約束型阻尼鋼軌衰減率和降噪效果試驗分析

劉曉龍，周 信，劉玉霞，莊繼忠，肖新標

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.常州蘭錦橡塑有限公司，江蘇 常州 213164）

約束型阻尼鋼軌衰減率和降噪效果試驗分析

劉曉龍1，周 信1，劉玉霞1，莊繼忠2，肖新標1

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.常州蘭錦橡塑有限公司，江蘇 常州 213164）

基于力錘敲擊方法，測試阻尼鋼軌和標準鋼軌的衰減率，將阻尼鋼軌與標準鋼軌衰減率對比。結(jié)果表明：阻尼鋼軌低頻部分衰減率接近于標準鋼軌，高頻部分（鋼軌噪聲明顯部分）衰減率高于標準鋼軌；相比于標準鋼軌，1號阻尼鋼軌垂向衰減率在2 500 Hz倍頻程帶時高出0.50 dB/m，2號阻尼鋼軌垂向衰減率在1 600 Hz倍頻程帶時高出0.28 dB/m，3號阻尼鋼軌在1 000 Hz倍頻程帶提高了0.21 dB/m。束型阻尼鋼軌具有一定的降噪效果，可在標準鋼軌的基礎(chǔ)上降低1.3 dB(A)～1.5 dB(A)。將其應(yīng)用于實際線路中，能降低鐵路總噪聲1.6 dB(A)～1.7 dB(A)。

振動與波；輪軌噪聲；阻尼鋼軌；衰減率；頻率響應(yīng)

隨著軌道交通技術(shù)的快速發(fā)展，鐵路振動噪聲問題也逐漸突顯。它不僅直接影響乘客的乘坐舒適性以及鐵路工作者的身心健康，同時也影響到鐵路沿線居民的生活質(zhì)量[1,2]。輪軌滾動噪聲在整個鐵路噪聲中占據(jù)主導(dǎo)地位[3]，而鋼軌振動噪聲是輪軌噪聲的重要組成部分。圖1為輪軌噪聲頻譜圖[4]，給出了各部分對鐵路總噪聲的貢獻量隨頻率的變化情況。低于500 Hz頻段，輪軌滾動噪聲主要來自軌枕貢獻；在500 Hz～2 000 Hz頻段，主要來自鋼軌貢獻；大于2 000 Hz頻段時，主要來自車輪貢獻，同時鋼軌噪聲仍很顯著。因此，研制低噪聲鋼軌對于降低整個鐵路噪聲有著重要意義。

目前，降低鋼軌噪聲的措施主要有：鋼軌打磨、埋入式鋼軌和采用阻尼鋼軌等。試驗表明，在鋼軌波磨段和鋼軌焊接接頭部位，鋼軌打磨能夠降低滾動噪聲5 dB[5]，埋入式鋼軌可降低車外噪聲4 dB～5 dB，且可降低因輪軌作用而引起的地基振動[6]。對鋼軌進行阻尼處理能夠提高鋼軌振動衰減率，有效抑制振動，從而降低鋼軌聲輻射。在鋼軌兩側(cè)粘貼約束型阻尼材料是一種安裝簡便、成本低廉的措施。本文基于力錘敲擊法，測試約束型阻尼鋼軌的振動衰減率，進而分析約束型阻尼鋼軌的減振降噪性能。

圖1 輪軌噪聲頻譜特性[4]

1 試驗介紹

衰減率用以表征鋼軌振動隨鋼軌長度方向衰減的快慢，是用于評價阻尼鋼軌減振降噪的重要參數(shù)。

1.1 測試方法介紹

采用力錘敲擊法測試鋼軌振動衰減率。試驗中的鋼軌為60標準軌，長度為6.25 m。采用參考文獻[7]介紹的短軌法進行衰減率測試，阻尼鋼軌在實際使用中的衰減率可通過線性疊加得到，即實際應(yīng)用中阻尼鋼軌的衰減率等于實際應(yīng)用中未經(jīng)阻尼處理鋼軌的衰減率與自由支承的阻尼鋼軌的衰減率之和。實際應(yīng)用中未經(jīng)阻尼處理的鋼軌衰減率容易獲得。因此，本文重點對自由支承的約束型阻尼鋼軌衰減率進行實驗室測試分析獲得。

