1 位轉(zhuǎn)向架區(qū)域的強(qiáng)渦量分布區(qū)域明顯大于其他轉(zhuǎn)向架區(qū)域；高速列車(chē)在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)的強(qiáng)渦量分布區(qū)域外形近似一致，例如轉(zhuǎn)向架區(qū)域的強(qiáng)渦量分布區(qū)域外形均為條帶狀，與該區(qū)域的低速區(qū)外形近乎一致；車(chē)體兩側(cè)強(qiáng)渦量分布區(qū)域外形均凹凸不平，且該區(qū)域內(nèi)的低速區(qū)與高速區(qū)交替分布；尾流區(qū)的強(qiáng)渦量區(qū)外形均以條帶狀占主導(dǎo)，并且各強(qiáng)渦量區(qū)域外形并不連續(xù)，相互之間以弱渦量區(qū)域連接。

然而，高速列車(chē)在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行的渦量幅值差異較大，例如在1位轉(zhuǎn)向架區(qū)域，隧道內(nèi)強(qiáng)渦量區(qū)域的空間體積明顯大于明線(xiàn)上，尤其是轉(zhuǎn)向架艙導(dǎo)邊脫落的強(qiáng)渦量自由流區(qū)域；在尾車(chē)流線(xiàn)型肩部區(qū)域，隧道內(nèi)渦量幅值比明線(xiàn)上大1 個(gè)數(shù)量級(jí)；在車(chē)體2 側(cè)區(qū)域，隧道內(nèi)強(qiáng)渦量區(qū)域外緣凹凸不平的外形尺寸大于明線(xiàn)上；在尾流區(qū)，相對(duì)于明線(xiàn)上，隧道內(nèi)強(qiáng)渦量區(qū)向2 側(cè)發(fā)展的速度比較快，并且當(dāng)隧道內(nèi)強(qiáng)渦量區(qū)發(fā)展到隧道壁面時(shí)，由于隧道壁的擠壓作用，導(dǎo)致中心區(qū)內(nèi)強(qiáng)渦量區(qū)域外形尺寸偏大。

2.3 Q值

高速列車(chē)分別在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)的渦結(jié)構(gòu)空間分布如圖6 所示，圖中采用圖4 的色圖版著色。由圖6可知：高速列車(chē)在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)均具有類(lèi)似的渦結(jié)構(gòu)分布規(guī)律，頭車(chē)與中車(chē)的2側(cè)上部的渦結(jié)構(gòu)可以忽略不計(jì)；在靠近頭車(chē)排障器的車(chē)底產(chǎn)生體積較大、速度較快的泡沫狀渦結(jié)構(gòu)，向下游移動(dòng)過(guò)程中相互融合很快發(fā)展成渦頭型蠕蟲(chóng)渦；在轉(zhuǎn)向架區(qū)域產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)主要為渦頭型蠕蟲(chóng)渦，轉(zhuǎn)向架艙導(dǎo)邊產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)隨著氣流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向架后，與轉(zhuǎn)向架脫落的渦結(jié)構(gòu)相互融合，在隨邊形成尺度更大、強(qiáng)度更強(qiáng)的渦結(jié)構(gòu)，并隨著氣流向下游車(chē)體2 側(cè)排放，其中部分渦頭型蠕蟲(chóng)渦逐漸發(fā)展成渦腳型蠕蟲(chóng)渦；在尾車(chē)流線(xiàn)型2 側(cè)區(qū)域產(chǎn)生不同尺度的渦結(jié)構(gòu)，其中靠近地面區(qū)域的渦結(jié)構(gòu)主要為渦頭型蠕蟲(chóng)渦，而遠(yuǎn)離地面區(qū)域的渦結(jié)構(gòu)為渦腳型蠕蟲(chóng)渦；在回流區(qū)產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)主要為渦腳型蠕蟲(chóng)渦，可以明顯觀察到1對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦腳型蠕蟲(chóng)渦，并隨著氣流向2 側(cè)運(yùn)動(dòng)；相對(duì)于在明線(xiàn)上，高速列車(chē)在隧道內(nèi)產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更強(qiáng)，回流區(qū)渦結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)距離更長(zhǎng)，需要注意的是靠近地面車(chē)體2 側(cè)出現(xiàn)1 列渦腳型蠕蟲(chóng)渦，其外形與強(qiáng)渦量外形比較一致。

圖6 渦結(jié)構(gòu)空間分布（Q=2×105/（1·s-2））

綜上所述，高速列車(chē)在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)具有類(lèi)似流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征，但在隧道內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺度和強(qiáng)度均比在明線(xiàn)上大。

