（环境工程专业论文）铁路高架结构振动及漏声对声屏障降噪效果影响的研究.pdf

摘要 y 88 0 0 9 2 铁路提速是我国社会经济快速发展的需要。然而，它在带来巨大的社会 效益、经济效益的同时，也使得某些环境问题，如噪声污染，成为突出问题， 其中既有线高架结构线路的噪声污染问题尤为突出。而设置声屏障作为解决 高架线路噪声污染的措施，效果并不理想，所以本文针对既有线高架桥梁声 屏障降噪过程中出现的问题作了较为深入的研究。 本文阐述了既有线高架结构轨道噪声产生的机理并进行了高架区域声场 分析，提出了声屏障高架后产生的一系列问题，其中详细分析了降噪效果下 降的主要原因，并对其进行了理论和实验研究，通过对结果的分析确定了各 种主要因素影响声屏障降噪效果的方式和程度，同时提出了相应的控制对策。 在理论研究方面，根据结构声辐射理论，讨论了高架结构振动辐射声场 及指向性特性，推导出了高架结构声辐射效率计算公式、声压修正系数以及 指向性系数公式，再结合现场实验数据分析得出高架结构振动所辐射噪声对 声屏障降噪效果的影响规律。又根据模型相似理论和模型实验的声学相似准 则推导出了漏声实验的相似率公式，为模型实验提供了理论依据，从而根据 模型实验确定出漏声对于声屏障降噪效果的影响。 在实验研究方面，首先应用模型相似理论在半消声室中进行了声屏障缩 尺比例模型的漏声实验，主要是针对高架结构线路的结构漏声和声屏障漏声 问题，研究并确定漏声对于声屏障降噪效果的影响。此后又在秦沈线进行了 高架桥声屏障的现场实验，主要是研究声屏障的现场实际降噪效果以及高架 结构振动辐射噪声对于声屏障降噪效果的影响。 本文可作为高架结构声屏障噪声控制技术工程实践的有效依据，对保证 我国铁路建设的可持续发展、取得良好的社会效益和经济效益具有重要意义。 关键词：声屏障；高架结构；振动；声辐射；漏声 a b s t r a c t r a i l w a ya c c e l e r a t i o ni sm en e e do ff a s td e v e l o p m e n to fo l l rs o c i e t y h o w e v e r ， w h j l er a 订w a ya c c e l e r a t i o nb r i n g sw i t l li te n o m l o u ss o c i a i 锄de c o n o m yb e r l e 丘t ， e n v i m n n l e n tp o l l u t i o n s ，s u c ha sn o i s e s ，b e c o m eo u t s t a n d i n gp r o b l e m s t h en o i s e p o l l u t i o no fe x i s t i n ge l e v a t e ds t n l c n 】r er a i i 、v a yi se s p e c i a l l yp r o m i n e m b u tu s i n g s o l l f l db a i e r ，w h i c hi st h em a i nm e a s u r et oc o n 打0 1 订 m - cn o i s e s ，t os o l v et h e n o i s ep 0 1 l u t i o np r o b l e mi sr l o tv e r ys a t i s f y i n g s ot h ep m b l e m si nt h ep r o c e s so f n o i s er e d u c t i o no fs o u n db a r r i e ro ne x i s t i n ge l e v a t e db r i d g e sa t es t u d i e dd e e p l yi n t l l i sm e s i s f i r s tm et h e o r yo fn o i s ep r o d u c t i o no fe x i s t i n ge l e v a t e dr a j l w a yi se x p a t i a t e d a 1 1 ds o u n df i e l do fe l e v a t e ds t r u c t u r er e g i o ni sa 1 1 a l y z e d ，t h e nas e r i e so fp r o b l e m s w h e ns o u n db a i e ri se l e v a t e di sp r o p o s e d t h em a i nr e a s o nw h yn o i s er e d u c t i o n e f f l c i e n c yd e c l i n e si sa n a l y z e di nd c t a i la 1 1 dm e a n w h i l em e o r e t i ca n de x p e r i i i l e m a l s t u d i e sa r ed o n e b ya i l a l y s i