（环境工程专业论文）高速铁路轮轨噪声影响因素分析与控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n ds o c i e t y , t h er a i l w a yi sa k i n do fi m p o r t a n tm e a n st og e tt h ef a s td e v e l o p m e n t t h ec o n s t r u c t i o na n d o p e r a t i o n o fan u m b e ro fh i g h s p e e dp a s s e n g e rl i n e sg r e a t l ya c c e l e r a t e dt h e p r o c e s so fc h i n a sh i 曲- s p e e dr a i l w a y w i t ht h ei m p r o v e m e n t o fs p e e d , t h en o i s e p o l l u t i o ni n c r e a s ed r a m a t i c a l l yw h i c hb r i n gw i t hv a r y i n g d e g r e e so fn e g a t i v e i m p a c to np e o p l e sl i v e s t h en o i s ep r o b l e mo fh i g h s p e e dr a i l w a yh a v eb e c o m e a l l i n c r e a s i n g c o n c e r no fv a r i o u s p a r t i e s h o w t o a n a l y z e a n dl o w e rt h e e n v i r o n m e n tv o i c et ot h es e n s i t i v ep o i n t s i n f l u e n c eh a so n eo fi m p o r t a n tm i s s i o n s o fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nw o r k e r s t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h ep r e s e n tt h e s i s i n v o l v e s ： ( 1 ) t h r o u g ht h ea c t u a lm o n i t o r i n gw o r kf o rt h ee x i s t i n gh i 曲一s p e e dr a i l ，w i t h t h ea c t u a ls i t u a t i o no fi n t e r - c i t ye x p r e s st r a i nl i n et h a tu s e dl o n gs e a m l e s sw e l d e d r a i l sa n dt h ef a c tt h a tt h ec u r v er a d i u so ft r a i nl i n em o r et h a n2 2 0 0 m ，t h er e a s o n w h i c hc a u s e sr o l l i n gn o i s e ，i m p u l s i v en o i s e ，s c r e a m i n gs o u n do fw h e e l - r a i ln o i s e a n dt h e i rd i f f e r e n ts p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e na n a l y z e d ，t h en u m e r i c a l r e s u l t si n d i c a t et h a tm a i nn o i s es o u r c eo ft h eh i 曲一s p e e dr a i l w a yw h e e l r a i ln o i s e i st h ew h e e l - r a i lr o l l i n gn o i s e ( 2 ) c o n s i d e r i n gt h ea c o u s t i cr a d i a t i o no ft h eo b s t a c l e sw h i c hc a u s et h es o u n d o ft h ea c o u s t i cr e f l e c t i o na n dr e f l e c t i o nl o s s ，s o u n dd i f f r a c t i o na n dd i f f r a c t i o nl o s s ， w