一般边界条件下高速列车车窗声振特性研究

作     者：朱荟吉 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金学松

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：高速列车 车窗 一般边界条件 振动声辐射 隔声 

摘      要：高速列车车外声源和振动引起车窗振动向车内辐射噪声,其辐射噪声的能力不仅与频率有关,而且受窗框与车窗间安装刚度和阻尼的影响,研究车窗在一般边界条件下的声振特性,考虑车窗边界支撑参数的影响,降低车窗的振动声辐射效率和提高车窗的隔声性能是控制车内噪声水平的有效途径。因此,本文以我国某型高速列车单层车窗为研究对象,研究了车窗在集中力激励、平面声波激励、湍流边界层激励和窗框振动激励条件下,车窗边界支撑条件对结构声振特性的影响,具体研究工作如下:首先,基于Kirchoff薄板理论和Hamilton原理,利用Galerkin法推导了矩形薄板的有限元模型(FEM),模型中引入了板四周弹性边界支撑刚度和阻尼,考虑平动支撑刚度和转动支撑刚度;基于声学Rayleigh积分建立了板两侧声学流体的边界元模型(BEM);利用板与两侧流体的耦合边界条件建了板的隔声和振动声辐射模型(耦合的FEM-BEM)。然后,以一块铝板为研究对象,在经典边界条件下(自由、简支和固支),通过与有限元商业软件Ansys模态分析结果的对比,验证了FEM模型的正确性;通过与无限大板在集中力激励下的振动声辐射和隔声的对比,验证了矩形板耦合FEM-BEM模型的正确性。最后,将考虑弹性边界支撑刚度和阻尼的FEM-BEM应用于某型高速列车单层矩形车窗,研究了结构在集中力激励、平面声波激励、湍流边界层激励及窗框边界激励条件下,边界支撑参数对结构振动声辐射和隔声的影响,讨论了集中力激励位置对结构振动声辐射以及平面声波入射角度对结构隔声的影响。研究结果表明:(1)边界平动刚度对车窗声振特性的影响比转动刚度大,当平动刚度小于1×10N/m或大于1×10N/m时,结构的声辐射和隔声随平动刚度的变化不明显;平动刚度在1×10N/m～1×10N/m间变化时,其对车窗声辐射和隔声的影响最显著,声辐射峰值或隔声低谷随平动刚度的增加而迅速变化;(2)当边界阻尼大于0.1时,其对车窗的声振特性产生一定的影响,主要影响结构模态频率附近的频带;由复平动刚度产生的边界阻尼比复转动刚度产生的边界对结构声振特性的影响大;(3)提高平动连接刚度能增加窗框振动向车窗的传递,增加结构的声辐射,不利于结构振动和车内噪声的控制;(4)集中力激励位置越靠近车窗边界,其对应的刚度控制区辐射声功率越小,当激励点位于某模态振型的波节时,该阶模态不容易被激发,辐射声功率在该阶模态频率点不会产生峰值;(5)随平面声波入射角度增加,车窗的隔声量变大,当声波沿车窗的纵向和横向斜入射时,振动响应关于车窗的纵向和横向中线对称,当声波沿车窗的对角线入射时,振动响应呈现出很强的非对称性。