so ff i n a l r e s u l t s ，w a y sa r l dm a g n i m d eo fn o i s e r e d u c t i o na 行b c t e db ye v e r yk i n do ff a c t o r 盯ec o n n n n e da n dc o r r e s p o n d i n g c o n 仃o lc o u n t e h n e a s u r e sa r ep m p o s e d i nt h e a s p e c to f 血n 出_ i n e n t a lr e s e a r c h ，a c c o r d i n gt os t m 咖r ea c o u s t i c r a d i a t i o nt h e o r y ，t h es o u l l df i e l dr a d i a t e db ye l e v a t e ds h u c t u r ea n dd i r e c t i v i t y c h a r a c t e r i s t i ca r cd i s c u s s e da n df b n n u l a eo fa c o u s t i cr a d i a t i o ne 历c i e n c yo f e l e v a 把ds 仰c t u r e ，s o u n dp r e s s u r ec o r r e c t i o nc o e f f i c i e n ta n dd i r e c t i v i t yc o e 街c i e n t a r ec o m eu p m o r e o v e r ，c o m b i n i n gw i t he x p e r i i n e m a ld a t a ，m ei n n u e n c eo nn o i s e r e d u c t i o no fn o i s eb a r r i e rc a u s e db yv i b r a t i o no fe l e v a t e ds t r l l c n l r ea r ea n a l y z e d t h e na c c o r d i n gt om o d e la i l a l o g yt h e o r y 锄dm o d e le x p 耐m e n t a la c o u s t i c s a i l a l o g yc r i t e r i o n ，t h ea 1 1 a l o g yr a t ef o r r n u l ao fn o i s el ea ：k a g ee x p e r i m e n ti sc o m e u p ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i cb a s i sf o rm o d e le x p e r i m e n t ，a c c o r d i n gt ow l l i c hn l e i n f l u e n c e0 f n o i s el e a k a g eo nn o i s er e d u c t i o no f s o u n d 蜥e rc 柚b ec o n f j r m e d i nt l l ea s p e c to fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，w ef i r s td on o i s el e a k a g ee x p e r i m e n t o fs o u n db 删e r sr e i l u c e dp r o p o n i o nm o d e lu s i n gm o d e la n a l o g yt h e o r ) 7i nh a i f n o i s ee l i m i n a t i o nr o o m nm a i n l yf o c u so nt 1 1 e p r o b l e mo fs o u n dl e a k a g eo f e l e va _ c e ds t r u c t u r ea n ds o u n db a 玎i e r ，s t u d ya n dc o n f i nt 1 ci n n u e n c eo fn o i s e l e a k a g eo nn o i s er e d u c t i o ne a e c to fs o u n db a 仃i e lt h e nav i a d u c ts o u n db a i e r e x p e r i m e mi sc o n d u c t e do nq i ns h e nr a i l w a 弘w h i c hm a i n l ys t u d j e sa c t u a ln o i s e r e d u c t i o ne 雎c to f s o u n d b a 玎i e ra