用有限元法分析铁路客车车内空间的声学特性-

1、文章编号:1006-1355(200502-0021-02用有限元法分析铁路客车车内空间的声学特性宋雷鸣,孙守光,张新华(北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044摘要:降低铁路客车车内噪声,提高乘坐舒适度已经成为铁路客车车辆设计者越来越重视的问题。针对某型铁路客车应用有限元法在较低的频率范围内对客车车内的声学特性进行了研究分析,得出了客车车内流体自身的模态和流体与车体耦合后车内流体的模态,并在给定激励下计算了客车车厢内部的声场。关键词:声学;有限元;铁路客车;声场;模态中图分类号:T B533.+2;O242.21文献标识码:AAnalysis of Acoustic Proper

2、ty of Space Inside Rail C ar Based FEMSONG Lei -m ing ,SUN Shou -guan ,ZH ANG Xin -hua(Mechanical and Electrical Controlling Engineering School ,Jiaotong University Beijing ,Beijing 100044,China A bstract :The desig ners of railcars have paid attention to noise inside railcars in order to make pas -

3、sengers comfortable .Acoustic properties of space inside a railcar are analy zed based FEM when fre -quencies are lower :1acoustic modal inside the railcar is calculated w hether coupled o r uncoupled w ithshell of railcar ,2acoustic field inside the railcar is calculated w hen a force is given .Key

4、 words :acoustics ;FEM ;railcar ;acoustic field ;modal收稿日期:2004-10-08;修改日期:2004-11-19作者简介:宋雷鸣(1967-,男,黑龙江人,副教授,主要从事振动噪声、机电一体化的研究。引言随着铁道车辆的高速化,要求铁路客车轻量化,减小车体自重,以适应高速运行的需要。但是,车辆轻量化往往又使车体的隔声效果降低,车体的固有振动特性发生变化,不利于降低车内噪声,这与人们希望改善旅客列车车内环境,降低车内噪声、提高乘车舒适性的要求是不相符合的,因此,有必要对铁路客车的声学特性进行研究,为车内噪声控制方法的实施提供数据支持。要降低

5、车内噪声,对车体及车内声空间的固有特性进行分析是极其重要的。只有掌握了车体及车内声空间的固有特性才能够合理地对车体及车内的声空间进行设计,通过修改车身结构,进而达到在设计过程中采取措施进行车内的振动噪声控制,特别是对较低频率的振动噪声控制。有限元技术为对铁路客车较低频的振动噪声分析提供了一种有效的方法123。本文针对某型铁路客车应用有限元在较低的频率范围内对客车车内的声学特性进行了研究,给出了客车车厢流体模态和流固耦合后车厢内流体的模态,并在给定激励下得出了客车车厢内部的声场。1车内噪声的产生铁路客车车内噪声状况与客车本身因素及线路因素有关如:车体的隔声、固有频率、运行条件(隧道外区间、隧道区

6、间、平板轨道区间、道碴轨道区间、线路状况等不同而不同。车内噪声主要是由滚动噪声、机器噪声、空气动力噪声、集电系统噪声等噪声源引起的。滚动噪声是从轮轨间发出的声音,影响其发生的最主要因素是车轮踏面与轨道表面的状态。滚动噪声的大小与运行速度的2次、3次方成正比。机器噪声主要有转向架上主电机的电磁声、冷却风扇声、齿轮装置的啮合声、主变压器与主变换器的电磁声、地板下辅助机器的冷却风机声、空调及通风装置的噪声。集电系统噪声主要有受电弓与接线网的滑动声、受电弓脱线时发出的火花声、从受电弓和受电弓罩发出的空气动力噪声等。车辆高速运行时,车体表面的凹凸(侧窗、百叶窗、侧拉门、车体连接部等处产生的空气动力噪声对

7、车内的影响很大。空气动力噪声的大小与运行速度的5次、6次方成正比,因此,对高速运行车辆影响尤为突出4。噪声的传播路径,分空气传播、固体传播(一次固体传播、二次固体传播等2种途径。空气传播噪声是从噪声源发出,以空气为媒介,从车窗、车体的缝隙传播到车内的声音。固体传播噪声是从轮轨间等噪声源发出,以振动的形式传播到构架等处,最终在车体内部振动产生一次固体传播噪声;另一种形式是从噪声源以放射状发出,利用空气传播到地板、车体侧墙等处,最终在车体内部振动产生二次固体传播噪声。通过对铁路客车车体的合理设计可以有21用有限元法分析铁路客车车内空间的声学特性效地减少车体对声的传播,进而达到降低车内噪声的目的。2

8、铁路客车车内声空间的模态分析有限元法是大型复杂结构或多自由度体分析的有力工具,近20年来已广泛地用于机械、电磁、热学等领域。本文首先采用立体建模软件建立某型铁路客车的模型,并在有限元软件中对车体、车内流体进行了单元划分,进而建立了铁路客车的有限元模型,并在SYSNOISE 软件中对车内声模态进行了分析计算,得出了在较低频率处的非耦合模态和耦合模态(流体与车体的耦合。图1给出了客车车内的流体模型,图2为非耦合的车内流体的声模态,频率为49.382Hz ,图3为非耦合的车内流体的声模态,频率为54.747Hz ,图4为车体与流体耦合的声模态图,频率为49.392Hz ,图5为车体与流体耦合的声模态

9、图,频率为54.845H z 。图1客车车厢流体模型图图2流体模态49.382Hz 图3流体模态54.747Hz图6场点声压分布状况图图5耦合流体模态54.845Hz图4耦合流体模态49.382Hz从图2到图5的铁路客车声模态分析结果对比发现,没考虑流固耦合的流体声模态与考虑了车体与流体之间的流固耦合的声模态相比,流体的振型产生了比较大的变化。耦合后振型的节面位置发生了变化,使得节面数目变少。因此在研究车内的噪声控制时,不仅要考虑车体和车内空间的各自声学特性,也必须考虑车体和车内声空间的耦合特性,使耦合系统不与外加激励产生共振,进而达到降低车内噪声的目的。所以,单考虑车身结构本身的振动模态或单

10、独考虑乘坐室空腔声学模态都不能反映力-振动,振动-声,声-振动这样的系统耦合特性。而必须将车身结构振动和乘坐室空腔噪声耦合起来考虑其耦合系统的模态参数。3客车车体内部噪声分析在sys -noise 软件中对耦合模型进行了内部的噪声分析,在车体的一个心盘位置处施加一200Hz 的激励,并建立如图6的分析面,该面的位置处于客车纵轴水平中截面位置。噪声分析的结果如图6所示。从图6所示的声压分布来看在靠近双排座位一侧噪声较大,而在三排座位一侧声音较小。4结语利用有限元软件和声学处理软件对铁路客车的车内低频声学特性进行了分析,仿真计算结果表明,采用有限元法对铁路客车车内的低频声学特性进行分析是可行的,同时进一步说明铁路客车车内声学特性受车体的影响程度,进行车内噪声控制时,特别是低频噪声控制时,应注意车体结构对车内噪声的影响。参考文献:1谭建国.使用AN SYS6.0进行有限元分析M .北京:北