空调对车内噪声影响的仿真分析.pdf
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1、32 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 收稿日期:2022-11-28 作者简介:李新一(1987),男,辽宁大连人,硕士研究生,高级工程师,主要从事轨道交通车辆噪声振动控制技术研究工作,E-mail:。空调对车内噪声影响的仿真分析 李新一1,高阳1,王奇2,陈鹏2,徐圣辉2(1.中国中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130113;2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川 成都 610036)摘要:为研究市域列车空调系统对车内噪声的影响,本文结合边界元法和声线跟踪法,建立了市域列车空调声源车内噪声仿真模型,模型在低频区(160 Hz 以下)使用边界元法,考虑了空调机组和
2、风道气流等声源在空调风道以及客室车厢内传播的特性,在高频区(160 Hz 以上)使用声线跟踪法,最终得到整个频段的车内噪声。选取车内中心距离地板 1.6 m 高度处的声压级仿真与试验结果进行对比,结果显示试验与仿真曲线的变化趋势基本一致,声压级总值相差 1 dB 以内,各频段声压级差值在 5 dB 以内,验证了声学模型的准确性。最后应用该模型对空调降噪措施进行了仿真,当仅存在空调声源时,在管道底部铺设 2 m 的玻璃丝绵可降低车内噪声 4.0 dB(A)。关键词:市域列车;空调;车内噪声;声线法;边界元法 中图分类号:U270.38+3 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1
3、006-0316.2023.08.005 文章编号:1006-0316(2023)08-0032-07 Study on the Influence of Air Conditioning Sound Source on Stationary Interior Noise LI Xinyi1,GAO Yang1,WANG Qi2,CHEN Peng2,XU Shenghui2(1.CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd.,Changchun 130113,China;2.State Key Laboratory of Traction Power,Sou
4、thwest Jiaotong University,Chengdu 610036,China)Abstract:In order to study the influence of the air conditioning system on the interior noise of the city train,this paper combines the boundary element method and the sound ray tracking method to establish a simulation model of the interior noise of t
5、he air conditioning sound source of the city train.The model uses the boundary element method in the low frequency region(below 160 Hz).Considering the characteristics of the sound source of the air conditioning unit and the air flow in the air conditioning duct and the passenger compartment,the sou
6、nd ray tracking method is used in the high frequency region(above 160 Hz),and the interior noise of the whole frequency band is finally obtained.The sound pressure level simulation and test results at a height of 1.6m from the floor in the center of the vehicle are compared.The results show that the
7、 change trend of the test and simulation curves is basically the same.The total sound pressure level difference is within 1dB,and the sound pressure level difference of each frequency band is within 5 dB,which verifies the accuracy of the acoustic model.Finally,the model is used to simulate the nois
8、e reduction measures of air conditioning.When there is only air conditioning sound source,laying 2 meters of glass sponge at the bottom of the pipe can reduce the interior noise by 4.0 dB(A).Key words:regional trains;air conditioning;interior noise;ray tracing method;boundary element method 2023 年第
9、8 期 第 50 卷 机械 33 轨道列车静置或低速运行时,空调噪声是车内主要噪声源。某地铁列车在空调开启及关闭状态下测得的客室噪声声压级总值如表 1 所示1。可以看出,列车静置时,开启空调使得车内噪声声压级上升了 40 dB(A)左右;列车以20 km/h 速度运行时,开启空调使得车内噪声声压级上升了 12 dB(A)左右,说明列车静置或低速运行时空调对车内噪声影响较大。表 1 不同工况客室噪声声压级总值 工况 测量位置 噪声声压级总值/dB(A)差值/dB(A)空调开启空调关闭 静置 客室前 74.9 32.5 42.4 客室中 69.8 36.7 33.1 客室后 75.6 31 44.