sw e l la si n n u e n c eo fn o i s er a d i a t e d b ye l e v a t e d s t r u c t u r e sv i b r a t i o no ni t t h i st h e s i sc a nb ec o n s i d e r e da se f r e c t i v eg i s tf o rn o i s ec o n t r 0 1e n g i n e e r i n g p m c t i c eo fs o l l i l db a r r i e ro ne l e v a t e ds t m c t u r e i tm a k e si i n p o r t a l l ts e n s ef o r g u a r a l l t e e i n g 血ec o n t i n u a ld e v e l o 珊n to fr a i l r o a dc o n s t m c t i o na n do b t a i n i n g g o o ds o c i a la 1 1 de c o n o m i cb e n e n ti no u rc o l l l l t 珥 k e y w o r d s ：s o u n db a 而e r ；e l e v a t c ds t r u c t u r e ；v i b r a t i o n ；a c o u s t i cr a d i a t i o n ； n o i s el e a k a g e 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 高架轨道交通不仅能有效地改善交通环境，方便出行，而且还有助于带 动城乡建设和经济发展，具有显著的经济和社会效益，但是也应该承认，高 架轨道交通系统也会不可避免地给城乡环境带来诸如噪声、振动、电磁辐射 等问题，其中以列车行驶中产生的嗓声和振动问题影响尤为突出，成为城市 环境的主要噪声源之一。由于一些线路在城区要穿楼过市，轨道两旁的学校、 医院、居民住宅楼就不同程度地受到噪声的干扰和影响。过量的噪声和振动 将严重影响乘客和轨道沿线人们正常的生活，它严重干扰语言听闻和睡眠休 息，长期居住在该环境里，对神经、听力、心血管及免疫系统都将产生有害 影响；另一方面，噪声和振动还可能引起有关设备和结构以及周边建筑物的 疲劳损坏，缩短使用寿命。因此，控制高架轨道交通噪声和振动是改善乘客 舒适性和环境保护的重要课题。世界各国都非常重视高架轨道交通的振动噪 声以及它与周边环境相协调的研究。我国工程沿线的噪声标准限值执行国标 g b 3 0 9 6 9 3 城市区域环境噪声标准中交通干线两侧( 4 类) 标准，昼间 噪声级等效值 7 0 d b ( a ) 、夜间噪声级等效值 5 5 d b ( a ) 。对于夜间偶然出现 的噪声，其峰值不能超过标准值1 5 d b ( a ) 。对于一般地面线路来说，在采 取了适当的噪声控制措施( 如安装了声屏障) 后其噪声级值是可以达到这个 标准的，但是对于高架结构轨道来说即使采取了噪声控制措施后要达到这样 的标准也很难。例如内昆线明湖路大桥上列车运行噪声的现场测量结果表明， 未安装声屏障的路段，当列车以6 0 8 0 k l m 速度行驶在高架线路上时，在距 离轨道约3 0 m 高于轨面1 5 m 处的噪声级可达8 5 9 0 d b ( a ) 左右，而在安装了 声屏障的路段，相应位置处的噪声级为8 4 8 8 d b ( a ) 左右，声屏障降噪效果仅 为1 2 d b ( a ) ，远不能达到所要求的标准，声屏障的降噪效果非常有限【2 】。造 北京交通大学硕士学位论文 成这种状况的主要原因是由于高架结构轨道噪声与普通轨道噪声存在着很大 差异：一般的轨道噪声主要是轮轨噪声、机车牵引噪声、车辆轮缘与钢轨问 的摩擦噪声、集电系统的摩擦噪声、电磁噪声和空气动力噪声等，对于这些 噪声源采取设置声屏障的方式可以达到很好的控制效果，而高架结构轨道噪 声除了上述噪声源之外，还包括高架结构振动进而产生的二次辐射噪声以及 高架结构漏声，这是高架结构轨道噪声本身所具有的特殊性，是与其它一般 轨道噪声的主要区别，也是造成高架线路噪声比普通线路噪声影响范围大、 强度高、控制困难的主要原因。声屏障对于这些噪声源产生的噪声控制效果 较差，而国内还没有对既有线路高架结构列车辐射噪声的系统研究，所以本 文从这方面入手，针对高架结构振动声辐射及漏声对于声屏障降噪效果的影 响进行了研究。 1 2 噪声控制方法声屏障 根据噪声控制原理，可以从声源本身、传播途径和受声点三个方面入手 进行控制。原则上应该从声源上解决，即对车辆本身进行噪声控制，但这与 制造业的技术水平有关，而且每降低1 分贝的耗资巨大。从广义上讲，铁路 建设又是一个系统工程，其中规划、管理、线路结构等又是解决问题的另 方面，相对于车辆本身来说是被动的，所以说声源降噪在很大程度上受到限 制，而从传播途径上控制噪声传播在技术和经济上的可行性较大，故应将重 点放在控制噪声传播途径上。声屏障就是从传播途径上阻挡噪声传播的有效 的技术手段，在铁路交通噪声控制中得到广泛的应用【3 】。 