高速铁路桥梁结构噪声的全频段预测研究(Ⅰ):理论模型

基于车-线-桥空间耦合振动和稳态声辐射的边界元法、统计能量法理论,提出高速铁路桥梁结构噪声全频段预测方法。根据桥梁结构形式,考虑计算规模和效率,确定分析频段限,将整个频域划分为2部分;在不同的频段建立直接/间接边界元和统计能量模型,采用"强耦合"假设简化子系统耦合损耗因子求解;进行车-线-桥空间耦合振动分析,分别计算桥梁和钢轨振动响应作为边界元模型边界输入和统计能量模型能量输入,在不同频段进行稳态声辐射分析,得到桥梁结构噪声全频段结果。并对分析频段划分、边界元法边界输入、"强耦合"假设的验证、统计能量法的能量输入,声反射和声衍射处理等进行探讨。     

铁路无砟轨道吸声板降噪效果分析

铁路无砟轨道区段的噪声辐射比有砟轨道区段严重,常采用轨道表面铺设吸声板来降低轮轨噪声对周边环境的影响。为了控制铁路无砟轨道区段的轮轨噪声辐射,根据微穿孔板吸声理论建立多孔吸声板吸声系数计算模型,并将计算得到的吸声系数输入到轮轨噪声预测系统中,得出轨旁噪声的频谱和等效声级,分析多孔吸声板的空隙率、厚度和孔径对降低轮轨噪声的影响规律。研究结果表明:多孔吸声板的空隙率越大,对轮轨噪声的吸声效果越好,但太大的空隙率会降低对中高频轮轨噪声的吸收,建议空隙率应该控制在0.4%～0.6%之间为宜;多孔吸声板厚度越大,对轮轨噪声的吸声效果越好,但板厚过大会影响到其他行车安全问题,板厚应控制在既能高效降低噪声、又能保证行车安全的限值之内;多孔吸声板的孔径越大,对轮轨噪声吸声效果越差。     

基于有限元-边界元无砟轨道声辐射特性分析

建立无砟轨道系统高频振动边界元模型,运用有限元和边界元相结合的方法,将已经计算出的轨道系统垂向高频振动响应作为声辐射计算边界条件,得到钢轨与轨下结构的声辐射特性。分析结果表明:钢轨和轨道板对噪声的贡献量中,在800～3 000 Hz时主要是以钢轨的声辐射为主,在0～500 Hz时主要以轨道板的声辐射为主;随着距离的增长,轨道系统的声辐射呈线性递减趋势;钢轨部位声辐射要比轨道板部位的显著,平均大15 dB左右,轨腰的声辐射量要比钢轨其他部位的显著。本文预测轨道系统噪声的结果与其它模型得出的结果都有很好的一致性,说明本文的模型与做法是合理可行的,为以后的铁路减振降噪提供了理论依据。     

无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究

通过国内西南地区无砟轨道试验段的动车组实车运行试验,研究动车组在路基和高架结构典型无砟轨道线路条件下运行的辐射噪声与环境振动特性。通过实际测量和仿真计算,对铁路减振降噪效果进行分析比较和综合评估,并提出减振降噪的措施和建议。     

高速铁路阻尼钢轨减振降噪特性研究

铺设阻尼钢轨是从声源处对钢轨振动噪声进行控制的有效方法。本文将有限元法与边界元法相结合,建立阻尼钢轨-无砟轨道系统振动-声辐射分析模型,以高速轮轨力谱作为激励,分析阻尼钢轨材料、结构参数对钢轨导纳传递特性及声辐射特性的影响。计算结果表明:阻尼钢轨的减振降噪能力随阻尼材料损耗因子的增加而增强,但两者并非呈线性关系;增大阻尼层厚度可提高阻尼钢轨的耗能能力;约束板的材料特性及厚度对阻尼钢轨的减振降噪效果影响不大,约束板的设计宜采用轻质、较薄合金材料;将阻尼敷设在轨腰及钢轨上、下翼缘可取得最佳减振降噪效果,但在减振降噪要求较低的区段可将阻尼材料仅敷设在轨腰和钢轨下翼缘。计算及分析结果可为高速铁路阻尼钢轨的优化设计提供参考。     