約束型阻尼鋼軌的衰減率與鋼軌的模態(tài)屬性相關(guān)，測試模型如圖2所示，阻尼鋼軌兩端分別墊有軟橡膠墊片，模擬鋼軌自由支承狀態(tài)。在鋼軌軌頭頂面和側(cè)面分別盡可能靠近端部位置貼有加速度傳感器，分別測試鋼軌垂向振動和橫向振動。測試時，首先敲擊貼近加速度傳感器一端的軌頭頂面和側(cè)面，測試鋼軌激勵點的垂向振動和橫向振動，然后敲擊遠離加速度傳感器鋼軌一端的軌頭頂面和側(cè)面，測試鋼軌衰減之后的垂向振動和橫向振動。再測試試驗鋼軌中點的軌頭頂面和側(cè)面，以輔助模態(tài)識別。試驗在室溫為20±2°C的實驗室進行測試，測試現(xiàn)場如圖3所示。

圖2 鋼軌測試模型

圖3 阻尼鋼軌現(xiàn)場測試

1.2 測試阻尼鋼軌介紹

阻尼減振降噪的基本原理就是阻尼結(jié)構(gòu)吸收主體結(jié)構(gòu)的振動能量，并將其轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉[8]，從而達到減振降噪目的。約束型阻尼鋼軌相比TMD形式的阻尼鋼軌和埋入式阻尼鋼軌，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護方便以及成本低等特點，在國內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛，如圖4所示。

圖4 約束型阻尼鋼軌應(yīng)用實例

測試的約束型阻尼鋼軌由常州蘭錦橡塑有限公司生產(chǎn)，根據(jù)阻尼處理部位的不同分為：

(1)軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌（定義為1號阻尼鋼軌），從軌頭底部到軌腳處進行了連續(xù)的阻尼處理，如圖5(a)所示；

(2)軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌（定義為2號阻尼鋼軌），對軌腰到軌腰處進行了連續(xù)的阻尼處理，如圖5(b)所示；

(3)軌腰包覆型阻尼鋼軌（定義為3號阻尼鋼軌），僅在軌腰處進行阻尼處理，如圖5(c)所示。

1.3 測試數(shù)據(jù)處理方法

約束型阻尼鋼軌的衰減率與鋼軌的模態(tài)屬性相關(guān)，采用了模態(tài)法，根據(jù)激勵點的頻率響應(yīng)即可估計阻尼鋼軌衰減率。鋼軌能量隨時間的衰減規(guī)律符合式(1)，鋼軌衰減率參考公式(2)計算[7]。

式中E0是初始時刻的能量值，e-ωη/2cg是能量衰減因子；ω為阻尼鋼軌共振頻率，由實測取得；η為模態(tài)損耗因子，取2倍阻尼比，阻尼比由實測取得；cg為群速，定義為振動能量在鋼軌中傳遞1 m所需要的時間為t=1/cg。因此，群速可以理解為能量在阻尼鋼軌中傳遞的平均速度[9]。

圖5 約束型阻尼鋼軌

群速cg的計算是根據(jù)阻尼鋼軌頻散曲線的斜率來估計的，阻尼鋼軌的頻散曲線是各階模態(tài)波數(shù)與共振頻率的關(guān)系曲線[7]。波數(shù)與各階模態(tài)數(shù)的關(guān)系如式(3)所示。

式中kn為各階模態(tài)波數(shù)；n為模態(tài)數(shù)；L為試驗鋼軌長度。

由于模態(tài)數(shù)與鋼軌的共振頻率相對應(yīng)，因此上式可以轉(zhuǎn)換為波數(shù)與共振頻率的函數(shù)關(guān)系，即頻散曲線。得出頻散曲線之后，群速cg與共振頻率對波數(shù)的變化率dω/dk相關(guān)[9]，取該頻率處左右兩線段斜率的平均值。第一個頻率點與最后一個頻率點無法取平均，因此，第一點和最后一點無法求衰減率。

在一般的仿真計算中，鋼軌模型一般處理為梁模型，因此阻尼鋼軌群速cg也可根據(jù)梁模型的群速計算公式(4)計算得到[9]?？紤]到梁模型與實際的鋼軌模型相比存在著一定局限性，因此在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析中，均采用按照阻尼鋼軌頻散曲線斜率求得的群速來計算衰減率。

為了評估阻尼鋼軌的聲學特性，以標準鋼軌聲功率級為基礎(chǔ)，用鋼軌衰減率加以修正，聲功率計算公式可表示為[9]

式中Ld為阻尼鋼軌聲功率級；L0為標準鋼軌聲功率級；Δ0為標準鋼軌衰減率；Δd為阻尼鋼軌衰減率；Δd,free為自由支承的阻尼鋼軌的衰減率。

總聲功率級的計算，是通過對各個頻率下聲功率的疊加得到的。某頻率下的聲功率級LWi是該頻率下聲功率Wi與基準聲功率W0之比的常用對數(shù)的十倍，如式(6)所示，由此推出總聲功率級的計算式如(7)所示。式(5)給出的Ld即為各頻率對應(yīng)的聲功率級LWi