所谓声屏障是指在声源与接收点之间，建造一个有足够面密度的板或墙， 使受声处声波有显著衰减，这样的“声障碍物”称为隔声屏障。如果隔声屏 障朝向声源的一面布置吸声材料，则称为隔吸声屏障。国外传统的铁路声屏 障是直壁式反射屏障，其它还有r 型、y 型、t 型屏障等【钔。 声屏障多设置在公路、铁路等交通干线的两侧，随着高架结构轨道的兴 建，声屏障也逐渐应用于高架线路上，本文主要研究的就是高架结构轨道上 2 第一章绪论 设置的声屏障降噪问题。 1 3 国内外应用声屏障控制高架轨道噪声的现状 高架轨道声屏障研究在国外起步较早，并将其作为降低轨道交通运行噪 声的有效措施。在美国、英国、日本、德国等世界上发达的国家，随着城市 现代化的发展，为了避免铁路交通自身或与其它交通的干扰，大力发展铁路、 公路立体交叉体系，使得城市区域内铁路高架桥梁的数目猛增。如7 0 年代美 国仅快速轨道系统就有约2 4 0 k m 长的高架桥，占快速轨道运输线路的3 0 ， 仅在纽约市就有1 0 5 k m 长的高架桥【5 】。由于铁路高架桥噪声对城市环境的严重 污染，已引起了上述国家的重视，这些国家为此制定了有关的铁路环境噪声 标准，并投入大量的人力、物力、财力进行研究并采取治理措旖【6 】。 从3 0 年代开始，这些国家就铁路噪声比较系统地作为一门学科开展了一 系列研究工作。到8 0 年代，对于铁路噪声产生的机理及有关的理论论述很多， 从装置、结构、材料、工程设计及管理措施等方面提出了不少防噪、减噪的 方法和措施( “。 在日本，由于社会上对噪声问题十分重视，进入七十年代后，日本有关 部门对新干线列车运行时产生的噪声环境污染进行了实验研究，目前已从轨 道、线路和桥的构造、接触网、机车车辆等方面提出了综合治理的措施，其 中在高架桥上设置声屏障也是日本新干线噪声治理措施中的一种有效方法。 据调查日本新干线新建线路总长2 2 0 0 k m ，全线9 7 区段设置了声屏障，在高 架线路高架桥7 9 m 高，采用常见的直立式2 m 高声屏障，距线路外侧面1 2 m ， 距离铁路中心线2 5 m ，轨面i 2 m 处测得噪声可降低6 i o d b ( a ) ，降噪效果十分 明显【引。 2 0 世纪8 0 年代末，国内各大城市如北京、上海、郑州、广州和重庆等地 纷纷修建声屏障来控制铁路噪声污染。至2 0 0 3 年底，我国铁路干线两侧已建 成的声屏障共计约2 0 k m ，其中路堤声屏障约占7 0 ，桥梁声屏障约占3 0 ： 北京交通大学硕士学位论文 8 5 以上的声屏障高度为2 3 m ，9 0 以上的声屏障结构形式为直立式，9 5 以上的声屏障采用了吸声材料；上述声屏障对应其保护目标的降噪效果在 o 2 1 6 3 d b ( a ) 间，取得了一定的降噪效果。其中在上海明珠线轻轨两侧修建 的声屏障对于轨道两侧的噪声治理起到了比较好的作用。上海市轨道交通明 珠线一期工程贯穿市中心5 个区，全长2 4 9 7 k m ，其中高架线2 1 4 6 k m ，占全长 的8 5 9 。沿线两侧住宅、学校、机关、医院等对环境要求较高的主要噪声 敏感目标共有1 8 处，大部分距明珠线在1 0 3 0 m 之间，因此，为解决明珠线沿 线噪声污染问题，在噪声敏感区域设置了大量防噪声屏障。通过在明珠线投 入运营之前进行的声屏障1 ：1 实况模拟实验工程，可以看出设计良好的声屏障 确实具有显著的降噪作用。整体4 4 m 高的声屏障在1 0 3 0 m 范围内最佳可获得 1 3 1 5 d b ( a ) 的降噪效果，如用在明珠线高架上其作用相当于可以使同样距离 处的六层以下多层建筑窗外的最大声级小于7 0 d b ( a ) ，达到国家城市区域环境 噪声交通干线两侧四类适用区的等效声级标准值昼间7 0 d b ( a ) ，夜间 5 5 d b ( a ) 要求9 1 。 另外，北京市地铁高架路段也修建了大量声屏障，对于噪声治理工程取 得了较明显的环境绩效。目前，天津市地铁l 号线高架段轨道两侧的声屏障 开始安装，预计今年“五一”前完工。可以预见在不久的将来声屏障技术在 我国高架轨道的噪声环境治理中将被大量使用，所以对于高架结构噪声问题 的解决也是迫在眉睫。 1 4 声屏障高架后出现的问题 通过上面的介绍可以看出，在国内外高架结构噪声治理过程中，声屏障 得到了广泛的应用，也取得了一些效果，但在运用过程中也出现了一些问题。 主要的问题是，声屏障在地面线路上对于控制轮轨噪声等的传播具有显著作 用，其控制效果能够达到相关标准，但将声屏障运用到高架结构上之后，其 降噪效果与设置在地面上时相比有很大下降，对于噪声辐射的控制作用很小， 见表1 1 1 2 j 。 