高速列车关键部位近场噪声频谱特性仿真

吕 岗 袁永文 / .天津铁道职业技术学院 .东营市技师学院

高速列车关键部位近场噪声频谱特性仿真

吕 岗1袁永文2/ 1.天津铁道职业技术学院 2.东营市技师学院

本文建立了包括受电弓、头车、尾车、转向架的三节车三维模型，进行了时速200km/h和300km/h空气动力学仿真和声学仿真，分别分析了流线型头部、受电弓区域近场气动噪声的频谱特性。通过分析发现：高速列车运行高速运行时，列车受电弓区域噪声等级高于头部区域噪声等级；噪声等级的大小和曲面迎风面与列车运行方向有关。

高速列车；气动噪声；频谱特性；受电弓；转向架

引 言

随着人们对需求的不断提高，快节奏的工作生活对交通运输速度的要求也不断提高，高速铁路成为人们工作旅行首选的交通工具。高速动车运行速度很高，新建城际铁路设计时速为250km/h，京沪高铁、沪昆高铁等设计时速高达380km/h，高速铁路带给人们方便的同时，运行噪声也给铁路沿线居民及车内旅客的身心健康产生很大的危害。研究表明，当噪声超过一定限度和范围时，就会干扰人们的生活和工作，使人感到烦躁，甚至会危害人体健康，长期生活在80dB以上环境中，造成耳聋者可达50%[1-2]。因此高速动车组设计之初就应该考虑的气动噪声的影响，所以如何设计列车外形，并预测运行噪声至关重要。

截至目前，研究高速列车气动噪声文献很多，但多数只针对特定部分进行研究。比如西南交通大学的董继蕾，李辉，张亚东，张军，赵萌[3-7]分别针对受电弓气、列车连接处动、转向架处、车头及高速列车整车（不包括受电弓）的噪声特性进行了研究。本文建立了全车仿真模型，包含了几乎所有的关键部件，仿真结果更接近实际情况。

一、近场噪声特性分析

（一）评估点设置

为了研究高速列车近场噪声特性，分别在列车关键部位设置若干评估点，评估点分布如图1所示，车头评估点N1、N2、N3、N4、N5，受电弓评估点P1、P2、P3、P4、P5五个点。

图1 评估点位置

二、频谱特性分析

（一）车头近场气动噪声分析

图2为300 km/h速度运行时，在0.35s时间内，车头曲面监测点N1、N3、N4、N5四点脉动压力随时间变化历程。

图2 300km/h 评估点脉动压力

由图2可知，在运行速度一定时，脉动压力是一种随机压力，它没有一定的规律可寻。N1、N2评估点脉动压力为正值，N3、N5评估点脉动压力为负值，其中，N1点脉动压力峰值及波动幅度最大，N5点相对最小，结合图1中各监测点所处的位置，表明曲面曲率变化大的区域对流体扰动越大，相应的脉动压力峰值和波动幅度越大。反之，曲面曲率变化小的区域，对应的脉动压力峰值和波动幅度相对小些。

由前面论述已知，高速列车气动噪声与曲面的形状有关系，高速动车组气动噪声主要是偶极子为主，通过傅里叶变换，将评估点脉动压力信号转变成频域信号，得到评估点噪声频谱。

300 km/h运行速度下的高速动车组车头表面监测点的脉动压力转换成频谱，其频谱分布如3图所示。

图3 300km/h 评估点噪声频谱

从图3中看出，各评估点气动噪声的频谱特性图很相似，声压在0～5000Hz范围内存在，是一种宽频域噪声。从频谱图中看出，1000Hz以下时，声压等级较高，1000Hz以上时，噪声等级区域稳定，但整体趋势是随着频率的升高，各点的幅值都持续下降。

（二）受电弓近场气动噪声分析

图4为300 km/h速度运行时，在0.35s时间内，车头曲面监测点P1、P2、P3、P5四点压力随时间变化历程。受电弓监测点布置见图1。

图4 300km/h 评估点脉动压力

从图4中可以看出各评估点脉动压力的波动情况，P1、P2两点脉动压力为正值，P3、P4、P5脉动压力为负值，P2点脉动压力波动速度最小，因为改点所处杆件与风向成小锐角，空气流经该处分流较小。P1、P3、P4、P5点波动幅度都较大，因为这几个监测点都位于与风向垂直的杆件，气流再次发生分流，脉动压力波动较大。

在300km/h运行速度下的高速动车组受电弓表面监测点的脉动压力转换成频谱，其频谱分布如图5所示。

图5 300km/h 受电弓区域噪声频谱

图5中可以看出，受电弓区域评估点噪声频谱特性与车头区域评估点相似，噪声在很宽的频域内存在，低频时噪声等级较高，大于1000Hz后噪声等级趋于稳定。

三、结论

在列车曲面曲率变化大的区域，脉动压力幅值和波动幅度越大；高速动车组气动噪声属于一种宽频域噪声，低频时声压较高；高速动车组近场气动噪声的能量在低频部分较大，在高频部分较小；在高速列车车身曲面曲率变化越大的区域，近场气动噪声波动梯度、声压级数值及其增长幅度越大，反之就越小；最大总声压级出现在受电弓附近，因为在该处结构复杂，主要是些与风向垂直的杆件，气流在该处流动紊乱，诱发很大的气动噪声；当受电弓杆件结构与风向垂直时，会诱发更大的气动噪声。因此，合理的优化车头、受电弓外形及优化杆件布置能够有效地较少气动噪声。

[1]储荣邦；吴双成；王宗雄.噪声的危害与防治[J].电镀与涂饰 2012，12(32)：52-57.

[2]袁磊，李人宪.高速列车气动噪声及影响[J].机械工程及自动化，2013( 5) : 31- 36.

[3]董继蕾， 沈火明.高速列车车顶受电弓气动噪声仿真研究[J].四川理工学院学报，2016， 29(2): 56-60.

[4]李 辉，肖新标，李志辉，等.某型受电弓300km/h速度下气动噪声初步分析［J］.铁道学报，2016，38(9): 18-22.

[5]张亚东， 张继业， 李 田.高速列车整车气动噪声声源特性分析及降噪研究［J］.铁道学报，2016，38( 7) : 40-49.

[6]张军，黄艳艺，兆文忠.高速列车气动噪声数值仿真[J].大连交通大学学报， 2012,33(4):1-5.

[7]赵萌，毛军.强侧风对受电弓的气动作用规律[J].北京交通大学学报，2012,3（3）：7-11.

吕岗（1987—），男，汉族，山东定陶人，助教，研究生学历，天津铁道职业技术学院教师，主要从事高速动车组空气动力学噪声方向的研究。