（声学专业论文）复合材料组合结构试验优化设计及声学计算.pdf

摘要 摘要 高速磁浮交通系统作为具有最高陆地运行速度并在旅行时间上可与航空媲 美的全新交通系统，在国际上引起了极大的关注。然而尽管磁悬浮列车与汽车、 火车、新干线等其他交通方式相比有诸多优势，并且磁悬浮列车消除了大部分 传统的轮轨噪声，但是由于其行驶速度很高，空气动力学噪声和结构振动噪声 不容忽视。由于磁悬浮列车是由电磁铁与轨道上长定子直线电机定子铁芯相互 作用力支撑的，所以轻量化结构要求更加严格。因此轻量级复合材料组合结构 的声学优化设计研究对磁悬浮列车噪声控制具有及其重要的意义。 论文分析了磁悬浮列车噪声源及噪声特性，并且实验测试了高速磁悬浮列车 在不同运行工况下车厢内部关键位置声压级和车外空气动力噪声，针对磁悬浮 列车噪声问题提出了相应的治理措施。论文还具体对复合板结构声学特性进行 了研究。利用声学软件s y s n o i s e 对铝三明治夹层板进行了建模分析，并采用 有限元边界元结构声学耦合的方法模拟计算了铝三明治夹层板的隔声量，并对 三明治夹层板结构进行了优化，分析了夹层板结构的面板厚度、面板材料及芯 材厚度对其隔声性能的影响。此外，论文模拟计算了磁悬浮列车车厢内部声场， 分析了车厢体地板厚度和车内阻尼材料分布对车内声场的影响，对优化磁悬浮 列车车内声学环境提供了参考意见。 最后，根据磁悬浮列车车厢车体的具体情况以及噪声源分析，针对车厢地板 结构进行声学实验优化设计。此外还针对高速磁悬浮列车两种工况下运行所测 特定噪声源来预测车厢内部的噪声级，进一步验证了地板组合结构优化选择的 合理性。 关键词：磁悬浮，空气动力噪声，三明治夹层板，等效材料法，结构优化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t a san e w t r a n s p o r t a t i o nm o d e ，h i g h - s p e e dm a g l e vv e h i c l ei sa t t r a c t i n gm o r ea n d m o r ea t t e n t i o nr e c e n t l ya c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o n so fe l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o na n d l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r t h em a g l e vt e c h n o l o g yi s g e t t i n gm a t u r ea f t e ry e a r s r e s e a r c h e sa n d p r a c t i c e h o w e v e r , n o i s el e v e li n s i d et h ec a r r i a g ei n c r e a s i n gf a s ta l o n g w i t ht h es p e e do fv e h i c l e s ，w i l lh a r m f u l l yi n f l u e n c et h ec o m f o r to fp a s s e n g e r sa n d v e h i c l ec r e w f u r t h e r m o r e ，i tm a k e sh a r d e rt oi m p r o v et h ea c o u s t i ce n v i r o n m e n t i n s i d em a g l e vv e h i c l et h a nt h a to f r a i l w a yv e h i c l eb e c a u s es t r i c tw e i g h tc o n s t r a i n so f m a g l e vv e h i c l es h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n te x c e p tf o rm u c hh i g h e ra e r o d y n a m i c n o i s el e v e l i no r d e rt op r e s e n tas o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so n s t r u c t u r a la n da c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so fl i g h t - w e i g h tm u l t i - l a y e rc o m p o s i t e s t r u c t u r e ，f o ri tc o m p r i s e sah