法國(guó)ESI集團(tuán)振動(dòng)聲學(xué)全球業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Trevor Edwards說(shuō)：“火車上的車內(nèi)噪音水平是重要的客戶滿意度標(biāo)準(zhǔn)。”“車上的噪音以聲學(xué)目標(biāo)的形式在車廂的關(guān)鍵點(diǎn)向鐵路設(shè)計(jì)者顯現(xiàn)，有時(shí)對(duì)外部噪聲的關(guān)注可能是立法性的，例如限制在房屋附近通過(guò)的軌道車輛或其他車輛的噪聲通過(guò)（PBN）法規(guī)。”
在每列火車中，都有許多噪聲源，工程師需要評(píng)估這些因素如何影響過(guò)境旅客的舒適度和體驗(yàn)
工程師需要盡力減少噪聲。不幸的是，很多噪音是由鐵軌和環(huán)境造成的，這是火車設(shè)計(jì)者無(wú)法控制的。這使得使用仿真工具變得更加重要，以幫助優(yōu)化您所能做的一切，以確保駕駛員、乘客和一般公眾能夠通宵睡覺(jué)的舒適性。
工程師如何測(cè)量車輛噪音
軌道車輛產(chǎn)生的主要噪聲源包括設(shè)備、輪軌滾動(dòng)、空氣動(dòng)力學(xué)特性和轉(zhuǎn)向架。為了實(shí)現(xiàn)有效的聲學(xué)設(shè)計(jì)，需要評(píng)估和限制每個(gè)聲源。
VA One
軟件中的專業(yè)模塊可以幫助工程師設(shè)計(jì)對(duì)噪聲敏感的車輛
ESI
集團(tuán)的振動(dòng)聲學(xué)專家Robert Fiedler指出，由于車輪/導(dǎo)軌界面的不完善和粗糙度而產(chǎn)生的噪聲特別引起人們的關(guān)注。的確，工程師無(wú)法控制導(dǎo)軌，但他們可以通過(guò)減少振動(dòng)的方式設(shè)計(jì)車輪、外殼和組件。但是，首先他們需要測(cè)量或表征聲音。
Fiedler
說(shuō)：“您可以通過(guò)用聲學(xué)陣列或聲像儀進(jìn)行測(cè)量來(lái)研究輻射噪聲，但是這很困難，因?yàn)槟枰嘿F的測(cè)量設(shè)備，而且很難將設(shè)備和環(huán)境噪聲分開(kāi)記錄。”
Fiedler
建議的另一種方法是使用靠近車輛底部的一組麥克風(fēng)記錄噪音。這更易于執(zhí)行，同樣能通過(guò)測(cè)量捕獲設(shè)備和環(huán)境的噪聲。
Fiedler
補(bǔ)充說(shuō)：“第三種方法是通過(guò)仿真來(lái)表征來(lái)自輪/軌噪聲的輻射功率。”“我使用的方法是Remington方法。這包括一種分析方法，您可以將鋼軌和車輪分成具有慣性、質(zhì)量和彈性體的正方形網(wǎng)格。或者，您可以使用FEM/BEM（有限元/邊界元）方法。”
換句話說(shuō)，為了快速、準(zhǔn)確且能負(fù)擔(dān)得起的方式表征組件噪聲，工程師可以采用噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（NVH）模擬的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件。
Skoda
交通運(yùn)輸項(xiàng)目的CAD設(shè)計(jì)專家Sergej Italjancev解釋說(shuō)，當(dāng)他們第一次設(shè)計(jì)地鐵列車進(jìn)行投標(biāo)時(shí)，他的團(tuán)隊(duì)無(wú)法滿足和完成招標(biāo)要求的噪音標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用了VA One并進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)變更后，他們贏得了訂單。目前，他們正在為八個(gè)列車單位各自提供六輛貨車。
如何模擬輪/軌接口的NVH
通過(guò)仿真，工程師可以優(yōu)化其軌道組件設(shè)計(jì)，以減少火車內(nèi)部和外部的振動(dòng)和噪聲傳播。為了模擬這些噪聲，工程師必須首先表征車輪和軌道之間的相互作用。
輪/軌相互作用的示意圖。這些缺陷引發(fā)了噪聲產(chǎn)生的機(jī)制
Fiedler
說(shuō)：“早期的研究表明，噪聲可能歸因于車輪和軌道運(yùn)行表面上的小范圍粗糙度，這兩者都激發(fā)了振動(dòng)。”換句話說(shuō)，當(dāng)車輪在軌道上移動(dòng)時(shí)，它們?cè)诨疖嚰捌湄浳锏闹亓孔饔孟卤粔涸谝黄穑撦d荷將迫使軌道和車輪發(fā)生局部變形。旋轉(zhuǎn)的車輪會(huì)引起這些局部變形，并且接觸力會(huì)迅速變化，從而產(chǎn)生振動(dòng)。