4 第章绪论 表1 1 我国部分既有铁路声屏障工程降噪效果一览表 3 0 m 处高于轨面 声屏障长 1 5 m 声屏障中部测 声屏障工程名称声屏障结构备注 度( m )点降噪效果“ ( d b ) 1 0 9 m 高吸声 京广线郑州铁一中 1 0 5 41 7 4 直立式 5 2 m 高吸声路堤声 京山线北京夕照寺 5 3 6 71 1 2 直立式屏障 4 m 高吸声直 京山线北京幸福北里5 9 6 7 9 5 立式 2 m 高吸声直 内昆线唐家寨特大桥 7 2 0 _ 3 45 1 、上 气桥梁声 2 3 m 高吸声屏障 内昆线明湖路大桥 4 6 3 _ 81 o 直立式 3 5 m 高吸声 内昆线咸宁县草海 1 7 4 4 53 6 直立式路堤卢 6 4 m 高吸声屏障 内昆线安边中小学 4 5 08 6 直立式 2 3 m 高吸声桥梁声 内昆线横江镇2 号大桥 2 4 2 1 21 5 直立式屏障 2 5 m 高吸声路堤声 滓浦线k 81 3 线路所 1 2 7 56 5 直立式屏障 对于路堤声屏障，2 5 3 5 m 高的吸声直立式声屏障的降噪效果为 3 6 6 5 d b ( a ) ，扣6 4 m 高的吸声直立式声屏障降噪效果为8 6 1 1 2d b ( a ) ， 1 0 9 m 高的吸声直立式声屏障降噪效果为1 7 4d b ( a ) 。可见目前铁路声屏障设 计中，趋向统一设计高度为2 3 m 高的路堤式声屏障，对铁路边界处的实际降 噪效果为3 6 6 5 d b ( a ) ，而对于2 3 m 高的桥梁吸声直立式声屏障归一化后的 降噪效果仅为1 0 5 1 d b ( a ) ，降噪效果十分有限。 由此可以看出，同种类型、相同高度的声屏障运用在不同线路时，其降 噪效果差异非常明显，尤其是声屏障对于高架结构线路噪声的降噪效果有很 大下降。这主要是由于声屏障高架后受多方面因素的影响所造成的，比如列 北京交通大学硕士学位论文 车运行速度、线路条件、车辆状况、声屏障高度、减振降噪措施、日常维护 等等。虽然这些因素对高架结构声屏障降噪效果有影响，但它们并不是主要 影响因素，而且在实际工程应用当中对这些问题已经考虑很多了，所以本文 不将其作为重点，本文重点研究的是以下两个主要影响因素： 1 “二次噪声”的影响。列车通过高架桥时，由于车轮和轨道表面的不 规则，在运行时必然要产生振动，这种振动除了使车轮和轨道直接向外辐射 噪声外，还要向桥梁的各种构件传递振动能量，同时激发梁部、墩台等也产 生振动而向外辐射噪声。对于桥架轨道，列车运行时轮轨振动引起桥架振动 辐射的“二次噪声”对桥架上的声屏障降噪效果会产生非常明显的掩蔽效应。 已有的实验结果表明，地面轨道设置2 3 m 高声屏障时，在离声屏障l o 3 0 m 测量距离范围内，其降噪效果约在4 8 d b ( a ) ，而对于高架结构声屏障，2 3 m 高的吸声直立式声屏障降噪效果仅为l 3 d b ( a ) 【l o j 。 我们可以通过上海轨道交通2 号线和3 号线的噪声测试结果1 12 1 ，来具体 说明高架结构振动辐射二次噪声的影响，见表1 2 。 在测试高架线路噪声时，桥面以上部分的噪声峰值大于桥面以下的噪声 峰值。当列车以6 0 8 0 h 油速度行驶在高架线路上时，其噪声连续等效声压 级可达8 5 9 0 d b 似) ( 单列车通过) ，其噪声特点是声级高、作用时间长且以中 低频为主。 结合噪声的产生和传播机理分析上述噪声测试结果，可以看出： ( 1 ) 高架线箱梁下的噪声峰值为8 0 8 5 d b ( a ) ； ( 2 ) 高架线路的噪声峰值般超标量为1 0 1 5 d b ( a ) ； ( 3 ) 随着建筑物距线路中心距离的增大，噪声峰值也有所衰减。建筑物 距离线路中心3 0 m 处，噪声可衰减5 d b ( a ) 左右。 箱梁下的噪声高达8 0 d b ( a ) 以上，说明钢轨扣件和轨下基础减振效果差， 轮轨动力作用直接传递到梁体引起较大的二次噪声。 6 第一章绪论 表1 2 上海地铁2 号线和3 号线高架段噪声测量值 测点情况噪声测量值d b ( a ) 地点说明 位置其它情况本底噪声噪声峰值 2 号线高架桥下7 m 5 8 8 3 第一次测量 张江至 6 57 8第二次测量 龙阳路高架桥下7 m ，水平 6 58 0 区间 i 5 m 5 56 8第一次测量 2 号线列车进站 5 57 4 第二次测量 近张江高架桥下4 m 5 57 7列车经道岔 站段列车出站 5 57 6段两次测量 3 号线水平距2 0 m 5 层楼上行列车 6 58 0 近虹口下行列车 6 5 8 2 有a 型声屏障 足球场箱梁底 6 58 5 站段 3 号线 水平距2 5 m 1 4 层楼上行列车 6 5 8 4 近东宝 水平距2 5 m ，1 4 层楼上行列车 6 58 6 下行列车 6 5 8 5 兴路站 箱梁下6 m 6 58 8 段 箱梁下6 m 6 58 6 可见高架结构振动辐射的二次噪声影响很大，是产生高架线路与地面线 路噪声区别的主要原因之一。 图1 1 为上海轻轨明珠线桥架轨道与地面轨道噪声频谱的比较。 ，_ = ： ：、- 一。心 - + 地面 一+ 桥架 6 3 1 2 52 5 05 0 01 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 8 0 0 0 频率h z 图l _ l 明珠线桥架轨道与地面轨道噪声频谱的比较 加加加o g p 出忆 北京交通大学硕士学位论文 从图中不难看出其噪声频谱曲线发生了明显改变：一是桥架轨道噪声的 峰值频率上升了一个倍频程，且峰值频带宽度有所增加，即地面轨道噪声峰 值频率2 5 0 h z 移至桥架轨道噪声的5 0 0 10 0 0 h z ；二是桥架轨道噪声在各频 带上的强度( 声压级) 均有程度不同的提高，而且频谱特性也发生了很大的 变化，因此通常的声屏障设计理念实际上并不完全适用于桥架轨道噪声的控 制。