i g hs t a t i cs t i f f n e s sa n dl o wm a s s t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e sn o i s es o u r c e sa n dn o i s ec h a r a c t e r i s t i c so fm a g l e v v e h i c l e ，a n dp r e s e n t sc o r r e s p o n d i n gn o i s ec o n t r o ls o l u t i o n sa c c o r d i n gt os o u n dl e v e l s o fk e yp o i n t si n s i d et h ec a r r i a g ea n d a e r o d y n a m i cn o i s el e v e lo u t s i d e s t r u c t u r a la n d a c o u s t i c p r o p e r t i e s o fm u l t i - l a y e rc o m p o s i t ep a n e la r ea l s os t u d i e da n da l l o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h i sp a r t i c u l a rs t r u c t u r ei sp e r f o r m e dw h i l et h r e ef a c t o r sa r e t a k e ni n t oa c c o u n t ，w h i c ha r et h et h i c k n e s so fp a n e l ，t h em a t e r i a lo fp a n e la n dt h e t h i c k n e s so ft h ec o r e f u r t h e r m o r e ，s t i m u l a t i o nc o m p u t a t i o ni sp r o c e s s e dt oa n a l y z e t h ei n n e rs o u n df i e l do fm a g l e vc a r r i a g ei no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c ec a u s e db y t h i c k n e s so f t h ec a r r i a g ef l o o ra n ds p r e a dc o n d i t i o no f d a m p i n gm a t e r i a l s f i n a l l y , a na c o u s t i ce x p e r i m e n t a lo p t i m i z a t i o np r o c e d u r eo ft h ep r a c t i c a lc a r r i a g e f l o o rs t r u c t u r ei sp e r f o r m e dt oi m p r o v et h ei n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ef l o o r , w h i c h i sb e e nv e r i f i e db yt h ef o l l o w i n gn o i s el e v e l sp r e d i c t i o no fh i g h - s p e e dm a g l e vv e h i c l e u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o n k e yw o r d s ：m a g l e vv e h i c l e ，a e r o d y n a m i cn o i s e ，s a n d w i c hp a n e l ，e q u i v a l e n tm a t e r i a l m e t h o d , s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：桨垄、 枷p 孑年昨月f je l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在户年解密后 适用本授权书。 指导教师签名：蕉刽敏学位论文作者签名：漂蘸 2 莒 年矿月i 日1 伊g 年口讧月 f7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 漯燕、 伽g 年口乒月，日 第1 章引言 1 1 磁悬浮列车简介 第1 章引言 自从1 8 8 5 年德国机械工程师卡尔本茨发明了世界上第一辆实用的内燃机 汽车之后，地面运输速度飞速增长。