声学包仿真技术在高速综合检测列车降噪设计上的应用与实践

通过计算机仿真技术进行车内动力舱声学特性的 用统计能量分析理论时，将车辆划分为若干个子系统，
定量分析与噪声级预估分析，其目的是在设计阶段就能 并假定各子系统之间的主要能量流是由结构共振或声
预估出车内噪声级，对车内声场的状况做出评价，进行 学模态引起的，即统 计 能 量 分 析 通 常 是 关 于 各 个 共 振
通过建立设备 舱各区域子系统的 ＳＴＬ 预 测 模 型 （图 ９），可 以 预 测 噪 声 传 递 损 失 性 能，确 定 各 部 分 材 料，也 可针对重点区域调
整不同的声学处理
机构。计算得到的 方 案 Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 的
图９ 子系统 ＳＴＬ 预测模型
噪声传递损失对比曲线见图 １０，可以看出，方案 Ｓ３ 在
摘 要：通过用于某高速检测车噪声分析和预测的统计能量分析（ＳＥＡ）模型的建立及分析，介 绍 了 高 速 列 车 声 学 包 仿 真 技 术 在 整 车 噪 声 分 析 中 的 应 用 ，为 声 学 包 仿 真 技 术 在 高 速 列 车 中 的 设 计 应 用 开 拓 了 新 思 路 。
关 键 词 ：统 计 能 量 法 ；声 学 包 ；高 速 列 车 ；车 内 噪 声 中 图 分 类 号 ：Ｕ２７０．３８＋４ 文 献 标 识 码 ：Ｂ
声学结构的评估、设计及优化，以缩短动车组声学设计 振荡器组之间的能量或功率流分析。振动功率损失和
周期，便于对已有结构进行噪声控制，提高经济效益。
功率流动规律可以用水箱模型描述。
统计能量分析技术在航空航天以及汽车 ＮＶＨ 降
车 身 每 个 结 构 （或 声 学 ）子 系 统 都 具 有 一 个 分 别 与
声 学 包 仿 真 技 术 在 高 速 综 合 检 测 列 车 降 噪 设 计 上 的 应 用 与 实 践 康 洪 军 ，蒋 维 钢
案 Ｓ３在厚２０ｍｍ 的 吸 声 材 料 和 厚 ２８ ｍｍ 的 吸 声 材 料中间加入厚２ｍｍ 的隔声层，最外层附厚 ３０ ｍｍ 的 吸 声 材 料 ，形 成 声 学 包 结 构 。
４ 动 力 设 备 舱 声 学 包 方 案
噪声控制主要从 噪 声 源 控 制、振 动 传 播 与 噪 声 源 传播控制以及接收 者 控 制 等 方 面 入 手。 其 中，对 噪 声 源进行控制是根本 途 径，但 受 车 辆 空 间、结 构 的 限 制， 往往难以实现。因此，噪 声 控 制 主 要 还 是 从 噪 声 源 传 播 控 制 入 手 ，对 传 播 路 径 进 行 声 学 处 理 、隔 断 。 振 动 传 播与噪声源传播控制技术是一种传统的被动式减振降 噪 控 制 技 术 ，这 项 技 术 国 内 外 的 发 展 都 比 较 成 熟 ，已 成 为目前解决振动噪声 控 制 问 题 的 重 要 手 段，相 应 的 被 动 控 制 噪 声 产 品 （如 吸 声 材 料 、隔 声 材 料 、隔 振 器 、阻 尼 材 料 等 ）是 振 动 和 噪 声 控 制 的 主 要 组 成 部 分 。
２ 动力设备舱ＳＥＡ 模型
由于采用全动力 配 置，高 速 综 合 检 测 列 车 的 部 分 辅助动力设备（动力 包）移 到 车 内，设 置 了 动 力 设 备 车 及设备舱，动力包 声 压 级 约 为 １２０ｄＢ（Ａ）。 为 防 止 动 力 包 噪 声 影 响 车 内 噪 声 ，必 须 对 设 备 舱 进 行 声 学 处 理 ， 并 进 行 降 噪 结 构 方 案 设 计 与 选 材 研 究 ，从 而 指 导 地 板 、 墙 体 结 构 的 设 计 ，降 低 车 内 噪 声 水 平 。
