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嘉峪檢測網 2017-12-22 11:39
發展高速鐵路必須要考慮噪聲問題，高速列車噪聲產生機理分析表明，鐵路噪聲主要由輪軌噪聲，氣動噪聲和結構噪聲等組成.隨著速度的進一步提高，輪軌噪聲和氣動噪聲越來越成為主要因素，因此本文著重論述了輪軌噪聲和氣動噪聲的產生原理，噪聲源的預測和研究方法，據此提出了相應的降噪措施。
國家將在未來3-5年內，投入2.2萬億，建設18000km的高速鐵路，形成新一輪的國家戰略交通建設高潮，列車時速將達到250至300公里，隨著大量鐵路的興建與列車運行速度的日益提高，列車運行對周邊環境的影響日益增大，高速列車引起的周邊環境振動與噪聲污染問題成為一個亟待解決的重要問題。
根據國內外鐵路噪聲理論研究和試驗測試：鐵路噪聲主要由結構噪聲、輪軌噪聲和空氣動力噪聲等組成，按照結構噪聲、輪軌噪聲和空氣動力噪聲占主導所對應的列車運行速度范圍，可以將列車運行速度分為 3 個區段，2 個不同區段分界點的列車運行速度稱之為聲學轉換速度。列車的聲學轉換速度不是固定不變的，它與列車和軌道的狀態、所采取的減振降噪措施有關。
經研究表明，當列車的速度達到每小時250--300公里時，列車以輪軌噪聲為主；隨著速度的進一步提高，氣動噪聲的貢獻越來越大。因此，對于高速列車，著重研究輪軌噪聲和氣動噪聲對于防治噪聲的污染有著非常重要的意義。
1. 研究思路與方法
采用了頻域-時域相結合的研究方法，首先用根據車輛-軌道耦合系統動力學計算求得非線性輪軌力時域歷程，并轉換為頻域輪軌力譜；然后運用虛擬激勵法，結合輪軌系統結構導納，求得輪軌系統結構表面的速度譜；最后利用聲輻射效率把輪軌系統的振動轉換成噪聲，并求得總噪聲。
2. 輪軌系統振動響應
振動是噪聲的源頭，要精確預測輪軌系統噪聲輻射，必須準確模擬輪軌系統結構的振動。
A. 車輛-軌道耦合振動
列車-軌道耦合振動系統由機車車輛子系統、軌道子系統和輪軌耦合子系統構成。其中機車車輛子系統被視為具有1、2系懸掛的由車體、轉向架構架及輪對組成的剛體系統。不考慮車體、轉向架構架及輪對的彈性變形，并假設車體前后左右對稱，轉向架構架左右對稱，車輛模型共有35個自由度，即車體沉浮、橫擺，點頭，側滾和搖頭運動，前后轉向架構架沉浮、橫擺、點頭、側滾和搖頭運動，4個輪對沉浮、橫擺，點頭，側滾和搖頭運動。
高速鐵路中常采用的軌道結構有有砟軌道、彈性支承塊無砟軌道、板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道等。軌道子系統鋼軌可視為無限長Timoshenko梁，考慮了鋼軌垂向和橫向的橫截面變形和轉動慣量的影響，根據不同形式的軌下結構，建模有不同，如有砟軌道，軌下結構采用多層連續彈性離散點支承，軌枕和道床可視為質量塊，軌枕考慮其垂向、橫向和扭轉運動，而道床只考慮垂向振動。
軌耦合子系統是車輛 - 軌道耦動力學的核心，它是車輛子系統和軌道子系統之的連接紐帶，二子系統之間的耦合與反饋作用均通過輪軌關系來實現。輪軌法向力由赫茲非線性彈性接觸理論確定，輪軌切向蠕滑力由Kalker線性蠕滑理論和沈氏理論確定。
B. 輪軌系統隨機響應