尽管目前安全，舒适，经济以及节省能源 的汽车已经发展到了一个相当先进的水平，城市交通阻塞、车辆引起的空气和 噪声污染等问题仍然没有得到较好的治理。因此，人们寄希望于轨道交通运输。 然而，传统轮轨铁路的运营速度经过1 0 0 多年的发展，达到3 0 0 3 5 0 k m h 后， 由于受到了轮轨黏着力、机械噪声和磨损等问题的限制而趋于极限。并且轮轨 噪声较大，严重影响铁路沿线的居民生活环境；此外铁路车辆也非常消耗能源。 因此为了实现更高的运输速度，不依赖轮轨与弓网接触的高速磁悬浮方式的构 想应运而生。 与铁路列车相比，磁悬浮列车具有突出的优越性，主要表现在以下几个方面： 第一，快速。由于行驶时列车与导轨无直接接触，磁悬浮列车的速度不受车轮 和轨道问的粘滞力、摩擦力等的限制，只受空气动力拖曳及路线曲率的影响， 因此磁悬浮列车可以以很高的速度行驶。第二，爬坡能力强。磁悬浮列车爬坡 坡度可达1 0 ，而高速列车最多只能达5 。第三，大气污染小。磁悬浮列车采用 电气作能源，且无尾气排放，因此相对于汽车等交通方式而言，对大气无污染【2 1 。 1 2 磁悬浮列车噪声研究概况 尽管磁悬浮列车与汽车、火车、新干线等其他交通方式相比有诸多优势，并 且磁悬浮列车消除了大部分传统的轮轨噪声。磁悬浮列车主要有三大噪声源： 推进及辅助设备噪声、机械结构辐射噪声、气流噪声【3 1 。由于与导轨没有直接 接触，磁悬浮列车的噪声源中没有轮轨噪声，因此对于低速运行的磁悬浮列车 辐射的声级较低，可以认为是“安静的列车。但是在高速时，由于其行驶速度 很高，空气动力学噪声和结构振动噪声不容忽视。磁悬浮列车在噪声方面与轮 轨高速列车相比优越性减弱。有数据表明，德国磁悬浮列车t r a n s r a p i dt r 0 7 第1 章引言 试验车在其最高速度时，距离测试段轨道中心2 5 米、3 5 米高处的噪声级接近 l o o d b t 2 1 。 目前，国内外对磁悬浮列车的外部噪声研究较多。与高速铁路列车相比，磁 悬浮列车噪声具有以下一些特点： ( 1 ) 由于高速驶磁悬浮列车噪声主要为空气动力性噪声，因此其噪声频谱 以中频成分为主，高频和低频比其他方式具有优越性，即高、低频噪声能量较 弱。 ( 2 ) 新一代磁悬浮列车可获得很高的速度，比如目前日本磁悬浮列车试验 最高速度已达5 5 0 k m h ( y a m a n a s h i 试验段) ，因此与高速轮轨铁路列车相比，在 车长及与轨道距离相同的情况下，磁悬浮列车的通过时间缩短，这就意味着磁 悬浮列车的通过噪声在时间历程上表现出很强的脉冲性。 高速磁悬浮列车的轨道两侧的噪声以中低频为主，呈间歇性，因此以a 计权 或等效声级作为车外噪声的评价量并不太合适。特别是由于噪声具有脉冲性和 间歇性，且次声频的声压较大，产生较大的主观烦恼度，会对人的心里和生理 造成不良的影响，对轨道两侧的环境有着不可忽视的噪声污染。 由于高速磁悬浮列车的最高速度一般为4 0 0 - - - , 5 5 0 k m h t 4 1 ，远高于轮轨列车运 行速度，其噪声主要组成部分为空气动力噪声。目前高速磁浮车在运行速度为 4 3 0 k m h 时的车厢内噪声高达8 0 , - - 一9 0 d b ，极大地影响了车厢内乘客的舒适度。 此外，由于磁悬浮列车特殊的悬浮运行原理，其列车主体结构由铝合金框架和 轻量级铝三明治复合板组成 5 】拍1 。同时磁悬浮列车对车体总重量有严格限制，这 给磁悬浮列车的降噪问题增加了难度。 1 3 高速列车噪声理论研究进展及现状 传统的在声源处降低噪声的方法是在批量生产前，对列车的结构、外型和动 力装置进行设计以降低主动噪声；同时对车体材料及车内形状进行试验测量来 进行最优化设计。近年来由于计算机技术高速发展，数值模拟计算以及仿真建 模技术大量运用于高速列车车厢结构隔声降噪优化设计中。这些手段可以给声 学工程师提供必要的信息，以保证满足特定的产品性能要求以及政府提出的标 准。然后再针对产生无法忍受噪声级的部件重新设计，而不需要大量且昂贵的 模具制造。 2 第1 章引言 1 3 1 高速列车车厢模型理论的研究进展 为了研究轨道列车的结构声，首先必须研究其力学振动。过去二十年内已有 许多相关论文发表，显示了研究轨道列车的振动响应的关键任务是建立模型。 早期轨道列车模型研究主要集中于运动轨道效应并假定忽略轨道惯性，因此早 期模型并不能描述轨道振动。随后s c h o l a r 和p e r k i n s 建立了一个轨道列车模型 以研究轨道振动响应，该模型用一个有惯性的连续弹性体代替轨道间隙。这个 模型描述了静态轨道压缩，拉伸和轨道振动的纵向切向耦合。然而该模型仅适 用于低频轨道振动。m a 和p e r k i n s 在文章中提出了一个数学模型用于分析连续履 带与路面和车轮之间的相互作用。c h i oe ta 1 和l e ea ta 1 建立了一个三维 履带车辆系统运动的非线性力学方程，其中包括了履链的自由度 7 1 。这些论文 给出了三维非线性接触面力学模型，该模型描述了履带和车辆结构如车辊、铁 链车轮、空转轮及地面之间的相互作用。