CN111721554A - 轨道交通车辆噪声分布计算方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通车辆噪声分布计算方法及系统，将车辆整车看成是一个系统单元，通过计算车辆各噪声源在本发明各声学包络面的声压级，就可以得到车辆单元各侧墙面、顶面、轨面等各辐射面的声压分布和辐射声功率，上述计算过程可以在整车方案设计进行时同步开展，便于在车辆设计阶段完成整车声学材料的优化配置，无需复杂的测试设备，测试成本低。

Description

轨道交通车辆噪声分布计算方法及系统
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，特别是一种轨道交通车辆噪声分布计算方法及系统。
背景技术
轨道车辆的噪声源极其复杂，包括轮轨、牵引电机、空气压缩机、空调机组等多种噪声源。这些噪声源一方面通过地板、侧墙、门、窗等墙体透射进乘客室内，一方面直接辐射到车外环境中。根据车辆技术设计要求，全部车载动力设备和墙体结构在装车前，都有严格的声学设计要求，必须进行相应的声学测试和提供声学试验数据。这些设备装车后，分布在不同的位置，对不同区域产生不同的声学影响，有些区域噪声源比较集中，比如动力转向架位置；有些区域则很少有动力设备，比如车辆的中部。因此车辆整车的各个区域表现出不同的声学特性，如果能充分掌握和准确地获取各个位置的声压分布和声能量，则可以更好的有针对性的对各个区域声学结构进行差异性设计，从而为系统地优化配置整车声学材料提供依据。
常用的整车噪声分布规律的获取方法是采用声源识别测试和声全息技术，但这些方法必须在车辆制作完成之后，通过现场测试的方法获得，测试设备复杂，测试成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种轨道交通车辆噪声分布计算方法及系统，在车辆设计阶段同步进行噪声分布计算，降低测试成本，且无需复杂的测试设备。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种轨道交通车辆噪声分布计算方法，包括以下步骤：
S1、将车辆的I端到II端划分为N个声辐射区域；
S2、以车辆地板为界，将每一个所述声辐射区域划分为上下两个子区域；
S3、对于不带司机室的车节，分别以距离上部子区域的两个侧墙面外表面均为L米的两个平面、距离下部子区域的两个底侧面外表面均为L米的两个平面、距离车辆顶面外表面为L米的平面、轨面为监测面；对于带司机室的头车，分别以距离上部子区域的两个侧墙面外表面均为L米的两个平面、距离下部子区域的两个底侧面外表面均为L米的两个平面、距离车辆顶面外表面为L米的平面、轨面、司机室前端面和司机室前底面为监测面；
S4、将每个监测面均匀划分为多个网格，以网格的结点为监测点，在每个监测点监测噪声源的声压级。
通过上述步骤，将车辆整车看成是一个系统单元，参考GB/T 3768-2017，在整车外部距离Lm(L＝1)远处设置声学包络监测面，通过计算车辆各噪声源在声学包络面的声压级，就可以得到车辆单元各侧墙面、顶面、轨面等各辐射面的声压分布和辐射声功率。上述计算过程可以在整车方案设计进行时同步开展，便于在车辆设计阶段完成整车声学材料的优化配置，无需复杂的测试设备，测试成本低。
本发明中，参考ISO3381标准车内噪声测点布置要求，为确保在车内有5个以上噪声测试点，N≥5；本发明设置了5个测试区域，以完整覆盖整车的噪声分布测试(声辐射区域)，5个所述声辐射区域分别对应：司机室区域、I端转向架区域、车辆中间区域、II端转向架区域、II端贯通道区域。
为保证在噪声的各个辐射方向均能得到噪声测量数据，所述网格为边长0.5m～1.0m的正方形；其中，司机室前底面、轨面、下部子区域的两个底侧面对应的监测面的网格边长均为0.5m～0.8m。
具体地，本发明的步骤S4中，所述声压级的具体计算过程包括：
对于下部子区域的两个底侧面、司机室前底面、车辆顶面对应的监测面，根据球面声源随距离衰减的原理，计算出该监测面上各噪声源在各监测点的声压级；
对于轨面对应的监测面，根据室内稳态声压级计算原理，计算各噪声源在该监测面各监测点的声压级；