3 氣動(dòng)噪聲源

3.1 強(qiáng)度特征

列車(chē)表面脈動(dòng)壓力時(shí)間梯度均方根可表征采樣時(shí)間內(nèi)偶極子聲源強(qiáng)度平均值，為

式中：T為采樣時(shí)間；p為脈動(dòng)壓力。

為定性地對(duì)比隧道內(nèi)與明線(xiàn)上高速列車(chē)表面分布規(guī)律的差異性，得到列車(chē)表面偶極子噪聲源強(qiáng)度平均值云圖如圖7所示。

圖7 列車(chē)表面偶極子聲源強(qiáng)度分布云圖

由圖7 可見(jiàn)：①高速列車(chē)在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)均具有類(lèi)似的氣動(dòng)噪聲聲源強(qiáng)度分布規(guī)律，如：車(chē)體頂部與2 側(cè)（除開(kāi)尾車(chē)流線(xiàn)型2 側(cè)）的聲源強(qiáng)度可以忽略不計(jì)，而靠近頭車(chē)排障器的車(chē)底、轉(zhuǎn)向架、轉(zhuǎn)向架艙、靠近轉(zhuǎn)向架艙的2 側(cè)車(chē)體、尾車(chē)流線(xiàn)型車(chē)體2 側(cè)表面的聲源強(qiáng)度較強(qiáng)；轉(zhuǎn)向架艙隨邊的聲源強(qiáng)度明顯強(qiáng)于導(dǎo)邊；1 位轉(zhuǎn)向架區(qū)域聲源強(qiáng)度明顯強(qiáng)于其他轉(zhuǎn)向架區(qū)域；轉(zhuǎn)向架后輪對(duì)聲源強(qiáng)度明顯強(qiáng)于前輪對(duì)。②相對(duì)于在明線(xiàn)上，高速列車(chē)在隧道內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度更強(qiáng)、范圍更廣的氣動(dòng)噪聲源。值得注意的是，頭車(chē)排障器與前擋玻璃下部的氣動(dòng)噪聲在明線(xiàn)上可以忽略不計(jì)，然而在隧道內(nèi)呈現(xiàn)較強(qiáng)特性，不可忽略。

通過(guò)等效聲源聲功率（計(jì)算式［17，19，20］見(jiàn)式（3），可定量對(duì)比隧道內(nèi)與明線(xiàn)上高速列車(chē)各部件氣動(dòng)噪聲源能量占明線(xiàn)整車(chē)氣動(dòng)噪聲源能量的百分比，如圖8所示。

式中：Wsource為等效聲源聲功率；y為聲源空間坐標(biāo)矢量；為列車(chē)表面脈動(dòng)壓力時(shí)間梯度；S為噪聲源面積。

圖8 隧道內(nèi)與明線(xiàn)上高速列車(chē)各部件噪聲源能量統(tǒng)計(jì)百分比

由圖8 可見(jiàn)：相對(duì)于明線(xiàn)上，隧道內(nèi)高速列車(chē)各部件等效聲源聲功率均增大，只是不同部件的等效聲源聲功率增長(zhǎng)幅度不一致，例如隧道內(nèi)整車(chē)、1 位轉(zhuǎn)向架、頭車(chē)流線(xiàn)型車(chē)底及中間車(chē)上部的等效聲源聲功率分別約為明線(xiàn)上的3.2倍、1.6倍、2.7倍和4.2 倍；相對(duì)于明線(xiàn)上，隧道內(nèi)車(chē)下部位的等效聲源聲功率增加幅度約為1.7 倍，而車(chē)上部位增加幅度約為3.0 倍。因此，相對(duì)于明線(xiàn)上，雖然隧道內(nèi)的活塞效應(yīng)明顯增加車(chē)下部位的等效聲源聲功率，但是它對(duì)車(chē)上部位等效聲源聲功率增加幅度的影響更顯著。

3.2 頻率特征

按照1/3 倍頻程，統(tǒng)計(jì)明線(xiàn)上與隧道內(nèi)整車(chē)、1 位轉(zhuǎn)向架、頭車(chē)流線(xiàn)型車(chē)底及中間車(chē)上部的各頻段等效聲源聲功率分別占明線(xiàn)上整車(chē)等效聲源聲功率的百分比如圖9所示。圖中，統(tǒng)計(jì)的頻率范圍為16～10 000 Hz。