2 試驗結(jié)果

鋼軌頻率響應(yīng)曲線表征鋼軌振動隨頻率的變化，通過對比標準鋼軌與約束型阻尼鋼軌的頻響曲線，分析阻尼處理對鋼軌振動的抑制作用。圖6給出了軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌與標準鋼軌垂向頻率響應(yīng)的對比。

圖6 阻尼鋼軌與標準鋼軌垂向頻響對比

由圖可知，阻尼鋼軌的振動在400 Hz以上得到明顯的衰減，響應(yīng)幅值明顯低于標準鋼軌；在400 Hz以下，阻尼鋼軌振動與標準鋼軌相近，該頻段內(nèi)阻尼處理對鋼軌振動抑制作用較小。在4 000 Hz以上，頻率響應(yīng)曲線相干性變差，故本文分析頻率上限為4 000 Hz，軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌和軌腰包覆型阻尼鋼軌具有相同的特征。圖7給出了三種阻尼鋼軌的頻響曲線比較，在0～1 000 Hz頻帶內(nèi)，各種阻尼鋼軌的振動幅值相差很小，在1 000 Hz以上，軌腰包覆型阻尼鋼軌的振動響應(yīng)最明顯，其次是軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌，軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌的減振效果最為明顯。由以上分析知，阻尼處理對較低頻率（400 Hz以下）的振動的抑制作用不明顯，對高頻振動具有良好的抑制作用；不同形式的阻尼處理在1 000 Hz以上的減振效果區(qū)別明顯；同時，阻尼處理不會改變鋼軌的固有屬性，只降低了共振頻率處的振動峰值。

圖7 三種阻尼鋼軌頻率響應(yīng)對比

通過對阻尼鋼軌頻響的分析可知，阻尼處理對較低頻率（400 Hz以下）的振動的抑制作用不明顯，自由支撐的阻尼鋼軌在該頻段的衰減率很小。圖8給出了自由支撐阻尼鋼軌和標準鋼軌的垂向衰減率，實驗室數(shù)據(jù)顯示，自由支撐的阻尼鋼軌衰減率均高于同等條件下標準鋼軌的衰減率，且隨頻率整體呈現(xiàn)出上升趨勢。三種阻尼鋼軌衰減率交替變化，總的來說軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌衰減率略高于其它兩種，其次是軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌。

圖8 自由支承鋼軌垂向衰減率

通過對自由支撐的阻尼鋼軌的衰減率與實際應(yīng)用中的標準鋼軌的衰減率[9]進行線性疊加，得到實際應(yīng)用中的阻尼鋼軌的衰減率，如圖9所示。低于400 Hz倍頻程帶時，阻尼鋼軌衰減率曲線幾乎與標準鋼軌重合，符合上述阻尼鋼軌頻響分析的結(jié)論。在鋼軌噪聲占主導(dǎo)的500 Hz～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)以及2 000 Hz以上，阻尼鋼軌衰減率明顯高于標準鋼軌。其中，軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌衰減率提高明顯的是在2 500 Hz倍頻程帶，衰減率為1.67 dB/m，標準鋼軌衰減率為1.17 dB/m，提高了0.50 dB/m；其次是2 000 Hz倍頻程帶，提高了0.41 dB/m。軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌在1 600 Hz倍頻程帶時衰減率為0.88 dB/m，標準鋼軌為0.60 dB/m，提高了0.28 dB/m；其次是在1 250 Hz倍頻程帶，提高了0.27 dB/m。軌腰包覆型阻尼鋼軌在1 000 Hz倍頻程帶時衰減率為0.59 dB/m，標準鋼軌為0.36 dB/m，提高了0.21 dB/m，其次是在1 250 Hz倍頻程帶，提高了0.20 dB/m。由數(shù)據(jù)分析知，三種約束型阻尼鋼軌衰減率相比標準鋼軌均有一定提高，其中軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌在三者中略占優(yōu)勢。

圖9 阻尼鋼軌與標準鋼軌垂向衰減率[9]對比

測試阻尼鋼軌衰減率的主要目的是為了評估阻尼鋼軌的聲學特性，阻尼鋼軌聲功率級可按式(5)計算，式中以圖1中標準鋼軌聲功率級為基礎(chǔ)，并用鋼軌衰減率加以修正。圖10給出了阻尼鋼軌與標準鋼軌的聲功率級頻譜圖。

