高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲特性研究

0 引言

隨著高速鐵路技術(shù)的迅猛發(fā)展，列車運(yùn)行速度的不斷提升，軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲問題日益凸顯，成為制約高速鐵路進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。振動(dòng)噪聲不僅影響乘客的乘坐舒適度，還可能對(duì)沿線居民的生活環(huán)境和周邊建筑物的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。

近年來，眾多學(xué)者針對(duì)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲特性展開了廣泛研究。蔡文鋒[1]等人在提速情況下對(duì)磁浮軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)及傳遞特性進(jìn)行了深入探討，揭示了提速對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響規(guī)律。黃瑞堂[2則通過城市軌道交通不同減振軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試與分析，為減振降噪提供了寶貴數(shù)據(jù)支持。

鑒于高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲特性的重要性及現(xiàn)有研究的局限性，本文進(jìn)一步探討高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理、傳播特性及影響因素，旨在為高速鐵路的安全、舒適、環(huán)保運(yùn)行提供理論支撐和技術(shù)參考。

1高速鐵路車致振動(dòng)及聲輻射特性

1.1無砟軌道振動(dòng)特性

針對(duì)鋪設(shè)于路基上的高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)體系，深入開展了動(dòng)力學(xué)仿真研究。本項(xiàng)目聚焦于軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)精確獲取扣件位置及其間距間的軌頂線位移導(dǎo)納信息，深入研究該關(guān)鍵部位在列車高速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)特性[3]。為了直觀展現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)特征，繪制無砟軌道振動(dòng)響應(yīng)頻率。軌道結(jié)構(gòu)跨中振動(dòng)響應(yīng)頻率如圖1所示。

在圖1中，“E”代表Ⅱ型軌，后面的數(shù)字“1”表示軌的版本號(hào)。觀察圖1發(fā)現(xiàn)，無砟軌道在兩個(gè)扣件的跨中點(diǎn)及扣件部位，軌頂測(cè)點(diǎn)在某些頻率點(diǎn)呈現(xiàn)明顯諧振峰。其中，在軌道斷點(diǎn)處，約 1000Hz 頻率處出現(xiàn)一個(gè)與pinned-pinned諧振頻率相對(duì)應(yīng)的諧振峰[4]。此外，在1710～2620Hz 范圍內(nèi)，出現(xiàn)與軌道二階pinned-pinned頻率相對(duì)應(yīng)的諧振峰。同時(shí)，在固定裝置截面， 1000Hz 和1850＼～2690Hz頻率范圍內(nèi)也觀察到共振峰。

1.2無砟軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)兩扣件間軌頂、軌腰、軌底等多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的軌道結(jié)構(gòu)扣件位置及其相關(guān)信息進(jìn)行精確提取，利用頻率域特征分析技術(shù)對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入剖析。通過這一系列的分析處理，獲得軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的頻域分析結(jié)果[5]。此結(jié)果為全面理解軌道結(jié)構(gòu)在列車高速行駛下的振動(dòng)特性提供數(shù)據(jù)支撐，也為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。鋼軌跨中振動(dòng)響應(yīng)如圖2所示，鋼軌扣件位置振動(dòng)響應(yīng)如圖3所示。

觀察圖3和圖4可見，在兩扣件的跨中及扣件位置，軌道的頂、腰、底部位移響應(yīng)曲線均呈現(xiàn)諧振峰。其體而言，軌道頂部在 1710Hz 和 2620Hz 處發(fā)生諧振，而腰部和底部則分別在 1920Hz 和 2740Hz 處產(chǎn)生諧振。與頂部相比，腰部和底部在 200Hz 以上的振動(dòng)傳輸存在損耗。值得注意的是，在 1250Hz 時(shí)，軌道底部的振動(dòng)較腰部更為顯著，傳導(dǎo)和插入損耗減少了12dB。此外，從軌道頂部至底部，高頻振動(dòng)逐漸放大，最大增幅達(dá)7.8dB。