国外大量实测数据表明，一般高架轨道噪声高于地面线路噪声 o 2 0 d b ( a ) 【9 l 。 但是这里要注意的是，上海明珠线属于轻轨高架结构，而本文的主要研 究对象为铁路高架结构，两者虽然同为高架结构，但不论是在线路结构，还 是线路刚度等方面都存在一些差异，是不完全一致的，所以两者产生的噪声 辐射特性也是有区别的。铁路高架结构的轨道刚度比轻轨高架结构要强的多， 而且随着铁路的不断提速，其刚度会越来越强，整体线路状况会越来越好， 辐射的噪声强度会变小，这是两者的差异，所以对于轻轨高架结构噪声方面 的研究结论不能完全应用到铁路高架结构噪声方面。国内外对于轻轨高架结 构的噪声状况研究比较透彻，而对于铁路高架结构噪声方面的研究还没有系 统化，还不是很完善，对其噪声辐射特性了解的还不是很清楚，尤其在高架 结构振动及漏声对于声屏障降噪效果的影响这方面的研究还处于起步阶段， 所以本文要针对这方面的问题进行深入研究。 尽管如此，我们完全可以借鉴轻轨高架结构噪声现有的研究成果，将其 应用到铁路高架结构噪声问题的研究上来。例如上海明珠线对路面轨道噪声 a 计权声级随距离衰减的测量结果获得的衰减规律，同样可借用到高架轨道 噪声的数据分析。尽管轻轨噪声与桥架轨道噪声在幅值和频谱特性方面存在 一定差异，但对桥架上设置的不同高度声屏障降噪效果做相对分析时，其修 正值遵循的衰减规律一致，不存在系统误差的修正问题，因而不失相对比较 结果的可靠性和真实性【1 3 ，“ 。 此外，由于高架结构的振动不可避免地使得设立在桥梁两侧的声屏障也 产生振动而向外辐射噪声。这样声屏障非但没有起到降低噪声的作用，反而 第一章绪论 增加了噪声源的数量，扩大了噪声辐射【l ”。 2 “漏声”的影响。由于既有线路一般在高架桥面两侧搭建有人行通道， 人行通道之间以及人行通道与桥体之间必然会存有较大的缝隙，使得桥梁声 屏障不可能为完全封闭的形式，不可避免地造成噪声通过缝隙向桥梁以外的 区域辐射，即产生了“漏声”l j6 】。人行通道是高架结构漏声的主要来源。此 外由于声屏障之间必须保留的伸缩缝或由于施工原因造成的缝隙也会产成漏 声，如图1 2 。 = = 丁 声屏障 缝隙漏 古 人行通 道漏声 图1 2 高架轨道漏声示意图 以上两方面就是高架结构轨道噪声所具有的特殊性，是与其它线路轨道 噪声存在差异及造成声屏障高架后降噪效果下降的主要原因，所以是高架轨 道降噪过程中亟待解决的问题，也是本文的研究重点。 1 5 本文的研究意义 本文所研究内容为铁道部2 0 0 k 汕铁路噪声控制技术研究课题中的 9 北京交通大学硕士学位论文 一部分，其工程应用前景十分广阔。随着铁路列车速度的不断提高，噪声问 题变得日益严重，尤其对于在城市区域通过的高架线路，噪声问题的解决更 是迫在眉睫，而高架轨道声屏障的降噪效果又面临诸多问题，所以解决这些 问题就成为高架轨道降噪效果好坏的关键。通过本文的研究，可以对高架结 构声屏障有更进一步的了解，同时通过与设置在其它位置上的声屏障进行比 较，可以根据其特点采取相应的措施提高其降噪效果，而对于声屏障和桥梁 的设计施工方法、材料选择及建筑方式也将起到重要的指导作用。 同时，本文所研究的内容也具有重要的学术意义，是对高架结构振动与 噪声研究的进一步深化，是对振动与噪声控制理论的扩展，有助于推动高架 轨道声屏障降噪技术的研究，弥补国内关于此方面研究的空白。 本文的研究还将为城市环境噪声控制提供科学依据，对城市环境质量的 提高，促进城市环境管理具有重要的意义。 由于我国高架轨道交通的边界尚未划定，轨道交通边界噪声限值标准也 未出台，因而轨道交通边界噪声测试与评价的工作尚未开展。因此，本文的 研究结果对于城市轨道交通噪声环境管理目标的提出具有指导意义。 国内对于高架结构声屏障降噪效果的研究已经比较深入，从事这方面研 究的人也很多，但对于本文提出的高架声屏障降噪所面临的两大问题的研究 才刚刚起步，仍处于实验研究阶段，所以本文所研究的内容无论从理论还是 从工程实际应用方面来说都具有较高的研究价值。 1 6 本文的主要研究工作 铁路列车的运行速度在2 0 0 k n 仉1 左右时，噪声主要是轮轨噪声。列车在 高架结构上运行的辐射噪声主要成分仍然是轮轨噪声，其次是轮轨作用引起 高架结构振动进而产生的二次辐射噪声，因此高架线路上列车运行噪声的声 场比平面线路更复杂，其对周围环境的影响也比平面线路要大。日本新干线 的高架桥很多，日本在高架桥降噪上做了研究，但由于各国的铁路线路条件 不同，其研究结果很难直接用于我国铁路，目前国内还没有对既有线路高架 1 0 第一章绪论 结构列车辐射噪声的系统研究。由于箱形梁结构是我国铁路高架结构的发展 方向，因此，本文将重点研究箱形梁高架结构的噪声辐射及噪声控制问题。 另外，由于漏声对既有线高架结构线路的噪声控制来说也是一个不容忽视的 问题，所以本文也将针对高架结构漏声进行深入研究。最终通过理论和实验 研究确定列车运行引起的结构振动及漏声对高架线路声屏障降噪效果的影 响，并提出合理的声屏障结构形式。主要内容包括： 1 高架结构振动声辐射的理论研究 针对高架结构振动产生的声辐射，以及高架结构振动诱发的声屏障振动 产生的声辐射问题，对其理论内容进行研究。 