軌道工程課件：軌道減振與降噪

1軌道減振與降噪本講主要內(nèi)容成因標準及限值控制措施2一、成因軌道交通振動成因軌道交通振動來源于輪軌耦合振動。根據(jù)產(chǎn)生機制不同又可分為準靜態(tài)和動態(tài)荷載產(chǎn)生的振動兩大類。前者是與車輛的軸距、定距和車長等參數(shù)有關。后者是由車輪和軌道不平順、鋼軌接頭和車輪扁疤沖擊激勵以及周期性軌枕、周期性軌道板和橋梁參數(shù)激勵等多種機制誘發(fā)的。3一、成因在1~80Hz的頻率范圍內(nèi)，建筑振動會引起人體的可感振動；在16~250Hz頻段內(nèi)，地面環(huán)境振動可導致建筑物的墻壁和樓板產(chǎn)生振動，進而輻射結構噪聲。4一、成因軌道交通噪聲成因軌道交通大量研究表明，軌道交通環(huán)境噪聲由多種機制的噪聲源組成，每種機制的噪聲源都有其自身的源位置、強度特性、頻譜特性、方向性和速度依賴性等特征。這些噪聲源大致可分為三大類：第一類為輪軌噪聲，由輪軌相互作用引起且主要受車輪粗糙度、鋼軌粗糙度和鋼軌振動衰減率的影響；第二類是牽引噪聲和輔助設備噪聲；最后一個是空氣動力噪聲，由流經(jīng)列車的氣流引起。5一、成因1.輪軌噪聲滾動噪聲沖擊噪聲曲線尖嘯聲輪軌系統(tǒng)相互作用而使車輪與軌道部件所產(chǎn)生的噪聲稱為輪軌噪聲。6一、成因（1）滾動噪聲軌道交通最重要的噪聲源是車輪與鋼接觸時車輪和鋼軌的振動所產(chǎn)生的滾動噪聲。由輪軌系統(tǒng)動力學特性可知，車輪和鋼軌表面的粗超不平順會引起輪軌系統(tǒng)的垂向振動，振動由車輪和軌道結構傳播到空氣中后，就會形成聲輻射。7一、成因（2）沖擊噪聲車輪經(jīng)過鋼軌接頭處或鋼軌其他不連續(xù)部位及有局部缺陷時所產(chǎn)生的噪聲。當車輪撞擊不連續(xù)部位時，就會在垂直速度上產(chǎn)生瞬時變化，這一變化可以導致輪軌接觸面產(chǎn)生一個巨大的沖擊力，從而激勵車輛和鋼軌振動而輻射出強烈的噪聲。沖擊噪聲幅值大小由鋼軌接頭的高差決定，而與接縫的寬度關系不大。8一、成因（3）曲線尖嘯聲列車通過曲線時發(fā)出的尖嘯聲也是輪軌相互作用引起的，但其特性與滾動噪聲完全不同。列車通過曲線時，轉(zhuǎn)向架的運動狀態(tài)是由兩種運動復合而成的平面運動，即轉(zhuǎn)向架繞回轉(zhuǎn)中心平動和繞回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動。在曲線上，由于輪軌間存在有間隙，所以前輪對外側車輪對曲線外軌形成一個沖角，由于轉(zhuǎn)向架繞回轉(zhuǎn)中心平動，導致車輪沿鋼軌表面滑動，使車輪表面上出現(xiàn)黏著作用和滑行，車輪在共振作用下產(chǎn)生振動而產(chǎn)生強烈的窄帶高調(diào)噪聲，它的產(chǎn)生與車輪某一階共振模態(tài)所對應的振動形式有關。滾動噪聲產(chǎn)生機理示意圖沖擊噪聲的產(chǎn)生和傳播示意圖摩擦噪聲的產(chǎn)生和傳播示意圖典型滾動噪聲頻譜圖例10一、成因2.牽引及輔助設備噪聲牽引噪聲是列車牽引電機、壓縮機、齒輪箱以及冷卻風扇等牽引系統(tǒng)設備運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲。這類噪聲的大小在很大程度上取決于車輛性能的優(yōu)劣。11一、成因3．空氣動力噪聲列車高速運行時，其周圍的空氣流動會形成氣動噪聲。列車運行時，其周圍的這種氣流往往很復雜，且包含有列車周邊的湍流邊界層。平直表面的氣流，由于存在表面摩擦，氣流在緊貼表面處的速度為零，但離表面足夠遠后，氣流的速度為未受干擾的來流速度U（行駛中的列車同樣適用該原理，氣流的速度為氣流相對于列車的速度）。這兩個極端速座之間的空氣構成為一個邊界層。由于黏性作用，這種層狀氣流很快會形成一個湍流邊界層。列車周圍湍流邊界層形成示意圖12一、成因3．空氣動力噪聲大量試驗研究表明空氣動力噪聲大小與列車速度有關，大約以列車速度的6次方增加，在列車速度250km/h以下時，相對于其它噪聲是次要的，但當列車以更高速度行駛時，車體氣動噪聲逐漸變?yōu)橹饕曉础?3一、成因4．