对于上部子区域的两个侧墙面、司机室前端面对应的监测面，对位于地板下方两侧中部的噪声源，由于噪声源的声音无法直接传播到侧墙面的监测点，每一个噪声源在车辆地板与轨面之间均设置相应的辅助声源，，先计算辅助声源的声功率级，再采用球面声随距离误差的原理，计算出距离辅助声源在监测点位置的声压级。
上述计算过程简单，容易实现。
所述辅助声源的位置高度与对应的噪声源位置高度齐平。
本发明所述声功率级的计算公式为：
Figure BDA0002520111440000031
其中，Lwon为第n个噪声源的声功率级；Lwsn为第n个噪声源对应的辅助声源的声功率级；φ为主声源(即安装在车下噪声源)仰角；β为辅助声源仰角；ΔR为考虑β对虚声源声功率影响的修正量。计算过程简单，容易实现。
为得到待评价区域的声能量，步骤S4之后，还包括：
S5、对于某一待评价区域，根据下式计算该待评价区域的声功率级LWm：
Figure BDA0002520111440000032
其中，m为待评价区域监测点个数；Lpi为待评价区域中第i个监测点的总声压级；i＝1,2,…,m；Sm为待评价区域的面积；所述待评价区域对应某一所述监测面对应的区域；所述第i个监测点的总声压级即各噪声源在该第i个监测点的声压级之和。
本发明还提供了一种轨道交通车辆噪声分布计算系统，其包括：
N个声辐射区域，覆盖车辆I端到II端，每一个所述声辐射区域以车辆地板为界分为上部子区域和下部子区域；
多个监测面，对于不带司机室的车节，多个监测面分别对应以距离上部子区域的两个侧墙面外表面均为L米的两个平面、距离下部子区域的两个底侧面外表面均为L米的两个平面、距离车辆顶面外表面为L米的平面、轨面；对于带司机室的头车，多个监测面分别对应以距离上部子区域的两个侧墙面外表面均为L米的两个平面、距离下部子区域的两个底侧面外表面均为L米的两个平面、距离车辆顶面外表面为L米的平面、轨面、司机室前端面和司机室前底面；每个所述监测面均匀划分为多个网格；
监测模块，用于以网格的结点为监测点，在每个监测点监测噪声源的声压级。
本发明的系统还包括声功率级计算模块，用于根据下式计算任一待评价区域的声功率级LWm：
Figure BDA0002520111440000041
其中，m为待评价区域监测点个数；Lpi为待评价区域中第i个监测点的总声压级；i＝1,2,…,m；Sm为待评价区域的面积；所述待评价区域对应某一所述监测面对应的区域；所述第i个监测点的总声压级即各噪声源在该第i个监测点的声压级之和。
本发明的所述监测模块包括：
第一监测单元，用于根据球面声源随距离衰减的原理(见《工程噪声控制学》第44页)，计算出下部子区域的两个底侧面、司机室前底面、车辆顶面对应的监测面上各噪声源在各监测点的声压级；
第二监测单元，对于根据室内稳态声压级计算原理(见《设备和材料选用手册噪声控制与建筑声学》第31页)，计算各噪声源在轨面对应的监测面各监测点的声压级；
第三监测单元，用于计算设置于车辆地板与轨面之间的多个辅助声源的声功率级，再采用球面声源随距离衰减原理，计算出距离辅助声源在上部子区域的两个侧墙面对应的监测面上监测点位置的声压级。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
1、本发明将车辆整车看成是一个系统单元，通过计算车辆各噪声源在本发明各声学包络面的声压级，就可以得到车辆单元各侧墙面、顶面、轨面等各辐射面的声压分布和辐射声功率，上述计算过程可以在整车方案设计进行时同步开展，便于在车辆设计阶段完成整车声学材料的优化配置，无需复杂的测试设备，测试成本低；
2、将整车看作一个系统单元，可采用本发明提供的方法，分析车辆在运行过程中，各个噪声源在车辆各个区域的噪声贡献量分布，可以解决传统噪声源声功率测试方法只能在噪声源静置条件下进行测试的局限性。
附图说明
图1为本发明一实施例声辐射区域划分示意图；
图2为本发明一实施例声压监测点断面图；
图3为本发明一实施例声压监测点侧视图；
图4为本发明一实施例辅助声源安装示意图。
具体实施方式
如图1，参考ISO3381标准车内噪声测点布置要求，为确保在车内有5个以上噪声测试点，本发明实施例将车辆I端到II端(车辆前进方向为从I端到II端的方向)划分为5个声辐射区域，即图1中A区-E区为车辆声学分区，A区(司机室区域)、B区(I端转向架区域)、C区(车辆中间区域)、D区(II端转向架区域)、E区(II端贯通道区域)。