h e e l r a i ln o i s er a d i a t i o nm o d e lh a v eb e e ne s t a b l i s h e d ，t h en o i s ee n e r g yl e v e l f o r m u l af o rt h ea c o u s t i cr a d i a t i o nu n d e rt h e a c t u a lc o n d i t i o n so fv a r i o u s c o m p o n e n t so fs o u n d r a d i a t i o nh a v eb e e nd e d u c e d ( 3 ) b a s e do n t h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fh i g h s p e e dr a i l w a y , t h em a i n n o i s es o u r c eo fh i 曲- s p e e dr a i l w a yb e i n gc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r e d ，t h ee x i s t i n g r m l w a yw h e e l r a i l n o i s e p r e d i c t i o n m o d e lh a v e b e e no p t i m i z e d ，t h e nt h e o p t i m i z a t i o no fw h e e l - r a i l n o i s ep r e d i c t i o nm o d e lh a sb e e nw o v e nf o rt h e e m b a n k m e n t sa n db r i d g e s i ti ss h o w nt h a tt h em o d e le s t a b l i s h e di nt h i st h e s i si s m o r es u i t a b l ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，w h i c h ，ac e r t a i ne x t e n t ，i sb e t t e ra b l et o r e s p o n dt h ea c t u a li n t e r - c i t yh i 曲一s p e e dr a i l w a yn o i s ec o n d i t i o n s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 ( 4 ) b a s e do nt h em o d e l ，t h ep r e s e n tw o r kd i s c u s s e st h ee f f e c to fm a i n s t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft r a c ka n dw h e e l ，a n dt h e np r o p o s e st h ec o r r e s p o n d i n g m e a s u r e st ol o w e rt h ew h e e l - r a i ln o i s e t h ei n v e s t i g a t i o nc a nh e l pt os e a r c h m e t h o d so fr e d u c i n gn o i s eg e n e r a t e df r o mi t ss o u r c e s k e y w o r d s ：h i 曲- s p e e dr a i l w a y ；r a i l w a yn o i s e ；r o l l i n gn o i s e ；t r a c k ；w h e e l 西南交通大学 学位论文版权使用授权 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密区使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：矧 日期：叫t 寸i 矿 指导老师签名 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 通过对既有高速铁路实际的监测工作，结合实际城际快速列车线路上 均采用无缝焊接长轨，曲线半径普遍大于2 2 0 0 m 的事实，分析轮轨噪 声中滚动噪声、冲击噪声和尖啸声的产生原因以及各自不同的数字频 谱特征，得出高速铁路轮轨噪声的主要噪声源； ( 2 ) 考虑到实际情况下障碍物对声波的声反射及反射损失，声衍射及衍射 损失等声辐射情况，建立轮轨噪声辐射模型； ( 3 )以高速铁路实际的运行条件为基础，综合考虑高速铁路的主要噪声源， 优化现有的铁路轮轨噪声预测模式，讨论了不同的轨道结构和车轮等 主要参数对轮轨噪声的影响，提出降低轮轨噪声的相应措施。 