當您還是個孩子時，您希望在乘坐火車與同伴一起沖向遙遠冒險的過程中聽到各種撞擊聲、尖叫聲和碰碰碰碰的聲音。然而，當你長大成人后，你可能希望在乘坐火車時保持沉默，一個人安安靜靜的坐著欣賞窗外的風景，或與你的客戶和老板進行遠程會議，這個時候，你是很不情愿讓吵鬧的火車與你同行的。
法國ESI集團振動聲學全球業務發展經理Trevor Edwards說：“火車上的車內噪音水平是重要的客戶滿意度標準。”“車廂內的噪音會以車廂內各主要位置的聲學目標的形式，向列車設計師反映出來，有時對外部噪聲的關注可能是立法性的，例如限制在房屋附近通過的軌道車輛或其他車輛的噪聲通過（PBN）法規。”
在每列火車中，都有許多噪聲源，工程師需要評估這些因素如何影響過境旅客的舒適度和體驗。
工程師需要盡可能地去減少這些噪聲的干擾。不幸的是，大部分的噪音是由軌道和環境造成的，這是火車設計者無法控制的。這使得使用仿真模擬工具變得更加重要，以幫助優化您所能做的一切，以確保駕駛員和乘客的舒適性以及公眾的夜間睡眠。
軌道車輛產生的主要噪聲源包括設備、滾動噪音、氣動噪音和轉向架。為了實現有效的聲學設計，需要評估和限制每個聲源。
VA One軟件中的專業模塊可以幫助工程師進行列車靜音設計。
ESI集團的振動聲學專家Robert Fiedler指出，由于輪軌界面的缺陷和粗糙而引起的噪聲是主要噪聲源，也是乘客非常直觀的艙內感受。的確，工程師無法控制軌道，但他們可以通過減少振動的方式設計車輪、外殼和總成。但是，首先他們需要測量或表征聲音。
Fiedler說：“您可以通過用聲學陣列或聲像儀進行測量來研究輻射噪聲，但是這很困難，因為您需要昂貴的測量設備，而且很難將設備和環境噪聲分開記錄。”
Fiedler建議的另一種方法是使用靠近車輛底部的一組麥克風來記錄噪音。這種方式更易于執行，但仍然會導致同時采集到設備和環境的噪聲。
Fiedler補充說：“第三種方法是通過仿真來表征來自輪/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、質量和彈性體的正方形網格。或者，您可以使用FEM / BEM（有限元/邊界元）方法。”
換句話說，為了快速、準確、經濟的來表征組件噪聲，工程師可以采用噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）模擬的計算機輔助工程（CAE）軟件。
Skoda交通運輸項目的CAD設計專家Sergej Italjancev解釋說，當他們第一次設計地鐵列車進行投標時，他的團隊無法滿足和完成招標要求的噪音標準。在應用了VA One并進行了設計變更后，他們贏得了訂單。目前，他們生產了八輛列車，每輛6節車廂。
通過仿真，工程師可以優化其軌道組件設計，以減少火車內部和外部的振動和噪聲傳播。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。這些缺陷引發了噪聲產生的機制。
Fiedler說：“早期的研究表明，噪聲可能歸因于車輪和軌道運行表面上的小范圍粗糙度，這兩者都激發了振動。”換句話說，當車輪在軌道上移動時，它們在火車及其貨物的重量作用下被壓在一起，該載荷將迫使軌道和車輪發生局部變形。轉動的車輪會引起這些局部變形，并且接觸力會迅速變化，從而產生振動。
“為了表征這樣的變形，工程師可以用隨頻率變化的彈簧代替車輪和軌道零件，”Fiedler解釋說。“可以使用一維分析方法或3D FEM/BEM方法來評估彈簧的動態特性和局部點移動性。”
Fiedler繼續解釋說，使用3D方法對，建模的工程師將對邊界條件有更多的控制。這些工程師還將能夠為他們所需的任何車輪或軌道形狀建模。這很重要，因為不同的零件幾何形狀可能會具備不同的阻尼特性。
使用VA One軟件的FEM/BEM模塊，工程師可以對所需的任何車輪形狀進行建模，例如有軌電車車輪。
此外，使用3D模型將為研究承受軸荷或離心力的預應力模式提供機會。
Fiedler指出：“模態表達了結構在特定負載下和特定頻率下的行為。”“當施加正確的力時，工程師將看到頻域中的實際結構振動，這被稱為模態方法。”
模擬的下一步是計算來自車輪的輻射功率，這是通過模擬車輪周圍的空氣來完成的。“在BEM仿真中，用戶將在車輪幾何形狀周圍創建一個表面包絡，并指定空氣會侵潤哪個表面側，”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作為一個指標來比較不同車輪幾何形狀的性能。
另外，聲輻射功率可以通過統計能量分析（SEA）用于系統模型。該工具通過考慮系統中的所有噪聲源，來幫助預測艙內噪音。
確定車輪的聲輻射功率后，可以從其他噪聲源評估類似的分解結果。這些來源可以包括加熱、通風和空調（HVAC）系統以及擠壓或復合結構的振動。一旦評估了所有噪聲源，便可以將它們集成到SEA模型中，以評估整個噪聲的傳播。
Skoda交通運輸項目現場研究首席研究員Petr Cuchy說：“所描述的方法在項目初期幫助我們確定了電車的哪些結構成分對內部噪音的影響最大。”“重要的是要專注于對聲音敏感的組件，避免解決對整體噪聲影響較小的零件，并避免為這些對聲音不敏感的組件增加額外的質量和成本。對我們而言，同樣重要的是估計預期的內部噪音水平。”
Fiedler解釋了座椅布局影響和吸收內部噪音的重要性。
現在您有了一個模型，可以在組件或系統級別計算從源頭傳播過來的振動和噪聲。接下來將做什么？
“VA One會計算并確定從聲源到選定點的所有結構（振動）和聲學路徑，”Edwards說。“例如，可以選擇火車中的聲腔，以便設計人員可以輕松地在該位置確定最重要的噪聲貢獻并采取補救措施。”
NVH軟件使用源、路徑和接受端模擬聲音傳播。這個概念是由源引起的振動將能量注入系統，該能量通過結構、子結構和空氣傳遞到接收端，這被定義為傳輸路徑。接收端通常位于車內或車外的特定位置。
Edwards解釋說，由于空間內的配件和固定裝置，要確定車廂內的噪音可能非常具有挑戰性。“主要區別在于內部噪音是在狹窄的空間中，而外部噪音是在開放的環境中。”“使用相同的源、路徑、接收端模型，但是不同的關注頻率將需要采用VA One中的不同（算法模塊）工具來執行計算。”
例如，根據聲音的頻率，像座位這樣簡單的物體就可以吸收噪聲，而包含復雜路徑的墻壁和開放空間等結構則可以發生回聲、混響和衍射。借助VA One，工程師可以使用這些工具來評估接收端所在位置的聲音水平，然后確定聲學空間中的特征（例如地毯和窗簾）如何吸收聲音。因此，工程師可以使用VA One提供的這些信息來優化聲學空間中的這些特征，以有效的開展軌道車輛的艙內噪聲設計工作。
文章來源：Prosynx
