用有限元法分析鐵路客車車內(nèi)空間的聲學(xué)特性-

1、文章編號(hào):1006-1355(200502-0021-02用有限元法分析鐵路客車車內(nèi)空間的聲學(xué)特性宋雷鳴,孫守光,張新華(北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京100044摘要:降低鐵路客車車內(nèi)噪聲,提高乘坐舒適度已經(jīng)成為鐵路客車車輛設(shè)計(jì)者越來越重視的問題。針對(duì)某型鐵路客車應(yīng)用有限元法在較低的頻率范圍內(nèi)對(duì)客車車內(nèi)的聲學(xué)特性進(jìn)行了研究分析,得出了客車車內(nèi)流體自身的模態(tài)和流體與車體耦合后車內(nèi)流體的模態(tài),并在給定激勵(lì)下計(jì)算了客車車廂內(nèi)部的聲場(chǎng)。關(guān)鍵詞:聲學(xué);有限元;鐵路客車;聲場(chǎng);模態(tài)中圖分類號(hào):T B533.+2;O242.21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: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作者簡(jiǎn)介:宋雷鳴(1967-,男,黑龍江人,副教授,主要從事振動(dòng)噪聲、機(jī)電一體化的研究。引言隨著鐵道車輛的高速化,要求鐵路客車輕量化,減小車體自重,以適應(yīng)高速運(yùn)行的需要。但是,車輛輕量化往往又使車體的隔聲效果降低,車體的固有振動(dòng)特性發(fā)生變化,不利于降低車內(nèi)噪聲,這與人們希望改善旅客列車車內(nèi)環(huán)境,降低車內(nèi)噪聲、提高乘車舒適性的要求是不相符合的,因此,有必要對(duì)鐵路客車的聲學(xué)特性進(jìn)行研究,為車內(nèi)噪聲控制方法的實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持。要降低

5、車內(nèi)噪聲,對(duì)車體及車內(nèi)聲空間的固有特性進(jìn)行分析是極其重要的。只有掌握了車體及車內(nèi)聲空間的固有特性才能夠合理地對(duì)車體及車內(nèi)的聲空間進(jìn)行設(shè)計(jì),通過修改車身結(jié)構(gòu),進(jìn)而達(dá)到在設(shè)計(jì)過程中采取措施進(jìn)行車內(nèi)的振動(dòng)噪聲控制,特別是對(duì)較低頻率的振動(dòng)噪聲控制。有限元技術(shù)為對(duì)鐵路客車較低頻的振動(dòng)噪聲分析提供了一種有效的方法123。本文針對(duì)某型鐵路客車應(yīng)用有限元在較低的頻率范圍內(nèi)對(duì)客車車內(nèi)的聲學(xué)特性進(jìn)行了研究,給出了客車車廂流體模態(tài)和流固耦合后車廂內(nèi)流體的模態(tài),并在給定激勵(lì)下得出了客車車廂內(nèi)部的聲場(chǎng)。1車內(nèi)噪聲的產(chǎn)生鐵路客車車內(nèi)噪聲狀況與客車本身因素及線路因素有關(guān)如:車體的隔聲、固有頻率、運(yùn)行條件(隧道外區(qū)間、隧道區(qū)

6、間、平板軌道區(qū)間、道碴軌道區(qū)間、線路狀況等不同而不同。車內(nèi)噪聲主要是由滾動(dòng)噪聲、機(jī)器噪聲、空氣動(dòng)力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲等噪聲源引起的。滾動(dòng)噪聲是從輪軌間發(fā)出的聲音,影響其發(fā)生的最主要因素是車輪踏面與軌道表面的狀態(tài)。滾動(dòng)噪聲的大小與運(yùn)行速度的2次、3次方成正比。機(jī)器噪聲主要有轉(zhuǎn)向架上主電機(jī)的電磁聲、冷卻風(fēng)扇聲、齒輪裝置的嚙合聲、主變壓器與主變換器的電磁聲、地板下輔助機(jī)器的冷卻風(fēng)機(jī)聲、空調(diào)及通風(fēng)裝置的噪聲。集電系統(tǒng)噪聲主要有受電弓與接線網(wǎng)的滑動(dòng)聲、受電弓脫線時(shí)發(fā)出的火花聲、從受電弓和受電弓罩發(fā)出的空氣動(dòng)力噪聲等。車輛高速運(yùn)行時(shí),車體表面的凹凸(側(cè)窗、百葉窗、側(cè)拉門、車體連接部等處產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲對(duì)

