客运专线无碴轨道噪声问题探讨
摘 要:对轮轨噪声问题国内外研究现状、无碴轨道噪声及其降噪措施进行了概述。为了对高速运营条件下的轮轨滚动噪声进行更详细描述和评价,通过对钢轨竖向振动的测量,间接得到轮轨有效不平顺度,再结合声压测量结果,根据有效不平顺度与声压间的简单关系得到不平顺度对声压的转换函数,合成有效不平顺度与转换函数的组合可用于任何列车速度、任何给定列车轨道系统的噪声辐射谱预测;将车辆噪声和轨道噪声分开进行评估量化,为从车辆与轨道两方面寻求有效控制和降低轮轨噪声的方法奠定基础。
关键词:无碴轨道滚动噪声;钢轨竖向振动;有效不平顺;转换函数
轨道交通噪声对环境的影响日益受到人们的普遍关注,特别是在当前高速铁路技术发展迅猛的情况下,随着行车速度的提高,噪声水平迅速提高,如图1 所示。国内外一些研究资料表明[1-2]:在不同速度条件下,滚动噪声是铁路噪声辐射的主要来源,而钢轨振动噪声在轮轨滚动噪声中又居主要地位,车轮次之。由于噪声与振动在500～2000 Hz 频率范围内线性相关,且钢轨在此范围内是主要辐射体,因此,抑制钢轨振动、减小钢轨的振动加速度和频率,对降噪起着关键作用。在许多工业发达国家,经过多年的研究积累,已经形成较为完整的轨道交通噪声测试、评价、控制及整治机制。而我国学者虽也对此进行了一些研究,提出并采取了一些措施[3-8] ,轮轨噪声有所降低,但随着我国高速客运专线的建设,由于轮轨噪声对车速有较强的依赖性,其声级将愈来愈大,有待于进一步研究。
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1 无碴轨道噪声及降噪措施
无碴轨道以其稳定性好、耐久性强和少维修等优点,在国外高速铁路得到了越来越广的应用,其铺设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区, 特别是在高架桥上及隧道内取得了良好的效果。无碴轨道结构在高速铁路上的大量铺设已成为发展趋势。经过反复研究和论证,我国客运专线铁路的轨道结构将会积极采用无碴轨道。
无碴轨道由于轨道联接阻抗、振动衰减率的降低以及轨道噪声吸收能力的降低,使得它比有碴轨道有更高的噪声辐射。利用钢轨振动与噪声的关系,计算由钢轨产生的1/3 倍频程等效声压级曲线,如图2 所示,它表明无碴轨道在500～1500Hz频率范围内比有碴轨道、钢轨振动水平更高,而沿钢轨的振动衰减十分低,而且输入阻抗在相关频率范围内,无碴轨道比有碴轨道低很多。
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为了使无碴轨道在噪声抑制性能上基本与有碴轨道的相当,甚至比其更好,主要采取下面3 个措施,如图3 所示:
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1) 对轮轨滚动噪声的吸收。吸收层应尽可能厚,并且尽可能伸出轨道边缘。
2) 抑制轨道辐射。尽可能以吸收材料将轨道覆盖。
3) 通过设置小型屏障衰减车下的噪声辐射。
这3种措施相结合可降低噪声约6dB ;如果没有设置屏障,降噪效果为4～5dB ;单独使用吸收层,则大约降低3dB。此外,还应考虑在外界天气、列车通过以及脏污等因素的影响下相应降噪效果的降低。
2 无碴轨道滚动噪声测试评价
为了对在高速运营条件下的轮轨滚动噪声进行更详细的描述和评价,这里介绍一种新的测试、评价方法。通过对钢轨竖向振动的测量,间接得到
轮轨有效不平顺度(这里的不平顺度是指波长在5～200mm范围内轮轨接触表面振幅的变化) ,结合声压测量结果,根据有效不平顺度(粗糙度) 与声压间的简单关系就可得到不平顺度对声压的转换函数。合成有效不平顺度与转换函数相结合可用于任何列车速度、任何给定列车轨道系统的噪声辐射谱预测。
已有的铁路噪声模型给出了轮轨间不平顺度与轨道旁边一定距离测得声压间的一种线性关系。合成有效不平顺度与声压间的简单关系如下:
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式中: f为1/3倍频程频率(Hz);Lpeq(f)为给定速度下等效声压谱(dB-20uPa) ;Lr,eff(f) 为给定速度下等效合成有效不平顺度(频率) 谱[dB-1μm];Nax为车轴数;Iveh为车长(m) ; Hpr,NI(f) 为有效不平顺度对声压的转换函数(转化为1轴/m[dB-20Pa/ m1/2]) 。
合成有效不平顺度通过接触过滤后的轮轨振动激励,由轮轨不平顺度能量总和推出。
