轨道车辆车内声场仿真及声品质优化

扈 凯，王岩松

（上海工程技术大学 汽车工程学院，上海201620）

轨道车辆车内声场仿真及声品质优化

扈 凯，王岩松

（上海工程技术大学 汽车工程学院，上海201620）

以上海轨道交通九号线为例，对车内噪声进行现场测试，测量车厢结构参数并建立有限元模型，采用Actran软件进行声学仿真，并使用A计权声压级和特征响度两个主要的声品质客观评价参量验证仿真的结果，随后提出声品质优化方案，使车内声压级降低5 dB，特征响度总体下降，总响度值降低1.26 sone，对提高车内声品质和改善车内声场环境具有一定的参考价值。

声学；轨道车辆；车内声场；Actran仿真；声品质优化

另一方面，在声学仿真方面，有限元方法、无限元方法、统计能量分析等数值计算方法和仿真技术被广泛运用在各个行业[2]，成为了解决噪声问题的有效手段。

本文采用有限元方法以A计权声压级和特征响度两个声品质参量对轨道车辆车厢内声场进行试验和仿真研究，以上海地铁九号线车厢为研究对象，用丹麦B&K公司的Pluse多通道声学测量平台进行噪声采集，同时，测量了车厢的三维空间坐标进行建模，用声学软件Actran进行仿真分析并提出优化设计方案。

1 噪声数据采集及分析

1.1 噪声数据采集

以上海地铁九号线AC04型车辆车厢为研究对象，列车为6节编组，测试时风速小于5.5 m/s，测试路段为直线。车厢长宽高分别是21.54 m、2.81 m、2.056 m，车厢内部未作任何吸声处理。测量设备采用丹麦B&K公司的Pulse声音数据采集平台。采样频率设置为44 100 Hz，将采集到的噪声信号做频程滤波处理，并将所有原信号和滤波信号存入计算机中以备后续处理。试验选取中间车厢中部的两个位置进行数据采集，每个测点测量5次，采样的平均时间为15 s。经作者试听后选取环境干扰较小的一个噪声样本进行分析，传声器高度设置为1.1 m，测量工况为轨道车辆在地下隧道以时速60 km/h运行。车厢结构布置及测点如图1所示。

图1 测点布置

1.2 噪声数据分析

将采集到的噪声数据转换为*.mat格式导入Matlab软件中，编程并计算噪声数据的有效声压级，根据声能量叠加的公式，得到不同测点噪声样本的总声压级，如表1所示。

表1 两个测点的总声压级

由表1可以看出，测点2的总声压级比测点1的总声压级大0.4 dB，其主要原因可能是由于测试时背景噪声不同和作者在数据筛选时存在随机误差导致。

将采集的噪声数据导入Pulse软件中进行1/3倍频程下的A计权声压级频谱分析，如图2所示。

由图2可知，两个测点的总声压级相差不大，由于车厢内部噪声以中低频噪声为主，而1/3倍频程下的A声级计权主要对500 Hz以下的中低频噪声进行衰减[3]，从而可以较好地模拟人耳特性，因此，对车厢内部噪声数据的各个频率上进行A计权处理，以方便观察其噪声能量分布。

2 仿真分析及模型验证

2.1 模型建立

在UG软件中建立车厢的三维模型，如图3所示。将CAD模型做适当简化处理，去除对车厢内声场影响不大的杆类部件并导入Hyper Mesh软件中，按照声学网格每波长至少六个单元的计算要求进行网格绘制[4]。设定网格尺寸为70 mm，共生成节点数385 856个，单元数2 241 322个，得到轨道车辆车厢有限元模型如图4所示。

图2 两个测点1/3倍频程的A计权声压级曲线

图3 车厢UG模型

图4 车厢有限元模型

2.2 Actran的仿真分析

Actran是基于有限元法和无限元法的声学计算软件，能够研究产品的声学、振动声学或气动声学性能。Actran独有频率响应函数Krylov解算器可大幅提高计算效率，尤其适用于声辐射、声传播分析。

在Actran仿真软件中，将在HyperMesh中构建完成的有限元模型以*.bdf的格式导入，采用直接频率响应分析，分析的频率范围为20 Hz～400 Hz，步长1 Hz。由于轨道车辆运行过程中，车厢内噪声的主要噪声源为轮轨噪声和电器设备噪声[5]，因此，在软件中的轮轨处和车厢顶部分别设置一个线声源来模拟轮轨噪声和空调噪声，均给予适当大小的激励，同时，对车厢体、车门、窗户等分别定义材料属性。

由于软件只能对固定声源的情况进行仿真分析，所以，我们将试验所测点的瞬间样本数据与Actran中相同测点位置的仿真结果进行对比分析，以此来验证模型的正确性。

通过Actran软件处理后得到试验所测数据与仿真数据的对比值如图5所示，其中（a）为声压级对比曲线，图（b）为特征响度的对比曲线。

图5 仿真与试验的声压级和特征响度对比曲线

由图5可知，仿真结果与真实值存在一定的误差，原因是只实现了对轮轨噪声和空调设备噪声的仿真，对于车内声场受到的风激励噪声在仿真中并没有实现，同时，列车运行过程中也受到复杂多变的环境因素的影响。但是两者整体变化趋势一致，误差范围也在可接受范围之内，总体来说仿真结果与试验测试数据基本符合，从而可以证明模型建立和声源定义是正确的。

