時速80～250 km軌道交通輪軌噪聲源貢獻特性研究

葉 軍 郭 驍 王 冠 成 功

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

1 概述

粵港澳大灣區(qū)是中國未來開放程度最高、經(jīng)濟活力最強的區(qū)域之一，在我國經(jīng)濟、科技發(fā)展中具有重要戰(zhàn)略地位。灣區(qū)由城市群構(gòu)建，規(guī)劃構(gòu)建以軌道交通為骨干的區(qū)域公共交通體系，形成灣區(qū)1 h交通圈，以適應(yīng)城市之間高規(guī)模、高集聚、高時效、高品質(zhì)的交通需求。

粵港澳大灣區(qū)新一輪軌道交通線網(wǎng)建設(shè)項目包含設(shè)計速度80～250 km/h范圍內(nèi)多個速度等級[1-2]，涉及城市軌道交通(80～120 km/h)、市(郊)域軌道交通(120～160 km/h)和城際軌道交通(160～250 km/h)等。由于每個速度等級的軌道交通工程運行速度、列車軸重以及軌道結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵參數(shù)均不相同，由車輛運營引發(fā)的振動噪聲特性也不盡相同[3-6]。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究多集中于某一速度級范疇內(nèi)，研究80～250 km/h軌道交通噪聲源貢獻特性，有助于建立并完善適合80～250 km/h范圍內(nèi)不同速度等級的軌道交通輪軌系統(tǒng)振動噪聲傳播預(yù)測分析體系和綜合減振降噪技術(shù)體系。

2 噪聲計算分析模型

基于輪軌高頻相互作用機理，考慮軌道結(jié)構(gòu)實際參數(shù)，以及軌道無限長及周期性等因素，建立輪對動力學(xué)模型、軌道動力學(xué)模型[7-12]。

2.1 輪軌系統(tǒng)相互作用模型

輪對作為輪軌噪聲的主要來源，不能簡單地將其考慮為剛體，也要考慮旋轉(zhuǎn)對輪對振動帶來的影響?；谳唽Φ妮S對稱性，采用傅里葉級數(shù)法和有限元方法建立一系列動力學(xué)解耦的振動方程[13-16]，通過求解這些振動方程組，可以得到輪對的節(jié)點柔性振動響應(yīng)和5個剛體運動(垂向平動、橫向平動、旋轉(zhuǎn)、側(cè)滾及搖頭)。

軌道板振動采用薄板理論進行計算；扣件模擬為離散支撐的彈簧，連接軌道板和鋼軌，形成周期性離散支撐結(jié)構(gòu)；鋼軌在垂向模擬為鐵木辛柯梁；橫向模擬為組合梁(由軌頭、軌腰、軌底構(gòu)成)。采用2.5維有限元方法，對鋼軌各部橫截面采用二維網(wǎng)格劃分，并在垂直截面方向采用波數(shù)解進行求解，并考慮其無限長的特性；相應(yīng)計算均考慮荷載在鋼軌上的高速移動。

輪和軌通過垂、橫向的線性接觸彈簧進行連接，橫向接觸彈簧串聯(lián)一個粘滯阻尼器以模擬橫向的蠕滑阻力。本節(jié)建立的輪軌系統(tǒng)高頻相互作用模型考慮輪對快速旋轉(zhuǎn)對其振動的影響，并基于軌道結(jié)構(gòu)的周期特性考慮其無限長特性，以避免由于模型截斷帶來的計算誤差及端面反射對其振動特性的影響。

2.2 聲輻射模型

輪軌耦合系統(tǒng)及聲學(xué)空間模型見圖1。通過振動模型可以得到不同節(jié)徑輪對表面的法向振動，將其帶入到基于環(huán)向離散的邊界元方程中，即可得到輪對的聲輻射功率。對輪軌噪聲的評價指標通常采用固定于大地坐標系的標準點(圖1中P點)聲壓級。為預(yù)測輪對對標準點聲壓貢獻，將輪對模擬為兩列點聲源(包括一列鏡像聲源以考慮軌道板的聲反射)，考慮點聲源相對固定標準點的高速移動效應(yīng)，可得到列車單側(cè)車輪對標準點聲壓貢獻值。