学位论文作者签名：z 蓉州 日期嘲年l 拍l 了日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 铁路是社会发展的产物，随着社会经济的快速发展，人们劳动生产率的 提高，铁路以其运输安全、运量大、方便、节能的优势作为一种重要的交通 工具日益得到快速发展。1 9 6 4 年，日本建成世界上第一条现代化高速铁路一 一东海道新干线，从此，高速铁路运输引起了世界各国的高度重视，一些经 济技术发达国家相继修建了高速铁路。尤其是进入9 0 年代，高速铁路在世界 各国呈现蓬勃发展之势。我国对高速铁路进行了长期可行性研究，并最终确 定了高速铁路的发展方向。自1 9 9 7 年以来，我国铁路既有线已经经历了6 次大提速，铁路交通运输在经历“质 的飞跃。建国5 0 多年来，我国铁路建 设事业取得了令人瞩目的成绩，按照铁道部的中长期铁路网规划，自2 0 0 4 年起，规划建设客运专线1 2 万公里以上，客车速度目标值达到每小时2 0 0 公里及以上：规划建设新线约1 6 万公里：规划既有线增建二线1 3 万公里。 到2 0 1 0 年，铁路网营业里程达到8 5 万公里左右，到2 0 2 0 年，全国铁路营 业里程达到1 0 万公里。自从1 9 6 4 年世界上第一条高速铁路在日本诞生以来， 铁路高速化已成了当今世界铁路发展的一个重要趋势。我国也已于2 0 0 3 年 1 2 月顺利开通了第一条时速2 0 0 k m h 的铁路一秦沈快速客运专线，随着2 0 0 8 年8 月1 日京津城际高速铁路和2 0 0 9 年4 月1 日的合武新干线、石太客运 专线的开通运行，以及郑西客运专线，武广客运专线等在内的多条高速客运专 线的开工建设，大大加速了我国铁路高速化的进程，高速铁路在我国已经开 始了前所未有的发展势头。到2 0 1 2 年，将有1 3 万公里客运专线及城际铁 路投入运营，其中时速3 0 0 - 3 5 0 公里的有8 0 0 0 公里，时速2 0 0 2 5 0 公里的 有5 0 0 0 公里。 然而，由于城市社会、经济发展的需要，逐渐形成“城市包围铁路，铁 路分割城市 的新格局【1 】，随之产生了以铁路交通噪声为主的城市环境问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 随着铁路速度的提高，轮轨相互作用增强，轨道结构振动和铁路噪声污染急 剧增加，不可避免的对人们生活带来了不同程度的负面影响。高速铁路迅速 发展的同时，铁路的振动和噪声问题【2 】引起了人们的普遍关注，国际上己把 振动噪声列为七大环境公害之一。交通噪声干扰人们的正常生活和休息，严 重时甚至影响人们的身体健康，铁路噪声还直接影响到新线的顺利规划和修 建【3 1 。铁路交通环境振动与振动噪声研究是国际学术界和各国政府十分关心 的一个课题。在欧洲一些国家以及美、日等国，交通环境振动与振动噪声早 己引起各国政府、铁路运输部门、研究机构和高等院校的高度重视。1 9 9 5 年 召开的第五届国际铁路噪声会议( i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po nr a i l w a y n o i s e ) 上， 就对法律、环境和研究做出了明确的规定。鉴于此，欧洲的许多国家都采取 了相应的措施，并确定了关于铁路噪声的欧洲政策( e u r o p e a np o l i c yo n n o i s e ) 。日本的噪声研究工作在指导实际的铁路和公路防噪设计上都起到了 非常关键的作用。他们的关于降低噪声污染的研究现在己经被贯彻到了铁路 车辆的设计中，从根本上降低高速铁路的噪声污染。而且现在日本沿线的高 架桥和高速公路及市区的轨道交通和铁路沿线均采用了防噪设计，使噪声值 降低到允许范围内，取得了满意的效果1 4 j 。我国在铁路噪声控制的研究上相 对落后于日本、西欧等发达国家，在铁路噪声控制的前期阶段，只是停留在 采取声屏障等被动降噪的措施上，很少从产生铁路噪声的源头上采取主动降 噪的方法。减小铁路的振动和噪声是当前车辆制造和系统建设中的一个十分 重要的问题1 5 。解决这个问题，可以消除铁路的负面效应，促进高速铁路的 发展，对改善乘客舒适性和沿线居民生活环境，提高人们的生活质量具有重 要意义。 1 2 研究现状分析 在我国铁路噪声控制方面，国内外学者做了大量的研究，我国开始对于 声屏障【6 。1 3 】的研究居多，关于铁路噪声声源控制的研究最早还是来自于国外。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 而后我国的学者和专家开始重视声源的控制技术并开始研究。1 9 9 3 年一1 9 9 6 年，p e g a u t i e r ，n v i n c e n t1 1 4 。