高速列车车端连接处空腔噪声机理分析

随着运行速度的提高，气动噪声将成为高速列车主要噪声来源，严重影响车内外环境[1-2]。而车端连接处往往对应着车内噪声的最大区域，当列车以300km/h 速度等级运行时，该位置车内噪声与客室中央处相比增加14.6 dB(A)，并且随着列车速度的继续提高，此差值还会继续增大[3]。这一方面是因为风挡隔声性能相比组合车体结构要差，另外一方面是由于该处恰好对应车外凹槽形状几何突变位置，使得该处空气流动特性非常复杂，会形成强烈的气动载荷激励[4]。张亚东等[5]对时速350km/h 高速列车车外气动噪声进行数值模拟，发现气流易分离和湍流运动较剧烈的车端连接处为主要噪声源之一。KIM 等[6]总结了TGV、TGV-A、ICE和Shinkansen 等高速列车的气动噪声随速度变化的情况，并通过数值模拟指出车端连接处气动噪声与列车速度的7.7次方成正比。李辉等[7]通过二维数值模拟对简化车端连接处流场进行数值模拟，指出该处的气动噪声为空腔结构导致的流体自激振荡噪声，并观察到车外噪声呈“两瓣”状，该指向性特征主要由低频成分决 定。DAI 等[8]通 过Nonlinear Acoustic Solver 方 法对高速列车车外流场进行三维数值模拟，得出结论：车端连接处腔内的100 Hz 以下频段内的气动声能量与腔内的自激共振相关，且噪声能量主要集中在500 Hz以下的中低频段内。MIZUSHIMA等[9]对1/5缩比的某型Shinkansen 列车模型进行了风洞试验，指出车端连接处噪声包含特定频率处的共振噪声和宽频湍流噪声；强烈的声共振发生在腔体前缘的涡脱落频率和车端间隔声模态频率一致时。不论是数值模拟[6-8]还是风洞试验[9]均指出高速列车车端连接处的噪声属于腔体流致噪声。Rockwell等[10]将腔体流致噪声成因分为3类：流体动力学作用、流体声学共振和流体弹性作用。其中，流体声学共振是由剪切层的振荡频率与腔体自身结构的声学特性（Helmholtz共振或声学驻波模态）之间的耦合作用所导致。

本文为探究某型高速列车实际运营时车端连接处低频噪声的产生机理，首先通过线路试验测试了车端连接处的内、外风挡空腔处的噪声响应。结合已有腔体流致噪声文献分析噪声主频产生的可能原因。再通过可压缩流的大涡模拟法（Large eddy simulation，简称LES）建立高速列车车端连接处的近场气动噪声预测分析模型，继而对外风挡的开口影响做出探究，可为车端连接处的结构设计和低频噪声问题整改提供科学指导与理论依据。

1 车端连接处噪声问题初步分析

1.1 车端连接处车外噪声线路试验

针对运营情况下某型高速列车在以350km/h运行时整列车的车端连接处均存在的低频峰值噪声问题，选取其中某相邻两节车辆的车端连接处为研究对象，开展列车内外风挡空腔噪声线路试验。试验列车车端连接处一侧的外风挡如图1（a）所示。其中箭头分别指出风挡上、下开口部分，且上、下开口的尺寸不相同。试验时，3个噪声测点（采用B&K4948型表面麦克风测量）分别布置在内外风挡之间的空腔侧部的上、中和下部位置，如图1（b）所示。对以350km/h 运行的列车进行线路测试，并对测试数据作分析，图2给出低频部分相对噪声幅值频谱特性。

图1 某型高速列车车端连接处线路试验

图2 车端连接处噪声频谱特性

由图2可见，噪声能量主要集中在100 Hz 以下的低频段，且在37.0 Hz 处存在显著的峰值，其幅值比其他频率成分大17 dB。

1.2 噪声主频机理初步分析

参考文献[5-10]相关的分析，车端连接处的噪声主频的产生可能与车端连接处外风挡的上、下开口有关。高速列车与汽车都是高雷诺数、低马赫数（Ma＜0.3）运动的地面交通工具[11]，其车端连接处的峰值噪声类似于汽车中的风振噪声：当列车高速运行时，由于外风挡上、下开口的存在，来流会在开口前缘形成周期性的涡脱落。同时，内、外风挡所包围的空腔可能就类似于一个“Helmholtz共振腔”。

涡脱落引起腔体的Helmholtz 共振效应[12-13]可以简化等效为单自由度系统强迫振动中的共振现象，如图3所示。其中，空腔体积V0和开口颈部的空气分别相当于单自由度“弹簧-质量”系统（未考虑空气的阻尼效应）中的弹簧和质量块。开口前缘的涡脱落产生的开口处的压力波动则可以简化等效为一个波动外部激励力Fext，该值与开口处的涡通量波动强度有关[13]。

图3 涡脱落致腔体Helmholtz共振效应机理

对于湍流边界层来流情况，涡脱频率可以由式(1)预测[12]：

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