圖10 阻尼鋼軌與標準鋼軌聲功率級頻譜圖

由圖可知，阻尼鋼軌在500 Hz～2 500 Hz倍頻程帶聲功率級較明顯地低于標準鋼軌。其中，軌腰+軌底+上部包覆型阻尼鋼軌在1 600 Hz倍頻程帶的聲功率級為100.64 dB(A)，標準鋼軌聲功率級為102.26 dB(A)，降低了1.62 dB(A)；其次是在1 000 Hz倍頻程帶，降低了1.61 dB(A)。軌腰+軌底包覆型阻尼鋼軌在1 000 Hz倍頻程帶的聲功率級為103.38 dB(A)，標準鋼軌為104.67 dB(A)，降低了2.19 dB(A)；其次是在1 250 Hz倍頻程帶，降低了1.68 dB(A)。軌腰包覆型阻尼鋼軌在1 000 Hz倍頻程帶的聲功率級為102.66 dB(A)，降低了2.01 dB(A)；其次是在630 Hz倍頻程帶，降低了1.42 dB(A)。

根據(jù)給出三種阻尼鋼軌各頻率下的聲功率級和公式(6)及(7)可疊加出各鋼軌的總聲功率級。標準鋼軌為110.7 dB(A)；軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌為109.4 dB(A)，降低了1.3 dB(A)；軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌為109.2 dB(A)，降低了1.5 dB(A)；軌腰包覆型阻尼鋼軌為109.3 dB(A)，降低了1.4 dB(A)。因此，三種約束型阻尼鋼軌有一定的降噪效果，且不同的阻尼處理之間的降噪效果相差甚小。

上述分析，討論了阻尼鋼軌的聲輻射特性和減振降噪性能。我們需要進一步了解約束型阻尼鋼軌對整個鐵路噪聲的抑制作用。通過對不同阻尼鋼軌與車輪、軌枕聲功率級進行疊加，得到相應(yīng)鐵路噪聲的總聲功率級，如表1所示，三種阻尼鋼軌均能在一定程度上降低鐵路總噪聲，其中，軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌的使用，能使鐵路總噪聲降低1.6 dB(A)；軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌能降低鐵路總噪聲1.7 dB(A)；軌腰包覆型阻尼鋼軌降低鐵路總噪聲1.6 dB(A)。

表 1不同鋼軌鐵路噪聲總值/dB(A)

3 結(jié)語

在實驗室中，對三種約束型阻尼鋼軌進行力錘敲擊試驗，測試其衰減率并計算分析其聲輻射特性。經(jīng)過對測試數(shù)據(jù)的處理分析，得出以下結(jié)論：

(1)阻尼處理對較低頻率（400 Hz以下）的振動的抑制作用不明顯，對高頻振動具有良好的抑制作用；

(2)阻尼處理不會改變鋼軌的固有屬性，只降低了共振頻率處的振動峰值；

(3)三種阻尼鋼軌的衰減率均高于標準鋼軌，且在鋼軌噪聲占主導(dǎo)作用的頻率區(qū)段內(nèi)減振效果明顯，衰減率最大提高了0.5 dB/m；

(4)三種阻尼鋼軌均有一定的降噪效果，可降低標準鋼軌輻射噪聲1.3 dB～1.5 dB(A)；

(5)約束型阻尼鋼軌能夠降低整個鐵路噪聲1.6 dB～1.7 dB(A)。

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Laboratory Measurement of Damped Rail Decay Rates andAnalysis of Noise Reduction

LIU Xiao-long1,ZHOU Xin1,LIU Yu-xia1, ZHUANG Ji-zhong2,XIAO Xin-biao1
(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Changzhou Lanjin Rubber Co.Ltd.,Changzhou 213164,Jiangsu China)

Hammering method was used to test the decay rates of damped rails and a standard rail in a laboratory.Their test results and sound spectra were compared and analyzed.The results show that the decay rates of the damped rails in low frequency range are close to that of the standard rail,but they are much higher than that of the standard rail in high frequency range.The decay rate of the damped rail No.1 at 2 500 Hz,No.2 at 1 600 Hz and No.3 at 1 000 Hz are respectively 0.5 dB/ m,0.28 dB/m and 0.21 dB/m higher than that of the standard rail.So,results of the analysis show that the damped rails can reduce the rail noise by 1.3 dB(A)-1.5 dB(A),and reduce the whole track noise by 1.6 dB(A)-1.7 dB(A).

vibration and wave;wheel-rail noise;damped rail;decay rate;frequency response

TB535；U211.3

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.006

1006-1355(2015)03-0024-05

2015－01－13

國家自然科學基金(U1434201)；教育部創(chuàng)新團隊(IRT1178)；教育部博士點基金(20130184110005)

劉曉龍（1990－），男，四川德陽人，碩士研究生，目前從事高速列車振動與噪聲研究。E-mail:xiaolong_liu_rmys@163.com

肖新標，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail:xiao@home.swjtu.edu.cn