精确模拟轨道车辆噪声以实现静音行驶和舒适出行

声学仿真初学者 2023年7月6日浏览：1584 收藏：1

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全球综合交通枢纽和公共设施正日益丰富、庞大和复杂，各类交通运载工具正服务于人们的公共出行，随着工业文明的延展和人类生活水平的提高，人们越来越关注大交通运载时代出行的便利性和舒适性。COVID-19几乎破坏了全世界的每个经济体，很可能无限期地改变我们的日常生活，在这个最敏感的经济时期，为疫情期间的乘客提供舒适和愉悦的乘坐环境对于车辆研制和铁路运营公司至关重要。无论是旅客出行还是货物运送，轨道车辆都必须将噪音降至最低，以免干扰周围的生态系统。

VA One是用于振动声学分析和设计的单一综合软件平台和环境，是中车系统研究和工程部门广泛应用于城市轨道交通车辆和高铁动车组噪声与振动仿真分析的核心工具。它使工程师可以在设计周期的早期进行准确的预测性噪声和振动设计评估，以达到产品性能目标。用户可以满足苛刻的设计要求与规范，确保在受益于多学科开发环境的需求时就可以做出工程决策。本期将介绍基于VA One软件平台如何有效的开展轨道车辆的噪声设计工作、如何能够精确模拟轨道车辆噪声水平，满足驾乘人员的出行舒适性和安全性。

当您还是个孩子时，您希望在乘坐火车与同伴一起冲向遥远冒险的过程中听到各种撞击声、尖叫声和碰碰碰碰的声音。然而，当你长大成人后，你可能希望在乘坐火车时保持沉默，一个人安安静静的坐着欣赏窗外的风景，或与你的客户和老板进行远程会议，这个时候，你是很不情愿让吵闹的火车与你同行的。

法国ESI集团振动声学全球业务发展经理Trevor Edwards说：“火车上的车内噪音水平是重要的客户满意度标准。”“车厢内的噪音会以车厢内各主要位置的声学目标的形式，向列车设计师反映出来，有时对外部噪声的关注可能是立法性的，例如限制在房屋附近通过的轨道车辆或其他车辆的噪声通过（PBN）法规。”

在每列火车中，都有许多噪声源，工程师需要评估这些因素如何影响过境旅客的舒适度和体验。

工程师需要尽可能地去减少这些噪声的干扰。不幸的是，大部分的噪音是由轨道和环境造成的，这是火车设计者无法控制的。这使得使用仿真模拟工具变得更加重要，以帮助优化您所能做的一切，以确保驾驶员和乘客的舒适性以及公众的夜间睡眠。

工程师如何测量车辆噪音

轨道车辆产生的主要噪声源包括设备、滚动噪音、气动噪音和转向架。为了实现有效的声学设计，需要评估和限制每个声源。

VA One软件中的专业模块可以帮助工程师进行列车静音设计。

ESI集团的振动声学专家Robert Fiedler指出，由于轮轨界面的缺陷和粗糙而引起的噪声是主要噪声源，也是乘客非常直观的舱内感受。的确，工程师无法控制轨道，但他们可以通过减少振动的方式设计车轮、外壳和总成。但是，首先他们需要测量或表征声音。

Fiedler说：“您可以通过用声学阵列或声像仪进行测量来研究辐射噪声，但是这很困难，因为您需要昂贵的测量设备，而且很难将设备和环境噪声分开记录。”

Fiedler建议的另一种方法是使用靠近车辆底部的一组麦克风来记录噪音。这种方式更易于执行，但仍然会导致同时采集到设备和环境的噪声。

Fiedler补充说：“第三种方法是通过仿真来表征来自轮/轨噪声的辐射功率。”“我使用的方法是Remington方法。这包括一种分析方法，您可以将钢轨和车轮分成具有惯性、质量和弹性体的正方形网格。或者，您可以使用FEM / BEM（有限元/边界元）方法。”

换句话说，为了快速、准确、经济的来表征组件噪声，工程师可以采用噪声、振动和声振粗糙度（NVH）模拟的计算机辅助工程（CAE）软件。

Skoda交通运输项目的CAD设计专家Sergej Italjancev解释说，当他们第一次设计地铁列车进行投标时，他的团队无法满足和完成招标要求的噪音标准。在应用了VA One并进行了设计变更后，他们赢得了订单。目前，他们生产了八辆列车，每辆6节车厢。