運行于軌道上的列車受到隨機不平順激擾時，會產生隨機的輪軌相互作用力，由于車輛-軌道耦合系統存在較強的非線性因素，故這種隨機輪軌相互作用力只能在時域內得到。對于輪軌噪聲貢獻比較顯著的主要部件是車輪、鋼軌、軌枕和軌道板等，只要知道這些部件的導納特性，把時域中隨機輪軌相互作用力轉換成輪軌力譜作為系統的激勵，就可以運用虛擬激勵法得到部件表面相應的速度響應譜。
假設列車在直線軌道上行駛，且各輪軌產生的輪軌力相同，就可以用單源同相位激勵模型。對于列車在軌道上行駛時各輪軌產生的輪軌力是不相同的實際情況，可以用多點激勵模型。
3. 輪軌表面粗糙度
輪軌表面粗糙度是輪軌滾動噪聲的激勵輸入。因此，輪軌表面粗糙度的合理與否，直接關系到輪軌隨機振動響應及噪聲輻射的模擬結果的正確與否。人們一直努力探求符合實際的輪軌表面粗糙度的表達方法及輸入形式。通常，輪軌表面粗糙度用粗糙度(空間)譜來表達，由于輪軌表面粗糙度的隨機性，其譜只能通過實驗測量的方法得以確定。
對于速度高于200km·h的高速列車來說，大于250mm 的不平順波長仍然可以激起數百赫的振動，而 100 Hz 以上的振動所輻射噪聲是很容易為人們所感受到的。文中將粗糙度最大波長取為500mm，此時，對于一列200km·h-360km·h的列車來說，可激起的振動響應最小頻率為111Hz～200Hz，能有效地模擬100Hz以上的振動。
4. 輪軌接觸域的濾波特性
輪軌表面粗糙度中波長小于或等于輪軌接觸域尺寸的成分，對激發輪軌系統振動作用會被削弱。為此引入濾波函數H(k)，用以考慮粗糙度譜中短波作用特性。Remington詳細推導了這種接觸濾波作用的數學表達式：
式中，b 為接觸橢圓半徑，k 為沿軌長或輪圓周方向的粗糙度波數，α為定波數下兩平行線粗糙度的相關系數，Jl 為貝塞爾函數。由于α的確定較困難，目前通常假定輪軌兩平行線間粗糙度完全相關，此時有α→ 0，上式簡化為：
5. 聲輻射比及聲輻射臨界頻率
輻射比(又稱輻射系數或輻射效率)是聯系結構振動與聲輻射的橋梁，任意結構的聲輻射比σ定義為由結構輻射入半空間(即結構的一側)的聲功率除以與此構具有相同表面積和相同均方振動速度的大型活塞所輻射的聲功率。如果能夠建起車輪和鋼軌的聲輻射比，則輪軌振動向空間輻射的噪聲估算就變得容易。
6. 輪軌系統噪聲輻射模擬
當一列車通過時，可采用平均聲壓級來描述鐵路旁的聲場。平均聲能定義為: 列車通過測點期間所輻射的聲能對通過時間的均方平均。為了將輪軌系統的振動轉換為鐵路旁的噪聲級，將車輪和鋼軌及軌枕分開來討論是必要的。常，將車輪聲輻射看成一系列通過路旁觀察點的簡單點聲源的疊加 ,而鋼軌及軌枕可以被看作一個有限長通過觀察點的線聲源。
7. 輪軌噪聲的研究方法總結
通過建立較細致的列車 — 軌道動態相互作用模型，從輪軌系統振動分析入手，在討論輪軌表面粗糙度譜、輪軌接觸濾波、輪軌聲輻射和軌道及路面的反射等基礎上 ,給出了輪軌滾動噪聲的數值計算方法 。
8. 降低輪軌噪聲的措施
針對輪軌系統噪聲的產生,認為應采取以下幾方面的控措施：
研究設計合理的車輪結構及輪上的減振降噪措施。
研制高性能彈性和阻尼材料, 對于降低輪軌噪聲可起到明顯的效果。
防振減噪型鋼軌的研究, 應用在城市軌道交通上, 可明顯降低振動噪聲, 這方面研究和創新的領域是廣闊的。
