600km·h-1高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲仿真與試驗(yàn)分析

600km·h-1高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲仿真與試驗(yàn)分析

陳雨豪，葛劍敏，丁叁叁，朱雷威，郭建強(qiáng)（1.同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）高速磁浮列車因其速度快、運(yùn)行平穩(wěn)、耗能少及無(wú)污染等特點(diǎn)，成為未來(lái)交通運(yùn)載工具發(fā)展的新方向。高速磁浮列車通常采用常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)，主要包含推進(jìn)及輔助設(shè)備噪聲、車體表面結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲及空氣動(dòng)力性噪聲3類噪聲源?？諝鈩?dòng)力性噪聲主要由偶極子和四極子聲源組成，其輻射聲功率與列車運(yùn)行速度的6～8次方成正比［1］。隨著磁浮列車運(yùn)行速度不斷提高，氣動(dòng)噪聲將超過(guò)其他噪聲成為最主要的噪聲源。噪聲問(wèn)題已成為制約磁浮列車運(yùn)行速度的主要因素，研究高速磁浮列車車外流場(chǎng)特性、氣動(dòng)噪聲源分布及遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲輻射特性對(duì)未來(lái)降低高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲具有重要意義［2］。因當(dāng)前全球范圍內(nèi)投入運(yùn)營(yíng)的高速磁浮列車數(shù)量較少，對(duì)其氣動(dòng)噪聲的研究較匱乏。氣動(dòng)噪聲與列車外表面形狀有最直接的關(guān)系，高速輪軌列車與磁浮列車在外形和尺寸方面有很強(qiáng)的相似性，因此可參考高速輪軌列車氣動(dòng)噪聲的研究方法研究高速磁浮列車。交通運(yùn)載工具氣動(dòng)噪聲的研究方法主要包括實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法。在線實(shí)車測(cè)試可獲得最直接的氣動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)，在德國(guó)埃姆斯蘭對(duì)TR08磁浮列車車外噪聲測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到400km·h-1時(shí)，距離線路30.5m處的聲暴露級(jí)達(dá)到100dB（A）［3］。畢海權(quán)等［4］根據(jù)可壓縮黏性流體N-S方程和k-ε湍流模型對(duì)運(yùn)行速度為430km·h-1的TR高速磁浮列車湍流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明列車周圍的速度和壓力波動(dòng)隨著與列車表面距離的增大而減小，尾流區(qū)形成2個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦。Zhang等［5］用延遲分離渦模擬（DDES）和FWH方程對(duì)250km·h-1高速列車氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了一套低噪聲結(jié)構(gòu)方案，平均聲壓級(jí)可降低3.2dB（A）。Sun等［6］采用非線性聲學(xué)求解器（NLAS）方法研究運(yùn)行速度為300km·h-1的高速列車近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲，利用聲學(xué)表面求解FW-H方程進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲研究，結(jié)果表明，高速列車的車頭和車尾是主要噪聲源，由于尾部流動(dòng)中的非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)，車尾的整體噪聲水平高于車頭。Wei等［7］基于Lighthill聲比擬理論，采用大渦模擬（LES）和FW-H方程對(duì)400km·h-1高速列車氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明高速列車氣動(dòng)噪聲的能量集中在1000Hz～4000Hz頻率范圍內(nèi)。Tan等［8］采用K-FWH方程和三維可壓縮大渦模擬（LES）方法對(duì)600km·h-1高速列車進(jìn)行氣動(dòng)噪聲仿真計(jì)算，研究表明，偶極子和四極子對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲總能量的貢獻(xiàn)率不同，上游測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲能量主要來(lái)源于偶極子聲源，下游測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲能量主要為偶極子和四極子聲源。