客運專線無碴軌道噪聲問題探討
摘 要:對輪軌噪聲問題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、無碴軌道噪聲及其降噪措施進行了概述。為了對高速運營條件下的輪軌滾動噪聲進行更詳細描述和評價,通過對鋼軌豎向振動的測量,間接得到輪軌有效不平順度,再結(jié)合聲壓測量結(jié)果,根據(jù)有效不平順度與聲壓間的簡單關(guān)系得到不平順度對聲壓的轉(zhuǎn)換函數(shù),合成有效不平順度與轉(zhuǎn)換函數(shù)的組合可用于任何列車速度、任何給定列車軌道系統(tǒng)的噪聲輻射譜預(yù)測;將車輛噪聲和軌道噪聲分開進行評估量化,為從車輛與軌道兩方面尋求有效控制和降低輪軌噪聲的方法奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:無碴軌道滾動噪聲;鋼軌豎向振動;有效不平順;轉(zhuǎn)換函數(shù)
軌道交通噪聲對環(huán)境的影響日益受到人們的普遍關(guān)注,特別是在當(dāng)前高速鐵路技術(shù)發(fā)展迅猛的情況下,隨著行車速度的提高,噪聲水平迅速提高,如圖1 所示。國內(nèi)外一些研究資料表明[1-2]:在不同速度條件下,滾動噪聲是鐵路噪聲輻射的主要來源,而鋼軌振動噪聲在輪軌滾動噪聲中又居主要地位,車輪次之。由于噪聲與振動在500～2000 Hz 頻率范圍內(nèi)線性相關(guān),且鋼軌在此范圍內(nèi)是主要輻射體,因此,抑制鋼軌振動、減小鋼軌的振動加速度和頻率,對降噪起著關(guān)鍵作用。在許多工業(yè)發(fā)達國家,經(jīng)過多年的研究積累,已經(jīng)形成較為完整的軌道交通噪聲測試、評價、控制及整治機制。而我國學(xué)者雖也對此進行了一些研究,提出并采取了一些措施[3-8] ,輪軌噪聲有所降低,但隨著我國高速客運專線的建設(shè),由于輪軌噪聲對車速有較強的依賴性,其聲級將愈來愈大,有待于進一步研究。
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1 無碴軌道噪聲及降噪措施
無碴軌道以其穩(wěn)定性好、耐久性強和少維修等優(yōu)點,在國外高速鐵路得到了越來越廣的應(yīng)用,其鋪設(shè)范圍已從橋梁、隧道發(fā)展到土質(zhì)路基和道岔區(qū), 特別是在高架橋上及隧道內(nèi)取得了良好的效果。無碴軌道結(jié)構(gòu)在高速鐵路上的大量鋪設(shè)已成為發(fā)展趨勢。經(jīng)過反復(fù)研究和論證,我國客運專線鐵路的軌道結(jié)構(gòu)將會積極采用無碴軌道。
無碴軌道由于軌道聯(lián)接阻抗、振動衰減率的降低以及軌道噪聲吸收能力的降低,使得它比有碴軌道有更高的噪聲輻射。利用鋼軌振動與噪聲的關(guān)系,計算由鋼軌產(chǎn)生的1/3 倍頻程等效聲壓級曲線,如圖2 所示,它表明無碴軌道在500～1500Hz頻率范圍內(nèi)比有碴軌道、鋼軌振動水平更高,而沿鋼軌的振動衰減十分低,而且輸入阻抗在相關(guān)頻率范圍內(nèi),無碴軌道比有碴軌道低很多。
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為了使無碴軌道在噪聲抑制性能上基本與有碴軌道的相當(dāng),甚至比其更好,主要采取下面3 個措施,如圖3 所示:
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1) 對輪軌滾動噪聲的吸收。吸收層應(yīng)盡可能厚,并且盡可能伸出軌道邊緣。
2) 抑制軌道輻射。盡可能以吸收材料將軌道覆蓋。
3) 通過設(shè)置小型屏障衰減車下的噪聲輻射。