7、車內(nèi)的影響很大。空氣動(dòng)力噪聲的大小與運(yùn)行速度的5次、6次方成正比,因此,對(duì)高速運(yùn)行車輛影響尤為突出4。噪聲的傳播路徑,分空氣傳播、固體傳播(一次固體傳播、二次固體傳播等2種途徑?？諝鈧鞑ピ肼暿菑脑肼曉窗l(fā)出,以空氣為媒介,從車窗、車體的縫隙傳播到車內(nèi)的聲音。固體傳播噪聲是從輪軌間等噪聲源發(fā)出,以振動(dòng)的形式傳播到構(gòu)架等處,最終在車體內(nèi)部振動(dòng)產(chǎn)生一次固體傳播噪聲;另一種形式是從噪聲源以放射狀發(fā)出,利用空氣傳播到地板、車體側(cè)墻等處,最終在車體內(nèi)部振動(dòng)產(chǎn)生二次固體傳播噪聲。通過對(duì)鐵路客車車體的合理設(shè)計(jì)可以有21用有限元法分析鐵路客車車內(nèi)空間的聲學(xué)特性效地減少車體對(duì)聲的傳播,進(jìn)而達(dá)到降低車內(nèi)噪聲的目的。2

8、鐵路客車車內(nèi)聲空間的模態(tài)分析有限元法是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)或多自由度體分析的有力工具,近20年來已廣泛地用于機(jī)械、電磁、熱學(xué)等領(lǐng)域。本文首先采用立體建模軟件建立某型鐵路客車的模型,并在有限元軟件中對(duì)車體、車內(nèi)流體進(jìn)行了單元?jiǎng)澐?進(jìn)而建立了鐵路客車的有限元模型,并在SYSNOISE 軟件中對(duì)車內(nèi)聲模態(tài)進(jìn)行了分析計(jì)算,得出了在較低頻率處的非耦合模態(tài)和耦合模態(tài)(流體與車體的耦合。圖1給出了客車車內(nèi)的流體模型,圖2為非耦合的車內(nèi)流體的聲模態(tài),頻率為49.382Hz ,圖3為非耦合的車內(nèi)流體的聲模態(tài),頻率為54.747Hz ,圖4為車體與流體耦合的聲模態(tài)圖,頻率為49.392Hz ,圖5為車體與流體耦合的聲模態(tài)

9、圖,頻率為54.845H z 。圖1客車車廂流體模型圖圖2流體模態(tài)49.382Hz 圖3流體模態(tài)54.747Hz圖6場(chǎng)點(diǎn)聲壓分布狀況圖圖5耦合流體模態(tài)54.845Hz圖4耦合流體模態(tài)49.382Hz從圖2到圖5的鐵路客車聲模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),沒考慮流固耦合的流體聲模態(tài)與考慮了車體與流體之間的流固耦合的聲模態(tài)相比,流體的振型產(chǎn)生了比較大的變化。耦合后振型的節(jié)面位置發(fā)生了變化,使得節(jié)面數(shù)目變少。因此在研究車內(nèi)的噪聲控制時(shí),不僅要考慮車體和車內(nèi)空間的各自聲學(xué)特性,也必須考慮車體和車內(nèi)聲空間的耦合特性,使耦合系統(tǒng)不與外加激勵(lì)產(chǎn)生共振,進(jìn)而達(dá)到降低車內(nèi)噪聲的目的。所以,單考慮車身結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)模態(tài)或單

10、獨(dú)考慮乘坐室空腔聲學(xué)模態(tài)都不能反映力-振動(dòng),振動(dòng)-聲,聲-振動(dòng)這樣的系統(tǒng)耦合特性。而必須將車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)和乘坐室空腔噪聲耦合起來考慮其耦合系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。3客車車體內(nèi)部噪聲分析在sys -noise 軟件中對(duì)耦合模型進(jìn)行了內(nèi)部的噪聲分析,在車體的一個(gè)心盤位置處施加一200Hz 的激勵(lì),并建立如圖6的分析面,該面的位置處于客車縱軸水平中截面位置。噪聲分析的結(jié)果如圖6所示。從圖6所示的聲壓分布來看在靠近雙排座位一側(cè)噪聲較大,而在三排座位一側(cè)聲音較小。4結(jié)語利用有限元軟件和聲學(xué)處理軟件對(duì)鐵路客車的車內(nèi)低頻聲學(xué)特性進(jìn)行了分析,仿真計(jì)算結(jié)果表明,采用有限元法對(duì)鐵路客車車內(nèi)的低頻聲學(xué)特性進(jìn)行分析是可行的,同時(shí)進(jìn)一步說明鐵路客車車內(nèi)聲學(xué)特性受車體的影響程度,進(jìn)行車內(nèi)噪聲控制時(shí),特別是低頻噪聲控制時(shí),應(yīng)注意車體結(jié)構(gòu)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。參考文獻(xiàn):1譚建國(guó).使用AN SYS6.0進(jìn)行有限元分析M .北京:北