轨道结构参数对其声辐射特性影响

建立轨道有限元-边界元振动声辐射模型。用三维实体有限元模型模拟钢轨、轨下垫层、轨枕和道床,以轮轨联合粗糙度作为激励源,并考虑接触滤波的影响。采用有限元法计算轨道结构的系统响应,以轨道结构速度响应作为输入,利用声学边界元法计算轨道结构的声辐射。分析比较本文模型和已有轨道声辐射模型的数值结果表明:在中低频区域内,二者具有较好的一致性;在高频区域,本文模型数值结果更加合理。本文讨论轨道结构参数对轨道系统声辐射影响,结果表明:不同轨道参数对轨道结构声辐射影响程度不同。通过对轨道结构系统参数优化设置,可达到减振降噪效果。     

轨道交通双箱单室箱型梁结构改进后减振降噪效果分析

针对轨道交通高架桥结构振动噪声问题,将有限元振动分析理论与声辐射分析边界元法相结合,分析双箱单室箱型梁低频噪声辐射特性。通过改变腹板与轨道的相对位置,对比分析双箱单室箱型梁结构改进后的减振降噪效应。计算结果表明:双箱单室箱型梁改变腹板与轨道相对位置后,底板和腹板减振效果明显;场点的峰值声压也出现不同程度的降低,说明将腹板置于轨下的改进措施对双箱单室箱型梁减振降噪是有效的。     

客运专线板式轨道轮轨噪声分析

在已建立的轮轨噪声预测模型STTIN的基础上,对高速列车在板式轨道上运行时的轮轨噪声进行了预测分析,并对高速列车在板式轨道上运行时产生的轮轨噪声与在有砟轨道上运行时的轮轨噪声进行了比较.发现钢轨辐射的主要是中、高频噪声,车轮辐射的主要是高频噪声,而轨道板则辐射中、低频噪声;钢轨、车轮和轨道板对总噪声的贡献不同,其中钢轨贡献最大,轨道板最小;无砟轨道的轨道旁噪声级与有砟轨道的相比高出约6.2 dB,铁路边界处近地面噪声级高出约3.5 dB,可见板式轨道噪声明显高于有砟轨道.     

轨道交通桥梁结构噪声影响及治理措施研究

为探讨轨道交通桥梁结构噪声分布规律及评价采取轨道减振措施后的降噪效果,以某轨道交通高架线路为例,采用有限元与边界元相结合的方法分析有无隔振措施时桥梁振动及其引起的结构噪声,其中主要分析钢弹簧浮置板轨道、减振扣件轨道和橡胶减振垫轨道3种轨道减振措施。结果表明:单箱单室箱梁辐射声能量主要集中于31.5~125 Hz,噪声峰值出现在40~63 Hz;列车运行速度越大,桥梁结构噪声辐射总声压级越大;采取隔振措施后结构噪声可降低约5.6~16.6 dB(A),其中钢弹簧浮置板轨道降噪效果明显优于橡胶减振垫轨道和减振扣件轨道。     

基于波数有限元-边界元法的无砟轨道声辐射特性分析

为研究无砟轨道声辐射特性,建立了CRTSⅠ型板式无砟轨道的波数有限元振动模型。在钢轨顶部施加单位谐荷载,以求出的钢轨及轨道板的振动速度响应为边界条件,再采用声学波数边界元法计算出钢轨、轨道板及轨道整体结构的声辐射特性。分析结果表明:钢轨、轨道板及轨道整体结构的声功率级在一阶峰值频率前随频率增大而近似线性增加,在一阶峰值频率后,声功率级波动较大且出现多个峰值。在轨道整体结构一阶峰值频率前轨道板的声辐射贡献量占主导,而在该峰值频率后钢轨声辐射的贡献量逐渐占主导作用。扣件刚度主要影响一阶峰值频率前轨道整体辐射声功率,随着扣件刚度的增加,轨道整体结构声功率级幅值明显降低。CA砂浆层弹性模量的变化对轨道板辐射声功率级影响较大,但对轨道整体结构辐射声功率级的影响较小。     