根据声压法测量声功率的测试方法，及车辆的噪声分布特点，将每一个区域以车辆地板为界划分为侧墙面和底侧面上下两个区域(上部子区域和下部子区域)、轨面区域和顶面区域，共6个面(见图2)。对于带司机室的头车，必须在司机室前端距离司机室前顶点(即司机室最外侧的点)1m的位置，增加两个垂直于轨面的声压监测面，并以地板高度为界，划分为上下两个区域，上区域为司机室前端面，下区域为司机室前底面，监测点面网格的大小与侧墙面、底侧面对应的监测面的网格大小相同。
如图3和图4所示，整车声学包络面的每一个监测面划分为均匀网格，并将网格的每一个结点作为声压级的监测点。
需要注意的是，包络监测面指的是与车辆相应面(例如上部子区域的车辆侧墙面，但是轨面的包络监测面即轨面所在平面)距离1m的平面，且包络监测面的面积和与其对应的车辆相应面的面积相等。相邻的包络监测面相交，所有的包络监测面环绕整个车辆设置，即车辆设置在所有的包络监测面围绕而成的空间内。
为保证在噪声的各个辐射方向均能得到噪声测量数据，网格大小见图3，车辆地板上部的两侧墙面(和司机室前端面)、车顶面，网格为边长等于0.5m～1.0m的正方形，车辆地板下部的两底侧面(和司机室前底面)、轨面，网格为边长等于0.5m～0.8m的正方形。
本实施例声压级计算过程如下：
一、车辆两边底侧面(司机室前底面)和车顶面监测点声压级计算
两边底侧面(司机室前底面)和车顶面，主要是对应直接辐射的噪声源，噪声源可认为是自由辐射噪声源，根据球面声源随距离衰减原理，计算出各噪声监测点的噪声贡献。
二、轨面网格监测点声压级计算
车辆底架与轨道地面间的噪声由悬挂动力设备和轮轨振动直接传播声，及它们在车底架和地面间反射声叠加而成。将该区域假定为声学空腔，根据室内稳态声压级计算原理，计算各噪声源在轨面各监测点的声压级。计算时，两底侧面和司机室前低面吸声系数取1。
三、车辆地板上部的两侧墙面监测点声压级计算
为考虑地面反射声的影响，在车下采用辅助声源(见图4)，首先根据步骤一提供的方法，计算出辅助声源的声功率级。然后再采用自由声场噪声源辐射原理，计算出距离辅助声源在监测点位置的声压级。图4中Lwon为噪声源n的声功率级；Lwsn为噪声源n对就的辅助声源的声功率级；φ为主声源仰角；β为辅助声源仰角；Lpn为噪声源n在侧墙面监测点的声压级。
辅助声源的声功率级计算公式：
Figure BDA0002520111440000061
式中Lwon为噪声源n的声功率级；Lwsn为噪声源n相应的辅助声源的声功率级；φ为主声源仰角；β为辅助声源仰角；ΔR为考虑β对虚声源声功率影响的修正量。
四、声学区域声功率计算
为得到待评价区域的声能量，必须根据该区域各监测点的声压级和评价区域的面积，计算该区域表面的声功率级：
Figure BDA0002520111440000062
式中LWm为待评价区域的声功率级；m为待评价区域声压监测点个数；Lpi为待评价区域中第i(i＝1,2,…,m)个监测点的声压级；Sm为待评价区域的面积。

Claims (10)

1.一种轨道交通车辆噪声分布计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将车辆的I端到II端划分为N个声辐射区域；
S2、以车辆地板为界，将每一个所述声辐射区域划分为上下两个子区域；
S3、对于不带司机室的车节，分别以距离上部子区域的两个侧墙面外表面均为L米的两个平面、距离下部子区域的两个底侧面外表面均为L米的两个平面、距离车辆顶面外表面为L米的平面、轨面为监测面；对于带司机室的头车，分别以距离上部子区域的两个侧墙面外表面均为L米的两个平面、距离下部子区域的两个底侧面外表面均为L米的两个平面、距离车辆顶面外表面为L米的平面、轨面、司机室前端面和司机室前底面为监测面；
S4、将每个监测面均匀划分为多个网格，以网格的结点为监测点，在每个监测点监测噪声源的声压级。
2.根据权利要求1所述的轨道交通车辆噪声分布计算方法，其特征在于，N≥5；优选地，N＝5；5个所述声辐射区域分别对应：司机室区域、I端转向架区域、车辆中间区域、II端转向架区域、II端贯通道区域。
3.根据权利要求1或2所述的轨道交通车辆噪声分布计算方法，其特征在于，所述网格为边长0.5m～1.0m的正方形；优选地，司机室前底面、轨面、下部子区域的两个底侧面对应的监测面的网格边长均为0.5m～0.8m。