研究的主要内容如下： ( 1 ) 结构振动声辐射理论； ( 2 ) 矩形活塞的声辐射特性； ( 3 ) 板式结构的声辐射特性： ( 4 ) 高架结构振动声辐射效率计算。 2 高架线路结构振动对声屏障降噪效果的实验研究 针对高架结构以及声屏障振动产生的声辐射问题，进行现场实验研究， 根据实验结果得出其对声屏障降噪效果的影响规律。 主要内容如下： ( 1 ) 箱形梁高架线路结构振动声辐射实验； ( 2 ) 高架线路结构振动诱发的声屏障结构振动声辐射实验： ( 3 ) 结构振动引起的声屏障降噪效果衰减量研究； ( 4 ) 高架结构振动声辐射的控制方法研究。 3 既有线高架结构线路结构漏声的研究 针对高架结构线路的结构漏声和声屏障漏声问题，研究高架结构和声屏 障结构缝隙产生的噪声，并确定漏声对声屏障降噪效果的影响。 研究的主要内容如下： ( 1 ) 模型实验相似理论； 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 模型实验； ( 3 ) 结构缝隙与漏声大小关系； ( 4 ) 漏声对声屏障降噪效果的影响。 本文将在后面的章节中分别对以上几方面内容展开论述。 1 2 第二章高架结构振动声辐射的理论研究 第二章高架结构振动声辐射的理论研究 2 1 引言 随着列车运行速度的提高，列车产生的噪声不断加强，已成为污染环境 的主要因素之一。列车通过高架线路时的噪声受多种因素影响：车轮与钢轨 间相互激励形成轮轨噪声；列车表面，特别是头部与空气作用，出现空气动 力性噪声；电力牵引的接触网与受电弓的作用以及受电弓与空气作用形成集 电系统的摩擦噪声、电磁噪声和空气动力噪声；列车的机车、因动力装置、 辅助装置和电流设备运转噪声通过车体二次辐射形成机车牵引噪声；还有小 半径曲线路段上车辆轮缘与钢轨间的摩擦声、列车制动、机车鸣笛和高架结 构噪声口”。而其中高架结构噪声正是由轮轨相互激励振动激发高架绵构振动 而产生的“二次辐射噪声”，属于一种低频噪声。这种由于结构振动而产生的 噪声是高架线路所特有的，也是与地面线路噪声源的主要区别，而这部分噪 声源对高架结构线路的影响又比较突出，对于这方面的研究也很少，所以本 章重点研究的是这部分噪声源的声辐射特点。高架结构噪声的大小与结构类 型、表面积、道床结构、轨道类型及隔振措施有关，噪卢频谱特性也呈现宽 频特征”。通常情况下，高架线路噪声( 指未采取噪声控制措施的高架桥梁) 要高于普通地面线路的噪声，其增加量约为0 2 0 d b ( a ) ，影响范围也有所增 大。 列车在高架结构上运行的辐射噪声主要成分是轮轨噪声，其次是轮轨作 用引起高架结构振动进而产生的二次辐射噪声，其中以梁部所辐射的噪声为 主。因此高架线路上列车运行噪声的声场比平面线路更复杂，其对周围环境 的影响也比平面线路要大。对于轮轨噪声采用设置声屏障的方法进行控制己 能达到很好的治理效果， 兀对于高架结构振动辐射的噪声，声屏障的降噪效 果却很差。国外在高架桥降噪上做了很多研究，但由于各国的铁路线路条件 果却很差。国外在高架桥降噪上做了很多研究，但由于各国的铁路线路条件 1 3 北京交通大学硕士学位论文 不同，其研究结果很难直接用于我国铁路。目前国内还没有对既有线路高架 结构列车辐射噪声的系统研究。由于箱形梁结构是我国铁路高架结构的发展 方向，掌握箱形梁结构噪声辐射状况，对高架路段的噪声控制方案的选择与 实旋是非常重要的【2 0 1 。 本章主要针对高架结构振动产生的声辐射，以及高架结构振动诱发的声 屏障振动产生的声辐射问题，对其声辐射的理论内容进行研究。研究的主要 内容有： ( 1 ) 结构振动声辐射理论； ( 2 ) 矩形活塞的声辐射特性； ( 3 ) 板式结构的声辐射特性； ( 4 ) 高架结构振动声辐射效率计算。 2 2 结构振动声辐射理论 固体结构在外界激励的作用下振动从而向外界辐射声波，就是声辐射。 引起结构振动的因素主要有两方面，一是直接作用在结构上的机械激励引起 结构振动辐射声波，另一方面是由于空气传声激励结构表面振动辐射声波。 有时结构产生的声辐射是这两种激励单独作用的结果，有时则是它们共同作 用的结果。 由于固体能贮存剪切和压缩能量，所以能在结构内保持所有形式的波， 即压缩( 纵向) 波，挠曲( 横向或弯曲) 波、剪切波和扭转波；另一方面， 由于流体只能贮存压缩能量，所以它仅能维持压缩( 纵向) 波。挠曲( 弯曲) 波是在声辐射和传播中起直接作用的唯一的结构波型，主要是因为弯曲波微 粒速度垂直于波传播方向带来结构和流体之间有效的能量交换。 结构中自由弯曲波的声辐射可以分类为：( 1 ) 在给定的任意频率下包括 非共振频率的模态声辐射；( 2 ) 频带平均声辐射。有限结构的单元总是为自 然频率及与其相关的振型的存在提供条件，因此当结构被某种宽带力激励时， 通常总是引起大量的结构模态的共振激励，所以宽带平均声辐射必然受共振 1 4 第二章高架结构振动声辐射的理论研究 结构模态所支配，当一个激励频率与结构自然频率重合时产生共振。 实际上，当结构受某宽带力机械激励时，它们以多重模态共振的形式响 应，许多自然频率被激励并与作用力共振。