对无砟轨道吸声板降噪措施效果的评价与分析

对框架型和双块式无砟轨道结构铺设吸声板前后进行了列车辐射噪声测试，结果表明：在距线路中心线3．75m、于轨面1．5m处，框架型板式无砟轨道结构噪声降低约2dB（A），双块式无砟轨道结构降低约1dB（A），该吸声板的吸声系数在315～3150Hz的中高频段有较好的吸声效果，能够有效吸收列车通过时主要分布在500～4000Hz中高频段的辐射噪声能量，具有一定的吸声效果。并对产生不同吸声效果的原因进行了分析。该测试结果可供铁路建设项目环境影响评价参考和借鉴。     

铁路车轮周向脊肋阻尼结构振动声辐射控制的初步探讨

为了弄清周向敷设脊肋式约束阻尼铁路车轮减振降噪机理,将铁路车轮简化成同样比例尺度的等厚圆盘,并在圆盘上敷设周向分布脊肋约束阻尼,分析其振动-声辐射特性。基于混合有限元-边界元法,建立了敷设约束阻尼结构的圆板系统振动-声辐射模型。其中,系统的振动响应由实体有限元模态叠加法计算得到,约束阻尼结构的阻尼效应通过结构模态损耗因子来考虑。进而将系统振动响应作为声学边界元的初始条件,用基于声学边界元法的软件SYSNOISE计算得到系统的声辐射。考虑到计算阻尼结构模态损耗因子的精度与计算耗时情况,对复特征值法和模态变形能法进行了分析比较。数值计算中,考虑了两种不同截面形式的周向脊肋及其布设位置对系统振动声辐射的影响。结果表明,周向脊肋对降低系统振动声辐射有积极作用,其效果与脊肋截面形状和布设位置有关。本文的分析为低噪声车轮的设计提供重要的参考。     

轨道吸音板在北京地铁工程中的设计与应用

轨道吸音板由优质低碱普通硅酸盐水泥、吸声陶粒等固结而成,一般放置于轨枕或整体道床上,直接吸收轮轨一次噪声。结合北京地铁工程情况,介绍轨道吸音板的结构特点、降噪机理,并对降噪值进行理论预测分析。通车后隧道内现场测试表明,降噪效果可达3 d B(A)以上。     

轨道板声辐射特性

板式轨道的噪声辐射比有砟轨道严重.为预测板式轨道的噪声辐射,根据虚功原理或者哈密尔顿原理建立轨道板的振动方程,并通过傅立叶变换得到轨道板在稳态荷载作用下的振动响应,然后用边界元法建立轨道板的声学边界元模型,以轨道板的振动响应作为边界条件计算轨道板的声辐射特性.研究结果表明:轨道板的声辐射效率与频率的关系具有随频率变化的复杂特性,呈非线性,不能用1个简单的解析表达式描述;轨道板的厚度对声辐射效率没有影响,对轨道板的声辐射功率低频段影响较大,高频段影响较小;轨道板面积对轨道板声辐射效率的影响较大,对轨道板声辐射功率的影响甚微;轨道板下橡胶垫板对轨道板的振动和声辐射在50 Hz以下及1(000 Hz以上频段时影响较大,在50～1 000 Hz频段影响较小;博格轨道板的声辐射效率和声辐射功率在30 Hz以下频段时,低于A型轨道板,其他频段均大于A型轨道板.     