声学包是对交通工具的噪声处理措施和零件的总 称 ，包 括 吸 声 、隔 声 、消 声 、隔 振 和 阻 尼 减 振 材 料 等 。 根 据用户对该车车厢侧 走 廊 的 振 动 噪 声 的 期 望 目 标，初 步评估初始结构 （图 ７）的 噪 声 水 平，进 而 分 析 噪 声 能 量传递路径，设计声 学 包 配 置 方 案。 图 ８ 所 示 为 ３ 种 大 间 壁 声 学 包 结 构 方 案 ，其 中 ，方 案 Ｓ１ 为 原 始 结 构 ，采 用双层厚１７ｍｍ 的 铝 蜂 窝 板，空 气 层 厚 ５０ ｍｍ；方 案 Ｓ２增加了厚５０ｍｍ 的吸声 材 料，以 增 加 隔 声 性 能；方
５ 整 车 声 学 包 仿 真 及 优 化
在 满 足 车 辆 总 体 性 能 指 标 的 基 础 上 ，优 选 重 量 轻 、结 构 简 单 、成 本 低 的 最 优 化 技 术 方 案 。 在 前 期 开 发 过 程 中 ， ３次调整并对比分析 了 不 同 声 学 结 构 （图 １１）的 性 能。 其中，图 １１（ａ）为 方 案 ＳＰ１，采 用 原 始 结 构 双 层 厚 １７ ｍｍ 铝蜂窝 板，填 充 厚 ５０ ｍｍ 吸 隔 声 组 合 材 料，外 附 厚３０ｍｍ 吸声材料；图１１（ｂ）为方案 ＳＰ２，采用单层厚 ２２ｍｍ 铝蜂窝板，增加 厚 ２０ ｍｍ＋２ ｍｍ 吸 隔 声 组 合 材料，外附厚４０ｍｍ 吸声材料；图１１（ｃ）为 ＳＰ＿ＬＷ 方 案，考虑 到 重 量 的 问 题，去 掉 厚 ２ ｍｍ 隔 声 层，只 使 用 厚６０ｍｍ 吸声材料。
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铁 道 车 辆 第 ５０ 卷 第 ４ 期 ２０１２ 年 ４ 月
式中：Ｅｉ，Ｐｉ，ｎｉ，ηｉ——— 分 别 为 第ｉ个 子 系 统 的 平 均 能 量、平均输入功率、模 态 密 度 以 及能量损耗系数；
ηｉｊ——— 第ｉ个子系统和第ｊ个子系统之间的能量 传递损耗系数；
ω——— 圆频率（有限带宽中心）。 高于２００ Ｈｚ频段范 围 内 的 声 响 应 具 有 多 模 态 特 性 ，且 空 气 传 播 声 占 主 要 地 位 。 根 据 上 述 理 论 ，就 可 运 用 ＳＥＡ 预测该频段范围内车内空间的平均声压级。
３ 噪 声 源 及 其 传 递 分 析
动 力 设 备 舱 主 要 噪 声 源 包 括 ：动 力 包 噪 声 、排 气 噪 声 、传 动 系 噪 声 、轮 轨 噪 声 、空 气 动 力 噪 声 及 空 调 噪声等。侧走廊内噪声分别由设备舱内传入侧走廊 和 由 车 外 传 入 侧 走 廊 ，主 要 有 结 构 传 递 和 空 气 传 递 ２ 种 方 式 。 由 于 噪 声 工 况 的 复 杂 性 ，设 备 舱 声 学 包 虚 拟 评 估 分 析 主 要 考 虑 静 置 状 态 噪 声 源 ，即 ３ 台 辅 助 动 力 设 备 （图 ３）。 以 动 力 包 的 噪 声 限 值 以 及 各 声 源 的 噪 声 数 据 作 为 噪 声 激 励 ，输 入 频 谱 数 据 如 图 ４ 所 示。
ＳＥＡ 模 型 中 各 板 系 统 的 声 传 递 损 失 以 及 阻 尼 因 子均可通过子系统试验或仿真计算的方法得到。由于 各部位板的组成结构 不 同，因 此 先 计 算 板 系 统 的 声 传 递损失特性，然 后 将 其 输 入 整 车 模 型，这 对 简 化 整 车 ＳＥＡ 模型和提高分析效率有着重要的意义。