合理的鋼軌打磨策略和鋼軌保養策略, 研究合理的鋼軌打磨限值和打磨周期, 保持良好的軌道狀態, 都有利于降低輪軌噪聲。
新型軌下基礎的研究。
1. 高速列車氣動噪聲產生機理
根據流體聲學理論，流體發聲產生于流體與固體的相互作用或流體的自由運動，由3種線性聲學典型聲源—單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源組成。
單極子聲源與脈動球體產生的聲波波陣面同相位，指向性為一圓球，如列車車門滲漏噪聲屬于單極子聲源發聲；
當流體中存在障礙物，流體與物體間產生不穩定反作用力，引起非穩態氣流，造成周期性渦旋脫落，形成偶極子聲源，如氣流流經受電弓時產生的渦流單音噪聲；
若媒質中無質量或熱量注入，也不存在障礙物，唯有粘滯應力可能輻射聲波，則為四極子聲源，可看作由一對極性相反的偶極子聲源組成，如附著在列車車身表面自由湍流層產生的氣動噪聲。該聲源對列車總氣動噪聲影響較小，但分布面廣，較難抑制，且隨列車運行速度的提高而逐漸增加。
綜上所述，偶極子聲源是高速列車氣動噪聲的主要聲源，包括氣流流經列車各結構部件表面產生的氣動噪聲和車身表面脈動壓力產生的振動聲輻射。
2. 數值仿真技術
由于控制流動問題的偏微分方程組非常復雜，要得到精確解析解較為困難，因此，一般采用有限元法、有限差分法和有限體積法等數值方法，對流體區域進行離散化，通過一定的原則建立并求解離散區域節點上的代數方程，以獲得所求變量的近似解。
近年來，計算流體動力學(CFD)理論和數值方法不斷改進，已被廣泛應用于高速列車空氣動力學性能優化和頭型設計等關鍵技術的研究。與C F D相比，計算氣動聲學(CAA)理論需進一步完善，但相應的數值模擬技術也已被應用于高速列車氣動噪聲的仿真計算。一般先計算出高速列車表面的瞬時壓力脈動變化，再計算外部脈動源作用下，聲音在外流場聲媒介中的傳播。
A. 直接模擬方法
利用直接數值求解完整的三維非定常方程組，計算湍流所有瞬時流動量( 包括脈動)在三維流場中的時間演變。具有極高的時空分辨率，但需要非常大的計算機內存容量與機時耗費。
B. 雷諾時均方程法
該方法廣泛應用于復雜結構的工程計算，它對所有的湍流尺度進行?；螅蠼饨涍^雷諾平均的方程組，給出流場的統計平均量。通過假定雷諾應力，并引人湍流模型方程，使方程封閉。
C. 大渦模擬方法
限于計算機容量和速度，放棄全尺度湍流的直接數值模擬，將流場所有變量分成大尺度渦和小尺度渦。大渦包含主要能量，影響氣動噪聲的產生與輻射，小渦則關系著能量的最終耗散。因此，需建立數學濾波函數，過濾掉湍流方程中小尺度渦，分解出大渦運動方程，進行直接計算。而小尺度脈動更趨于各向同性，受邊界條件的影響較小，存在通用模型。
D. 格子玻爾茲曼方法
該方法基于統計力學，為分析湍流問題提供了不同途徑。通過格子玻爾茲曼方程中包含更普遍適用的渦粘性模式，確定湍流脈動，不再依賴于湍流渦尺度分離的假設。
另外，運用理論進行氣動聲學的直接計算，僅限于簡單的幾何外形。方法分別進行空氣動力和聲場的計算，采用射流(模型)、空腔流(衍射模型)與尾流等特定分析方法，根據計算流體動力學建立聲源模型，其局限性在于，計算前均需預先建立其解析模型，以獲得其源項。
3. 測試技術
A. 聲陣列