由圖9 可見(jiàn)：隧道內(nèi)與明線(xiàn)上的整車(chē)等效聲源聲功率譜型均呈現(xiàn)峰值與寬頻特性；明線(xiàn)上整車(chē)等效聲源聲功率曲線(xiàn)包含400 和630 Hz 這2 個(gè)主峰值頻率，而隧道內(nèi)的包含400 和800 Hz 這2 個(gè)主峰值頻率；明線(xiàn)上1位轉(zhuǎn)向架等效聲源聲功率曲線(xiàn)包含630 Hz 這1 個(gè)主峰值頻率，而隧道內(nèi)的包含400 和630 Hz這2個(gè)峰值頻率主峰值頻率；明線(xiàn)上頭車(chē)流線(xiàn)型車(chē)底等效聲源聲功率曲線(xiàn)包含800 Hz這1個(gè)主峰值頻率，而隧道內(nèi)的包含400 和800 Hz 這2 個(gè)主峰值頻率；明線(xiàn)上與隧道內(nèi)中間車(chē)上部等效聲源聲功率曲線(xiàn)均只包含400 Hz這1個(gè)主峰值頻率。表明隧道內(nèi)活塞效應(yīng)能一定程度改變列車(chē)聲源峰值特征。

相對(duì)于明線(xiàn)上，隧道內(nèi)整車(chē)、1 位轉(zhuǎn)向架、頭車(chē)流線(xiàn)型車(chē)底及中間車(chē)上部的等效聲源聲功率曲線(xiàn)分 別 在160～2 000，315～2 000，200～1 600 和250～2 000 Hz 頻率范圍內(nèi)增幅顯著，尤其在這些頻率范圍的主峰值頻率附近增幅顯著，而在其他頻率范圍增幅不明顯；表明隧道內(nèi)活塞效應(yīng)并不是在全頻率范圍增加等效聲源聲功率，而是在包含峰值頻率較狹窄的頻率范圍內(nèi)顯著地增加等效聲源聲功率。

綜上所述，隧道內(nèi)高速列車(chē)等效聲源聲功率的分布規(guī)律、強(qiáng)度特征與頻率特征只能在一定程度上參考明線(xiàn)上的結(jié)果。

4 關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)隧道內(nèi)與明線(xiàn)上高速列車(chē)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)噪聲源對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)如下結(jié)果。

圖9 隧道內(nèi)與明線(xiàn)上聲源能量頻譜曲線(xiàn)

（1）無(wú)論是在隧道內(nèi)還是在明線(xiàn)上，高速列車(chē)的主要聲源能量部位均位于低/高速?gòu)?qiáng)渦量區(qū)，而低/高速?gòu)?qiáng)渦量區(qū)正是渦結(jié)構(gòu)聚集區(qū)；

（2）轉(zhuǎn)向架艙隨邊的聲源強(qiáng)度與渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均明顯強(qiáng)于導(dǎo)邊；

（3）相對(duì)于明線(xiàn)上，隧道內(nèi)尾車(chē)2 側(cè)的強(qiáng)渦量區(qū)域范圍更大，且隧道內(nèi)尾車(chē)的較強(qiáng)聲源部位的范圍也更大；

（4）隧道內(nèi)車(chē)下區(qū)域的氣流速度更大、渦量更強(qiáng)，尤其是頭車(chē)車(chē)下區(qū)域；隧道內(nèi)車(chē)底的聲源能量增大幅度顯著。

從這些發(fā)現(xiàn)不難得出：高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲源強(qiáng)度分布與是否位于強(qiáng)渦量區(qū)域或者渦結(jié)構(gòu)的聚集區(qū)密切相關(guān)，渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越強(qiáng)，強(qiáng)渦量區(qū)域范圍越廣，則高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲源強(qiáng)度更強(qiáng)，較強(qiáng)的聲源分布的區(qū)域范圍也更廣。

5 結(jié) 論

（1）高速列車(chē)在隧道內(nèi)與明線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)具有類(lèi)似的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征，但隧道內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺度和強(qiáng)度均比明線(xiàn)上大。隧道內(nèi)頭車(chē)排障器尖點(diǎn)擾動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度約為明線(xiàn)上的2.0 倍，列車(chē)尾流區(qū)長(zhǎng)度約為明線(xiàn)上的1.7倍。

（2）相對(duì)于明線(xiàn)上，隧道內(nèi)高速列車(chē)各部件等效聲源聲功率均增大，只是不同部件的等效聲源聲功率增長(zhǎng)幅度不一致，例如隧道內(nèi)整車(chē)、1 位轉(zhuǎn)向架、頭車(chē)流線(xiàn)型車(chē)底及中間車(chē)上部的等效聲源聲功率分別約為明線(xiàn)上的3.2 倍、1.6 倍、2.7 倍和4.2倍。

（3）隧道內(nèi)活塞效應(yīng)并不是在全頻率范圍增加等效聲源聲功率，而是在包含峰值頻率較狹窄的頻率范圍顯著地增加等效聲源聲功率。