6 】通过建立车轮与轨道相互作用模型，分析 了考虑轮轨表面随机不平顺、尤其是短波长的波纹型磨耗以及不同列车速度 时，对轮轨横向振动和振动噪声的影响；另外提出了，车轮的横截面形状对 噪声辐射具有重要的影响，在不影响其它指标如强度的要求可以对车轮形状 进行优化，使噪声达到最小。1 9 9 6 年田新浩，刘达德【1 7 1 8 1 对1 6 0 k m h 准高速列 车运行稳态辐射噪声二维声场进行了试验研究，通过分析准高速列车运行试 验数据，得出其二维声场方程，进而绘制出二维声场等值线分布图形，并依 此得出准高速列车运行噪声辐射特性。1 9 9 8 年，d a n e r y d a , n i e l s e n t l 9 】对车轮 穿孔从理论上作了研究，通过在轮辐的里外两面之间造成“声学短路”来减 少声辐射效率这个措施的效果取决于孔洞的大小和孔洞之间的距离；由于其 它因素对孔洞大小和孔洞之间的距离的限制，穿孔车轮只对低频有效，能达 到6 - 9 d b 的降噪效果，而对高于l k h z 的频率，效果则不明显。1 9 9 8 到1 9 9 9 王敬【2 0 2 1 1 欣通过测取干线上客车、货车正常行驶状态下稳态辐射噪声的等效 声级和客车、货车运行速度的现场数据，研究了货车轮轨噪声与传播距离的 定量关系，得出符合我国干线货车运行噪声传播规律的方程。2 0 0 0 年，j o n e sc jc 【2 2 】从理论上对弹性车轮作了分析，并计算了车轮和轨道产生的噪声功率； 结果表明，隔离层刚度越高，车轮辐射的声功率越低。但存在一个范围，在该 范围内由于钢轨的声功率降低而使总的声功率降低了大约2 d b ( 与全钢车轮 相比) 。善田康划2 3 】在日本新干线中考虑到了铁路噪声综合源头的控制，采用 的噪声控制措施主要钢轨打磨、焊接长钢轨等，其中采用磨轨车定期打磨钢 轨，以维持正常的车轮接触面，不仅降低了噪声，又延长了车轮及轨道的使 用寿命；此外部分线路还设置道碴垫、使用弹性扣件、防振平板，上述线路降 噪措施对降低环境噪声影响均有定效果。另外铁道部劳动卫生研究所的辜 小安【l9 】通过对日本新干线新型列车噪声的控制，结合我国铁路噪声现状及管 理方式，提出我国在机车车辆设计中尚未充分考虑噪声振动环境影响问题，机 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 车车辆产生的噪声，是影响我国铁路环境噪声振动污染的主要来源之一。 r e m i n g t o n l 2 4 】是对轮轨滚动噪声研究较早的学者之一。r e m i n g t o n 从轮轨 相互作用角度出发，对轮轨滚动噪声的产生机理作了全面的阐释，建立了轮 轨滚动噪声预测模型。2 0 0 0 年，j f c o r d i e r l 2 5 j 运用a n s y s 对车轮进行了 模态分析，求得车轮导纳以及钢轨和车轮振动速度的功率谱。随后运用统计 能量的方法对轮轨耦合振动进行分析，建立了轮轨振动的统计能量分析模型； 推导了子系统间功率流平衡方程。朱正清，刘鹏针1 2 6 j 对城市轨道交通的特点， 结合工程实践，从噪声源分析入手，对轨道交通噪声环境评价内容、评价方 法及噪声防治对策进行了探讨。w utx ，t h o m p s o ndj 【27 1 分析了预压力轴 荷载的影响，提出就一个车轮来讲，预压力对钢轨的声辐射没有很大的影响。 然而，当有多个车轮作用在钢轨上时，由于钢轨的振动波在车轮之间来回反 射，预压力对钢轨的声辐射的影响就变得明显起来。2 0 0 3 年，鲁书浓，练松良【2 8 】 根据国内外对轮轨噪声理论的研究，就增加轨道结构弹性能降低轨道结构振 动作了叙述。运用轨道部件的振动加速度功率谱密度函数与轮轨噪声功率谱 密度之间的关系，分析了轨道结构弹性对降噪的作用。2 0 0 4 年到2 0 0 6 年刘林 芽，雷晓燕 2 9 - 3 0 】把钢轨视为以列车速度运动着的有限长度的线声源，单个车轮 视为一个点源，在不考虑大地反射影响、列车以速度v 通过时，得出路旁轮 轨滚动噪声总声压级谱。沈保红【3 l 】分析了城市轨道交通中噪声与振动产生的 原因，并从控制噪声与振动源、隔离传播途径等方面，提出了城市轨道交通 中减振降噪的控制措施。2 0 0 8 年，陈刚，焦可成【3 2 】等针对铁路噪声污染状况， 根据提速列车运行噪声的特点及轮轨噪声产生的机理，研究了通过在钢轨轨 腰镶嵌高阻尼材料从而降低轮轨噪声的技术。张曙光【3 3 j 针对轮轨噪声，提出 轨道不平顺是导致机车、车辆和线桥隧等结构物产生振动或破坏的根本原因 之一。最近，杨新文，翟婉明晔】等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了轨道板的声辐射特性。张曙光1 3 5 】为 了考察3 5 0 k m h 高速列车在运行状态下的车外噪声水平、主要声源及其源强 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 分布特性，在京津城际铁路选取现场测试工点，采用多通道阵列式噪声数据采 集分析系统，对京津城际铁路高速列车噪声进行现场测试。测试数据分析结果 表明：3 5 0 k m h 高速列车车外辐射噪声的主要声源为轮轨接触部位、转向架、 受电弓及其底座以及车辆连接处的气动噪声。 