多编组列车的远场噪声预测方法与流程

1.本发明涉及高速列车的气动噪声分析领域，更具体地，涉及一种多编组列车的远场噪声预测方法。


背景技术：

2.针对高速列车的气动噪声分析具有较高的难度。高速列车紧贴地面高速运行，高速列车还包括受电弓、转向架、风挡等许多复杂结构，网格量和计算量随着列车编组长度的增加而迅速增大，这给远场噪声的评估带来了较大挑战。囿于当前气动噪声计算方法和计算资源的限制，针对多编组列车的远场噪声评估通常难以做到。针对十六编组的高速列车，直接进行计算气动声学求解求取远场噪声更是不可能的。
3.因此，提供一种多编组列车的远场噪声预测方法是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种多编组列车的远场噪声预测方法，包括：
5.建立多编组列车模型，所述多编组列车模型包括顺次设置的头车、中间车和尾车，所述中间车包括至少一节车厢；
6.设定所述头车、所述车厢和所述尾车为声功率相同的线声源；
7.设置受声点，所述受声点位于所述多编组列车模型一侧，且与所述多编组列车模型具有间隔，所述受声点与所述多编组列车模型的中心点的连线与所述多编组列车模型的运行方向垂直，按照以下方法计算所述受声点的噪声声压强度：
[0008][0009]
其中，l
p
为所述受声点的噪声声压强度，p
02
为参考声压平方，p2为所述多编组列车模型在所述受声点产生的声压平方，a为常数，n为所述多编组列车模型的编组数。
[0010]
优选地，所述多编组列车模型在所述受声点产生的声压平方p2按照以下方法进行计算：
[0011][0012]
其中，p
i2
为单节所述车厢在所述受声点产生的声压平方。
[0013]
优选地，沿所述尾车指向所述头车的方向上，单节所述车厢包括相对的第一端和第二端，单节所述车厢在所述受声点产生的声压平方p
i2
按照以下方法进行计算：
[0014][0015]
其中，ρ为空气密度，c为空气速度，ω1为单节所述车厢的单位长度的声功率，r为所述受声点与单节所述车厢之间的垂直距离，θ1为所述受声点指向所述第一端的方向与垂直于所述多编组列车模型运行方向形成的夹角，θ2为所述受声点指向所述第二端的方向与垂直于所述多编组列车模型运行方向形成的夹角。
[0016]
优选地，还包括计算所述受声点与所述多编组列车形成的角度，沿所述尾车指向所述头车的方向上，单节所述车厢包括相对的第一端和第二端，按照以下方法进行计算：
[0017]
设定所述受声点与所述多编组列车模型之间的垂直距离为25米，单节所述车厢的长度为25米；
[0018][0019]
其中，θ1为所述受声点指向所述第一端的方向与垂直于所述多编组列车模型运行方向形成的夹角，θ2为所述受声点指向所述第二端的方向与垂直于所述多编组列车模型运行方向形成的夹角。
[0020]
优选地，还包括：
[0021]
在每节所述车厢顶部的中心位置设置测点，分别获取每个所述测点对应的声压频谱曲线；
[0022]
判断每个所述测点对应的所述声压频谱曲线是否有重合；
[0023]
若有重合，所有所述车厢的声功率相同。
[0024]
优选地，计算单节所述车厢在所述受声点产生的声压平方p
i2
，还包括：
[0025]
设定单节所述车厢长度为d，单节所述车厢的单位长度的声功率为ω1，长度为dx时对应的声功率为ω1dx，取dx无限小，可将其作为点声源，所述点声源在所述受声点产生的声压平方按照以下方法进行计算：
[0026][0027]
其中，d(p
12
)为所述点声源在所述受声点产生的声压平方。
[0028]
优选地，所述点声源的均方声压按照以下方法进行计算：
[0029][0030]
其中，p
12
为所述点声源的均方声压，ω为所述点声源的声功率，ri为所述点声源与所述受声点之间的距离。
[0031]
优选地，还包括：所述受声点的噪声声压强度随着所述多编组列车模型的所述编组数的增加而增大，但其斜率随着所述多编组列车模型的所述编组数的增加而减小。
[0032]
优选地，还包括：当所述多编组列车模型的所述编组数增加至极限值时，所述受声点的噪声声压强度不变。
[0033]
优选地，所述多编组列车模型的所述编组数n≥3。
[0034]
与现有技术相比，本发明提供的多编组列车的远场噪声预测方法，至少实现了如下的有益效果：
[0035]
本发明提供的多编组列车的远场噪声预测方法中设定头车、车厢和尾车为声功率相同的线声源，忽略了车厢上方存在受电弓造成噪声源强度稍大的问题，同时还忽略了头车和尾车流线型的特殊性的影响。计算受声点的噪声声压强度，最终得到受声点的噪声声压强度与多编组列车模型的编组数之间的关系，实现通过多编组列车模型的编组数预测受声点的噪声声压强度的目的。
