高速鐵路調(diào)頻約束阻尼鋼軌的降噪性能

王夢(mèng) 王繼軍 劉海濤 劉偉斌

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

高速鐵路沿線噪聲問題日益引起人們的重視和關(guān)注。鋼軌輻射噪聲是鐵路噪聲的重要組成部分。針對(duì)不同運(yùn)營(yíng)條件，國(guó)內(nèi)外專家開展了多種鋼軌噪聲控制技術(shù)研究。文獻(xiàn)［1-2］研究了在軌腰兩側(cè)粘貼黏彈性阻尼材料的自由阻尼鋼軌技術(shù)，通過增加振動(dòng)沿鋼軌縱向的衰減率實(shí)現(xiàn)在較寬頻帶內(nèi)抑制鋼軌振動(dòng)；文獻(xiàn)［3-6］研究了在自由阻尼鋼軌的阻尼層外側(cè)增設(shè)約束層的約束阻尼鋼軌技術(shù)，通過阻尼層和約束層在振動(dòng)時(shí)的變形差強(qiáng)迫阻尼層發(fā)生剪切變形，耗散能量，從而降低鋼軌振動(dòng)的振幅和傳播距離；文獻(xiàn)［7-10］研究了在鋼軌上安裝動(dòng)力吸振系統(tǒng)的調(diào)諧阻尼鋼軌，通過質(zhì)量-彈簧阻尼系統(tǒng)的吸振作用降低鋼軌振動(dòng)響應(yīng)；文獻(xiàn)［11］研究了在軌腰兩側(cè)安裝吸聲板的降噪措施，通過阻斷鋼軌輻射噪聲的傳播路徑和吸收噪聲的方式減小環(huán)境噪聲。

研究和應(yīng)用較多的降噪措施主要有2類：降低鋼軌振動(dòng)抑制噪聲源；阻斷鋼軌輻射噪聲傳播路徑。目前多采用單一措施進(jìn)行鋼軌噪聲控制，且多以城市軌道交通等中低速運(yùn)營(yíng)條件為主，對(duì)高速運(yùn)營(yíng)條件下的鋼軌噪聲控制技術(shù)研究較少。調(diào)頻約束阻尼鋼軌同時(shí)采用約束阻尼降噪和動(dòng)力吸振2種措施。本文針對(duì)高速運(yùn)營(yíng)條件下鋼軌的振動(dòng)特性［12］，研究調(diào)頻約束阻尼鋼軌的降噪性能。

1 調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安裝有調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)的鋼軌稱為調(diào)頻約束阻尼鋼軌。調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)由3部分組成（圖1），即約束阻尼降噪板、諧振式動(dòng)力吸振器和固定夾。

圖1 調(diào)頻約束阻尼鋼軌

約束阻尼降噪板連續(xù)布置在鋼軌軌腰兩側(cè)，用以減小鋼軌噪聲輻射。諧振式動(dòng)力吸振器（簡(jiǎn)稱吸振器）由諧振塊和彈性體構(gòu)成，布置在相鄰扣件之間的鋼軌翼緣表面，用以抑制對(duì)鋼軌振動(dòng)能量貢獻(xiàn)較大的特殊頻率的振動(dòng)。固定夾將約束阻尼降噪板和吸振器壓緊，使之貼合在鋼軌表面上。改變固定夾的夾持力可以調(diào)節(jié)吸振器固有頻率，滿足不同頻率的控制需求。

2 吸振器主要參數(shù)研究

大量研究表明，約束阻尼鋼軌可在較寬頻帶內(nèi)抑制鋼軌噪聲。本文只研究在列車高速運(yùn)營(yíng)條件下吸振器的主要參數(shù)對(duì)鋼軌振動(dòng)衰減特性的影響。

2.1 模型建立

利用有限元法建立鋼軌-吸振器有限元模型，見圖2。60 kg/m鋼軌采用實(shí)體單元模擬；扣件采用彈簧單元模擬，下部為固定約束，扣件靜剛度為23 kN/mm，扣件間距為0.63 m；吸振器中諧振塊和彈性體均采用實(shí)體單元模擬，彈性體與鋼軌、彈性體與諧振塊之間通過共用節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)協(xié)同變形和振動(dòng)。為消除邊界效應(yīng)的影響，模型長(zhǎng)12.6 m，兩端采用對(duì)稱約束。