综上所述，国内外学者对于常规的铁路噪声预测与控制做了大量的工作， 从噪声标准的制定，到噪声产生的原因，噪声产生的机理，噪声传播的形式等，并 且建立了很多预测评价噪声的模型，公式；对于产生高速铁路噪声的主要源头 轮轨噪声的研究也产生了很多的理论知识和成果，但是由于考虑到的影响 范围主要集中在自由场，即理想条件为主，具有一定的局限性。本文拟综合 考虑实际情况下铁路附近障碍物对声波的反射、衍射等辐射作用的影响，建 立轮轨噪声辐射模型；通过分析城际高速铁路轮轨噪声的主要噪声源，优化 轮轨噪声预测模型，对引起轮轨噪声的因素进行分析研究并提出相应的控制 措施。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 轮轨噪声是铁路噪声的主要噪声源，对周围环境影响较大。因此，有效控制 轮轨噪声对于如何从声源上降低我国高速铁路噪声具有重要意义。本论文主 要研究内容如下： ( 1 ) 确定城际高速铁路轮轨噪声的主要噪声源 通过对既有合武城际高速铁路做实际的监测工作，以及分析轮轨噪声中 滚动噪声、冲击噪声和尖啸声的产生原因以及不同的数字特征，得出滚动噪 声是城际高速铁路轮轨噪声的主要噪声源； ( 2 ) 建立轮轨噪声辐射模型 通过研究轮轨噪声源附近存在的障碍物对声波的声反射及反射损失，声 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 衍射及衍射损失等声辐射原理，建立轮轨噪声辐射模型；并推导了实际条件 下的各声辐射构件的声辐射的噪声能量级公式； ( 3 ) 优化现有轮轨噪声预测模型并提出控制措施 在轮轨噪声预测公式中考虑由障碍物对声波辐射的影响，以及城际高速 铁路轮轨噪声的主要噪声源，优化轮轨噪声预测模型，分析车轮，轨道结构 等主要参数对轮轨噪声的影响，提出降低轮轨噪声的相应措施。 1 3 2 技术路线 课题研究技术线路图 1 4 课题研究的实际意义 本文从产生城际高速铁路噪声的源头轮轨噪声展开分析和研究，综合考 虑城际高速铁路的实际运行情况，建立综合考虑障碍物对声波的反射、衍射 等情况的轮轨噪声辐射模型，分析影响产生轮轨噪声的机理，提出控制轮轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 噪声的相应措施，为在轨道交通设计和建设阶段有效解决轨道交通的噪声问 题提供参考。这对于有效的控制铁路高速化所产生的噪声对周围环境的影响， 缓解经济发展、铁路建设与公众对生活质量的要求的矛盾具有重要的现实意 义；对于完善高速铁路噪声控制，丰富源强综合控制也具有一定的理论意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章高速铁路轮轨噪声组成及其特征分析 2 1 高速铁路噪声源的识别 高速铁路由于具有高速、高架、电气化等特点，其辐射噪声与普通铁路有 所不同，主要体现在噪声源及其辐射强度等方面。高速铁路噪声是由各种不 同类型的噪声组合而成的，通常按噪声产生的部位分类识别。按发生部位的 不同，可分为轮轨噪声、空气动力噪声、集电系统噪声和桥梁结构物噪声等 【3 6 1 ，如图2 1 所示。 图2 1铁路声源解析示意图 轮轨噪声；空气动力噪声：集电系统噪声；桥梁结构物噪声 ( 1 ) 轮轨噪声 所谓轮轨噪声，是轮轨系统相互作用而使车轮与轨道部件产生振动所激 发的噪声。然而，车轮与轨道究竟哪个是主要噪声源，目前尚无定论，欧洲 的研究认为是车轮，而日本的研究认为是轨道，本文作者认为轨道是轮轨噪 声的主要噪声源，车轮辐射的噪声次之，但车轮对总噪声的贡献也是不可忽 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 略的。按其产生机理的不同，轮轨噪声可分为三种主要类型：滚动噪声、冲 击噪声和尖啸声。 ( 2 ) 空气动力噪声 在高速铁路上行驶的动车组，会使车体表面出现空气流中断，因此引起 涡流，从而产生空气动力噪声。这种噪声与列车的行驶速度、车体表面的粗 糙程度以及车体前端是否流线化等因素有关。将车体表面及其附属物附近的 气流发出的噪声称为空气动力噪声。 ( 3 ) 集电系统噪声 与集电系统有关的噪声称为集电系统噪声。主要包括受电弓架与导线虚 触、受电弓架空气动力作用、受电弓架与导线的摩擦等原因所产生的噪声。 ( 4 ) 桥梁结构物噪声 轨道的振动传到桥梁并通过地面传到其它建筑物，使桥梁及建筑物产生 振动并辐射噪声。通常将桥梁及附近建筑结构的噪声称作桥梁结构物噪声， 结构物噪声属二次噪声辐射。 我国尚未对各类噪声源对总噪声的贡献展开调查研究，但国外的研究结 果具有借鉴作用。表2 1 列出了日本新干线的噪声组成情况【3 7 1 。从表中可以 看出，轮轨噪声和桥梁结构物噪声随列车速度的提高，所占的比重稍有下降， 而空气动力噪声与集电系统噪声等均有不同程度的提高。但不可否认，轮轨 噪声依然是高速轨道交通噪声的最重要组成部分，因此，轮轨噪声一直以来 就是科研关注的焦点，也是本论文将要研究的问题。 