圖1 輪軌耦合系統(tǒng)及聲學(xué)空間

通過振動模型，可以得到固定坐標系中單位移動荷載激勵下的鋼軌及軌道垂向振動，這些振動都可以離散為每個縱向傳播波的形式。軌道板可視為一塊無限長的面發(fā)聲體，并通過瑞利積分求解其對標準點的聲壓貢獻值。由于鋼軌截面更為復(fù)雜，采用2.5維邊界元方法得到無限長鋼軌對標準點的聲壓貢獻值，計算時考慮軌道板和車輛的聲反射影響。

2.3 不平順譜選用

軌道不平順是輪軌振動噪聲的激勵源頭，對于不同速度級的軌道交通線路，由于建設(shè)和養(yǎng)護標準等不同，平順性差異較大。將80 ～250 km/h分為3個速度級進行研究。其中，80～120 km/h線路采用“美國五級譜+王瀾譜”；120～160 km/h線路采用“德國低干擾譜+1.03倍ISO 3095—2013軌道粗糙度”；160～250 km/h線路采用“1.2倍高速鐵路無砟軌道譜”。各速度級軌道不平順譜見圖2。

圖2 各速度級軌道不平順譜

2.4 車輛和軌道參數(shù)

各速度級條件下，采用車輛與軌道參數(shù)如下。80～120 km/h速度級，采用地鐵B型車、普通長枕整體道床；120～160 km/h速度級，采用市域D型車、預(yù)制板式整體道床；160～250 km/h速度級，采用CRH6型車、預(yù)制板式整體道床。

2.5 模型驗證

對新白廣城際線路基段開展路外噪聲測試，測試評價指標為列車通過時間內(nèi)的等效聲壓級。測點布置見圖3，模型計算與測試結(jié)果見表1，測點1和測點2的預(yù)測值分別高出實測值0.8 dB(A)和1.8 dB(A)，計算結(jié)果與測試結(jié)果基本吻合，表明預(yù)測模型適用于環(huán)境噪聲預(yù)測計算。

圖3 測試斷面情況(單位：m)

表1 測試與預(yù)測結(jié)果對比

3 輪軌噪聲源貢獻特性分析

根據(jù)HJ453—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則》[17]，對于兩側(cè)有擋墻的高架段，其噪聲源強位于距軌道中心線7.5 m高、鋼軌頂面5 m處；對于路基段，其噪聲源強位于距軌道中心線7.5 m高、鋼軌頂面3.5 m處[17-18]。

噪聲總值評價采用列車通過時間內(nèi)的等效連續(xù)A聲壓級，其計算公式為

(1)

式中，t1為列車通過的起始時間；t2為列車通過的結(jié)束時間，起始和結(jié)束時間以列車短時通過時噪聲低于平均A聲級10 dB為準；PA為測試聲壓；P0為基準聲壓，2×10-5Pa。

下文中聲源頻譜特性采用1/3倍頻程內(nèi)的A計權(quán)分頻聲級進行分析，中心頻段的分析范圍為100～3 150 Hz。

3.1 80～120 km/h速度級聲源貢獻特性

第一速度等級(80～120 km/h)橋梁段和路基段對應(yīng)的軌道板、鋼軌、輪對及輪軌噪聲聲壓級見圖4、圖5。由圖可知，在橋梁段(噪聲源強位于距軌道中心線7.5 m高、鋼軌頂面5 m處)，第一速度級的噪聲源強為90.7～95.1 dB(A)；在路基段(噪聲源強位于距軌道中心線7.5 m高、鋼軌頂面3.5 m處)，第一速度級的噪聲源強為92.3～97 dB(A)。對比鋼軌、輪對和軌道板的聲壓級可發(fā)現(xiàn)，在第一速度級下，鋼軌噪聲對噪聲源強占主導(dǎo)貢獻。

圖4 第一速度級下輪軌系統(tǒng)各部分對噪聲源強貢獻量(橋梁段)

圖5 第一速度級下輪軌系統(tǒng)各部分對噪聲源強貢獻量(路基段)

橋梁地段80，100，120 km/h速度下鋼軌、軌道和輪對的1/3倍頻程聲壓級特性見圖6～圖8。由圖6～圖8可知，100～200 Hz頻段內(nèi)軌道板輻射噪聲最高，250～1 600 Hz內(nèi)鋼軌輻射噪聲最高，2 000 Hz以上輪對輻射噪聲最高。總體來看，500～1 000 Hz頻段內(nèi)的鋼軌噪聲對輪軌噪聲總值有主導(dǎo)貢獻。

圖6 鋼軌、軌道和輪對1/3倍頻程聲壓級(80 km/h)