目前對(duì)于高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲的試驗(yàn)與數(shù)值仿真研究較少，對(duì)高速輪軌列車氣動(dòng)噪聲仿真計(jì)算通常采用FW-H方程積分法或邊界元法，由于列車運(yùn)行馬赫數(shù)較低，往往忽略空間四極子聲源，且該方法很難研究列車近場(chǎng)噪聲特性。本文考慮空氣的可壓縮性和空間四極子聲源，以TR08高速磁浮列車為研究對(duì)象，采用分離渦模擬計(jì)算列車周圍非定常流場(chǎng)，基于Lighthill聲比擬理論和聲學(xué)有限元方法計(jì)算列車近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲，研究氣動(dòng)噪聲的頻譜特性、空間分布特性和隨速度的增長(zhǎng)規(guī)律。對(duì)上海磁浮線上的TR08高速磁浮列車進(jìn)行在線實(shí)車試驗(yàn)，將車體表面及遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算模型的可靠性。1流體數(shù)值分析和氣動(dòng)噪聲計(jì)算方法1.1分離渦模擬分離渦模擬是一種將非定常雷諾平均法（URANS）和大渦模擬法相結(jié)合的混合方法。在近壁區(qū)域，采用非定常RANS湍流模型模擬流動(dòng)中的小尺度脈動(dòng)；在以大湍流尺度為主的分離流動(dòng)區(qū)，采用具有亞格子尺度（SGS）的大渦模擬模型。DES方法已被廣泛應(yīng)用于高速列車外流場(chǎng)的計(jì)算，基于剪切應(yīng)力輸運(yùn)（SST）湍流模型的DES方法基本方程為式中：t為時(shí)間；ρ為流體密度；k為湍動(dòng)能；ω為相對(duì)湍流耗散率；xi為笛卡爾坐標(biāo)分量，i=1，2，3；ui為速度分量；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)；μt為渦黏系數(shù)；β為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能生成項(xiàng)；Gω為相對(duì)湍流耗散率生成項(xiàng)；σk和σω分別為k和ω的湍流普朗特?cái)?shù)。其中，F(xiàn)1為第一類混合函數(shù)。其中，y為第1層網(wǎng)格到壁面的最小距離。其中，S為應(yīng)變率張量幅值；F2為第二類混合函數(shù)。FDES的表達(dá)式為式中：Δmax為最大網(wǎng)格間距；α*、a1、β*、σk，1、σk，2、σω，1、σω，2、Cdes均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。在靠近壁面的邊界層區(qū)域，ω值較大，湍動(dòng)能k較小，F(xiàn)DES值取1，SST兩方程湍流模型被激活。在距離壁面較遠(yuǎn)的湍流核心區(qū)，湍動(dòng)能k較大，F(xiàn)DES取第1項(xiàng)，模型轉(zhuǎn)化為具有亞格子尺度的大渦模擬模型［9-11］。1.2聲比擬及聲學(xué)有限元理論聲比擬方法（AAA）將聲場(chǎng)計(jì)算分為2步，第1步是根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）求解流體的非定常流動(dòng)方程，將求解結(jié)果作為噪聲源，第2步是求解聲波波動(dòng)方程，解決聲波從近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)的傳播問(wèn)題。Lighthill將流體流動(dòng)的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程重新變換，得到了氣動(dòng)噪聲波動(dòng)方程，如式（10）：式中：c0為聲速；Tij為L(zhǎng)ighthill應(yīng)力張量。式中：p為壓強(qiáng)；τij為黏性應(yīng)力張量；δij為Kroneckerdelta符號(hào)。將Lighthill方程由時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域，得式中：ω0為聲波圓頻率。用有限元法求解以上方程，選取基函數(shù)Na作為檢驗(yàn)函數(shù)，令方程左右兩邊同時(shí)乘以基函數(shù)并進(jìn)行體積分，使積分方程成立的解即為方程的近似解，這種方法稱為伽遼金方法，形式為利用分部積分、高斯定理和動(dòng)量守恒方程，得式中：ni為積分面法向單位矢量的i方向分量。方程左邊為聲波算子，方程右邊為聲源項(xiàng)，從CFD的求解結(jié)果中提取。右邊第1項(xiàng)代表面聲源項(xiàng)，第2項(xiàng)代表體聲源項(xiàng)。2高速磁浮列車計(jì)算模型2.1幾何模型采取TR08高速磁浮列車為研究對(duì)象，利用三維建模軟件建立列車與橋梁幾何模型，如圖1所示。