基于瞬时边界元的轨道交通高架槽形梁桥声辐射特性及影响分析

为了精准预测列车通过轨道交通高架槽形梁桥时诱发的结构噪声,分析梁底板厚度对声辐射的影响,结合有限元-瞬时边界元法,采用多体动力学软件SIMPACK和有限元软件ANSYS协同联合仿真分析法,建立了车桥耦合系统振动分析模型以及槽形梁结构声辐射有限元/边界元模型。分析了列车荷载作用下槽形梁桥的声辐射特性,探讨了底板厚度对槽形梁结构噪声的影响。研究表明:地铁列车以80km/h的时速通过槽形梁桥时,桥面板的振动及桥梁结构噪声主要集中在底板附近;随着底板厚度的增加,槽形梁桥结构辐射噪声近声场处降低较为显著,对结构远声场有一定程度的影响。分析结果可为轨道交通槽形梁结构减振降噪提供一定的参考。     

对高速铁路声屏障降噪效果影响因素的探讨

通过对现场铁路列车辐射噪声测量和理论分析计算，结合影响铁路声屏障降噪效果主要因素，得出如下结论：当列车运行速度低于250km／h时，对铁路沿线1～2层噪声敏感点建筑，采用防撞墙既有效又经济；声屏障相对越高、距轨道中心线越近，降噪效果越好。     

市域铁路声屏障设置研究

市域铁路噪声影响突出,需要采取有效的噪声防治措施,声屏障作为主动控制措施,一直被广泛采用。基于市域铁路的特点和运行速度,结合市域铁路成灌线测试数据的分析,从声源特性、声屏障设置原则及声学设计、结构形式等方面对市域铁路声屏障设置开展研究。指出:(1)市域铁路声源主要为轮轨噪声,噪声频谱呈宽频特性,桥梁、路堤区段在低频段和中高频段声能量均较为集中,桥梁二次结构噪声影响不能忽视,声屏障的设置应与桥梁结构减振降噪协同开展。(2)市域铁路声屏障声学设计时,评价时间内不能简单地将铁路噪声源视为无限长线声源,建议直立式声屏障附加长度取值为50~70m。(3)市域铁路列车脉动风压对声屏障结构选型影响较小,应加快对直立式声屏障顶部变化型、顶端降噪器的研制。     

轨道交通轮轨噪声预测与控制的研究

运用车辆-轨道耦合动力学理论、噪声辐射与传播理论，建立轮轨噪声预测模型，开发轮轨噪声预测软件。车轮采用LOVE圆环模型，钢轨采用Timoshenko梁模型，轮轨接触采用Hertz非线性弹性接触，实现了在同一个模型中同时对轮轨冲击噪声与轮轨滚动噪声的综合预测。以结构的声辐射比为纽带，将构件的振动与声辐射联系起来；考虑轨道面、地面等表面的反射作用以及路肩、桥面和声屏障等障碍物边缘的衍射作用模拟噪声的传播，最终得到受声点的噪声。     

无砟轨道用水泥基吸声板降噪效果评价

介绍了无砟轨道用水泥基吸声板工程,并进行了现场测试。在距轨道中心线7．5m处,铺设吸声板后可以降低噪声2．8dB（A）,在距轨道中心线30m处,铺设吸声板后可以降噪1．2dB（A）。吸声板在800—4000Hz各频带可降低0．7—6．4dB。结果表明：在铁路边界以内区域降噪效果显著,但在铁路边界以外作用有限。吸声板主要对800Hz以上的中高频噪声有一定的降噪效果。     

高速铁路桥梁结构噪声的全频段预测研究(Ⅱ):试验验证

前1篇系列文章(《铁道学报》2013年第1期,作者:李小珍,等)基于车-线-桥空间耦合振动和稳态声辐射的边界元法、统计能量法理论,提出高速铁路桥梁结构噪声的全频段预测方法。本文以32m双线混凝土简支箱梁为例,将数值仿真分析与现场试验结果进行对比,验证理论模型的可靠性。分析结果表明:该箱梁的结构噪声主要出现在200Hz以下,沿垂直于线路方向的传播较远;噪声峰值出现在中心频率50Hz的频带,且在某些速度下具有明显的有调性;梁缝处的共鸣声较大,出现在中心频率315Hz的频带,沿垂直于线路方向的衰减较快。进行降噪处理时,可优先从噪声峰值频率入手,降低峰值频率处的结构噪声将更为有效。