表2 1 日本新干线噪声组成( ) 声源运行速度k m h 种类 1 9 02 1 02 4 0 轮轨噪声 6 35 85 0 集电系统噪声 1 82 32 5 桥梁噪声 1 31 11 0 空气动力噪声 68 1 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 高速铁路轮轨噪声的特征分析 2 2 1 滚动噪声的产生及其特征 2 2 1 1 滚动噪声的产生 滚动噪声是由轮轨接触表面连续的短波极短波的凹凸不平即轮轨表面 粗糙度引起的。当车轮在轨道上滚动时，由于轮轨表面粗糙度的激励作用， 轮轨结构产生振动，这种振动向空气中辐射，产生滚动噪声。一般来说， 滚动噪声受列车运行速度以及轮轨表面粗糙度影响很大，速度越高，轮轨 表面越粗糙，滚动噪声就越大。 轮轨滚动噪声的产生过程可由图2 2 所示的框图表示。 轮 列 轨 生轮 表 轨 轨 面 道 噪 粗 系 - 击 糙 统 辐 振 射 度 动 图2 2 滚动噪声产生的因果关系框图 产生轮轨滚动噪声的激励源 通常被认为是轮轨表面粗糙度。 对滚动噪声起主导作用的粗糙 度，其波长范围是5 m m - - 一2 5 0 m m ， 幅值范围是0 1 岬2 5 0 岬。一般 而言，粗糙度幅值随波长增大而 增加。 根据h e r t z 非线形接触理论， 轮轨相互作用力由轮轨接触变形 万决定，如图2 3 所示。 图2 - 3 轮轨相互作用示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 2 1 2 滚动噪声的特征 关于滚动噪声特征的 1 0 0 计算模拟的研究结果已经 很多。利用t w i n s 模型软 件，对以下工况的铁路旁 噪声进行了计算：中华之 星2 动4 拖动车组，列车运 行速度为2 4 0 k m h ，路堤有 碴轨道，受声点与轨顶面 同高，距轨道中心7 5 m 。 图2 4 是典型的滚动噪 声频谱特征图。由图可见， 滚动噪声主要频率范围约 为5 0 0 h z 2 5 0 0 h z 。图2 5 则是列车通过时的时程曲 线，可以得知滚动噪声随 着时程的变化幅度在一定 区域内是比较稳定的。 口 出 书e 、 肇 ，l 、 、一l j一 r 一，- 、 l l 1 2 5250$00 1 0 0 02 0 0 04 0 0 0姗 频率h z 图2 - 4 典型的轮轨滚动噪声频 l ，、厂、 ，、 、一 ， ， ， 2 2 2 冲击噪声的产生及其特征 2 2 2 1 冲击噪声的产生 图2 5 典型的轮轨滚动噪声时程曲线 冲击噪声是由车轮踏面局部损伤、钢轨接头等不连续表面即冲击型激扰 引起的。当列车通过这种局部不连续表面时，由于车轮瞬时转动中心的突然 改变，致使车轮和钢轨之间产生一个相对的冲击速度，一旦车轮离开这个部 阳 ； )hp，臻幽骰辚右 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 位，这一冲击速度即刻消失，其作用效果是使轮轨系统产生突法的冲击与振 动，由此而产生冲击噪声。车轮通过钢轨接头和道岔时发出的噪声是典型的 冲击噪声。 2 2 2 2 冲击噪声的特征 作为冲击噪声频率特征与时程特征的例子，下面对车轮擦伤条件下的冲 击噪声进行分析。 十一雾警喜i | | v l 氓 | ， j 叫 1 2 5 2 , 5 05 0 0 t 0 0 02 0 0 04 0 战啪 频率l t z 图2 - 6 车轮檫伤前后噪声频谱比 冲击噪声 滚动噪声 期- 6 0枷2 002 04 06 01 0 0 运行距离m 图2 7 车轮擦伤前后噪声时程比较 给定条件如下：中华之星2 动4 拖动车组车辆，列车由四辆车组成，假 定第2 辆车下第2 个车轮踏面有一擦伤，擦伤长度为3 5 m m ，列车运行速度 2 4 0 k m h ；路堤有碴轨道，轨面高于地面3 9 m ，受声点离轨道中心7 5 m 。 车轮擦伤条件下的轮轨冲击噪声频谱如图2 - 6 所示。作为比较，图中给 出了理想车轮踏面条件下的频谱曲线。由图可见，在车轮扁疤的情况下，个 别频率的声压级会显著升高。 车轮擦伤条件下的轮轨冲击噪声时见程曲线如图2 7 所示。由图可见， 当扁疤车轮通过受声点时，产生一个突发的噪声尖峰，并迅速消失。 2 2 3 尖啸噪声的产生及其特征 2 2 3 1 尖啸噪声的产生 尖啸声是轮轨轴向相互作用( 轮缘挤压外轨以及内侧车轮踏面在钢轨上 皓 琵 ：8 ：f 一一p，聪氆板醛盘 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 滑动) 所产生的高频噪声。当列车在小半径曲线上运行或车轮过道岔时，车轮 受钢轨的制约在钢轨定面产生横向滑动，结果使轮轨之间产生粘着和滑行， 从而产生尖啸声。一般认为，尖啸声多发生在小曲线半径上，但偶尔也发生 在直线上。例如：在列车制动时，若轮轨间产生滑行，也会产生尖啸声。再 如，由于养护维修不够，直线段轨距产生负差，列车运行时轮缘对钢轨产生 挤压，会产生尖啸声。 关于尖啸噪声的产生，先后出现至少三种理论解释： ( 1 ) 纵向粘滑；( 2 ) 轮缘与钢 轨侧面相互作用；( 3 ) 车轮踏面向 轨面顶横向蠕滑产生的粘滑。