列車模型分為形狀完全相同的頭車和尾車2節(jié)車廂，車體表面簡(jiǎn)化為光滑曲面，忽略車門、車窗、列車車廂連接處等車體表面細(xì)小突出物，將軌面假定為光滑平面，忽略電磁鐵、橋墩以及軌道梁之間的間隙。一節(jié)車廂的長(zhǎng)度L、寬度W和高度H分別為27.1m、3.7m和4.2m，車體流線型部分長(zhǎng)度為5.2m，橋面寬度為2.6m。圖1磁浮列車與橋梁幾何模型Fig.1Geometrymodelofmaglevtrainandbridge2.2計(jì)算域和邊界條件計(jì)算域的大小主要考慮計(jì)算精度和內(nèi)存需求，在保證計(jì)算精度的同時(shí)盡量減少計(jì)算域尺寸，以提高計(jì)算效率。橋上高速磁浮列車流場(chǎng)計(jì)算域如圖2所示，頭車鼻尖與入口的距離為L(zhǎng)，尾車鼻尖與出口的距離為2L，為了保證列車尾部流場(chǎng)的充分發(fā)展。軌面到計(jì)算域下底面的距離為2H，軌面到計(jì)算域上頂面的距離為3H，計(jì)算域?qū)挾葹?W。圖2高速磁浮列車計(jì)算域Fig.2Computationaldomainofhigh-speedmaglevtrain馬赫數(shù)（Ma）反映了單位質(zhì)量流體慣性力和壓強(qiáng)合力的量級(jí)關(guān)系，不可壓縮理想流體定常流動(dòng)的能量積分可表示為式中：p0為等熵滯止壓強(qiáng)；U為流速。若考慮流體的可壓縮性，式（15）可表示為對(duì)比式（15）和（16）可知，當(dāng)流場(chǎng)中最大馬赫數(shù)小于0.3時(shí)，理想流體定常等熵流動(dòng)可用不可壓縮理想流體方程近似。當(dāng)馬赫數(shù)大于0.3時(shí)，必須考慮流體的可壓縮性［12］。本文研究的高速磁浮列車最大運(yùn)行速度為600km·h-1，馬赫數(shù)達(dá)到0.5左右，需要考慮流體的可壓縮性。面ABCD采用壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件，大小為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，當(dāng)列車運(yùn)行速度分別為300、430、500和600km·h-1時(shí)，對(duì)應(yīng)馬赫數(shù)分別為0.245、0.351、0.408和0.490。面EFGH采用壓力出口邊界條件，大小為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，假設(shè)磁浮列車在計(jì)算域中是靜止的，軌道壁面和計(jì)算域底面向相反方向運(yùn)動(dòng)。為了消除邊界層的影響，將地面CDHG和軌道表面設(shè)置為滑移壁面，與磁浮列車運(yùn)行速度大小相同，方向相反。列車表面設(shè)置為無(wú)滑移固定壁面，面ADHE、BCGF和ABFE設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。2.3網(wǎng)格劃分采用混合法進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，劃分結(jié)果如圖3所示。在靠近車體的區(qū)域采用四面體和三棱柱型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，最大網(wǎng)格尺寸不超過(guò)40mm。在距車體一定距離的計(jì)算域采用六面體結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，按照一定的增長(zhǎng)系數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸不超過(guò)500mm。車體和軌道表面采用三角形網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸不超過(guò)15mm，為了更準(zhǔn)確地模擬空氣流動(dòng)對(duì)車體表面的影響，對(duì)列車表面進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分，其中第1層網(wǎng)格到壁面的法向距離為1mm，共5層邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格增長(zhǎng)率為1.2。圖3高速磁浮列車網(wǎng)格示意Fig.3Schematicdiagramofgridsofhigh-speedmaglevtrain2.4計(jì)算方法考慮流體的可壓縮性，先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)求解，將穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果作為瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算的初始值進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算。瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算采用基于SSTk-ω的DES模型，采用SIMPLE算法用于壓力和速度耦合，連續(xù)性方程采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散，動(dòng)量方程采用有界中心差分格式離散，能量方程、湍動(dòng)能方程和相對(duì)湍流耗散率方程采用二階迎風(fēng)格式離散，時(shí)間差分方程使用有界二階隱式格式離散。瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為Δt=0.0001s，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，噪聲的最大分析頻率為fmax=1/（2Δt）=5000Hz。瞬態(tài)流場(chǎng)共計(jì)算2000個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，后1000步記錄每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的瞬時(shí)流場(chǎng)數(shù)據(jù)，總采樣時(shí)間為0.1s，頻率分辨率為10Hz。3高速磁浮列車流場(chǎng)特性分析第3節(jié)、第4節(jié)研究的磁浮列車運(yùn)行速度均為430km·h-1。圖4和圖5分別為磁浮列車表面靜壓分布云圖和列車周圍流體縱剖面速度分布云圖。由圖可知，頭車鼻尖最先與氣流接觸，氣流被鼻尖阻斷，流速接近于零，鼻尖處?kù)o態(tài)壓強(qiáng)達(dá)到最大值，約為8885Pa。由于列車頭部表面曲率變化較大，氣流從鼻尖流向列車頂部、側(cè)面和底部時(shí)速度加快，導(dǎo)致車頭周圍區(qū)域壓強(qiáng)急劇下降，從正壓轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)壓。當(dāng)氣流到達(dá)車頭流線型肩部區(qū)域時(shí)，氣體流速最快，負(fù)壓達(dá)到峰值，約為?8088Pa。車身表面大部分區(qū)域?yàn)榻^對(duì)值較小的負(fù)壓，由于車身表面比較平滑，壓力梯度沒(méi)有較大變化。列車尾部的壓強(qiáng)分布與頭車相似，由于能量耗散作用，列車尾部區(qū)域的壓強(qiáng)絕對(duì)值均小于列車頭部對(duì)應(yīng)區(qū)域的壓強(qiáng)絕對(duì)值。圖4高速磁浮列車表面壓力Fig.4Contoursofpressureatsurfaceofhighspeedmaglevtrain圖5列車周圍流體縱剖面速率Fig.5Contoursofvelocityatlongitudinalsectionoffluidaroundtrain湍動(dòng)能反映列車表面脈動(dòng)壓力大小，可評(píng)估車體表面噪聲源分布。由圖6可知，湍動(dòng)能主要分布在頭車表面及車頭流線型肩部區(qū)域。尾部流線型肩部附近區(qū)域存在明顯氣流分離現(xiàn)象，該區(qū)域氣體流速較小，湍動(dòng)能較大。尾流區(qū)域存在一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的2個(gè)尾渦，尾渦向后部區(qū)域延伸較長(zhǎng)距離。圖6列車表面及周圍流體垂向截面湍動(dòng)能Fig.6Contoursofturbulentkineticenergyatver?ticalsectionoftrainsurfaceandsurroundingfluid4高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲特性分析4.1近場(chǎng)聲學(xué)特性高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲是一種寬頻帶噪聲，即沒(méi)有明顯的主頻段，聲能在較寬的頻率范圍內(nèi)連續(xù)分布?；诜€(wěn)態(tài)流場(chǎng)數(shù)據(jù)，利用寬帶噪聲源模型可計(jì)算由湍流邊界層產(chǎn)生的列車表面單位面積氣動(dòng)噪聲聲功率［13］。圖7為列車表面聲功率級(jí)分布云圖。由圖可知，車體表面聲功率級(jí)最大值出現(xiàn)在頭車和尾車流線型肩部區(qū)域。車身表面聲功率級(jí)隨列車縱向變化較小，因此縮短計(jì)算模型長(zhǎng)度對(duì)車體表面噪聲源分布影響較小。列車表面聲功率級(jí)和流場(chǎng)湍動(dòng)能具有相似的分布特性，可見(jiàn)高速磁浮列車主要噪聲源分布區(qū)域?yàn)闅饬鞣蛛x和湍流劇烈的區(qū)域。圖7列車表面聲功率級(jí)Fig.7Contoursofsoundpowerleveloftrainsur?face基于Lighthill聲比擬理論，將用DES模型計(jì)算得到的每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的瞬態(tài)流場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ighthill聲源項(xiàng)，再對(duì)時(shí)域的聲源項(xiàng)進(jìn)行傅里葉變換，得到頻域Lighthill聲源項(xiàng)。