4.根据权利要求1所述的轨道交通车辆噪声分布计算方法，其特征在于，步骤S4中，所述声压级的具体计算过程包括：
对于下部子区域的两个底侧面、司机室前底面、车辆顶面对应的监测面，根据球面声源随距离衰减的原理，计算出该监测面上各噪声源在各监测点的声压级；
对于轨面对应的监测面，根据室内稳态声压级计算原理，计算各噪声源在该监测面各监测点的声压级；
对于上部子区域的两个侧墙面、司机室前端面对应的监测面，为每一个位于地板下方两个底侧面之间的噪声源对应设置两个辅助声源，且该两个辅助声源分别设置于两个底侧面上，先计算辅助声源的声功率级，再利用球面声源随距离衰减的原理，根据各辅助声源的声功率级计算出各辅助声源在相应监测点的声压级。
5.根据权利要求4所述的轨道交通车辆噪声分布计算方法，其特征在于，所述辅助声源的位置高度与对应的噪声源的位置高度齐平。
6.根据权利要求4或5所述的轨道交通车辆噪声分布计算方法，其特征在于，所述辅助声源声功率级的计算公式为：
Figure RE-FDA0002597711240000021
其中，Lwon为地板下方两个底侧面之间的第n个噪声源的声功率级；Lwsn为第n个噪声源相应的辅助声源的声功率级；φ为第n个噪声源仰角；β为第n个噪声源对应的辅助声源仰角；ΔR为考虑β对虚声源声功率影响的修正量。
7.根据权利要求1所述的轨道交通车辆噪声分布计算方法，其特征在于，步骤S4之后，还包括：
S5、对于某一待评价区域，根据下式计算该待评价区域的声功率级LWm：
Figure RE-FDA0002597711240000022
其中，m为待评价区域监测点个数；Lpi为待评价区域中第i个监测点的总声压级；i＝1,2,…,m；Sm为待评价区域的面积；所述待评价区域对应某一所述监测面对应的区域；所述第i个监测点的总声压级即各噪声源在该第i个监测点的声压级之和。
8.一种轨道交通车辆噪声分布计算系统，其特征在于，包括：
N个声辐射区域，覆盖车辆I端到II端，每一个所述声辐射区域以车辆地板为界分为上部子区域和下部子区域；
多个监测面，对于不带司机室的车节，多个监测面分别对应以距离上部子区域的两个侧墙面外表面均为L米的两个平面、距离下部子区域的两个底侧面外表面均为L米的两个平面、距离车辆顶面外表面为L米的平面、轨面；对于带司机室的头车，多个监测面分别对应以距离上部子区域的两个侧墙面外表面均为L米的两个平面、距离下部子区域的两个底侧面外表面均为L米的两个平面、距离车辆顶面外表面为L米的平面、轨面、司机室前端面和司机室前底面；每个所述监测面均匀划分为多个网格；
监测模块，用于以网格的结点为监测点，在每个监测点监测噪声源的声压级；
优选地，还包括声功率级计算模块，用于根据下式计算任一待评价区域的声功率级LWm：
Figure RE-FDA0002597711240000031
其中，m为待评价区域监测点个数；Lpi为待评价区域中第i个监测点的总声压级；i＝1,2,…,m；Sm为待评价区域的面积；所述待评价区域对应某一所述监测面对应的区域；所述第i个监测点的总声压级即各噪声源在该第i个监测点的声压级之和。
9.根据权利要求8所述的轨道交通车辆噪声分布计算系统，其特征在于，所述网格为边长0.5m～1.0m的正方形；优选地，司机室前底面、轨面、下部子区域的两个底侧面对应的监测面的网格边长均为0.5m～0.8m。
10.根据权利要求8或9所述的轨道交通车辆噪声分布计算系统，其特征在于，所述监测模块包括：
第一监测单元，用于根据球面声源随距离衰减的原理，计算出下部子区域的两个底侧面、司机室前底面、车辆顶面对应的监测面上各噪声源在各监测点的声压级；
第二监测单元，用于根据室内稳态声压级计算原理，计算各噪声源在轨面对应的监测面各监测点的声压级；
第三监测单元，用于计算设置于底侧面上的辅助声源的声功率级，再采用球面声源随距离衰减原理，根据各辅助声源的声功率级计算出各辅助声源在相应监测点的声压级；两个底侧面上位置对应的两个辅助声源的位置高度与对应的噪声源位置高度平齐；
优选地，所述辅助声源的安装高度与轮轴高度齐平；所述辅助声源的宽度与监测点同侧的车辆侧墙面齐平。
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