CN111504595A - 一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，在高速列车模型表面外形变化复杂的位置安装表面传声器，并在表面传声器上游粘贴转捩带，调节风洞风速并采集表面传声器信号数据，修正信号数据得到合理准确的高速列车模型表面声载荷风洞测量值，通过数据相似性外推至实车工况，获取可以指导实车测量及设计的高速列车实车表面声载荷值。

Description

一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法
技术领域
本发明属于声学风洞内的表面声载荷测量领域，尤其涉及一种高速列车模型在声学风 洞内的表面声载荷测量方法。
背景技术
随着运行速度的提高，高速列车的气动噪声问题愈加突显出来。有效认识高速列车气 动噪声特性是降低列车噪声，提高列车运行经济性和乘坐舒适性的前提，而气动噪声是由 车体表面附近流体与车体表面相互作用，进而形成复杂湍流并与边界层相互作用所导致， 因此客观认识车体表面声载荷是研究列车气动噪声的关键，也是分析列车远场辐射噪声特 性及声源定位准确合理性的基础。
目前条件下，高速列车表面声载荷的测量主要依赖于线路实车实验，但线路实车实验 测量成本高、周期长、受铁路工况和天气条件影响大，且无法在新车研制阶段给出准确合 理结果，不利于开展列车部件选型及降噪手段优化和降噪效果预测，尤其是在不破坏车体 表面的条件下，安装测量仪器会带来不可预知的误差，且该类测量方法未形成系统的修正 方法。
另外值得一提的是，脉动压力传感器测量表面压力虽然已成体系，但用来测量表面声 载荷却有明显不足之处，以目前时速350公里高速列车表面声载荷为例，最大值基本在150dB 左右，其压力不足1000Pa，而最小的脉动压力传感器量程也为7000Pa左右，明显精度偏低。 且脉动压力传感器在响应频率超过500Hz后衰减太过严重，而高速列车表面声载荷测量的 频率最低也得达到2000Hz。
发明内容
本发明的目的在于,为准确获取高速列车表面声载荷，克服现有实车及脉压测量技术 的缺点，本发明提出一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法,实现了列车模 型表面在和在风洞试验中的准确测量和修正。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，所述表面声载荷测量方法至少 包括如下步骤：
S1：基于安装型面于列车模型感兴趣区域安装表面传声器，并在表面传声器上游粘贴转 捩带；
S2：基于预设的采样频率和采样时间采集表面传声器数据，进行频域分析，并进行型面 安装效应修正获取扣除安装效应后的频域声压值pfix(fm)，同时进行当地静压修正获取压力修 正系数α(fm)和温度修正系数β(fm)，列车模型表面声载荷数据为：
pm(fm)＝pfix(fm)+α(fm)+β(fm)；
S3:基于分解噪声、外推噪声和噪声叠加完成将列车模型表面声载荷外推至实车表面声载 荷。
根据一个优选的实施方式，所述步骤S1中，基于安装型面分为对所述表面传声器进行以 平面安装、凸面安装和凹面安装。
根据一个优选的实施方式，所述步骤步骤S2中，安装效应修正过程包括：在消声室对表 面传声器进行安装效应校准，获取凸面和凹面安装效应频域修正量分别为Δp(fm，1)、 Δp(fm，2)，则扣除安装效应后的频域声压值pfix(fm)为：
Figure BDA0002433604950000021
其中，p(fm)表示原始频域数据。
根据一个优选的实施方式，所述步骤步骤S2中，预设的采样频率为51.2KHz，采样时间 为50s。
根据一个优选的实施方式，步骤S1中，所述转捩带设置于所述表面传声器上游0.8m位 置处。
根据一个优选的实施方式，所述步骤步骤S2中，频域分析过程包括：按预设数据分块大 小，分段傅里叶分析后平均，给出1/3倍频程谱，采用hanning窗减小频谱泄露，并按照恢 复系数恢复声压级。
根据一个优选的实施方式，所述步骤步骤S2中，压力修正系数和温度修正系数为在声学 风洞内对表面传声器获取或测得。
根据一个优选的实施方式，所述步骤步骤S3中分解噪声包括将获得的表面传声器载荷分 解为当地边界层噪声SPLTBL和附近区域的外漏噪声SPLOUT，
所述地边界层噪声SPLTBL基于实验测得，所述外漏噪声为：
Figure BDA0002433604950000031
其中，fm表示按照模型数据在频域内处理，pref表示参考压力2×10-5Pa。
根据一个优选的实施方式，所述步骤步骤S3中外推噪声包括将外漏噪声SPLOUT外推至 实车；基于缩比模型频谱和实车的频谱符合St数相等原则，即
Figure BDA0002433604950000032
在试验中满 足马赫数相似ur＝um，则实车外漏噪声频域的频率推算公式为：
Figure BDA0002433604950000033
式中Dr、Dm分别为实车和模型的特征尺度，SF为缩比。
根据一个优选的实施方式，所述步骤步骤S3中噪声叠加表示为：实车声压级可用如下公 式得到，
Figure BDA0002433604950000034