根據(jù)流場(chǎng)分析結(jié)果，建立包含主要聲源區(qū)域在內(nèi)的聲學(xué)有限元－無(wú)限元模型，有限元區(qū)域設(shè)置為空氣介質(zhì)。將頻域Lighthill聲源插值映射到聲學(xué)網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)處，隨后進(jìn)行近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)聲傳播計(jì)算。圖8為聲學(xué)有限元計(jì)算列車表面聲壓級(jí)測(cè)點(diǎn)布置示意，布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，P1與P2分別位于頭車與尾車駕駛室擋風(fēng)玻璃處，P3位于尾車側(cè)窗處。圖9為運(yùn)行速度為430km·h-1的磁浮列車車體表面3個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)1/3倍頻程頻譜曲線圖。由圖可知，除個(gè)別頻帶外，頭車和尾車駕駛室擋風(fēng)玻璃處聲壓級(jí)高于尾車側(cè)窗測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)。對(duì)于P3點(diǎn)，A聲級(jí)先隨頻率的增大而增大，在630Hz～3150Hz頻率范圍內(nèi)，A聲級(jí)基本不隨頻率變化，約為120dB（A）；頻率高于3150Hz時(shí)，A聲級(jí)隨頻率的增大而減小，P3點(diǎn)A計(jì)權(quán)總聲級(jí)為129.2dB（A）。當(dāng)頻率小于500Hz時(shí)，P2點(diǎn)比P1點(diǎn)聲壓級(jí)高；當(dāng)頻率大于500Hz時(shí)，P2點(diǎn)比P1點(diǎn)聲壓級(jí)低。因?yàn)榇鸥×熊囋谖擦鲄^(qū)產(chǎn)生一對(duì)尺度較大的尾渦，其能量主要集中在低頻，故尾車P2點(diǎn)低頻聲壓級(jí)較大。根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，由于能量耗散作用，尾車附近湍動(dòng)能比頭車低，湍動(dòng)能主要反映高頻能量，故尾車測(cè)點(diǎn)P2的高頻聲壓級(jí)較小。P1和P2點(diǎn)A計(jì)權(quán)總聲級(jí)分別為141.2和145.1dB（A）。圖8列車表面聲壓級(jí)測(cè)點(diǎn)布置Fig.8Layoutofsoundpressuremeasuringpointsontrainsurface圖9車體表面測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜曲線Fig.9Frequencyspectralofsoundpressureofmeasuringpointsontrainsurface4.2遠(yuǎn)場(chǎng)聲學(xué)特性為研究高速磁浮列車遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲特性，參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3095—2013在距離軌道中心線7.5m、軌面高度1.2m以及距離軌道中心線25m、軌面高度3.5m位置沿列車縱向均勻布置2列噪聲測(cè)點(diǎn)，每列端部的2個(gè)測(cè)點(diǎn)分別與頭車和尾車鼻尖處于同一橫截面，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示，每2個(gè)相鄰縱向測(cè)點(diǎn)的距離為1m，共110個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖11為列車運(yùn)行速度為430km·h-1時(shí)距離軌道中心線7.5m、軌面高度1.2m位置處沿列車縱向A聲級(jí)隨距離分布曲線圖，其中0m位置對(duì)應(yīng)于2節(jié)車的連接處。由圖可知，A聲級(jí)沿列車縱向距離先增大后減小，尾車流線型區(qū)域總A聲級(jí)大于頭車流線型區(qū)域總A聲級(jí)?？v向最大A聲級(jí)不是出現(xiàn)在0m位置，而是更偏向尾車，大約在7m位置，聲壓級(jí)為106.9dB（A）。圖10遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲測(cè)點(diǎn)布置Fig.10Layoutoffar-fieldaerodynamicnoisemeasuringpoints圖11A聲級(jí)沿列車縱向分布曲線Fig.11CurveofA-weightedsoundpressuredistri?butionalonglongitudinaldirectionoftrain將每列噪聲測(cè)點(diǎn)計(jì)算得到的A聲級(jí)進(jìn)行能量平均，可近似得到高速磁浮列車通過(guò)時(shí)間內(nèi)等效連續(xù)A聲級(jí)頻譜結(jié)果（圖12）。