其 中第( 3 ) 种解释被认为是最有可 能引起尖啸噪声的原因，也是在 理论上最容易处理的。尽管在发 生尖啸噪声时往往可以观察到轮 缘接触现象，但这可能完全是车 轮横向蠕滑的结果。 车轮的横向蠕滑振动可以通 过转向架在曲线上运行时的轮对 运动状态来分析( 图2 - 8 ) 。图中 车轮简化为集中于车轮质心的质 ? 同 一夏琶、，一 p 叫辅渤哮 i 7 l f f 图2 8 转向架过曲线示意图 量块，钢轨则在车轮踏面下以恒速矿横向滑移。 尖啸声的产生受气象条件的影响比较大。例如，在潮湿的天气，由于湿 度对摩擦特性的改变，尖啸噪声出现的可能性会大减。通过洒水控制曲线尖 啸噪声已为人们所周知。轮缘润滑也常被认为是降低尖啸声的措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 3 2 尖啸噪声的基本特征 随着轮轨摩擦学 特性、钢轨表面污物以 及轮轨曲线动力学的 不同，尖啸声会呈现出 断断续续的特点。图 2 - 9 给出了一个尖啸声 时程曲线的例子。是一 装有弹性车轮的地铁 列车通过曲线半径为 2 6 m 的路堤线路的情形， 在整个时间历程中，尖啸 声水平的变化非常大。在 空气湿度较大的早晨，列 车通过曲线时，大部分甚 至全部曲线段都不出现 尖啸声。尖啸声的最大值 对持续时间与频率不太 敏感。 廷 岜 超 辎 ，o 诅 嚣 坦 n i n i1 1 l jil _ 。、 li i 。n ri ii ：l ii i 誓l -l l t j n nj 叭l 掰t llh l ll li if ”h 研t “i l i、 hi l l 瓢p l hjul lu 置l i iiii l h i it i i l hi i l 。l 慢j 一 i i i f - 1 0l -il m in ，v lwll ti - i 1i 一 峨 o iw 、 5 os 1o15 2 02 53 0 时间s 图2 - 9 曲线尖啸声时程曲线 a六入 多l _ f寰声?专 f il 芳1 l 、小1j 7 2 鏊基善暑暑堇 蓍 一 “_ 频率h z 对于图2 - 9 时程曲 图2 一l o 曲线尖啸声频率特性曲线 线，其最大值和平均值1 3 倍频程谱如图2 - 1 0 所示。由图可知，尖啸声的主频 在中心频率为5 0 0 h z 、1 2 5 0 h z 和3 1 5 0 h z 等三个1 3 倍频程上。这些频率上的高 噪声值很容易为人们所感知并引起烦躁。图中所示的各1 3 倍频程最大值是在 通过曲线全程产生的，而不是同时发生的。声级值较低的曲线是通过曲线期 间的能量平均( 均方值) 声级。在这个例子中，由于通过曲线期间的尖啸声 时断时续的原因，最大值与能量平均值之间相差很大。 的 靳 如 知 盘r ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 3 高速铁路轮轨噪声的主要噪声源 目前，国内已建成遂渝、合武、石太、广深、京津等多条城际高速铁路， 为了掌握国内既有城际高速铁路运行产生的噪声的特性，我们对既有合武城 际高速铁路做实际的监测工作。合武客运专线，东起安徽合肥，西至湖北武 汉，设计时速2 5 0 公里，开始运营时速为2 0 0 公里。i 级铁路，无缝、6 0 k g m 钢轨，车轮半径4 4 0 m m ，车轮辐板厚度2 5 m m ，轨枕质量3 2 4 k g ，轨下胶 垫刚度3 5 x 1 0 8 ，道床刚度7 o 1 07 ，轨枕间距0 6 m ；轨面状况良好，混凝土 轨枕，有渣道床，平 d b ( ) 2 0 o up a 】 e x p ( s 1 ) 一i n p u t l w o r k i n g ：i n 删t ：m u l t i b u f f e r1 ：o v e r a l1a n a l y z e r 直、路堤线路；工程 于2 0 0 5 年1 0 月动工， 2 0 0 9 年4 月1 日，合 武客运专线开始正式 运营，通行动车；采 用c r h 2 a 2 b 型动车 组。 一 八尸v 、 ， p ：、弋 一h 一一一 一一l 噪声测试仪器采 图2 1l合武高速铁路直线区段典型的列车运行噪声时程 用丹麦b & k 公司生 产的一级精密2 2 3 8 f 型噪声频谱分析型声级计，在无风、无雨、小于四级风时 测量，仪器加风罩。采用的是等效连续a 记权声级( 以下所测的数据都是沿用 这一标准) 。所测典型数据如下图所示： 1 0 0 6 0 5 0 4 0 3 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 、 尸一、1 f j 3 1 56 31 2 52 5 05 0 01 0 0 02 0 0 04 0 0 08 0 0 ( 频率h z d b ( a ) 2 0 o u p a 图2 1 2 合武高速铁路直线区段典型列车运行噪声频谱 e x p ( s 4 ) 一1n p u t l w o r k i n g ：i n p u t ：m u l t i b u f f e r1 ：o v e r a l1h n a l y z e r i砾 一 i 。