由于多体表征非常复杂而使模型包含 大量自由度，迄今没有利用多体模型进行过实时模拟。然而随着超级计算技术 的发展，利用多体力学模型法模拟履带车辆的振动是可能的。总体看来，一些 关于履带列车的显著研究成果主要建立在力学模型及其振动分析的发展上。 2 0 0 6 年t o r s t e nk o h r s 和b j o r na t p e t e r s s o n 提出了一个理想的无限大圆 柱形空壳模型( 图1 1 ) ，以研究列车车厢结构声辐射声场，包括点力及瞬态激 励的声压速度传递函数对车厢外声压的影响 8 】。 图1 1 无限大圆柱形空壳模型 该模型假定a h l o ( 其中a 为圆柱半径，h 为空壳厚度) ，并使用 d o n n e l m u s h t a r i v l a s o v 理论描述壳体振动模态。该理论简化假设辐射位移与 3 第1 章弓f 言 壳体的厚度位置无关。 图1 2 镜像法计算包括地面反射声的丘到只声压值 假定空气对壳体振动无影响，并且是全反射刚性地面。根据辐射表面速度 可计算出声压： p ( r ，妒，z ) = i p m k o e 砷 - e 吒差若水。j 一肌一赫铲蛹哦 该圆壳模型尽管做了一些简化，但仍然能反映车厢声场辐射基本特征。此外 圆壳模型计算表明改变车厢壳体受力分布对降低低频噪声辐射是一种有效方 法。在声学设计成为剧烈结构声声源的车厢连接点时可以参考这一点。而且在 低频，应尽量使强激励源产生的激励效果处于切线方向。但车厢阻尼仅对环频 率以下的频带的噪声有降低作用。 1 3 2 模型噪声分析理论的研究进展 普通车辆的振动声学分析主要采用有限元和边界元方法。完全结构流体耦合 模型和部分耦合方法被用于讨论振动声学行为。低频分析时常采用边界元法和 耦合边界元有限元法。在空气声学中结构周围的流体对结构运动的影响可以忽 略，因此一般采用非耦合边界元法。此外应用边界元法时有多种边界积分方法， 4 第1 章引言 如直接法和间接法。直接边界元法只能用于封闭表面，而间接边界元法即可用 于封闭表面也可用于开放表面。 s u z u k ie ta 1 提出了一种利用边界元且针对复杂边界条件的方法用以解决 车厢内部实际噪声问题。该方法能够处理表面贴有吸声材料的振动板的声学效 应和漏声问题。p a la n dh a g i w a r a 针对高序和低序截断模态结构声学耦合问题 进行了有限元灵敏度分析，以找出车体板振动响应的改变速率和车辆乘客及司 机耳朵部位的声压级。f r e y m a n ne ta 1 改进了结构流体完全耦合模型分析， 其中在模型中引进了吸声材料和阻尼板。m a r b u r g 等人发表了一系列关于车辆内 部结构声研究和结构声系统优化的论文。y l a h o p o u l o s 预测了车体振动辐射的噪 声，他提出了一种边界元模型的数值解法以解决声学分析的h e l m h o t l z 方程。同 时他也提出了一种利用结构力学分析结果的法则去预测振动结构外部辐射的噪 声。o l a t u n b o s u n 建立了一个用于预测稳定运行状况下道路激励噪声预测的模拟 模型。该模型考虑了车辆结构的可变形性并调整输入迁移率和模态迁移率数据 或者悬架输入点的噪声传递函数以计算车辆内部噪声 7 1 。 通过调整结构几何形状的被动噪声控制越来越多的吸引了设计者的目光。这 种结构声学优化在最小化辐射声方面有极大的潜力，特别是针对薄板型结构。 近年来计算机系统飞速发展，结构振动和声学领域的数值模拟也得到很大发展。 但是在优化计算方面灵敏度分析仍然处于瓶颈。而且由于不匹配网格的原因， 大尺寸模型结构声学模拟的耦合f e b e 分析也面临挑战。 2 0 0 5 年d e n n yf r i t z e 提出了一种快速方法以计算壳形结构的声学特性灵敏 度。此外，这种耦合方法能减少计算量。并利用这种方法求解一个例子，调整 六面盒体的一个面的几何形状考察其内部某一场点声压的灵敏度。在优化过程 中调整结构的设计变量可以最小化某一声学特性。m a r b u r g 总结了结构声学优化 技术概论，而且计算了在g r a d i e n t _ b a s e d 优化中考虑设计变量的结构声学灵敏 度分析。一般情况下利用目标函数的总体有限差分系统粗略估计灵敏度。这种 方法需要对每个设计参量的目标函数至少多计算一次。为了解决这个问题，半 解析甚至全解析的灵敏度分析是最合适的 9 1 。因此c h o i 和w a n g 等提出了联合变 量法。这些方法一般都需要在设计的每一步上计算声场。通过将流体结构耦合 简化成一个仅由结构激励的声场，结构调整引起的声学模型变化可以忽略，这 种简化适用于结构密度远大于流体的情况。这种方法描述了真空中结构力学行 为，经过后处理过程能评估声学特性。这种方法中考虑了表面速度的声学灵敏 5 第1 章引言 度的术语为影响因子，或者声学传递向量。一般采用f e a 模态叠加法计算宽频带 的结构频率响应。为了避免描述三维流体，采用边界元法计算空腔内部某点的 声压。