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图５为动力设 备 舱 ＳＥＡ 模 型 的 噪 声 能 量 分 布 云 图，图６为噪声传递 路 径 频 谱 图。 图 ６ 中 的 曲 线 所 示 为与侧走廊上部空间相邻的壁板子系统流入该空间的 噪 声 能 量 在 中 高 频 段 的 贡 献 值 ，可 准 确 、直 观 地 体 现 动 力设备舱在特定噪声工况下的噪声分布情况以及贡献 路径。
区域，它 的 响 应 假 设 是 在 频 带 Δｆ 内 包 括 同 类 型ｎｉ 个 模态的区域里的混响。
子系统的有限带宽能量利用功率平衡的概念来估 计 ，并 考 虑 到 子 系 统 间 的 耦 合 互 易 性 ，它 们 的 平 均 模 态 能量取决于以下功率流平衡方程组的解：
ｋ
（ ∑ ） 熿 η１ ＋ η１ｊ ｎ１
考虑到客车整车开发流程的需要和工程分析的特 殊 性 ，经 合 理 的 声 学 简 化 处 理 ，可 以 通 过 以 下 方 法 建 立 整车 ＳＥＡ 模型。ＳＥＡ 模型建立流程如 图 １ 所 示。 首 先根据图样建立三维 数 模，在 三 维 数 模 的 基 础 上 进 行 有限网格化处理，导入 ＥＳＩ ＶＡ Ｏｎｅ分析软件，建立整 车 ＳＥＡ 模型 （图 ２）。 该 模 型 包 括 约 ７００ 个 面 板 子 系 统和９００个 声 空 间 子 系 统。 然 后 添 加 噪 声 源 激 励 载 荷 ，完 成 设 备 舱 预 报 模 型 。
设 计 制 造
铁 道 车 辆 第 ５０ 卷 第 ４ 期 ２０１２ 年 ４ 月
文 章 编 号 ：１００２－７６０２（２０１２）０４－００１７－０５
声学包仿真技术在高速综合检测 列车降噪设计上的应用与实践
康 洪 军１，蒋 维 钢２
（１．唐山轨道客车有限责任公司 产品技术研究中心，河北 唐山 ０６３０３５； ２．汉高（中国）股份有限公司 技术服务部，上海 ２０１２０３）率 的 稳 态 能 量 水 平 ，即
Ｅｉ ＝ ｍｉ〈ｖｉ２〉，Ｅｉ ＝ρＶｃｉ２〈ｐｉ２〉 式中：Ｅｉ——— 子系统能量；
（１）
ｍｉ——— 子系统质量；
ρ——— 介质密度； ｃ——— 声音在介质中的传播速度；
Ｖｉ——— 声空间的体积。
一个子系统定义为一个具有共振模态性能的有限
３种方案的 噪 声 分 布 云 图 如 图 １２ 所 示。 综 合 比 较，方案 ＳＰ２能更好地达到性能和重量的平衡。
整车声学包仿真减少了对物理样机测试的依赖， 加速了产品开发的过 程，并 优 化 了 噪 声 控 制 和 振 动 控 制材料的使用，在车 辆 开 发 前 期 对 噪 声 水 平 的 预 估 和 重量控制方面具有不可缺少的作用。应用 ＳＥＡ 模型， 预测分析设备舱及车 内 中 高 频 噪 声 场，提 出 车 辆 声 学 改进设计结构方案，从 而 满 足 车 辆 设 计 的 噪 声 性 能 目 标 ，对 于 缩 短 开 发 周 期 、降 低 开 发 成 本 具 有 重 要 意 义 。
ＳＥＡ 是个模型化分析方法，它 运 用 能 量 流 关 系 式 对 复 合 的 、谐 振 的 组 装 结 构 进 行 动 力 特 性 、振 动 响 应 级 及声辐射的理论评估，具 有 在 时 间 上 和 空 间 上 的 统 计 特性，这些能量流关 系 式 在 组 成 结 构 的 各 种 耦 合 的 子 系统（如板、壳等）之间具有一个简单的热类比。 在应