如何模拟轮/轨的NVH

通过仿真，工程师可以优化其轨道组件设计，以减少火车内部和外部的振动和噪声传播。为了模拟这些噪声，工程师必须首先表征车轮和轨道之间的相互作用。

轮/轨相互作用的示意图。这些缺陷引发了噪声产生的机制。

Fiedler说：“早期的研究表明，噪声可能归因于车轮和轨道运行表面上的小范围粗糙度，这两者都激发了振动。”换句话说，当车轮在轨道上移动时，它们在火车及其货物的重量作用下被压在一起，该载荷将迫使轨道和车轮发生局部变形。转动的车轮会引起这些局部变形，并且接触力会迅速变化，从而产生振动。

“为了表征这样的变形，工程师可以用随频率变化的弹簧代替车轮和轨道零件，”Fiedler解释说。“可以使用一维分析方法或3D FEM/BEM方法来评估弹簧的动态特性和局部点移动性。”

Fiedler继续解释说，使用3D方法对，建模的工程师将对边界条件有更多的控制。这些工程师还将能够为他们所需的任何车轮或轨道形状建模。这很重要，因为不同的零件几何形状可能会具备不同的阻尼特性。

使用VA One软件的FEM/BEM模块，工程师可以对所需的任何车轮形状进行建模，例如有轨电车车轮。

此外，使用3D模型将为研究承受轴荷或离心力的预应力模式提供机会。

Fiedler指出：“模态表达了结构在特定负载下和特定频率下的行为。”“当施加正确的力时，工程师将看到频域中的实际结构振动，这被称为模态方法。”

模拟的下一步是计算来自车轮的辐射功率，这是通过模拟车轮周围的空气来完成的。“在BEM仿真中，用户将在车轮几何形状周围创建一个表面包络，并指定空气会侵润哪个表面侧，”Fiedler指示。“解决之后，工程师便可以使用声辐射功率。”然后，可以将这种声辐射功率作为一个指标来比较不同车轮几何形状的性能。

VA One的轨道声学仿真工作流程。

另外，声辐射功率可以通过统计能量分析（SEA）用于系统模型。该工具通过考虑系统中的所有噪声源，来帮助预测舱内噪音。

确定车轮的声辐射功率后，可以从其他噪声源评估类似的分解结果。这些来源可以包括加热、通风和空调（HVAC）系统以及挤压或复合结构的振动。一旦评估了所有噪声源，便可以将它们集成到SEA模型中，以评估整个噪声的传播。

Skoda交通运输项目现场研究首席研究员Petr Cuchý说：“所描述的方法在项目初期帮助我们确定了电车的哪些结构成分对内部噪音的影响最大。”“重要的是要专注于对声音敏感的组件，避免解决对整体噪声影响较小的零件，并避免为这些对声音不敏感的组件增加额外的质量和成本。对我们而言，同样重要的是估计预期的内部噪音水平。”

如何模拟内部与外部噪声

Fiedler解释了座椅布局影响和吸收内部噪音的重要性。

现在您有了一个模型，可以在组件或系统级别计算从源头传播过来的振动和噪声。接下来将做什么？

“VA One会计算并确定从声源到选定点的所有结构（振动）和声学路径，”Edwards说。“例如，可以选择火车中的声腔，以便设计人员可以轻松地在该位置确定最重要的噪声贡献并采取补救措施。”

NVH软件使用源、路径和接受端模拟声音传播。这个概念是由源引起的振动将能量注入系统，该能量通过结构、子结构和空气传递到接收端，这被定义为传输路径。接收端通常位于车内或车外的特定位置。

Edwards解释说，由于空间内的配件和固定装置，要确定车厢内的噪音可能非常具有挑战性。“主要区别在于内部噪音是在狭窄的空间中，而外部噪音是在开放的环境中。”“使用相同的源、路径、接收端模型，但是不同的关注频率将需要采用VA One中的不同（算法模块）工具来执行计算。”

例如，根据声音的频率，像座位这样简单的物体就可以吸收噪声，而包含复杂路径的墙壁和开放空间等结构则可以发生回声、混响和衍射。借助VA One，工程师可以使用这些工具来评估接收端所在位置的声音水平，然后确定声学空间中的特征（例如地毯和窗帘）如何吸收声音。因此，工程师可以使用VA One提供的这些信息来优化声学空间中的这些特征，以有效的开展轨道车辆的舱内噪声设计工作。

文章来源：Prosynx