这两种方法并不需要应用在相同网格上，因此要通过一个耦合过程关联 结构和流体网格。参数化壳形结构的几何调整能够减少设计变量的数目，同时 优化过程也能更具操作性。所有这些理论被用于分析一个倾斜六面盒体( 以避 免对陈性) 。并且通过调整盒体的一面来优化内部某点声压。 2 0 0 7 年r c i t a r e l l a 建立了一种适用于汽车振动声学分析的完整方法，在识 别现有激励源和噪声源时能够方便实现并可视化，此外还比较了振动声学行为 与预计设计目标的差别 1 0 l 。同是基于实验和数值计算手段的设计方法能预测噪 声辐射和结构振动源之间的关系。中低频的振动声学预测一般采用有限元和边 界元法，然而r c i t a r e l l a 采用两种方法的联合：f e m 用于结构模态分析，b e m 用于声学问题分析。其中边界元法是基于间接法和振动解决法。耦合有限元边 界元法吸取了模态声学传递向量算法的优点，尤其适用于分析大型声学问题。 数值计算和试验结果之间的比较评估了该方法的精确度。尽管有限元和边界元 被同样用于内部问题( 比如计算汽车内部有限空间声场) ，处理声音辐射至无限 空间的外部声场问题时边界元有较大优势( 当使用边界元时，仅需描绘振动结 构特征，因为该辐射自动满足索默菲辐射条件) 。当需要分析内外部耦合问题时， 最好的办法是联合采用两种方法。考虑车身内部的封闭空腔，边界结构振动引 起流体内部压强震荡，即内部产生噪声。车身结构模态激励空腔内流体的力学 响应，同时流体共振又能影响结构力学行为，因此必须采用流体结构耦合分析 方法( 结构声如轰隆声是由于结构振动和内部声压波动耦合导致的) 。当流体为 空气时，声学模态与结构模态不匹配，可以大致忽略结构流体相互作用。有限 元和边界元中的声学模型可以通过与c a d 的接口获得，此外边界元网格生成与体 积网格生成相比非常简单并可以由计算机自动划分完成。这种联合方法提供的 结果可以有效地用于主动和被动设计修正，以最小车身内部辐射的化结构声， 因而能避免昂贵的实验。 除了用于数值模拟计算的有限元和边界元方法外，贡献量分析法也是有助于 识别问题的根本原因的一种有效方法，不管是结构声或是空气声【1 1 1 。此外，根 据试验测得声场声压级和已知的结构激励和接收点之间的传递函数，有限元和 边界元数值模拟能确定问题产生的最大贡献因素，同时也能显示这是由于结构 传递中的过量内部力或响应振幅。贡献量分析主要有a t v 方法( 声学传递向量法) 6 第1 章引言 和m a t v 方法( 模态声学传递向量法) 。 a t v ( 声学传递向量) 可以认为是表面节点和单一场点的声学传递函数的集 合，其仅取决于声场特性如几何形状和内在属性( 声速和密度) ，表面声学处理， 频率和场点 1 3 1 。而与载荷条件和结构响应无关。a t v 方法的思想与经典方法有很 大不同：首先在不考虑实际载荷的情况下计算相关频域内的辐射表面对特定场 点的声学传递函数；第二步结合a t v 和结构边界法向速度向量计算所有载荷下的 声学响应；a t v - 响应计算是向量到向量的运算，计算时间可以忽略。这种方法 的一个重要优点是适用于任何激励频率下的贡献量分析。 另外一种可以替代a t v 的更有效的方法是m a t v 【1 2 1 ，模态声学传递向量是声学 传递向量的模态反矩阵：其表示在模态坐标下辐射结构对某一场点的声学传递 函数。场点的声学响应通过m a t v 和相应的结构模态响应结合获得。然而，m a t v s 不再与结构模型无关，因为其与结构模态数据库相连。只要结构模态变化，例 如结构调整，m a t v s 也必须重新计算。 由于被分析系统的复杂性和尺寸，f e m b e m 数值模拟法非常耗费时间。另一 方面，由于其众多优点边界元能够适用于以下声学领域：降低计算无限空间外 部声学问题的难度；通过赋予适当阻抗值以评价表面声学特性。基于a t v 和m a t v 的f e m b e m 法能够有效替代传统f e m f e m 和f e m - b e m 法。 尽管关于振动声学分析的研究很多，但大部分仅仅考虑可普通车辆，只有极 少发表论文是研究磁悬浮车辆内外部噪声的。由于磁悬浮车辆与普通车辆的振 动声学机理有很大不同，研究磁悬浮车辆内部噪声是非常紧迫的。 1 4 本文主要研究内容 本文主要是结合科技部和上海磁浮交通工程技术研究中心项目：“高速磁浮 车辆车内噪声控制技术研究 展开研究的。 本文首先介绍了磁悬浮列车噪声源及噪声特性，并且实验测试了高速磁悬浮 列车在不同运行工况下车厢内部关键位置声压级和车外空气动力噪声。而且根 据实验数据分析了磁悬浮列车的噪声源特性，并针对磁悬浮列车噪声问题提出 了相应的治理措施。 其次，本文介绍了复合材料降噪原理，并具体对复合板结构声学特性进行了 研究。利用声学软件s y s n o i s e 对铝三明治夹层板进行了建模分析，并采用有 7 第1 章引言 限元边界元结构声学耦合的方法模拟计算了铝三明治夹层板的隔声量，并与实 验室测量值进行了比较。此外，为了对三明治夹层板的隔声性能进行优化，以 结构面板厚度、面板材料、芯材厚度为设计变量，分析了不同变量对夹层板的 隔声性能的影响。 