由圖可知，遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲是一種寬帶噪聲，當(dāng)頻率較低時(shí)，A聲級(jí)隨頻率增大而增大，氣動(dòng)噪聲的能量主要集中在中高頻區(qū)域，為1000～1600Hz。距離軌道中心線7.5m、軌面高度1.2m處噪聲峰值位于中心頻率為1250Hz的1/3倍頻程頻帶內(nèi)，為97.0dB（A）；距離軌道中心線25m、軌面高度3.5m處噪聲峰值位于中心頻率為1600Hz的1/3倍頻程頻帶內(nèi)，為91.9dB（A）。在高頻區(qū)域，7.5m和25m處噪聲聲壓級(jí)差異較小；在中低頻區(qū)域，各頻帶7.5m處聲壓級(jí)比25m處高2.7～8.9dB（A）。圖13為500Hz和1600Hz高速磁浮列車車外聲場(chǎng)分布云圖，選取的2個(gè)截面分別為x=7m橫截面和軌面以上1.2m截面。由圖可知，在中低頻范圍內(nèi)，車尾附近區(qū)域聲壓級(jí)高于車頭對(duì)應(yīng)區(qū)域，因?yàn)槲擦鲄^(qū)域存在大尺度尾渦，且向后延伸了較長(zhǎng)的距離，可見(jiàn)渦是流體流動(dòng)發(fā)聲的聲源。在高頻范圍內(nèi)，聲場(chǎng)分布比較混亂，車頭區(qū)域聲壓級(jí)略高于車尾區(qū)域。圖12遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲測(cè)點(diǎn)平均聲壓級(jí)頻譜曲線Fig.12Frequencyspectralofaveragesoundpres?sureatfar-fieldnoisemeasuringpoints圖13列車車外聲場(chǎng)分布Fig.13Contoursofsoundfielddistributionoutsidetrain5試驗(yàn)驗(yàn)證與分析為驗(yàn)證高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，在上海龍陽(yáng)—浦東磁浮線上對(duì)TR08高速磁浮列車進(jìn)行在線實(shí)車試驗(yàn)。列車運(yùn)行速度為300、430km·h-1，共布置2類測(cè)點(diǎn)。第1類是在尾車車外側(cè)窗處布置航空表面?zhèn)髀暺鳎瑴y(cè)點(diǎn)位置與圖8的P3測(cè)點(diǎn)位置相同。第2類是在距離軌道中心線7.5m、軌面以上1.2m處以及距離軌道中心線25m、軌面以上3.5m處布置自由場(chǎng)傳聲器，用于測(cè)試高速磁浮列車通過(guò)噪聲，圖14為在線實(shí)車試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖。遠(yuǎn)場(chǎng)通過(guò)噪聲測(cè)點(diǎn)位于同一橫截面，周圍無(wú)大的聲反射體及其他噪聲源。采用PLUSELabshop多通道聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)運(yùn)行速度至少測(cè)量8組數(shù)據(jù)，將聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果取能量平均。圖15為不同運(yùn)行速度下高速磁浮列車車體表面噪聲聲壓級(jí)試驗(yàn)與仿真1/3倍頻程頻譜曲線對(duì)比圖。由圖可知，車體表面噪聲能量主要集中在800～2500Hz范圍內(nèi)，當(dāng)列車運(yùn)行速度由300km·h-1增加到430km·h-1時(shí)，高頻噪聲比低頻噪聲的增長(zhǎng)量大，頻率低于2000Hz時(shí)，各頻帶聲壓級(jí)增大3～9dB（A），頻率高于2000Hz時(shí)，各頻帶聲壓級(jí)增大9～17dB（A），測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)增大7.6dB（A）。除中心頻率為5000Hz的1/3倍頻程頻帶外，車體表面噪聲聲壓級(jí)在各頻帶試驗(yàn)與仿真誤差不超過(guò)3dB（A），且頻譜曲線具有相似的變化趨勢(shì)。圖14實(shí)車試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.14Realvehicletestsite圖15車體表面試驗(yàn)與仿真噪聲頻譜對(duì)比Fig.15Comparisonofnoisefrequencyspectrumontrainsurfacebetweentestandsimulation圖16為不同運(yùn)行速度下高速磁浮列車通過(guò)時(shí)間內(nèi)等效連續(xù)A聲級(jí)試驗(yàn)與仿真1/3倍頻程頻譜曲線對(duì)比圖。