這3種措施相結(jié)合可降低噪聲約6dB ;如果沒有設(shè)置屏障,降噪效果為4～5dB ;單獨使用吸收層,則大約降低3dB。此外,還應(yīng)考慮在外界天氣、列車通過以及臟污等因素的影響下相應(yīng)降噪效果的降低。
2 無碴軌道滾動噪聲測試評價
為了對在高速運營條件下的輪軌滾動噪聲進行更詳細的描述和評價,這里介紹一種新的測試、評價方法。通過對鋼軌豎向振動的測量,間接得到
輪軌有效不平順度(這里的不平順度是指波長在5～200mm范圍內(nèi)輪軌接觸表面振幅的變化) ,結(jié)合聲壓測量結(jié)果,根據(jù)有效不平順度(粗糙度) 與聲壓間的簡單關(guān)系就可得到不平順度對聲壓的轉(zhuǎn)換函數(shù)。合成有效不平順度與轉(zhuǎn)換函數(shù)相結(jié)合可用于任何列車速度、任何給定列車軌道系統(tǒng)的噪聲輻射譜預(yù)測。
已有的鐵路噪聲模型給出了輪軌間不平順度與軌道旁邊一定距離測得聲壓間的一種線性關(guān)系。合成有效不平順度與聲壓間的簡單關(guān)系如下:
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式中: f為1/3倍頻程頻率(Hz);Lpeq(f)為給定速度下等效聲壓譜(dB-20uPa) ;Lr,eff(f) 為給定速度下等效合成有效不平順度(頻率) 譜[dB-1μm];Nax為車軸數(shù);Iveh為車長(m) ; Hpr,NI(f) 為有效不平順度對聲壓的轉(zhuǎn)換函數(shù)(轉(zhuǎn)化為1軸/m[dB-20Pa/ m1/2]) 。
合成有效不平順度通過接觸過濾后的輪軌振動激勵,由輪軌不平順度能量總和推出。
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式中:Lr=20lgr/rn , 即不平順度譜( 波長或頻率) [dB-1μm] ; r為(合成) 不平順度均方根(μm);rw 為車輪不平順度均方根(μm) ; rtr為鋼軌不平順度均方根(μm) ;Lr,eff為(合成) 有效不平順度譜[ dB - 1μm] ;LCF 為接觸過濾(譜)(dB) 。
靜態(tài)測量所得不平順度數(shù)據(jù)需轉(zhuǎn)換為頻域值:r(f)=r(v/λ) 。 (4)
式中: v 為列車速度(m/s) ;λ為不平順波長(m) 。有效不平順度對聲壓的轉(zhuǎn)換函數(shù)需轉(zhuǎn)換為單位長度車軸數(shù),以便于任何類型車輛的應(yīng)用。
公式(1) 說明,若合成有效不平順度、聲壓水平以及每米車軸數(shù)已知,則轉(zhuǎn)換函數(shù)可以確定。而聲壓可測得,合成有效不平順度可由豎向鋼軌振動推求。由于測得的聲壓包含了軌道噪聲和車輛(主要指車輪) 噪聲2 部分,為了對在高速運營條件下的輪軌滾動噪聲進行更詳細的描述和評價,可將兩者分開量化并考察,定義軌道轉(zhuǎn)換函數(shù)和車輛轉(zhuǎn)換函數(shù),如圖4 所示。
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任何類型的車輛軌道組合在任何速度條件下都可通過對以下數(shù)據(jù)的測量進行噪聲預(yù)測:
1) 有效車輪不平順(車上所有車輪平均值) ;
2) 有效鋼軌不平順(測量現(xiàn)場平均值) ;
3) 車輛有效不平順對聲壓的轉(zhuǎn)換函數(shù)(每軸/m) ;
4) 軌道有效不平順對聲壓的轉(zhuǎn)換函數(shù)(每軸/m) 。
而實際上,直接獲取這4 個數(shù)據(jù)十分困難,而測量合成有效不平順度和車輛軌道總體轉(zhuǎn)換函數(shù)更方便。
3 鋼軌振動