随后介绍了磁悬浮列车车厢体的具体结构，并采用优化后的三明治夹层板对 磁悬浮列车车厢体进行建模，模拟计算了车厢内关键点的声压级，分析了地板 厚度对车内噪声的影响。此外还分析了阻尼材料分布对车厢内声场的影响，对 优化磁悬浮列车车内声学环境提供了参考意见。 最后本文介绍了增加结构隔声量的几种常见优化方法，并根据磁悬浮列车车 厢车体的具体情况以及噪声源分析，针对车厢地板结构进行声学实验优化设计。 此外还针对高速磁悬浮列车两种工况下运行所测特定噪声源来预测车厢内部的 噪声级，进一步验证了地板组合结构优化选择的合理性。 8 第2 章磁悬浮列车噪声源及噪声特性分析 第2 章磁悬浮列车噪声分析及治理措施 传统交通工具的噪声来源于电机噪声、滚动噪声和空气动力噪声。磁浮系统 采用直线电机，电机噪声较低：通过无接触方式实现支承、导向、驱动、制动 和供电，避免了车线界面的接触，不产生机械噪声：磁浮列车以4 0 0 5 0 0 k m h 的速度运行时，其噪声主要来源于空气动力噪声。 根据德国有关机构进行的测试，德国高速磁浮列车与高速轮轨列车通过时距 轨道中心2 5 米处的具体噪声值比较如表2 1 【1 3 u 1 4 】。 表2 1 德国磁浮列车与轮轨列车噪声值比较 运行速度( k m h )轮轨铁路( d b a )磁浮铁路( d b a ) 1 0 07 2 1 6 07 97 0 2 0 08 37 3 2 5 08 87 8 2 8 08 98 1 3 0 09 18 3 4 0 09 1 在磁浮铁路的应用研究中，还需要研究列车进入噪声敏感区( 如医院、学校 及居住区) 时的影响，从而作出限速或限距的技术措施。可参考城市区域环 境噪声标准( g b 3 0 9 6 9 3 3 ) 和铁路边界噪声限值及测量方法( b g l 2 5 2 5 9 0 ) 制定相应的城市区磁浮铁路的限速或限距参数。 2 1 磁悬浮列车主要噪声源分析 磁悬浮列车主要有三大噪声源：推进及辅助设备噪声、机械结构辐射噪声、 气流噪声。 2 - 1 1 推进及辅助设备噪声 第一种噪声指线路中的电磁、控制设备及冷却系统等噪声具体即悬浮电磁 铁中的电流噪声，推进设备悬浮电机噪声，空调及通风设备风扇噪声等。这些 噪声主要取决于列车本身的性能，随运行速度的增加而稍有增加，较为稳定 9 第2 章磁悬浮列车噪声源及噪声特性分析 2 1 2 机械结构辐射噪声 第二种噪声由列车行驶时导轨以及车体的振动产生，其辐射功率也随速度的 增加而增加。导轨振动辐射噪声的起因主要有：对于电动磁悬浮系统，在低速 时由导轨上的车轮运动引起；列车通过导轨时，导轨结构荷载引起振动。导轨 支撑梁的基本共振频率通常不到l o h z ，但从箱形梁底板辐射的噪声频率可达到 8 0 h z 以上。 磁浮系统采用直线电机，电机噪声较低；通过无接触方式实现支承、导向、 驱动、制动和供电，避免了车线界面的接触，不产生机械噪声；此外，磁浮列 车车体在转向架以下的部分最大限度的实施了外壳的封闭，尤其是该系统没有 传统铁路的轮轨走行部，其空气阻力大为减小，同等速度下相应的空气动力噪 声将比轮轨铁路低。 2 1 3 气流噪声 由于其行驶速度很大，引起周围空气流动，并形成涡流，因此会产生较大的空 气动力性噪声。这是磁悬浮的主要噪声来源。这种噪声的特性与一般的交通噪 声有着明显的不同，呈脉冲性与间歇性，且噪声级随列车速度的增加而迅速增大， 对轨道两侧环境的噪声污染仍有着不可忽视的影响。 由于高速运行列车的空气动力学噪声的辐射功率一般按运动速度v 的6 - - - - 8 次方规律增加，因此当列车运行时速达到4 3 0k m h 时，可以假设其行驶噪声主要 是空气动力性噪声。而其他噪声由于相对较低，对总噪声的影响较小。其产生的 主要原因及部位是：分离气流在列车前端汇合、列车表面的湍流分阶层、运动 气流与列车边缘及附件之间的相互作用、气流与磁悬浮系统中附件的相互作用。 空气动力性噪声随车速大致以6 0 l o g ov 8 0 l o g z ov 的规律增加【- 5 1 。 以地面为参考系，列车以速度y 匀速直线运动，周围空气则进行相应复杂运 动，故可将空气运动分为以下3 个部分： ( 1 ) 车头前方。车头前方的空气在车头的推动下向前运动，并向两侧扩展，形 成相对于列车的绕流 ( 2 ) 车厢表面。将列车看成刚体，根据流体力学的基本理论，空气相对于列车 绕流时，在车厢外壁附近会形成很薄的附面层，层的厚度沿列车轴向以距离平方 根的规律缓慢增大。在层外，空气流动仍保持为无旋；在层内，沿壁面垂直方向， 1 0 第2 章磁悬浮列车噪声源及噪声特性分析 切向流速存在很大的速度梯度，因此存在着强烈的涡旋运动，这种涡旋运动可以 认为是辐射噪声的来源。附面层噪声源是偶极子和四极子声源，频率一般在声 频范围内，其辐射功率按流速的6 - - 8 次方规律增加，且随频率的增加而逐步下 降。 ( 3 ) 车尾后方。沿车厢外壁流动的气流在列车尾部会脱体而形成尾流。尾流 的尺度可用车身的宽度，尾流内流场为充分发展的湍流根据郎道理论，湍流由 各种不同大小( 标度) 的脉动组成，外界将能量提供给气体后，首先形成巨大标 度的脉动，并具有最大的振幅；随后出现的脉动标度越来越小，相应频率越来越 大。