【隔声仿真】Actran助力高速列车隔声设计

随着现代铁路技术的不断发展，运行速度的提升和车体的轻量化逐渐成为了两个重要的发展趋势。虽然车速的提升和车体的轻量化带来了显著的经济效益，但也同时带来了一系列的问题，噪声污染问题就是其中之一。

列车高速运行时产生的噪声包括轮轨噪声、气动噪声等，这些噪声一部分传向远方，一部分则透过车厢壁板传入车内。研究表明，列车的气动噪声和轮轨噪声都随着车速的提升而迅速增加。由此可知，列车的提速必定会放大噪声源的量级。另一方面，由于轻量化造成车体局部刚度不足和隔声性能变差，势必会导致更多的噪声传导到车体内部。这些噪声容易导致声学共鸣，产生令人烦躁的低频“轰鸣”声，严重影响乘坐的舒适性。

目前，车内噪声已经成为评价高速列车性能的一项重要指标。提高车厢壁板的隔声性能是控制车内噪声的主要措施之一。世界各大轨道车辆厂商已经开始关注这一问题，并开始应用仿真软件来分析车体隔声量，研究如何提高车体的隔声性能。

1 问题描述

波纹板是列车车体上常用的一种具备消声作用的结构，研究波纹板的声学传递损失对判断整个车体的隔声量有重要意义。

研究传递损失问题通常可供选择的方法包括试验方法和仿真方法。试验方法需要用到声学双室试验，一个混响室，一个消声室，两个室之间墙上开孔的位置放置测试试件。混响室中放置声源做扩散声场激励，引发试件振动并向消声室中进行声波辐射。声学双室试验测试如图1所示。

试验中测试混响室中的声激励功率，消声室中的声辐射功率，二者的比（对数）即为传递损失，具体计算公式如下所示。

试验方法虽然可以获得传递损失的准确值，但受实际条件的限制比较大，制约产品的声学性能设计的创新效率。最理想的方式是通过被试验方法验证过的仿真方法进行传递损失的快速评估。

MSC公司的Actran是业内著名的声学仿真软件，覆盖声学、振动声学、气动声学等多方面功能，并提供了与当今最先进技术相结合的广泛特征。Actran可以完全模拟双室试验中的各个要素，包括激励、试件本身、声辐射，并可以直接通过仿真结果计算出声学传递损失。使用Actran软件建立的波纹板传递损失仿真分析模型如图2所示。

2 建模过程

首先，直接将有限元前后处理软件的结构网格直接导入Actran，然后在Actran内部创建声学网格、边界约束和激励就可以计算出波纹板的传递损失。本文分别使用Actran的物理坐标法和模态坐标法进行传递损失的计算。其中，物理坐标法建模过程中激励面使用扩散声场激励，辐射面使用MRI（模态辐射阻抗方法），相比于创建声学有限元网格，或使用Rayleigh面边界元方法更节省计算时间。模态坐标法建模过程中激励面同样使用扩散声场激励，而辐射面使用声学体网格和无限元。波纹板的声学仿真流程如图3所示。

3 结果分析

分析频率范围从100Hz到4000Hz，分析结果统一做1/3倍频程处理。物理坐标法分析传递损失结果如图4所示。

物理坐标法自由边界情况只计算到低频。计算结果显示，1000Hz以上计算结果与试验测试结果比较接近，而500Hz以下低频段自由边界分析结果与试验更接近。

模态坐标法分析传递损失结果如图5所示。

使用模态坐标法时，固定边界只计算到低频。计算结果显示，1000Hz以上结果与试验测试结果一致，500Hz以下自由边界计算结果与试验结果更接近。

为了进一步对比物理坐标法和模态坐标法的计算结果，现将两种分析结果放到同一张图中进行显示，如图6所示。

物理坐标和模态坐标法在高频阶段结果一致，受边界条件影响可忽略。两种方法在低频阶段受边界影响较大，其中模态法自由边界与实验最接近。

4 结论与展望

使用Actran软件对波纹管结构模型进行声学传递损失仿真，并与试验结果进行比较。通过分析发现了高频阶段结果对边界条件不敏感，低频阶段使用模态坐标求解，以及自由边界条件可以得到与试验结果较好的对比。

本次仿真考虑了固支和自由边界条件，在低频均和测试有一些差距。将来可以通过测试和仿真的差距，反向拟合最佳边界条件仿真方式，如简支方式，或者弹簧、阻尼链接方式等。将来可以考虑高阻尼件，复杂阻尼件，或者包含多孔介质复合板件的声学传递损失。

Actran除了用于计算传递损失，还可以用来分析气动噪声，如转向架与受电弓的气动噪声，为高速列车声学仿真提供完整的解决方案。

结合试验测试得到的车体结构参数、振动特性和噪声源特性，使用Actran软件建立仿真分析模型，准确预测车体的噪声、分析车体隔声性能，能够为车体总体设计中的噪声设计提供可靠依据，使高速列车的技术创新不再过多的受噪声问题的限制。

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