2高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲影響因素

高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲特性受行車速度、軌道不平順、扣件剛度和扣件阻尼等多種參數(shù)影響，這些參數(shù)通過不同物理機(jī)制作用于軌道結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其振動(dòng)響應(yīng)和噪聲輻射特性。

2.1行車速度的影響

行車速度是影響高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵參數(shù)之一。隨著列車速度的提高，輪軌相互作用力顯著增加，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加劇，進(jìn)而輻射更多的噪聲。輪軌相互作用力 F（t） 可以表示為：

式中： m 為輪軌系統(tǒng)的等效質(zhì)量， c 為阻尼系數(shù)， k 為剛度系數(shù)， u（t） 為輪軌接觸點(diǎn)的位移。

隨著速度 v 的增加，輪軌接觸點(diǎn)的振動(dòng)頻率 f 也會(huì)增加，其關(guān)系為：

式中：入為軌道不平順的波長(zhǎng)。

振動(dòng)頻率的增加會(huì)導(dǎo)致噪聲輻射能量 W 的增加，其關(guān)系為：

W∝f²A²

式中：A為振動(dòng)幅值。

在實(shí)際運(yùn)行中，高速列車速度通常超過 300km/h ，這使得輪軌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加復(fù)雜。這不僅增加了輪軌接觸力的幅值，還使得振動(dòng)頻率向高頻區(qū)域移動(dòng)，從而導(dǎo)致高頻噪聲的顯著增加。此外，高速運(yùn)行還會(huì)加劇軌道結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，進(jìn)一步影響其振動(dòng)噪聲特性。因此，行車速度的增加會(huì)顯著提高軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲水平。

2.2軌道不平順的影響

軌道不平順是引起輪軌系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲的重要因素，可描述為軌道表面的幾何偏差 y（x） ，其中 X 為沿軌道的空間坐標(biāo)。軌道不平順的功率譜密度 S_y（w） 可以表示為：

式中： A_y 為不平順幅值系數(shù)，W為空間頻率， n 為冪指數(shù)。

軌道不平順會(huì)引起輪軌系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)，其振動(dòng)響應(yīng) u（ρ_W） 可以通過頻域分析得到：

u（w）=H（w）F（w）

式中： H（w） 為軌道結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)， F（w） 為輪軌作用力的頻域表示。

軌道不平順程度增加會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)幅值 A 的增加，進(jìn)而增加噪聲輻射能量 W 。軌道不平順的來源包括軌道鋪設(shè)誤差、軌道磨損和地基沉降等。這些不平順因素會(huì)激發(fā)輪軌系統(tǒng)的共振現(xiàn)象，尤其是在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，振動(dòng)幅值會(huì)顯著放大。例如，當(dāng)軌道不平順的波長(zhǎng)與輪軌系統(tǒng)的固有波長(zhǎng)匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振效應(yīng)，導(dǎo)致振動(dòng)噪聲的急劇增加。因此，減少軌道不平順是降低高速鐵路振動(dòng)噪聲的有效手段之一。

2.3扣件剛度的影響

扣件剛度是影響軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的重要參數(shù)，其直接影響軌道結(jié)構(gòu)的固有頻率，其關(guān)系為：

式中： k 為扣件剛度， m 為軌道結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量。

扣件剛度的增加會(huì)提高軌道結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而改變振動(dòng)能量的分布。振動(dòng)能量可以表示為：

式中： A 為振動(dòng)幅值。

當(dāng)扣件剛度過大時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量會(huì)集中在高頻區(qū)域，導(dǎo)致高頻噪聲的增加。當(dāng)剛度過小時(shí)，振動(dòng)能量會(huì)集中在低頻區(qū)域，導(dǎo)致低頻噪聲的增加。