傳統(tǒng)的噪聲控制測量經(jīng)常是使用單一擴音設(shè)備測量,這種測量結(jié)果在很大程度上取決于現(xiàn)場的測試條件,如軌道類型及其條件、行車速度等,結(jié)果使得在不同場地測得的滾動噪聲數(shù)據(jù)存在巨大的差異。合成有效不平順度Lr,eff 的間接測量并不是一種全新的方法,通過測量車輛下的噪聲或測量車輛軸箱振動來評定連續(xù)軌道不平順的方法已經(jīng)得到應(yīng)用。然而,這里要測量的是鋼軌振動,它將給出與輪軌實際振動激勵密切相關(guān)的信號。該方法有如下優(yōu)點:
1) 得到有效不平順,而不存在直接不平順測量中信號處理問題;
2) 這種測量可以不妨礙正常運營條件下進行;
3) 結(jié)果為所有車輪(包括驅(qū)動車輪) 的數(shù)據(jù);
4) 數(shù)據(jù)可用于評價單個車輪或輪群的不平順度。
許多研究結(jié)果[6-8] 表明,以豎向鋼軌振動來標識車輛運行的不平順是十分穩(wěn)定的。平均豎向振動水平沿鋼軌變化很小,這種信號比橫向振動或道旁的聲壓測試數(shù)據(jù)更具代表性。圖5 所示就是一種鋼軌振動與有效不平順間的關(guān)系。
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4 轉(zhuǎn)換函數(shù)
由式(1) 可知,整體轉(zhuǎn)換函數(shù)可通過豎向鋼軌振動和固定距離處(如7.5m) 的聲壓來確定:
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若車輛使用低噪車輪, 如大阻尼、橫截面優(yōu)化輪對或彈性車輪以及車輪穿孔等,則整體轉(zhuǎn)換函數(shù)將近似等于軌道轉(zhuǎn)換函數(shù)。這時, 可通過合成有效不平順與軌道轉(zhuǎn)換函數(shù)而得到軌道在整體噪聲中所起到的作用:
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其中:Lpeq,tr為由于軌道輻射產(chǎn)生的聲壓; Hpr,NI,tr為軌道轉(zhuǎn)換函數(shù)。
必須指出,通過動態(tài)測量獲取車輛噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)要更困難,因為低噪軌道仍有待進一步研究。然而,目前仍可采用現(xiàn)有的一些方法,例如,減振型鋼軌及扣件、減振型軌下基礎(chǔ)、鋼軌打磨技術(shù)等。實踐證明,由彈性支承塊、道床板和混凝土底座及配套扣件構(gòu)成的彈性支承塊式軌道結(jié)構(gòu)減振降噪的效果較明顯,因此,對于振動和噪聲敏感的地段,特別是高架結(jié)構(gòu),采用彈性支承塊式無碴軌道結(jié)構(gòu)是比較理想的方案。
5 結(jié) 語
由于不平順和聲壓的測試及轉(zhuǎn)換函數(shù)方法易操作性,非常適用于噪聲預(yù)測模型數(shù)據(jù)的收集、噪聲控制的評價。同時,定量整體滾動噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)
提供了一種從氣動噪聲中區(qū)分出高速輪軌滾動噪聲的手段。此外,車輛、軌道噪聲被分離出來,使得對車輛、軌道進行的各種降噪措施進行科學(xué)評價成為可能,如進行車輪或鋼軌截面進行優(yōu)化評價,鋼軌或車輪減振阻尼系統(tǒng)辨識,彈性車輪或彈性軌枕設(shè)計,軌墊剛度參數(shù)辨識等,還可應(yīng)用于橋上無碴軌道,從而為尋求有效控制和降低輪軌噪聲的方法奠定了基礎(chǔ)。
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