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明 可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可 以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种 组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：本发明公开的高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法， 通过在高速列车模型受电弓前后、转向架区域和其他感兴趣区域安装表面传声器，实现对 高速列车模型表面声载荷的测量，详细给出了该条件下的数据处理和修正方法，并能通过 算法实现高速列车模型表面声载荷到实车表面声载荷的外推。
本发明方法，立足于高速列车模型表面声载荷在风洞试验中的准确测量和修正，外推 至实车表面声载荷。在认识高速列车气动噪声机理、指导高速列车降噪设计、优化和评估 高速列车降噪手段等方面都有重要的指导作用。
附图说明
图1是通过本方法测量的风速320km/h条件下某型高速列车转向架及受电弓处表面声 载荷频谱曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭 露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方 式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发 明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例 中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明 实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施 例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而 是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位 置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须 具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术 语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该 结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安 装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介 间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况 理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等 均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
本发明公开了一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，主要包括设备 布置、数据处理及修正方法和数据外推至实车算法。分别为在高速列车模型表面外形变化 复杂的位置安装表面传声器，并在表面传声器上游粘贴转捩带，调节风洞风速并采集表面 传声器信号数据，修正信号数据得到合理准确的高速列车模型表面声载荷风洞测量值，通 过数据相似性外推至实车工况，获取可以指导实车测量及设计的高速列车实车表面声载荷 值。
具体步骤如下：
1.设备布置
优选地，设备布置主要包括表面麦克风安装和测量区域边界层人工转捩两部分。
优选地，在受电弓前后、转向架区域和其他感兴趣区域安装表面传声器。
进一步地，按照当地型面分三种安装形式，分别为平面安装、凸面安装和凹面安装。 针对不同安装型面，后续采用不同的安装效应修正。
优选地，在表面传声器上游0.8m处安装人工转捩带，保证被测区域模型表面边界层为 湍流边界层，与真实车体情况一致，便于后续模型数据外推。
2.数据处理及修正方法
优选地，可以按指定采样频率51.2kHz和采集时间50s进行采集表面传声器数据。
优选地，对采集到的数据进行频域分析，按指定数据分块大小(例如，可以为8192)， 分段傅里叶分析后平均，给出1/3倍频程谱。采用hanning窗减小频谱泄露，并按照恢复 系数恢复声压级。
优选地，进行安装效应修正。在消声室对表面麦克风进行安装效应校准，获取凸面和 凹面安装效应频域修正量分别为Δp(fm，1)、Δp(fm，2),则：
Figure BDA0002433604950000051
其中：p(fm)表示原始频域数据，pfix(fm)表示扣除安装效应后的频域声压值，f表示数据按对应频率修正。下标m表示模型数据。
在风洞内，高速列车模型的表面声载荷测量为流动内测量，与大多数表面传声器产品 校准工况存在差异，故针对不同测量风速进行当地静压修正。在声学风洞内对表面传声器 获取压力修正系数α(fm)，温度修正系数β(fm)已知。则模型声载荷数据为：
pm(fm)＝pfix(fm)+α(fm)+β(fm) (2)
3.数据外推至实车
将高速列车模型表面声载荷外推至实车表面声载荷。主要包括分解噪声、外推噪声和 噪声叠加。测量获得的表面传声器声载荷由两部分构成，一部分为当地边界层噪声SPLTBL， 一部分为附近区域的外漏噪声SPLOUT，准确分离这两部分噪声是外推数据的第一步。之前 已通过人工转捩控制了边界层噪声为湍流边界层噪声，因此通过设计实验测量出当地边界 层噪声SPLTBL，对于大部分区域设计成平板湍流边界层测量即可，对于列车头型则按头型 型面测量边界层噪声。因此：
