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在研究车内噪声预测的课题时,数值模拟计算的分析方法已成为和理论研究、实验研究具有同等地位的研究方法。目前,国内在该领域的研究水平尚不成熟,成功的应用实例并不是很多。本文试图探索出一条比较完善的具有实用价值车内噪声预测方法,进一步充实高速列车低噪声设计的内容。本文建立了高速列车结构模型、高速列车客车室结构有限元模型,客车室声腔边界元模型,利用CFD技术,对高速列车附近流场的分布情况和车身表面脉动压力的特点进行研究;之后对列车客车室的结构模态和声学模态进行分析研究;最后采用声固耦合的计算方法预测车内噪声,并将仿真结果与实测结果进行对比。
本文主要研究内容及相关结论如下:
(1)对车内气动噪声产生的理论基础进行研究,明确了噪声源为列车表面脉动压力。高速列车行驶过程中,列车表面与气流相互作用,车身表面产生脉动压力,引起车身门、窗和壁板等结构的振动,从而向车内辐射气动噪声。气动噪声主要是由偶极子声源构成。
(2)用Fluent对高速列车高速行驶时外流场的特性进行分析,并对车身表面脉动压力分布特点做了研究。得出以下结论:
①相对流速越大等压线分布越密集,压力梯度越大。
②列车表面脉动压力在低频区较大,并随频率的增加而减小,高频区较小。脉动压力的能量主要集中在300Hz到1000Hz频率范围内。由于脉动压力是气动噪声的源,可以肯定高速列车低频段的气动噪声幅值相对较高。
③拟合出声功率级与气流速度关系:声功率级与风速的5.49~6.20次方成正比,位于不同位置的监测点的气流噪声声功率级与风速关系稍有差别。
(3)在对车内噪声预测前,需要先对高速列车车身的结构模态和声学模态进行研究,作为之后研究的基础。车体结构模态表明:车体结构的模态频率比较低,而且模态比较密集。车体结构在侧墙和顶面处的振动比较剧烈,需要加强这些区域结构的刚度。当激振频率与车体固有频率接近甚至相同而引起模态共振时,这些区域将出现更剧烈的振动,辐射出强烈的车内噪声。声学模态表明:高速列车车内声场各阶模态不管是横向、垂向还是纵向都具有对称性,可以看出声学模态主要由声腔形态决定。通过结构模态和声学模态振动频率的对比,避开相同的振动频率,可以有效的避免车身壁板和声腔的共振。
(4)在模态分析的基础上,用结构有限元与声学边界元耦合的方法求解车内声场,模拟计算所得的车内某点总声压级和实测值较为吻合,但是声压级频谱图在某些频段的变化趋势上稍有不同。说明计算方法有一定的可行性,但是仍有不足之处。考虑其原因,可能是模型的简化造成与实际情况不能完全相符,以及限于计算条件无法将计算网格进一步精细化造成的。