基于声能密度模型的高速列车车内声场预测分析及仿真软件设计

摘要

随着我国高速铁路迅速发展，列车运行速度不断提高，许多在低速时未被关注的问题逐渐突出，影响列车速度的进一步提升。列车运行时产生的噪声主要由牵引电气系统噪声、轮轨接触噪声以及气动噪声组成。其中气动噪声主要受列车运行速度v的影响，其辐射功率大约正比于V6到V8，因此随着列车运行速度的提高，气动噪声将急剧上升。研究表明当列车运行速度超过250km/h时，以中高频为主的气动噪声将占主导地位。以往高速列车减振降噪工作主要是在已经完成的列车上进行试验测试，通过加装隔振系统和吸声、隔声材料等手段来降低车内噪声，但此方法成本较高且难以从整体上解决问题。相比之下，如果在列车设计初期就对列车进行声场仿真分析并根据声源及声场特性对列车进行相应声学设计，既能得到较好的声学效果又能节约成本、缩短工期。本文围绕高速列车车内声场数值计算技术进行了研究，主要开展的研究工作如下:
　　首先，分析了现有高速列车车内声场数值计算方法各自的特点与适用场合。分析认为现有内部声场数值计算技术，有限元法和边界元法在低频声场数值计算领域取得了较好的效果，但在中高频声场计算领域由于计算成本太高且计算精度较低，因此不适合中高频声场求解;统计能量法能够对中高频声场进行计算，但得到的结果在一个子系统内为单值均一分布的，无法得到声场细节的准确值。
　　其次，为了能够准确预测列车高速行驶时车内中高频声场细节，提出并推导了一种基于声能密度分布方程的声场数值计算新方法。从能量流与能量之间的本构关系研究了声能密度在声场空间的分布和传播规律，依据直达声场和反射混响声场的叠加原理，建立了面向中高频复杂声场细节解析的数值计算模型。对其思路可行性和预测准确性进行验证，为下一步声能密度法在高速列车车内声场预测与应用奠定了理论基础。
　　然后，利用面向对象的语言工具，开发一款基于声能密度模型的高速列车车内声场仿真软件。为方便工程人员使用，开发以声能密度模型为核心的声场预测软件，为工程人员提供一种新的列车车内声场仿真工具。
　　最后，基于开发的仿真工具，对列车试验车厢内部声场进行仿真分析。结合有限元法在低频声场分析的优势，实现对高速列车车内全频段的声场细节信息解析，为高速列车降噪设计奠定了理论与应用基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高速列车风洞试验

1．2．2 高速列车线路试验

1．2．3 高速列车声场数值模拟

1．3 主要研究目的和内容

第2章 声能密度模型基本原理

2．1 声学基本概念

2．2 声能密度模型基本原理

2．2．1 声能密度模型的格林函数

2．2．2 反射模型与完全声场的建立

2．3 本章小结

第3章 基于声能密度模型的声场数值计算可行性验证

3．1 声能密度法与有限元法对比

3．1．1 有限元法进行声腔声场分析

3．1．2 声能密度法进行声腔声场分析

3．1．3 分析结果对比

3．2 声能密度法与实验测试对比

3．2．1 室内声场测试实验

3．2．2 声能密度法进行室内声场分析

3．2．3 分析结果对比

3．3 本章小结

第4章 基于声能密度模型的列车车内声场仿真软件设计

4．1 功能设计

4．2 开发工具简介

4．2．1 MFC简介

4．2．2 OpenGL简介

4．3 软件设计与使用

4．3．1 软件设计

4．3．2 使用说明

4．4 本章小结

第5章 声能密度法对列车试验车厢车内声场仿真分析

5．1 车厢输入声源采集

5．2 车厢模型建立

5．3 车厢声场求解

5．4 仿真结果

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