“為了表征這樣的變形，工程師可以用頻率依賴的彈簧代替車輪和軌道零件，”Fiedler解釋說(shuō)。“可以使用一維分析方法或3D FEM/BEM方法來(lái)評(píng)估彈簧的動(dòng)態(tài)特性和局部點(diǎn)移動(dòng)性。”
Fiedler
繼續(xù)解釋說(shuō)，使用3D方法對(duì)，建模的工程師將對(duì)邊界條件有更多的控制。這些工程師還將能夠?yàn)樗麄兯璧娜魏诬囕喕蜍壍佬螤罱！＿@很重要，因?yàn)椴煌牧慵缀涡螤羁赡軙?huì)具備不同的阻尼特性。
使用VA One軟件的FEM/BEM模塊，工程師可以對(duì)所需的任何車輪形狀進(jìn)行建模，例如電車車輪
此外，使用3D模型將為研究承受軸負(fù)載或離心力的預(yù)應(yīng)力模式提供機(jī)會(huì)。
Fiedler指出：“模態(tài)行為表示結(jié)構(gòu)在特定負(fù)載下和特定頻率下的行為。”“當(dāng)施加正確的力時(shí)，工程師將看到頻域中的實(shí)際結(jié)構(gòu)振動(dòng)，這被稱為模態(tài)方法。”
模擬的下一步是計(jì)算來(lái)自車輪的輻射功率，這是通過(guò)模擬車輪周圍的空氣來(lái)完成的。“在BEM仿真中，用戶將在車輪幾何形狀周圍創(chuàng)建一個(gè)表面包絡(luò)，并指定空氣會(huì)侵潤(rùn)哪個(gè)表面?zhèn)龋?/span>Fiedler指示。“解決之后，工程師便可以使用聲輻射功率。”然后，可以將這種聲輻射功率用作碼尺，以比較不同車輪幾何形狀的性能。
另外，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）在系統(tǒng)模型中使用聲輻射功率。該工具通過(guò)考慮系統(tǒng)中的所有噪聲源，有助于預(yù)測(cè)火車內(nèi)部的噪聲。
確定車輪的聲輻射功率后，可以從其他噪聲源評(píng)估類似的分解結(jié)果。這些來(lái)源可以包括供熱、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)以及振動(dòng)下的擠壓或復(fù)合結(jié)構(gòu)。一旦評(píng)估了所有噪聲源，便可以將它們集成到SEA模型中，以評(píng)估整個(gè)噪聲的傳播。
Skoda
交通運(yùn)輸項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)研究首席研究員Petr Cuchy說(shuō)：“所描述的方法在項(xiàng)目初期幫助我們確定了電車的哪些結(jié)構(gòu)成分對(duì)內(nèi)部噪音的影響最大。”“重要的是要專注于對(duì)聲音敏感的組件，避免解決對(duì)整體噪聲影響較小的零件，并避免為這些對(duì)聲音不敏感的組件增加額外的質(zhì)量和成本。對(duì)我們而言，同樣重要的是估計(jì)預(yù)期的內(nèi)部噪音水平。”
如何模擬內(nèi)部與外部噪聲
現(xiàn)在您有了一個(gè)模型，可以在組件或系統(tǒng)級(jí)別計(jì)算源的振動(dòng)和噪聲。接下來(lái)是什么？
“VA One會(huì)計(jì)算并確定從聲源到選定點(diǎn)的所有結(jié)構(gòu)和聲學(xué)路徑，”Edwards說(shuō)。“例如，可以選擇火車中的空腔，以便設(shè)計(jì)人員可以輕松地在該位置確定最重要的噪聲貢獻(xiàn)并采取補(bǔ)救措施。”
NVH軟件使用源、路徑和接受端模擬聲音傳播。這個(gè)概念是由源引起的振動(dòng)將能量注入系統(tǒng)，該能量通過(guò)結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)和空氣傳遞到接收端，這被定義為傳輸路徑。接收端通常由源內(nèi)或源外的特定位置來(lái)定義。
Edwards解釋說(shuō)，由于空間內(nèi)的配件和固定裝置，要確定機(jī)艙內(nèi)的內(nèi)部噪音可能非常具有挑戰(zhàn)性。“主要區(qū)別在于內(nèi)部噪音是在狹窄的空間中，而外部噪音是在開(kāi)放的環(huán)境中。”“使用相同的源、路徑、接收端模型，但是不同的關(guān)注頻率將需要VA One中的不同工具來(lái)執(zhí)行計(jì)算。”
例如，根據(jù)聲音的頻率，像座位這樣簡(jiǎn)單的物體就可以吸收噪聲，而墻壁和開(kāi)放空間等結(jié)構(gòu)中包含的復(fù)雜路徑則可以擴(kuò)散、回聲或隔聲。借助VA One，工程師可以使用這些工具來(lái)評(píng)估接收端所在位置的聲音水平，然后確定聲學(xué)空間中的特征（例如地毯和窗簾）如何吸收聲音。因此，工程師可以使用VA One提供的這些信息來(lái)優(yōu)化聲學(xué)空間中的功能，以有效的開(kāi)展軌道車輛的艙內(nèi)噪聲設(shè)計(jì)工作。
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