圖7 鋼軌、軌道和輪對1/3倍頻程聲壓級(100 km/h)

圖8 鋼軌、軌道和輪對1/3倍頻程聲壓級(120 km/h)

3.2 120～250 km/h速度級聲源貢獻特性

由于速度對輪軌噪聲的影響主要體現(xiàn)在輪軌粗糙度上，第二、三速度級下的輪軌粗糙度差異不大，因此將這兩個速度級放在一起分析。圖9、圖10為120～250 km/h速度下橋梁段和路基段的軌道板、鋼軌、輪對及輪軌總聲壓級。

橋梁段(噪聲源強位于距軌道中心線7.5 m高、鋼軌頂面5 m處)，120～160 km/h速度級的噪聲源強為91.9～95.2 dB(A)，160～250 km/h速度級的噪聲源強為95.2～99.6 dB(A)；路基段(噪聲源強位于距軌道中心線7.5 m高、鋼軌頂面3.5 m處)，120～160 km/h速度級的噪聲源強為94.6～97.6 dB(A)，160～250 km/h速度級輪軌噪聲總值為97.6～102.5 dB(A)。對比鋼軌、輪對和軌道板的聲壓級可知，在不同速度下鋼軌噪聲對噪聲源強均占主導(dǎo)貢獻。

圖9 第二、三速度級下輪軌系統(tǒng)各部分對噪聲源強貢獻量(橋梁段)

圖10 第二、三速度級下輪軌系統(tǒng)各部分對噪聲源強貢獻量(路基段)

橋梁地段120～250 km/h速度下鋼軌、軌道板和輪對的1/3倍頻程聲壓級特性見圖11～圖14。由圖可知，250 Hz是一個分界頻率，該頻段軌道板和鋼軌的貢獻相當，高于250 Hz時鋼軌貢獻占據(jù)主導(dǎo)，低于250 Hz時軌道板貢獻占據(jù)主導(dǎo)；由于250 Hz以下軌道板的1/3倍頻程聲壓級對于總值的貢獻很小，故可以忽略軌道板的聲輻射貢獻；1 600 Hz和2 000 Hz是輪對噪聲和鋼軌噪聲的分界頻率，當速度為160 km/h，頻率高于2 000 Hz時，輪對貢獻高于鋼軌。當速度為250 km/h，頻率高于1 600 Hz時，輪對貢獻高于鋼軌?？傮w而言，隨速度增大，輪對噪聲在大于1 600 Hz的高頻頻段會快速增大，其增大的速率要高于鋼軌增大速率。

圖11 鋼軌、軌道和輪對1/3倍頻程聲壓級(140 km/h)

圖12 鋼軌、軌道和輪對1/3倍頻程聲壓級(160 km/h)

圖13 鋼軌、軌道和輪對1/3倍頻程聲壓級(200 km/h)

圖14 鋼軌、軌道和輪對1/3倍頻程聲壓級(250 km/h)

4 結(jié)語

基于粵港澳大灣區(qū)新一輪軌道交通線網(wǎng)建設(shè)的需求，對80～250 km/h軌道交通輪軌噪聲源貢獻特性進行分析，得到如下結(jié)論。

(1)在橋梁段(噪聲源強位于距軌道中心線7.5 m高、鋼軌頂面5 m處)，80～120 km/h速度級輪軌噪聲總值為90.7～95.1 dB(A)，120～160 km/h速度級輪軌噪聲總值為91.9～95.2 dB(A)，160～ 250 km/h速度級輪軌噪聲總值為95.2～99.6 dB(A)；在路基段(噪聲源強位于距軌道中心線7.5 m高、鋼軌頂面3.5 m處)，80～120 km/h速度級輪軌噪聲總值為92.3～97 dB(A)，120～160 km/h速度級輪軌噪聲總值為94.6～97.6 dB(A)，160～250 km/h速度級輪軌噪聲總值為97.6～102.5 dB(A)。

(2)3個速度級輪軌噪聲的組成特性類似，鋼軌均是輪軌噪聲的最主要噪聲源。在250 Hz以下頻段軌道板噪聲占據(jù)主導(dǎo)，在315～1 600 Hz的頻段鋼軌噪聲占據(jù)主導(dǎo)，在2 000 Hz以上頻段輪對噪聲占據(jù)主導(dǎo)。因此，控制輪軌噪聲首先需要控制鋼軌輻射噪聲，其控制的頻段主要集中在500～1 000 Hz的頻段范圍內(nèi)。