i ! ：v 。6 。 她衍二。汛撇_ 一a f v 州 。掣叫二- 、1 毗一l 。i忽j锄 r 一。 y 、， 、曲 o 8 0 2 03 04 05 06 0 7 08 0 s ( t i a e ) 图2 1 3 合武高速铁路岔区区段典型的列车运行噪声时程 r 。 1 2 52 5 05 0 01 0 0 02 0 0 04 0 0 0 8 0 0 01 6 0 0 0 频率h z 图2 1 4 合武高速铁路岔区区段典型的列车运行噪声频谱 o 0 o 9 8 7 e 1 口 暴目攸 踮 筠 伯 i 昌 i 疗 的 蛄 如 i 暑 加 印 的 勺聚设 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 对合武高速铁路在直线轨道上运行及过道岔时的噪声进行了测量。在直 线上运行速度为1 9 5 k m h ，测点距轨道中, i l , 4 5 m ，高于轨面1 5 m 。图2 1 1 、图 2 1 2 分别为列车在直线上运行时噪声的时程和频谱图。由图2 1 1 可见，列车 在直线轨道上运行时噪声能量主要频率为4 0 0 1 0 0 0 h z 。图2 1 3 、图2 1 4 分别 为列车在路岔区运行时噪声的时程和频谱图。列车过道岔时的运行速度尽管 很低( 约8 0 k m h ) ，但轮轨冲击现象比较明显，并伴有明显的摩擦声，如图2 1 3 所示。在不同的时间点上，发生高频峰值现象明显，图2 1 4 为典型的某瞬时 的噪声频谱图，由图可见，2 0 0 0 h z 处出现了不同于滚动噪声的峰值。此峰值 既可能是轮轨冲击的结果，也可能是轮轨横向摩擦的摩擦噪声。 由于我国城际快速列车线路上均采用无缝焊接长轨，曲线半径普遍大于 2 2 0 0 m 的事实等，不满足产生轮轨噪声中的冲击噪声，尖啸声等条件。由上 图，城际快速列车中产生的轮轨噪声频谱和噪声时程也可以说明问题，因此 可以认定，在直线轨道上，滚动噪声对轮轨噪声的贡献是最大的，即轮轨噪 声最大的噪声源是滚动噪声，冲击噪声，尖啸声只是在偶然的因素下才会占 据主要地位。因此控制轮轨滚动噪声是防治轮轨噪声的主要方面。 2 4 轮轨噪声的控制措施 在研究任何噪声控制时，都可以考虑从三个方面来来采取措施：声源、 传播途径和受声点防护。因此，研究轮轨噪声控制措施时，也可以从这三个 方面来考虑。另一方面，对于轨道交通轮轨噪声，从控制噪声源的性质来说， 可以分为滚动噪声的控制、冲击噪声的控制和尖啸声的控制。表2 2 为上世纪 8 0 年代以来所发展出的控制滚动噪声、冲击噪声和尖啸噪声控制方法的总结， 如所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 表2 - 2 轮轨噪声控制方法 噪声类别要求控制的项目米取的措施 1 降低轮轨表面粗糙度 1 ) 修整车轮踏面 2 ) 打磨钢轨 滚动噪声 1 ) 铁路旁修建隔声墙，声屏 2 隔断声传播障等 2 ) 车辆设置车裙 1 ) 采用焊接长钢轨 2 ) 钢轨焊缝区保养 1 消除轮轨表面局部缺陷 3 ) 打磨钢轨 冲击噪声 4 ) 修整车轮踏 1 ) 采用弹性车轮 2 降低轮轨系统振动 2 ) 采用阻尼车轮 1 ) 铁路旁修建隔声墙 3 隔断声传播 2 ) 车辆设置车裙 1 减小车轮过曲线时的车轮1 ) 避免小半径曲线 踏面横向蠕滑2 ) 采用径向转向架 2 改善轮轨接触面摩擦特性1 ) 润滑车轮踏面和钢轨 尖啸噪声 1 ) 采用弹性车轮 尖啸噪声 3 降低轮轨系统振动 2 ) 采用阻尼车轮 、 1 ) 铁路旁修建隔声墙 4 隔断声传播 2 ) 车辆设置车裙 从采取的措施的部位来考虑，城市轨道交通噪声控制可以分为车辆、轨 道、轨下结构、声屏障、轨道管理等方面的措施。各种措施中有些属于声源 控制，有些属于传播途径控制，有些属于受声对象仿护。有些对滚动噪声有 效、有些对冲击噪声有效，有些对尖啸声有效，有些对其中几种均有效。 2 5 本章小结 ( 1 ) 分析了轮轨噪声中滚动噪声，冲击噪声，尖啸声的产生原因和条件，得 出各自产生噪声的噪声频谱和噪声时程图谱。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 ( 2 ) 通过对既有城际高速铁路进行的噪声监测表明，在直线轨道上，轮轨噪 声基本上可以认为是滚动噪声。即轮轨噪声最大的噪声源是滚动噪声，冲击 噪声，尖啸声只是在偶然的因素下才会占据主要地位。因此控制轮轨滚动噪 声是防治轮轨噪声的主要内容。 ( 3 ) 列表叙述了轮轨噪声中滚动噪声，冲击噪声，尖啸声一般控制方法和措 施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章轮轨噪声辐射理论模型 3 1 自由声场下的轮轨噪声辐射模型 3 1 1 声辐射比及声辐射临界频率 要建立轮轨噪声辐射模型，首先要确定的就是构件的声辐射比万，辐射 比( 又称辐射系数或辐射效率) 是联系结构振动与声辐射的桥梁，任意结构的 声辐射比仃定义为由结构辐射入半空间( 即结构的一侧) 的声功率除以与此结 构具有相同表面积和相同均方振动速