圖2 鋼軌-吸振器有限元模型

在模型中間截面施加60 kN瞬態(tài)荷載模擬高速運(yùn)營(yíng)條件下的沖擊荷載。以中間截面軌底中心豎向振動(dòng)加速度為研究對(duì)象，計(jì)算不同參數(shù)下1/3倍頻程中心頻率處的振動(dòng)加速度級(jí)，對(duì)比研究諧振塊質(zhì)量m、彈性體彈性模量E及阻尼c對(duì)鋼軌振動(dòng)特性的影響。

2.2 諧振塊質(zhì)量對(duì)鋼軌振動(dòng)特性的影響

在E=3.0 MPa，c=15.0 kN·s/m條件下，計(jì)算得出m分別為1.5，3.0，4.5，6.0 kg時(shí)鋼軌的振動(dòng)特性，并與無吸振器時(shí)進(jìn)行對(duì)比，見圖3。

圖3 諧振塊取不同質(zhì)量時(shí)鋼軌頻域特性

由圖3可知：吸振器對(duì)200 Hz以下中低頻范圍內(nèi)的振動(dòng)有放大作用；在高速鐵路鋼軌主頻對(duì)應(yīng)的800～1 400 Hz頻域內(nèi)，鋼軌振動(dòng)加速度級(jí)隨諧振塊質(zhì)量增加而減小，m=1.5 kg時(shí)在800 Hz處仍存在振動(dòng)加速度級(jí)增大現(xiàn)象，m≥3.0 kg時(shí)各中心頻率處振動(dòng)加速度級(jí)均明顯減小。因此，諧振塊質(zhì)量不宜小于3.0 kg。

2.3 彈性體彈性模量對(duì)鋼軌振動(dòng)特性的影響

在m=3.0 kg，c=15.0 kN·s/m條件下，計(jì)算得出E分別為0.3，1.0，3.0，10.0 MPa時(shí)鋼軌的振動(dòng)特性，并與無吸振器時(shí)進(jìn)行對(duì)比，見圖4。

圖4 彈性體取不同彈性模量時(shí)鋼軌頻域特性

由圖4可知：在200 Hz以下中低頻范圍內(nèi)，E越大振動(dòng)加速度放大作用越大；E=10.0 MPa時(shí)，在800 Hz以下頻段內(nèi)存在較強(qiáng)的放大作用；在高速鐵路鋼軌主頻對(duì)應(yīng)的800～1 400 Hz范圍內(nèi)，鋼軌振動(dòng)加速度級(jí)隨E增加而減小，且分頻振動(dòng)加速度級(jí)插入損失隨頻率增高而增大。因此，彈性體彈性模量宜取為1.0～3.0 MPa。

2.4 彈性體阻尼對(duì)鋼軌振動(dòng)特性的影響

在m=3.0 kg，E=3.0 MPa條件下，計(jì)算得出c分別為3.0，7.5，15.0，30.0 kN·s/m時(shí)鋼軌的振動(dòng)特性，并與無吸振器時(shí)進(jìn)行對(duì)比，見圖5。

圖5 彈性體取不同阻尼時(shí)鋼軌頻域特性對(duì)比

由圖5可知：在125 Hz以下中低頻范圍內(nèi)，彈性體取不同阻尼時(shí)鋼軌振動(dòng)加速度級(jí)基本相當(dāng)，c對(duì)鋼軌振動(dòng)特性影響不大；在高速鐵路鋼軌主頻對(duì)應(yīng)的800～1 400 Hz范圍內(nèi)，鋼軌振動(dòng)加速度級(jí)隨c增加而減小，且分頻振動(dòng)加速度級(jí)插入損失隨頻率增高而增大。因此，彈性體阻尼宜取為7.5～15.0 kN·s/m。

3 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證調(diào)頻約束阻尼鋼軌的降噪效果，在國(guó)家鐵路試驗(yàn)中心環(huán)形試驗(yàn)場(chǎng)建立試驗(yàn)段進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)段（圖6）位于路基地段，曲線半徑1 432 m，外軌超高125 mm，鋪設(shè)長(zhǎng)度160 m，其中120 m位于無砟軌道地段，兩端各20 m位于有砟軌道地段。試驗(yàn)采用三節(jié)編組市域列車，速度v選取70，100，120 km/h。