这种情况下这些共振模态常常承 担绝大部分的声辐射，但也并不总是如此，这是因为有限结构的辐射比通常 随频率而增加，此时较高频模态( 即高于激励频带但非共振的模态) 以其相 应的高辐射比发出比低频模态( 但共振) 还要多的声。但是通常尽管这些较 高频模态具有更高的辐射比，而它们的振级由于并非处于共振状态而显著地 下降，因此其净效果是它们辐射的声比在激励频带之内的低频共振模态辐射 的声要少。总而言之，共振结构模态有支配机械激励结构的声发射的趋势。 对于声激励的结构情况有些不同。值得注意的是有限结构对于声激励( 及 入射的声波) 的响应包括：( 1 ) 在激励频率下的受迫振动响应；( 2 ) 由于对 结构的各种自然频率的激励引起的振动响应。前者与通过结构的传播波有关， 此波为入射声波的交线波长州s 协口( 口为入射角) 。后者与结构波有关，它 是交线波与边界相交时产生的，事实上这些结构波是具有响应自然频率的自 由弯曲波。在此应注意的是，这些结构的响应是共振的和受迫的，通过结构 的声传播可以是这两种机理之一或两种都有。紧邻某任意表面的压力波动将 在该表面上产生声辐射载荷，它附加在表面的任何机械激励上，该激励在最 初可能是主振源。如果流体介质是空气( 它是工程噪声控制的一般情况) ，那 么声辐射载荷通常是非常之小，声源以外区域的声压场可以用结构表匦弯曲 波微粒速度来估计【2 “。本文中所讨论的高架结构振动的声辐射问题就属于此 种情况，可以不计空气加载效应。 以上是对结构声辐射理论比较概括的介绍，产生声辐射的结构形式是多 种多样的，而本文所研究的是高架结构声辐射。列车通过高架结构线路时， 由于轮轨激励等因素产生的振动传递到桥体梁部，造成高架结构振动产生声 辐射，而高架结构声辐射特点在低频时与矩形活塞振动声辐射相似，在高频 时与板式结构振动声辐射相似，所以要研究高架结构振动产生声辐射的特点， 首先要对矩形活塞及板式结构声辐射理论进行研究。 北京交通大学硕士学位论文 2 3 矩形活塞的声辐射特性 当结构作为平面声源并沿平面的法线方向振动时，就形成了活塞式声源。 下面研究矩形活塞声源辐射声场的性质。 图2 1 所示为矩形活塞辐射声源，其长为 ，宽为口，取活塞中心为坐标 原点，活塞所在平面为x 回平面。在极坐标系中，声场中一点p 位于距坐标 原点为r ，与z 轴夹角为口，旋转角为p 的位置。 图2 - l 矩形活塞辐射卢压不意图 将活塞表面分成无限多个小面元，每一个面元都可看作一点源，求出位 于极径为p 、极角为盯处的面元曲在观察点产生的声压，再对心积分可得 整个矩形活塞的辐射声压。对于远场，即当，远大于活塞尺寸时，从活塞上 各面元发出的声波到达观察点时振幅的差异很小，即声压表达式中的振幅部 分可近似用活塞中心到观察点的距离，来代替，相位部分则不能用，来代替， 因此观察点处的声压值为： 第二章高架结构振动声辐射的理论研究 r 意矗s i n 伊s 如p1f 五日s i n 目c o s 妒1 州警砌磊磊唧叭卅硼弦， 其中，七为波数，p 为媒质密度，c 为波速，“为振源的振速。 可以看出，矩形活塞辐射声场在离声源较远处的声压随距离反比地减小， 而且与方向角口有关，即在声场中同一距离、不同方向的位置上声压不一样。 这表明活塞辐射声场具有指向特性，这是由于从活塞上不同位置的面元发出 的声波达到观察点时相位不一样，干涉的结果使声场出现指向性。 下面来分析矩形活塞振动辐射声场的指向特性。 分析在x 伪平面内的指向特性。活塞辐射的方向性函数为： 即，：黯：掣 沼：， 其中，( 只) 。为任意臼方向的声压幅值，( 只) 。为占= o 。轴上的声压幅值。 可见，指向特性同活塞的尺寸与波长的相对比值，即勋值有关。 图2 2 分别表示的是妇= 0 0 1 、加= 2 、妇= 1 0 及勋= 2 6 四种情况下 矩形活塞的指向性图。 09 0 b a 勋= o 0 1 ；b 胁= 2 ；c 勋= 1 0 ；d 勋= 2 6 图2 _ 2 勋为不同值时的指向性图 可以看出，当妇 1 时，也就是当活塞尺寸相对于媒质中波长来讲比较 1 7 小业：佥。 北京交通大学硕士学位论文 小或频率比较低时，辐射几乎是各向均匀的，这在图a 中也得到反映，此时 指向性图差不多是一个圆。随着妇值的增大，即随着活塞尺寸的加大或辐射 频率的提高，指向性愈来愈尖锐，而且除主瓣以外还会出现一些旁瓣，然而， 相对于主瓣而言，旁瓣的辐射强度是很弱的。对于高频来说( 妇值很大) ， 辐射主要集中在口= 0 。的方向上，它形成了一个锥形射线束，活塞尺寸越大， 或者声波频率越高，则锥顶角越小，即指向性越强【2 2 j 。 图2 3 显示的是指向性函数d ( 们随方向角目的变化规律。 l ，o o 客 餐o 6 薹：吾 一o 。2 9 0 一一3 0o3 0 驹蜘 移( 。 图2 3 单个矩形活塞辐射的方向性函数( 幻= 2 0 ) 可以看出在曰= o 。的方向上，d m l ，也就是在活塞法线方向上的指向性 最强，在其它方向上辐射特性变得很复杂，例如在臼= 1 8 。的方向上d = o ， 即辐射为零；超过这个角度，辐射又逐渐增加，并在某个角度达到次极大， 此后辐射又逐渐减小：从而在指向性图上就表现为除主瓣以外还会出现一些 旁瓣。 2 4 板式结构的声辐射特性 板式结构的声辐射特性分为无限板声辐射和有限板声辐射。对于无限板 型结构的自由弯曲波声辐射，如果频率高于临界频率，板以有关的