大标度脉动将能量转移给小标度，直到出现最小的微标脉动。此时，粘滞性 起显著作用，脉动能量转化为热能。与此同时，由于湍流的不稳定性，速度随时间 或增或减，导致声压起伏，从而引起向外的声辐射。由于湍流的频率和相位完全 随机，因此产生的是宽频带的随机噪声。远离固体边界的湍流噪声声源主要是四 极子声源，其辐射功率按速度的8 次方规律增加，且随着频率的增加而逐步下降 i t 6 。 2 2 磁悬浮列车噪声特性分析 2 2 1 磁浮列车声突发率分析 高速列车噪声的一个重要特征是声突发率( o n s e tr a t eo fs o u n d ) 高。声 突发率是一个噪声事件在单位时间内声压级上升的平均水平。高速列车快速行 驶时，轨道附近位置的噪声在磁悬浮经过时也会有一个急速的提高，呈现脉冲 特性。研究表明，在同样的最大声压级下，声突发率大于1 5 d b s 时人的主观烦 恼会增加，当声突发率超过3 0 d b s ，人们在突然听到脉冲噪声时会感到“惊吓 。 因此，研究声突发率对磁悬浮列车噪声对居民的影响是很有必要的。 关于声突发率的计算，国内外并没有明确的计算方法，但根据定义可以通过 计算声压级的时间变化曲线得到。图2 1 是一个脉冲噪声的时间历程。根据声 突发率的定义，单位时间内声压级上升的平均水平也就是声压快速上升平均斜 率，通过线性拟合计算可以计算出脉冲声音的声突发率1 7 】。 第2 章磁悬浮列车噪声源及噪声特性分析 1 1 0 1 0 0 声9 0 压 级8 0 ( d b ) 7 0 6 0 5 0 。l t 一 i + - 1 毒 1 一毒一 ji 声突发率计算公式如下： 尺一= 瓦l 一- l b g ( 2 一1 ) 其中，f 声压级开始快速上升的时刻； f 耐声压级上升到最大位置的时刻； 三6 9 背景噪声声压级； 三一列车驶过时的最大声压级。 按照( ( g b l 2 5 2 5 9 0 铁路边界噪声限值及其测量方法的有关方法，测量上 海线磁悬浮列车的声突发率如图2 2 和图2 3 所示。其中列车车速为4 3 0 k m h ， 测点位置为距离磁悬浮轨道3 0 米处( 垂直距轨道8 米) 和磁悬浮桥架下面8 米 【l7 1 图2 2 磁悬浮桥架下噪声变化曲线 1 2 - - 一 ；7：斗：+：+o中；上旧；-：4：40呻；1 ：r：b：k：，：op0l 2 - - ；丫：毒：+；。髻：；：砖：4；4。譬：一 簸 j 蔓 98 t ， t b6 问时 5 ，32l0 第2 章磁悬浮列车噪声源及噪声特性分析 时间( s ) 图2 3 距离磁悬浮轨道3 0 米处噪声变化曲线 磁悬浮列车以4 3 2 k m h 行驶时产生的噪声的声突发率的在距离磁悬浮3 0 米 处达到1 8 d b s ，在桥架下达到4 0 d b s 以上，引起了居民主观烦恼度的增加，应 该采取相应的治理措施。 2 2 2 磁浮列车噪声微压波分析 高速磁悬浮列车在进入隧道时会产生微压波，强幅值的微压波将引起严重的 环境问题。 微压波的产生分为三个阶段：列车高速进入隧道形成入口压缩波，入口压缩波 沿隧道传播至隧道出口，到达隧道出口处的压缩波向外辐射，形成微压波嘲。 列车 图2 4 微压波形成机理 微压波严重时将产生声爆，影响隧道口附近的环境。当列车以高于1 8 0 k m h 的速度( 马赫数大于0 1 5 ) 进入铺有混凝土板轨道的长隧道入口时，微压波的 非线性陡变可在隧道出口附近产生峰值约为5 0 p a ( 约1 2 8 d b ) 的微压波。如此 强的微压波所造声的干扰与超音速飞机在地面上产生的轰声相当呻】。 第2 章磁悬浮列车噪声源及噪声特性分析 高速列车进入隧道时产生的微压波最高幅值主要由列车速度极列车和隧道 的面积比决定，但微压波的陡升时间主要由隧道入口的几何形状决定。并且隧 道出口处的微气压波强度与列车高速进入隧道形成的入口压缩波传播至隧道出 口的压力梯度成正比【1 9 】2 0 1 。因此降低微压波强度可以通过降低隧道入口处的压 力梯度，从而减小相应的非线性陡升来获得。 目前减小微压波强度的措施主要有： ( 1 ) 减小车辆最大横截面积、降低列车和隧道的相对截面积比、增加列车 前端的柔性、选择合适的列车车头形状等。然而在车辆方面实施的改进效果并 不明显。 ( 2 ) 在隧道端口设置缓冲结构，能够达到减缓微压波强度的目的，增加缓 冲结构长度以及端口截面积，不连续型缓冲结构效果最佳，设置合适参数的等 截面开孔型缓冲结构也可有效降低微压波强度。 ( 3 ) 轨道采用碎石路基，压力波波前的高频成分将在碎石缝隙间耗散，因 此压力波的非线性陡变减弱，此时微压波的问题相对不那么突出。 ( 4 ) 在隧道侧壁开通旁支，该旁支可吸收入射波的能量。 2 3 磁悬浮列车运行噪声测试与分析 本章主要根据实验来分析高速磁浮列车运行时的噪声源特点。 2 3 1 磁浮列车运行噪声测试方法及仪器 图2 5 为试验所用噪声测试框图，传感器安装在绝缘胶板上，再把绝缘胶板 粘贴在测量部位。传感器直接感受当地的气动噪声，无传压管路造成的传导误 差。