3 仿真优化设计

根据《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》的规定[6]，城市轨道交通系统中地铁和轻轨车辆客室内噪声等效A计权声压级最大允许值见表2。

表2 地铁和轻轨车辆等效声级的最大允许限值

由测试数据可知，轨道车辆在运行过程中噪声长期处于75 dB以上。如果人长期处于超过70 dB的环境中，就会对身体健康产生危害，表现为心烦意乱、头昏、神经衰弱等[7]，大大降低了轨道交通的乘坐舒适性。

造成车厢内部声品质差的主要原因是车厢在制造过程中并未采取任何降噪措施，车厢的制作材料多为铝合金，车内座椅主要由高密度聚乙烯塑料或铝合金制成，窗户的材料则是普通玻璃，这些材料都是坚硬光滑的反射面，使得车厢内的混响噪声较大。同时，车体、门窗、车厢连接处的密封性不好，噪声通过缝隙传入车内，使噪音进一步加大，严重影响了车内的声品质。

为改善车厢内部声场环境、提高声品质，可以对车厢内进行吸声处理，将车厢两侧内壁喷涂了聚酯纤维吸声材料，其各频带吸声系数如表3所示，并根据材料属性在软件中设置相应的参数。最后，对比已做吸声处理与未做吸声处理的车厢内声压级、1/3倍频程下的A计权声压级、特征响度和总响度，分别如图6（a）（b）（c）所示。

表3 各频率吸声系数

由图（a）可知，经过吸声处理后，车内声压级有所降低，整体趋势和波动程度变化不大，图（b）中噪声数据经过A计权处理之后声压级下降趋势更加明显直观，各频带声压级降低了4 dB～6 dB，总声压级约降低了5 dB，图（c）中各bark域尤其是中低频带的特征响度有所降低，总响度值降低了1.26 song。

通过数据可以直观地看出，经过吸声处理，车厢内声场声压级总体下降，证明吸声材料有较好的降噪效果，车内声品质有所改善，提高了轨道车辆的乘坐舒适性。

4 结语

本文以上海地铁九号线为例，使用声学软件Actran对轨道车辆车厢内部声场进行仿真，并将仿真结果与试验测试结果进行比较，验证了模型的正确性。同时，提出了在车厢内部喷涂聚酯纤维吸声材料的车内声品质优化方案，并在Actran中进行仿真，取得了较好的优化效果，将车内噪声声压级降低了5 dB左右，特征响度总体下降，总响度值降低1.26 sone，改善了车内声品质，减少了噪声对车内乘客的不良影响，对进一步改善车内声场环境有一定的参考价值。

图6 声学处理前后声压级和特征响度的对比曲线

[1]蒋伟康，闫肖杰.城市轨道交通噪声的声源特性研究进展[J].环境污染与防治，2009，31(12)：64-69.

[2]程建春，田 静.中国声学进展[M].北京：科学出版社，2008.539-627.

[3]Schneider M,Wilhelm,Alt N,Development of vehicle sound quality targets and methods[C].SAE International, 1995,951283:401-414.

[4]王治国.工程声学有限元分析理论与应用[M].北京：国防工业出版社，2007.78-79.

[5]张 伟，陈光雄.高速列车车内噪声声品质客观评价分析[J].铁道学报，2011，33(2)：13-19.

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[7]蔡 俊.噪声污染控制工程[M].北京：中国环境科学出版社，2011.1-10.

[8]刘英杰，卢贤丰.城市地铁噪声分析与控制[J].噪声与振动控制，2005(11)：89-92.

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[10]罗 虹，张 杨，等.车内声品质评价系统的研究[J].现代制造工程，2011，11：28-33.

Interior Sound Field Simulation and Sound Quality Optim ization of Metro Vehicles

HU Kai,WANG Yan-song

（Automotive Engineering College,Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620,China）

The interior noise and the structural parameters of vehicles in Shanghai Metro 9 are measured.The finite element model of the vehicles is established.Then,the Actran software is used for acoustical simulation.The accuracy of the simulation results are verified by using two major objective evaluation parameters of sound quality:A-weighted sound pressure level(SPL)and specific loudness.Finally,a sound quality optim ization scheme is put forward and performed.The results show that the SPL of the interior noise of vehicles can be reduced by 5 dB and the specific loudness can be reduced by 1.26 sone.The proposed scheme is effective for improving interior acoustic environment and has some significance for improving the interior sound quality of vehicles.

acoustics;railway vehicles;interior sound field;Actran simulation;sound quality optim ization

1006-1355(2014)04-0174-04

U270.1+.6文献识别码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.038

近年来，城市轨道车辆发展迅速，采取有效的措施降低车内噪声、提高声品质已经成为学者普遍关注的问题。

为改善车内声场环境，地铁设计制造人员采取了各种措施，例如日本使用橡胶充气车轮取代普通车轮，德国把制动盘放在轮心上来降低噪声。但由于材料和结构的限制，这些措施的降噪效果并不理想[1]。

2013-10-25

国家自然科学基金（51175320）；上海高校特聘教授（东方学者）跟踪计划

扈 凯（1990-），男，山东潍坊人，硕士研究生，目前从事车辆NVH测控技术研究。

E-mail:hukai0628@163.com

王岩松（1971-），男，教授，硕士生导师。