[0036]
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
[0037]
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其
优点将会变得清楚。
附图说明
[0038]
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
[0039]
图1是本发明提供的多编组列车的远场噪声预测方法的一种流程示意图；
[0040]
图2是本发明提供的多编组列车的一种俯视图；
[0041]
图3是本发明提供的多编组列车的远场噪声预测方法的另一种流程示意图；
[0042]
图4是四编组列车中两节车厢的测点对应的声压频谱曲线图；
[0043]
图5是五编组列车中三节车厢的测点对应的声压频谱曲线图；
[0044]
图6是六编组列车中四节车厢的测点对应的声压频谱曲线图；
[0045]
图7是单节车厢与受声点的位置示意图；
[0046]
图8是受声点声压级与编组数的关系曲线图；
[0047]
图9是远场受声点布置位置的一种示意图；
[0048]
图10是不同编组数条件下远场噪声空间分布图。
具体实施方式
[0049]
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
[0050]
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
[0051]
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
[0052]
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
[0053]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0054]
实施例1
[0055]
结合图1和图2说明本发明提供的多编组列车的远场噪声预测方法的一种具体的实施例，包括：
[0056]
s101：建立多编组列车模型，多编组列车模型包括顺次设置的头车、中间车和尾车，中间车包括至少一节车厢；
[0057]
在步骤s101中，多编组列车模型为光滑车身，忽略空调、风挡、受电弓等部件，为步骤s102做铺垫，避免车厢上方存在受电弓造成噪声源强度稍大的问题。
[0058]
s102：设定头车、车厢和尾车为声功率相同的线声源，忽略掉头车和尾车流线型的特殊性的影响；
[0059]
s103：设置受声点，受声点位于多编组列车模型一侧，且与多编组列车模型具有间隔，受声点与多编组列车模型的中心点的连线与多编组列车模型的运行方向垂直，按照以
下方法计算受声点的噪声声压强度：
[0060][0061]
其中，l
p
为受声点的噪声声压强度，p
02
为参考声压平方，一般取20微帕，p2为多编组列车模型在受声点产生的声压平方，a为常数，n为多编组列车模型的编组数。
[0062]
其中，q为受声点，通过计算受声点的噪声声压强度，最终得到受声点的噪声声压强度与多编组列车模型的编组数之间的关系，实现通过多编组列车模型的编组数预测受声点的噪声声压强度的目的。
[0063]
以下结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10说明本发明提供的多编组列车的远场噪声预测方法的另一种具体的实施例。
[0064]
实施例2
[0065]
此为本发明提供的多编组列车的远场噪声预测方法的另一种具体的实施例，包括：
[0066]
s201：建立多编组列车模型，多编组列车模型包括顺次设置的头车、中间车和尾车，中间车可以为多包括至少一节车厢；
[0067]
在步骤s201中，多编组列车模型以京沪线crh380a型高速列车为例，车身光滑，忽略空调、风挡、受电弓等部件，为步骤s202做铺垫，避免车厢上方存在受电弓造成噪声源强度稍大的问题，便于考察编组数对近场噪声的影响。
[0068]
s202：在每节车厢顶部的中心位置设置测点，分别获取每个测点对应的声压频谱曲线；判断每个测点对应的声压频谱曲线是否有重合；若有重合，所有车厢的声功率相同。
[0069]
在步骤s202中，不同编组数的多编组列车头车和尾车的数量都是固定的，仅中间车的车厢数量发生变化，与编组相关影响最大的就是中间车的车厢，步骤s202验证不同车厢之间声压强度具有相似性。
[0070]