圖6 試驗(yàn)段調(diào)頻約束阻尼鋼軌

為消除相鄰軌道影響，在軌道中間斷面（里程80 m斷面）上布設(shè)傳感器。為研究調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)對(duì)鋼軌振動(dòng)加速度級(jí)的影響，在鋼軌上布置傳感器測(cè)量加速度；為研究安裝調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)前后列車通過時(shí)的等效聲級(jí)及噪聲頻譜特性，在距離軌道中心線4，25，30 m處各選1個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)傳感器測(cè)量等效聲級(jí)，見圖7。其中測(cè)點(diǎn)A，B分別位于軌面以上0.5，3.5 m處，測(cè)點(diǎn)C（邊界測(cè)點(diǎn)）位于地面以上1.2 m處［13］。

圖7 測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

3.2 鋼軌振動(dòng)加速度

列車以不同速度通過時(shí)，根據(jù)傳感器測(cè)得的加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出安裝調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)前后鋼軌振動(dòng)的頻域特性。以車速較快的120 km/h為例，鋼軌豎向、橫向振動(dòng)加速度分頻振級(jí)見圖8。

圖8 v=120 km/h時(shí)，鋼軌振動(dòng)加速度分頻振級(jí)

由圖8可知，安裝調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)后，鋼軌豎向和橫向振動(dòng)加速度級(jí)在較寬頻域內(nèi)均有所降低，在630～1 600 Hz頻域減振效果顯著，在高速鐵路鋼軌主頻所在的800～1 400 Hz頻域內(nèi)豎向、橫向振動(dòng)加速度分頻振級(jí)分別降低 7.1～13.2 dB，8.5～11.0 dB。因此，調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)對(duì)鋼軌振動(dòng)有抑制作用。

3.3 等效聲級(jí)

安裝調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)前后，列車以不同速度通過時(shí)各測(cè)點(diǎn)等效聲級(jí)見圖9，其中各速度下的等效聲級(jí)均為多次測(cè)試結(jié)果的平均值。

圖9 不同車速下各測(cè)點(diǎn)等效聲級(jí)

由圖9可知，不同車速下安裝調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)后各測(cè)點(diǎn)的等效聲級(jí)均有所下降，測(cè)點(diǎn)A，B，C處等效聲級(jí)插入損失分別為3.0～4.0，3.6～4.6，2.7～4.0dB（A）。因此，調(diào)頻約束阻尼鋼軌有降噪作用。

3.4 環(huán)境噪聲頻域特性

為研究調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)的主要作用頻率，列車以不同速度通過時(shí)，對(duì)比分析安裝調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)前后邊界測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)C）噪聲的頻域特性。以車速較快的120 km/h為例，典型測(cè)次1/3倍頻程中心頻率處的聲壓級(jí)見圖10。可知，試驗(yàn)所采用的調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)主要降噪頻段為 400～2 500 Hz，其中 630～1 600 Hz效果顯著。

圖10 v=120 km/h時(shí)邊界測(cè)點(diǎn)噪聲頻域特性

4 結(jié)論

本文針對(duì)高速鐵路鋼軌振動(dòng)特性，對(duì)調(diào)頻約束阻尼鋼軌的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了理論研究，并進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

1）有限元分析表明，高速鐵路采用調(diào)頻約束阻尼鋼軌時(shí)諧振塊質(zhì)量不宜小于3.0 kg，彈性體彈性模量宜為1.0～3.0 MPa，彈性體阻尼宜為7.5～15.0 kN·s/m。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)可在較寬頻域內(nèi)降低鋼軌豎向和橫向振動(dòng)，在630～1 600 Hz頻域效果顯著，可抑制以800～1 400 Hz為主頻的高速鐵路鋼軌的振動(dòng)。

3）安裝調(diào)頻約束阻尼系統(tǒng)前后環(huán)境噪聲測(cè)試結(jié)果表明，在試驗(yàn)車速下，距軌道中心線30 m、地面以上1.2 m處的邊界測(cè)點(diǎn)等效聲級(jí)插入損失為2.7～4.0 dB（A），試驗(yàn)所采用的調(diào)頻約束阻尼鋼軌主要降噪頻段為 400～2 500 Hz，其中 630～1 600 Hz降噪效果顯著。