在實(shí)際工程中，扣件剛度的選擇需要綜合考慮軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性和列車的運(yùn)行穩(wěn)定性。過高的剛度雖然可以提高軌道的支撐能力，但會(huì)增加高頻振動(dòng)噪聲。而過低的剛度則會(huì)導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形過大，影響列車的運(yùn)行平穩(wěn)性。因此，扣件剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)是降低振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵。

2.4扣件阻尼的影響

扣件阻尼是控制軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)衰減的關(guān)鍵參數(shù)，其阻尼系數(shù) c 直接影響振動(dòng)能量的耗散速率。振動(dòng)幅值A(chǔ)（t） 隨時(shí)間 t 的衰減可以表示為：

式中： A₀ 為初始振動(dòng)幅值， V 為阻尼比， W_n 為固 有頻率。

阻尼比與阻尼系數(shù)的關(guān)系為：

阻尼的增加會(huì)顯著降低振動(dòng)幅值 A（t） ，從而減少噪聲輻射能量 W 。然而，過大的阻尼會(huì)導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差，影響列車的運(yùn)行平穩(wěn)性。

在實(shí)際應(yīng)用中，扣件阻尼的設(shè)計(jì)需要平衡振動(dòng)衰減效果和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。適當(dāng)?shù)淖枘峥梢杂行б种栖壍澜Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)，減少噪聲輻射，但過大的阻尼會(huì)使得軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度增加，影響列車的運(yùn)行舒適性。因此，扣件阻尼的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要在振動(dòng)控制和運(yùn)行穩(wěn)定性之間找到最佳平衡點(diǎn)。

綜上所述，行車速度、軌道不平順、扣件剛度和扣件阻尼等參數(shù)通過不同的物理機(jī)制影響高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲特性，且各參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，共同決定了軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和噪聲輻射特性。通過優(yōu)化這些參數(shù)，可以有效降低高速鐵路的振動(dòng)噪聲水平，提高列車的運(yùn)行舒適性和環(huán)境友好性。

3高速鐵路減振降噪控制

3.1 控制方法

為有效控制鐵路振動(dòng)噪聲，在高速鐵路減振降噪控制設(shè)計(jì)中采用減振CRTSI型板式軌道。CRTSI型板式軌道本身具有結(jié)構(gòu)高度低、道床寬度小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，這些特性有助于減少振動(dòng)和噪音的產(chǎn)生。在CRTSI型板式軌道的設(shè)計(jì)過程中，可進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)，如軌道板的厚度、寬度以及材料的選擇等，以此增強(qiáng)其減振降噪效果。此外，為進(jìn)一步提升減振效果，可在軌道與軌枕之間鋪設(shè)減振墊或安裝減振器。這些減振裝置能夠有效地吸收和分散列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)能量，從而降低振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響。

3.2控制效果

在高速鐵路減振降噪控制方面，采用了減振CRTSI型板式軌道設(shè)計(jì)，對(duì)比應(yīng)用該方法前后的效果?？刂菩Ч麑?duì)比如圖4所示。從圖4中可以清晰地看到，振動(dòng)與噪聲水平均得到了有效控制。此次設(shè)計(jì)不僅提升了高速鐵路的乘坐舒適度，也有效減小了噪聲對(duì)沿線居民的影響。

4結(jié)束語

本研究深入探討了高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲特性，系統(tǒng)分析了無砟軌道的振動(dòng)及傳遞特性，并詳細(xì)分析了行車速度、軌道不平順、扣件剛度和扣件阻尼等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)振動(dòng)噪聲的影響。通過全面的理論分析與實(shí)證研究，提出了針對(duì)性的高速鐵路減振降噪控制方法，包括采用減振CRTSI型板式軌道設(shè)計(jì)以及優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)等措施。實(shí)踐結(jié)果顯示，所提出方法在顯著降低振動(dòng)與噪聲水平方面取得了顯著成效，不僅提升了乘客的乘坐舒適度，還有效減小了噪聲對(duì)沿線居民的影響。

參考文獻(xiàn)

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