具体地，进行稳态rans计算，设定入口来流速度为300km/h，假定列车静止，则地面为运动壁面，且地面的运行速度与来流速度相同。在远场边界位置设定为特征边界条件，出口为压力出口，压力设置为1个标准大气压。假定来流温度为288.15k，黏性与温度满足sutherland定律。进行nlas气动噪声计算时，将入口、远场、出口边界设定为nlas外场边界，且在这3个位置设置吸收层以防止声波的反射对内流场区域造成污染。进行湍流脉动量重构时fourier级数项设定为200，以更加精确地重构亚格子源项。nlas的时间步长设定为1
×
10-4
s，计算总时间步数设定为20000步，计算模拟总物理时间为2s。这样可以比较精确的捕捉频率在10～10000hz内的噪声声压级。
[0071]
参照图4，图4是四编组列车中两节车厢的测点对应的声压频谱曲线图，可以看到，两节车厢的测点对应的声压频谱曲线非常类似，且它们的a计权总声压级均在117dba左右。这说明在车身光滑，忽略空调、风挡、受电弓等部件的条件下，不同车厢对应的声压强度具有相似性的是合理的。
[0072]
参照图5和图6，图5是五编组列车中三节车厢的测点对应的声压频谱曲线图，图6是六编组列车中四节车厢的测点对应的声压频谱曲线图。可以看出，在不同多编组列车模型中，各中间车的车厢测点声压频谱曲线整体比较接近，在低频位置略有差异，而各测点的a计权总声压级也比较接近，差别不超过2dba，其中，五编组列车模型中各车厢测点的平均a
计权总声压级约为115dba，而编组列车模型中约为117dba。
[0073]
尽管在不同多编组列车模型中的车厢的声压级存在差异，但是整体幅值差别较小，且各车厢测点差别也较小，因而可以认为不同车厢之间声压强度具有相似性，便于简化模型，便于进行多编组列车的声压级与编组数之间关系的后续分析。
[0074]
s203：设定头车、车厢和尾车为声功率相同的线声源，能够忽略掉头车和尾车流线型的特殊性的影响；
[0075]
在步骤s203中，假定所有车厢都是一致的，即每节车厢的声功率是一致的。将每节车厢视为一个线声源，相邻线声源首尾连接。另外，由于作为列车重要噪声源的头车和尾车不随编组数的变化而变化，因而，也对其噪声源强度进行假定，假定其声功率与车厢相同，这样根据多编组列车被转化为多个相同强度的线声源。
[0076]
s204：设置受声点，受声点位于多编组列车模型一侧，且与多编组列车模型具有间隔，受声点与多编组列车模型的中心点的连线与多编组列车模型的运行方向垂直，按照以下方法计算受声点的噪声声压强度：
[0077][0078]
其中，l
p
为受声点的噪声声压强度，p
02
为参考声压平方，p2为多编组列车模型在受声点产生的声压平方，a为常数，n为多编组列车模型的编组数，ω0为参考声功率，ρ为空气密度，c为空气速度，ω1为单节车厢的单位长度的声功率。
[0079]
通过计算受声点的噪声声压强度，最终得到受声点的噪声声压强度与多编组列车模型的编组数之间的关系，实现通过多编组列车模型的编组数预测受声点的噪声声压强度的目的。
[0080]
在步骤s204中，按照以下步骤得到受声点的噪声声压强度的计算方法：
[0081]
从近场噪声频谱可以发现，高速列车的近场噪声源为宽频噪声，含有多种频率成分，通常情况下它们是互不相干的，它们的叠加应该是能量的叠加。
[0082]
针对点声源而言，点声源的均方声压按照以下方法进行计算：
[0083][0084]
其中，p
12
为点声源的均方声压，ω为点声源的声功率，ρ为空气密度，c为空气速度，ri为点声源与受声点之间的距离。
[0085]
由于线声源可看做为点声源沿直线方向上的合集，对不相干的点声源，它们在受声点产生的声压平方为它们各自产生的声压平方之和。多编组列车气动噪声分布在整个车辆长度上，且包含有多种频率成分，所以各点声源处的噪声可做不相干处理。
[0086]
由点声源的均方声压的计算方法推导出单节车厢在受声点产生的声压平方p
i2
，包
括：
[0087]
参照图7，图7是单节车厢与受声点的位置示意图，q为受声点，沿尾车指向头车的方向上，单节车厢包括相对的第一端和第二端，设定单节车厢长度为d，单节车厢的单位长度的声功率为w1，长度为dx时对应的声功率为w1dx，取dx无限小，可将其作为点声源，点声源在受声点产生的声压平方按照以下方法进行计算：
[0088][0089]
其中，d(p
12
)为点声源在受声点产生的声压平方，ρ为空气密度，c为空气速度，ω1为单节车厢的单位长度的声功率，r为受声点与单节车厢之间的垂直距离，θ1为受声点指向第一端的方向与垂直于多编组列车模型运行方向形成的夹角，θ2为受声点指向第二端的方向与垂直于多编组列车模型运行方向形成的夹角。
[0090]
可以理解的是，根据上述公式推导，计算单节车厢在受声点产生的声压平方p
i2
，按照以下方法进行计算：
[0091][0092]
其中，p
i2