信号调节放大系统为d a q p - b r i d g e b 内置式高精度信号调理模块，增益准 确度优于0 2 ：每个通道有多个低通滤波器和一个高通滤波器可供选用。数据 采集与分析处理系统为基于p c i 总线的脉动压力数据采集与分析处理系统，每 通道最高采样率2 0 0 k s s ，并行采集，具有2 4 一b i t 分辨率；本次试验中选用2 0 k h z 的采样频率，滤波频率为i o k h z 。为了处理测试数据，专门编制了数据处理软件， 对气动噪声信号在时间域和频率域进行多种不同方式的定量处理。 1 4 第2 章磁悬浮列车噪声源及噪声特性分析 图2 5 测试系统框图 车内噪声测试采用p u l s e 数据采集系统，p u l s e 系统的平台包括软硬件两个 部分：硬件和软件部分。硬件部分为3 5 6 0b c d e 型智能数据采集前端，前端 中的模块可以按照测量和分析任务来选择，其中必须包含一个接口模块。软件 部分为7 7 0 0 型平台软件。车内噪声测试使用的传声器阵列如图2 6 所示。 图2 6 传声器阵列简图 2 3 2 磁浮列车运行车内噪声分析 图2 7 是车速为3 0 0 k m h 时，位于磁浮车设备夹层中的传声器所测声压级频 谱图，起始为a ，终点为b ，全程3 0 公里。 入 从，1 一 y 5 01 0 0 2 0 04 0 0 8 0 01 6 0 0 3 1 5 0 6 3 0 0 f r e q u e n c y l h z 图2 7 设备夹层噪声1 3 倍频程图 骑踮砖阳 口，1厶 第2 章磁悬浮列车噪声源及噪声特性分析 从图中可以看出从5 0 h z 到1 6 0 0 h z 噪声级是平缓升高的( 声压级都在7 5 d b 以上，在1 0 0 0 h z 时达到波峰为9 2 6 d b 。只是在2 5 0 h z 处有个小低谷，声压级为 8 2 2 d b 。总的a 声级为1 0 1 d b 。 厂“1 广、l -、l - 、 5 01 u oz u o4 0 08 u u1 6 0 0 3 1 5 0 6 3 0 0 f r e q u e n c y f h z 图2 8 车厢噪声1 1 3 倍频程图 图2 8 为磁浮车速度为3 0 0 k m h 时位于地板上方5 0 c m 处的声压级频谱图， 总的a 声级为8 0 1 d b 。其中频率为2 5 0 h z 时，峰值为7 2 5 d b 。比较图2 7 和图 2 8 ，该峰值可能是由磁浮车运行时设备夹层中的设备运转振动通过地板梁传到 地板上所引起的。 1234567 89 传声器阵列位置 图2 9 传声器阵列a 声级 图2 9 为车速为4 3 0 k m h 时，位于磁浮车乘客座椅之间的传声器阵列所测a 声压级比较图。根据图2 6 和图2 9 对比可以看出，车厢中噪声分布越靠近地 板声压级越高，且底部越靠近侧壁声压级越高。说明噪声源主要来自地板下部 设备夹层中机械噪声以及车体底部及侧部的空气动力噪声。 2 3 3 磁浮列车运行车外噪声分析 1 6 两加酷弱牾 蕾p，一 鸥 跗 舵 舳 酋口，1厶 第2 章磁悬浮列车噪声源及噪声特性分析 图2 1 0 为磁浮车启动，加速，匀速，制动全过程的车厢夹层a 声级，其中 匀速速度为3 0 0 k m h 。从图中可以看出，列车行驶方向对位于车厢夹层中的测点 声压级基本无影响。并且此测点处在出风口的尾流场中，此处流场较为混乱， 声压级最高达1 2 0 d b h 。当磁悬浮列车最高运行速度达到4 3 0 k m h ( 如图2 1 1 ) 时，由于全程路程较短，匀速时间极短，且最高声压级达1 2 7 d b h 。 1 3 0 1 2 0 鼍1 1 0 山 1 0 0 9 0 一卢磊飘n 过 、 2 06 01 0 02 6 03 4 03 8 04 2 0 t i m e s 图2 1 03 0 0 k m h 时磁浮车全程声压级频谱图 瓜 矿r、n 2 0 4 06 08 01 0 01 2 02 6 03 0 03 4 03 6 03 8 04 0 0 t l m e s l + b - a + a - b 图2 1 l4 3 0 k m h 时磁浮车全程声压级频谱图 此外，根据实验测试结果，还可以得出车厢外表面上测点的频谱相对比较平 坦，能量随频率的对数呈线性衰减；位于夹层中测点噪声其能量主要集中在 2 0 0 h z 以下。 2 3 4 磁浮列车运行噪声结论 1 7 5 o 5 0 5 0 5 o 2 2 1 1 0 0 9 9 1 1 1 l 1 1 勺一山 第2 章磁悬浮列车噪声源及噪声特性分析 通过高速磁浮车运行噪声实验分析得出：车厢地板的隔声量曲线除去3 1 5 h z 处的低谷外较为平缓，在低频时为1 5 一- - 2 5 d b a ，高频时为2 0 3 0 d b a ；车厢内座 椅处噪声能量主要集中在1 6 0 0 h z 以下；空气动力噪声变化与列车运行速度趋势 一致。并且噪声源主要来自地板下部设备夹层中机械噪声以及车体底部及侧部 的空气动力噪声。通过对磁浮车运行噪声进行初步研究，其高速行驶时的噪声 特点明