式中:fm表示按照模型数据在频域内处理，pref表示参考压力2×10-5Pa。
将“外漏噪声”外推至实车，缩比模型频谱和实车的频谱一般符合St数相等原则，即
Figure BDA0002433604950000062
在试验中满足马赫数相似ur＝um，于是实车“外漏噪声”频域的 频率推算公式为：
Figure BDA0002433604950000063
式中：Dr、Dm分别为实车、模型的特征尺度，SF为缩比。
实车声压级可用如下公式得到：
Figure BDA0002433604950000071
图1给出了风速320km/h下的该型高速列车转向架及受电弓处表面声载荷频谱曲线。该 结果显示转向架处声载荷以中低频宽频噪声为主，受电弓处特定频率下存在噪声峰值。从 幅值方面看，该条件下表面声载荷最大值大于目前该车速条件下远场测量值，这与边界层 噪声成分和远场传播距离有关。从频谱形态及幅值来看，测量结果均与现有研究结果和理 论分析相吻合。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明 可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可 以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，其特征在于，所述表面声载荷测量方法至少包括如下步骤：
S1：基于安装型面于列车模型感兴趣区域安装表面传声器，并在表面传声器上游粘贴转捩带；
S2：基于预设的采样频率和采样时间采集表面传声器数据，进行频域分析，并进行型面安装效应修正获取扣除安装效应后的频域声压值pfix(fm)，同时进行当地静压修正获取压力修正系数α(fm)和温度修正系数β(fm)，列车模型表面声载荷数据为：
pm(fm)＝pfix(fm)+α(fm)+β(fm)；
S3:基于分解噪声、外推噪声和噪声叠加完成将列车模型表面声载荷外推至实车表面声载荷。
2.如权利要求1所述的一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，基于安装型面分为对所述表面传声器进行以平面安装、凸面安装和凹面安装。
3.如权利要求2所述的一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，其特征在于，所述步骤步骤S2中，安装效应修正过程包括：在消声室对表面传声器进行安装效应校准，获取凸面和凹面安装效应频域修正量分别为Δp(fm，1)、Δp(fm，2)，则扣除安装效应后的频域声压值pfix(fm)为：
Figure FDA0002433604940000011
其中，p(fm)表示原始频域数据。
4.如权利要求1所述的一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，其特征在于，所述步骤步骤S2中，预设的采样频率为51.2KHz，采样时间为50s。
5.如权利要求1所述的一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，其特征在于，步骤S1中，所述转捩带设置于所述表面传声器上游0.8m位置处。
6.如权利要求1所述的一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，其特征在于，所述步骤步骤S2中，频域分析过程包括：按预设数据分块大小，分段傅里叶分析后平均，给出1/3倍频程谱，采用hanning窗减小频谱泄露，并按照恢复系数恢复声压级。
7.如权利要求1所述的一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，其特征在于，所述步骤步骤S2中，压力修正系数和温度修正系数为在声学风洞内对表面传声器获取或测得。
8.如权利要求1所述的一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，其特征在于，所述步骤步骤S3中分解噪声包括将获得的表面传声器载荷分解为当地边界层噪声SPLTBL和附近区域的外漏噪声SPLOUT，
所述地边界层噪声SPLTBL基于实验测得，所述外漏噪声为：
Figure FDA0002433604940000021
其中，fm表示按照模型数据在频域内处理，pref表示参考压力2×10-5Pa。
9.如权利要求8所述的一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，其特征在于，所述步骤步骤S3中外推噪声包括将外漏噪声SPLOUT外推至实车；
基于缩比模型频谱和实车的频谱符合St数相等原则，即
Figure FDA0002433604940000022
在试验中满足马赫数相似ur＝um，则实车外漏噪声频域的频率推算公式为：
Figure FDA0002433604940000023
式中Dr、Dm分别为实车和模型的特征尺度，SF为缩比。
10.如权利要求9所述的一种高速列车模型在声学风洞内的表面声载荷测量方法，其特征在于，所述步骤步骤S3中噪声叠加表示为，实车声压级可用如下公式得到：
Figure FDA0002433604940000031
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