为单节车厢在受声点产生的声压平方，ρ为空气密度，c为空气速度，ω1为单节车厢的单位长度的声功率，r为受声点与单节车厢之间的垂直距离，θ1为受声点指向第一端的方向与垂直于多编组列车模型运行方向形成的夹角，θ2为受声点指向第二端的方向与垂直于多编组列车模型运行方向形成的夹角。
[0093]
通过叠加的方式，多编组列车模型在受声点产生的声压平方p2按照以下方法进行计算：
[0094][0095]
其中，p2为多编组列车模型在受声点产生的声压平方，n为多编组列车模型的编组数，p
i2
为单节车厢在受声点产生的声压平方。
[0096]
在步骤s204中，还包括计算受声点与多编组列车形成的角度，按照以下方法进行计算：
[0097]
按照iso-2005-3095标准，受声点与多编组列车模型之间的垂直距离为25米，单节车厢的长度为25米；
[0098][0099]
其中，n为多编组列车模型的编组数，θ1为受声点指向第一端的方向与垂直于多编组列车模型运行方向形成的夹角，θ2为受声点指向第二端的方向与垂直于多编组列车模型运行方向形成的夹角。
[0100]
由于设定受声点与多编组列车模型之间的垂直距离为25米，单节车厢的长度为25米，能够将受声点与多编组列车形成的角度与编组数建立关系，代入计算受声点的噪声声压强度，最终得到受声点的噪声声压强度与编组的关系。
[0101]
本发明实施例中通过首先求解单节车厢的远场噪声，进而通过分析多编组列车噪声的变化规律，通过单节车厢的噪声强度反推多编组列车的远场噪声。
[0102]
参照图8，图8是受声点声压级与编组数值的关系曲线图，受声点的噪声声压强度
随着多编组列车模型的编组数的增加而增大，但其斜率随着多编组列车模型的编组数的增加而减小。
[0103]
当多编组列车模型的编组数增加至极限值时，受声点的噪声声压强度不变。
[0104]
可以理解的是，当编组数由4增加至16时，受声点声压级增加约2.7db。由于受声点位于多编组列车模型正中位置，受声点所在位置与多编组列车模型所张角度最大，由此带来的声压级增幅也是最大，若考虑其他受声点位置则声压级增幅将会有所降低。
[0105]
在一些可选的实施中，多编组列车模型的编组数n≥3，当编组数为3时，多编组列车模型包括头车、尾车和一节车厢，也可通过本发明提供的方法进行远场噪声的预测。
[0106]
可以理解的是，近场噪声计算完毕后，可以通过fw-h方程求解远场噪声点噪声。参照图9，图9是远场受声点布置位置的示意图，远场噪声受声点的选取根据iso-2005-3095的要求，并为了考察列车远场噪声沿着x方向空间分布，选取距列车铁轨中心横向25米，高3.5米的线上的点。
[0107]
参照图10，图10是不同编组数条件下远场噪声空间分布图，下面结合图9仅针对4编组和6编组的高速列车远场点噪声强度的空间分布情况进行分析。
[0108]
可以看到，不同编组数条件下下高速列车远场噪声空间分布非常接近，相同位置条件下，4编组的受声点强度值略低于6编组的受声点强度值。这与前面讨论的单点噪声强度随编组数变化是一致的。对上述受声点噪声值通过计算可以得到远场连续a计权声压级。其中，4编组列车对应声压级约为89.15dba，而6编组列车对应的声压级约为89.94dba，两者相差0.79db。而从图9中可以看到，4编组与6编组两者声压级强度约为0.42db，与实际计算值比较接近，但仍有一定偏差。这种偏差来源于以下几个方面：一方面是，首尾车流线型声源强度值与中间车厢存在差异；另一方面是，中间车的车厢上的噪声分布也与完全均匀的等强度线声源存在一定差距，但差距很小，不会影响本实施提供的多编组列车的远场噪声预测方法的合理性和准确性。本实施例设定头车、车厢和尾车为声功率相同的线声源，可以通过该公式粗略估计编组数对列车远场噪声的影响。当高速列车从4编组一直增大至16编组，其远场连续a计权声压级增大幅值约1db左右。因而在现有计算条件下，因为精确计算长大编组噪声强度存在较大困难，可以通过本实施提供的多编组列车的远场噪声预测方法来预测多编组列车远场噪声特性。
[0109]
通过上述实施例可知，本发明提供的多编组列车的远场噪声预测方法，至少实现了如下的有益效果：
[0110]
本发明提供的多编组列车的远场噪声预测方法中设定头车、车厢和尾车为声功率相同的线声源，忽略了车厢上方存在受电弓造成噪声源强度稍大的问题，同时还忽略了头车和尾车流线型的特殊性的影响。计算受声点的噪声声压强度，最终得到受声点的噪声声压强度与多编组列车模型的编组数之间的关系，实现通过多编组列车模型的编组数预测受声点的噪声声压强度的目的。
[0111]
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。