由圖可知，當(dāng)列車運(yùn)行速度由300km·h-1增加到430km·h-1時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲峰值向高頻方向移動(dòng)，7.5m和25m處總A聲級(jí)分別增大5.1dB（A）和6.4dB（A）。遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲聲壓級(jí)在各頻帶試驗(yàn)與仿真誤差不超過(guò)4dB（A），且頻譜曲線具有相似變化趨勢(shì)，運(yùn)行速度為300km·h-1時(shí)，7.5m和25m處總A聲級(jí)試驗(yàn)與仿真誤差分別為2.7dB（A）和1.7dB（A）；運(yùn)行速度為430km·h-1時(shí)，7.5m和25m處總A聲級(jí)試驗(yàn)與仿真誤差分別為0.4dB（A）和0.1dB（A）。證明高速磁浮列車流場(chǎng)和聲學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較高，模型可用于預(yù)測(cè)更高運(yùn)行速度的氣動(dòng)噪聲。圖16遠(yuǎn)場(chǎng)試驗(yàn)與仿真頻譜對(duì)比Fig.16Comparisonoffar-fieldnoisefrequencyspectrumbetweentestandsimulation6高速磁浮列車車外噪聲預(yù)測(cè)進(jìn)行運(yùn)行速度分別為300、430、500和600km·h-1的高速磁浮列車車外氣動(dòng)噪聲計(jì)算，計(jì)算得到各速度下尾車車體表面?zhèn)却疤幙侫聲級(jí)以及距離軌道中心線7.5m、軌面以上1.2m處和距離軌道中心線25m、軌面以上3.5m處列車通過(guò)時(shí)間內(nèi)等效連續(xù)A聲級(jí)。參考高速列車A聲級(jí)與速度的關(guān)系［1］，不同速度下A聲級(jí)可以用速度修正量進(jìn)行表達(dá)，表示為式中：v為列車運(yùn)行速度；Lp為運(yùn)行速度v時(shí)總A聲級(jí)；v0為參考速度，取300km·h-1；Lp0為參考速度v0下總A聲級(jí)；k為速度修正系數(shù)。圖17為高速磁浮列車不同位置總A聲級(jí)隨速度關(guān)系曲線圖，圖中虛線為擬合回歸線。圖17總A聲級(jí)隨速度關(guān)系Fig.17TotalA-weightedsoundpressureversusspeed尾車車體表面?zhèn)却疤幙侫聲級(jí)與速度擬合得到的函數(shù)關(guān)系為距離軌道中心線7.5m、軌面以上1.2m位置處磁浮列車通過(guò)時(shí)間內(nèi)等效連續(xù)A聲級(jí)與速度擬合得到的函數(shù)關(guān)系為距離軌道中心線25m、軌面以上3.5m位置處磁浮列車通過(guò)時(shí)間內(nèi)等效連續(xù)A聲級(jí)與速度擬合得到的函數(shù)關(guān)系為所有擬合的決定系數(shù)R2均大于0.94，可見(jiàn)用對(duì)數(shù)擬合高速磁浮列車不同位置總A聲級(jí)隨速度的變化關(guān)系比較準(zhǔn)確。速度修正系數(shù)k在車體表面值最大，為67.8，由于偶極子和四極子聲源的輻射聲功率分別與流體流速的6次方和8次方成正比，對(duì)應(yīng)的速度修正系數(shù)分別為60和80，因此高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲聲源為包含偶極子聲源和四極子聲源的混合聲源。隨著測(cè)點(diǎn)位置距離磁浮列車表面越來(lái)越遠(yuǎn)，速度修正系數(shù)k的值也不斷減小，在距離軌道中心線25m、軌面以上3.5m處，當(dāng)列車運(yùn)行速度分別為500km·h-1和600km·h-1時(shí)，通過(guò)時(shí)間內(nèi)等效連續(xù)A聲級(jí)分別為103.2dB（A）和107.5dB（A）。圖18為500km·h-1和600km·h-1運(yùn)行速度下，距離軌道中心線25m、軌面以上3.5m測(cè)點(diǎn)處列車通過(guò)時(shí)間內(nèi)等效連續(xù)A聲級(jí)1/3倍頻程頻譜曲線圖。由圖可知，遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲的能量主要集中在中高頻區(qū)域，大約在800Hz到2000Hz之間。運(yùn)行速度分別為500km·h-1和600km·h-1時(shí)，噪聲峰值均位于中心頻率為1600Hz的1/3倍頻程頻帶內(nèi)，分別為96.5dB（A）和101.9dB（A）。當(dāng)列車運(yùn)行速度由500km·h-1增加到600km·h-1時(shí)，在100～200Hz的低頻區(qū)域，噪聲聲壓級(jí)增長(zhǎng)量較小，約為1～2dB（A）；在250Hz以上的中高頻區(qū)域，噪聲聲壓級(jí)增長(zhǎng)量較大，約為2.5～5.5dB（A）。圖18更高速度遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜預(yù)測(cè)Fig.18Predictionoffar-fieldnoisef