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式中:Lr=20lgr/rn , 即不平顺度谱( 波长或频率) [dB-1μm] ; r为(合成) 不平顺度均方根(μm);rw 为车轮不平顺度均方根(μm) ; rtr为钢轨不平顺度均方根(μm) ;Lr,eff为(合成) 有效不平顺度谱[ dB - 1μm] ;LCF 为接触过滤(谱)(dB) 。
静态测量所得不平顺度数据需转换为频域值:r(f)=r(v/λ) 。 (4)
式中: v 为列车速度(m/s) ;λ为不平顺波长(m) 。有效不平顺度对声压的转换函数需转换为单位长度车轴数,以便于任何类型车辆的应用。
公式(1) 说明,若合成有效不平顺度、声压水平以及每米车轴数已知,则转换函数可以确定。而声压可测得,合成有效不平顺度可由竖向钢轨振动推求。由于测得的声压包含了轨道噪声和车辆(主要指车轮) 噪声2 部分,为了对在高速运营条件下的轮轨滚动噪声进行更详细的描述和评价,可将两者分开量化并考察,定义轨道转换函数和车辆转换函数,如图4 所示。
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任何类型的车辆轨道组合在任何速度条件下都可通过对以下数据的测量进行噪声预测:
1) 有效车轮不平顺(车上所有车轮平均值) ;
2) 有效钢轨不平顺(测量现场平均值) ;
3) 车辆有效不平顺对声压的转换函数(每轴/m) ;
4) 轨道有效不平顺对声压的转换函数(每轴/m) 。
而实际上,直接获取这4 个数据十分困难,而测量合成有效不平顺度和车辆轨道总体转换函数更方便。
3 钢轨振动
传统的噪声控制测量经常是使用单一扩音设备测量,这种测量结果在很大程度上取决于现场的测试条件,如轨道类型及其条件、行车速度等,结果使得在不同场地测得的滚动噪声数据存在巨大的差异。合成有效不平顺度Lr,eff 的间接测量并不是一种全新的方法,通过测量车辆下的噪声或测量车辆轴箱振动来评定连续轨道不平顺的方法已经得到应用。然而,这里要测量的是钢轨振动,它将给出与轮轨实际振动激励密切相关的信号。该方法有如下优点:
1) 得到有效不平顺,而不存在直接不平顺测量中信号处理问题;
2) 这种测量可以不妨碍正常运营条件下进行;
3) 结果为所有车轮(包括驱动车轮) 的数据;
4) 数据可用于评价单个车轮或轮群的不平顺度。
许多研究结果[6-8] 表明,以竖向钢轨振动来标识车辆运行的不平顺是十分稳定的。平均竖向振动水平沿钢轨变化很小,这种信号比横向振动或道旁的声压测试数据更具代表性。图5 所示就是一种钢轨振动与有效不平顺间的关系。
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4 转换函数
由式(1) 可知,整体转换函数可通过竖向钢轨振动和固定距离处(如7.5m) 的声压来确定:
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若车辆使用低噪车轮, 如大阻尼、横截面优化轮对或弹性车轮以及车轮穿孔等,则整体转换函数将近似等于轨道转换函数。这时, 可通过合成有效不平顺与轨道转换函数而得到轨道在整体噪声中所起到的作用:
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其中:Lpeq,tr为由于轨道辐射产生的声压; Hpr,NI,tr为轨道转换函数。
必须指出,通过动态测量获取车辆噪声转换函数要更困难,因为低噪轨道仍有待进一步研究。然而,目前仍可采用现有的一些方法,例如,减振型钢轨及扣件、减振型轨下基础、钢轨打磨技术等。实践证明,由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配套扣件构成的弹性支承块式轨道结构减振降噪的效果较明显,因此,对于振动和噪声敏感的地段,特别是高架结构,采用弹性支承块式无碴轨道结构是比较理想的方案。
5 结 语
由于不平顺和声压的测试及转换函数方法易操作性,非常适用于噪声预测模型数据的收集、噪声控制的评价。同时,定量整体滚动噪声转换函数
提供了一种从气动噪声中区分出高速轮轨滚动噪声的手段。此外,车辆、轨道噪声被分离出来,使得对车辆、轨道进行的各种降噪措施进行科学评价成为可能,如进行车轮或钢轨截面进行优化评价,钢轨或车轮减振阻尼系统辨识,弹性车轮或弹性轨枕设计,轨垫刚度参数辨识等,还可应用于桥上无碴轨道,从而为寻求有效控制和降低轮轨噪声的方法奠定了基础。
参考文献:
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