10、6 以 20 km/h 速度运行 客室前 72.8 59.1 11.7 客室中 70.7 58.1 12.6 客室后 73.9 59.7 14.2 目前针对地铁和市域车等低速运营列车空调对车内噪声的影响,主要是从试验的角度开展研究2。基于统计能量法建立的车内噪声仿真模型3-4同样将实测空调机组声源和实测出风口声源作为激励源。然而,当车辆或空调结构发生改变时,声源输入需重新测量,不利于仿真空调各降噪措施对动车组车内噪声的影响。因此,有必要建立有效的空调声源车内噪声仿真模型,以更有效地研究空调降噪措施对车内的影响。针对空调噪声车内噪声仿真模型,国内外众多学者进行了相应研究。张振威等5采用有限元方法
11、,建立高速列车空调风道部分有限元模型,忽略风道中气流噪声的影响,仅计算经由风道传播的列车空调机组产生的中低频噪声,与相应的实验数据对比发现,有限元法可以用来预测经由风道传播的空调机组噪声;由于只建立了部分风道模型,同时忽略了风道中气流噪声的影响,使得在大部分的测点处,仿真结果比实测结果大 5 dB 以上。孙艳红等6针对某高速列车空调风道噪声,采用 FE-SEA(Finite Element method and Statistical Energy Analysis,有限元法与统计能量分析)混合法,建立了阻抗复合消声风道结构分析模型,基于声学有限元法计算了风道结构内部的声学模态,基于统计能量法
12、对模型施加边界条件与声场激励,对比试验得到简单膨胀腔的传声损失曲线,发现 FE-SEA 混合法适用于 802500 Hz中低频计算,且能有效减少计算时间,但在计算更高频噪声时,仿真值与实测值之间的差值超过 10 dB。在仿真精度、效率和应用方面,上述研究对空调宽频段噪声研究各自存在不足。声学边界元法适用于低频噪声仿真7,具有使分析问题降维、适用于复杂结构、计算精度高、计算量相对较小等优点。声线跟踪法适用于高频以及几何形状较为规则的空间内,结果较为准确。针对目前列车空调风道噪声研究的不足,本文提出综合建模方法:运用边界元法计算低频部分空调噪声对车内噪声的影响,同时考虑风道内的气流噪声,运用声线跟
13、踪法计算高频部分空调噪声对车内噪声的影响,从而实现在宽频率范围内仿真空调对车内噪声的影响,为空调系统降噪提供参考和依据。1 空调噪声特性试验分析 列车空调系统的主要噪声源有冷凝风机、送风风机、制冷压缩机和空调风道中的气流流动。其中,冷凝风机噪声主要通过空调机组上部散热面向机体上部辐射(即装车后车顶外部),送风风机噪声主要通过送风口和回风口向空调机组下方辐射(即装车后的空调通风管道系统),而制冷压缩机等其他噪声源由于在空调机组内部,主要通过空调机组上下壳体向外部辐射6。1.1 空调声源特性测试 为掌握列车空调噪声声源特性,在距离空调机组 1 m、高度与空调机组持平位置布置声传感器,测试列车静置状
14、态下空调机组辐射噪34 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 声水平,以计算声源特性。同时,为掌握空调系统对车内噪声的影响,按照 ISO 33812011标准,在前空调机组下方(以车头为前),车体纵向中心线上方距离地板面 1.6 m 处布置测点(声学评价点),测试列车静置状态下仅空调机组工作时的车内噪声水平。如图 1 所示。空调风道1 m测点 (a)车外空调机组噪声测点 (b)车内噪声测点 图 1 噪声测点位置示意图 1.2 空调声源特性分析 列车静置、空调机组工作状态下,空调机组测点和车内测点的客室噪声幅频特性结果如图 2 所示。可以看出,静置状态下,空调机组噪声在 1250 Hz 处
15、存在噪声峰值,主频在 1253150 Hz 频段内;客室噪声在 125 Hz 和 400 Hz处存在噪声峰值,噪声主频在 802500 Hz 频段内。除此之外,空调机组噪声和客室噪声在25 Hz 的低频区存在明显的峰值噪声。此外,中心频率小于 125 Hz 的低频区域,空调机组与客室噪声曲线峰值和趋势相似,可以认为客室噪声主要受空调声源影响。在高于125 Hz 的区域,客室噪声峰值与空调噪声峰值不一致。原因可能是,空调机组风道内的气流噪声和客室声学环境对客室噪声产生了影响。图 2 实测噪声声压级 图 2 中实测空调噪声声压级小于客室噪声声压级,其原因在于声压受到测点位置与声源的距离影响。为便于
16、建模仿真,基于点声源传播特性,将测试的声压级数据换算成声功率级,如图 3 所示。可以看出,与 A 计权声压级不同,空调机组声源声功率(未计权)在 25 Hz、160 Hz和 315 Hz 存在峰值。图 3 空调机组辐射声功率级 2 空调噪声风道客室仿真模型 2.1 车内低频噪声预测 鉴于声线法在低频部分的局限性,运用边界元法对车内低频噪声进行预测。边界元法可以对模型进行简化,将三维模型简化为二维模型,减少计算工作量。同时,边界元法仅对边界进行离散,只在边界上产生误差,和有限元分析方法相比有更高的计算精度。车内声场压力 p 应满足 Helmholtz 方程11:220(,)(,)(,)p x y
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