聲陣列技術對測量信號具有強指向性，能夠分辨物體輻射噪聲的全場測量和空間位置，并有效識別寬帶噪聲源，在測得噪聲信號聲壓級的同時，通過“ 延遲-累加” 算法獲取聲源的空間分布和強度，得到整個輻射表面的不同發聲信號源位置，給出被測物體全場同一時刻的聲學特性。
B. 聲反射鏡
聲反射鏡由拋物反射面和位于其焦點處的一個或多個傳聲器組成，可用于風洞或現場特定位置聲源的測定。聲反射鏡(或聲陣列)技術的優點在于，可直接測得純聲波信號，受高速列車車外氣動壓力波的影響較小。缺點為測試信號持續時間短，較難準確識別和從統計學描述不同噪聲源，也使得分析信號頻譜與確定其方向性的難度增加。
4. 風洞
風洞被廣泛應用于飛行器和車輛的空氣動力學性能測試，而氣動聲學特性的試驗需采用低噪聲或消聲風洞。日本鐵路技術研究所(RTRI)用于鐵路噪聲研究的 Mai bara低噪聲風洞，橫截面為3m×2.5m，長度為8m，模擬最大風速達400km/h，可進行整個車輛部件的氣動性能測試，如受電弓實尺模型。若研究整車的空氣動力特性，則需采用比例模型(如1∶5或1∶7) 。
法國TGV高速列車縮尺模型在消聲風洞內進行的氣動聲學測試。風洞測試中，聲陣列和聲反射鏡技術同樣可用來確定噪聲源的位置和強度。若風洞采用活動地板面，調整其運行速度，便可準確模擬車體底部和地面間的剪切流。風洞測試的優點在于可進行參數研究和識別各部分噪聲源的貢獻量，但需注意測試采用的比例模型與實際結構間的差異，對于類似轉向架的復雜結構，縮尺模型往往不能完全反映出實際結構的氣動特性，應進行運行列車的在線測試。
5. 在線測試
高速列車氣動噪聲在線測試，通過在運行列車的車體被測試部位安裝類似于傳聲器的探測器( 位于流場內) ，記錄統計意義上的穩態信號，分析后提取其聲學信息。該方法優點在于可獲得較長的時間序列進行統計平均與分析。缺點為所得測試信號成分較雜，包含不同噪聲源產生的聲波信號和車外流場內湍流形成的氣動壓力波信號，因此，需采用特殊處理途徑將兩類信號分離出來。
6. 防治氣動噪聲的措施
進行頭車( 包括雪犁覆蓋罩) 氣動外形優化，提高流線化程度；
保持車身表面平順光滑，避免凹陷或外突而形成表面階差；
門、 窗應確保良好密封，并與車身光滑過渡；
車體底架兩側( 包括轉向架) 設置裙部；
進行尾車流線型設計，優化列車尾部氣動性能，降低尾流氣動噪聲。
7. 氣動噪聲的未來研究進展
高速列車氣動噪聲的研究表明：應準確識別各部位氣動聲源，分析其形成機理和對總的車外輻射噪聲的貢獻，然后基于理論研究和現場試驗，綜合考慮行車安全性和乘坐舒適性等性能，進行高速列車低噪聲的設計和優化。確定高速列車空氣動力性能與氣動噪聲特性的變化規律和影響因素時，數值模擬的優點在于： 節省成本、 縮短研制周期并減少風險，并且可對實際問題的大量工況進行整體模擬。而在線實測與風洞試驗周期長且費用昂貴，有些部位(如頭車前轉向架)氣流復雜，僅憑試驗手段很難完全理解其氣動噪聲的產生機理。
因此，對于高速列車不同部位的氣動噪聲源，應選擇相應的適合方法進行研究， 以準確了解其物理機制和特性。高速列車氣動噪聲未來研究重點應在充分考慮氣動非穩態效應的基礎上，發展高速列車氣流復雜部位氣動噪聲數值分析的新方法與新途徑，由風洞或在線試驗進行驗證。進一步深入研究和認識頭車前轉向架等關鍵部位氣動噪聲的真正成因后，才能采取相應措施，有效地進行高速列車噪聲的控制。
來源：AnyTesting