集電系統(tǒng)噪聲集電弓噪聲主要由電弧噪聲、受電弓系統(tǒng)氣動噪聲和受電弓滑動噪聲組成。電弧噪聲是受電弓與導線之間發(fā)生脫離，產(chǎn)生離線現(xiàn)象而發(fā)出的電火花聲。由于受線路、車輛結構等多方面因素的影響，在車輛運行時，容易產(chǎn)生因受電弓脫離導線而產(chǎn)生的電火花聲。14一、成因5．橋梁結構噪聲列車通過高架橋梁時，振動能量通過軌道結構傳遞到橋面及其他橋梁構件，并激發(fā)其振動，振動著的各橋梁構件形成一個個“聲板”，由此形成噪聲的“二次輻射”。這種橋梁結構振動所產(chǎn)生的噪聲是地面線路和地下線路所沒有的。橋梁結構噪聲多以低頻為準，其幅值大小和頻譜特性與橋梁類型有關。通常直接緊固的鋼橋噪聲幅值最大，混凝土橋次之。15二、振動與噪聲標準及限值1．軌道交通環(huán)境振動限值我國現(xiàn)行的用于評價軌道交通環(huán)境振動水平的標準有《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》（GB10070-1998）[10]和《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T170-2009），評價指標分別為最大Z振級(VLz,max)和分頻最大振級(VLmax)。16二、振動與噪聲標準及限值1．軌道交通環(huán)境振動限值17二、振動與噪聲標準及限值2．軌道交通噪聲限值我國現(xiàn)行的用于評價軌道交通環(huán)境噪聲水平的標準有《聲環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3096-2008）和《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》（GB12525-90），評價指標均為等效聲級(Leq)。18三、振動與噪聲的控制措施1．軌道交通振動控制措施一般而言振動控制技術按機理的不同可以分為以下五大類：①消振。減小振源的源強，為治本之法；②隔振。即在振源與受振對象之間設置隔振器，以減小振動的傳輸；③吸振。即在受振對象上附加動力吸振器，產(chǎn)生吸振力以減小振源激勵對受振對象的影響；④阻振，即阻尼減振。在受振對象上附加阻尼器或阻尼元件，通過消耗能量來抑制振動；⑤結構修改。通過修改受振對象的動力學特征參數(shù)使其振動響應滿足要求，不需附加任何子系統(tǒng)。19三、振動與噪聲的控制措施（1）基于消振技術的減振措施消振技術從振源入手，降低振動源強。從能量角度考慮，消振的最終結果是減小輸入到系統(tǒng)的總能量。對于軌道交通而言，振動源于輪軌動力相互作用，因此能減小輪軌作用的措施均能起到減振的效果。從車輛入手，減小軸重，可以減小輪軌沖擊，據(jù)有關研究表明，不同軸重列車引起的振動差可近似表示為：式中：W1和W2分別為兩種車的軸重。20三、振動與噪聲的控制措施（1）基于消振技術的減振措施合理設置車輛的定距、固定軸距和列車長度或者通過調(diào)節(jié)列車運行速度可以起到一定減振作用。對于鋼軌，采用重型鋼軌可以減少高頻振動。輪軌不平順是激起隨機振動的重要因素，因此盡量避免出現(xiàn)鋼軌接頭、定期打磨鋼軌、鏇削車輪、小半徑曲線鋼軌定期涂油和保持軌道良好的平順性等措施均能起到減振作用。作為以降低振源源強為目標的技術，消振技術不用給原結構附加子結構，因此與其它減振措施相比，更易于實現(xiàn)。21三、振動與噪聲的控制措施（2）基于隔振技術的減振措施隔振技術是從振動傳遞路徑入手，減小振動能量向受振對象傳遞。從能量角度考慮，隔振的最終結果是引起系統(tǒng)能量重分配。隔振技術會引起振動能量的重分配，也就是說采取隔振措施后，環(huán)境振動得到抑制，但是會引起其他一些結構振動的增大，實踐證明這些附加振動所帶來的次生危害是非常顯著的。因此，采取隔振措施時，應考慮振動能量合理分配。22三、振動與噪聲的控制措施（2）基于隔振技術的減振措施軌道結構是一個由多層子結構組成的復合體系。從扣件系統(tǒng)入手，增加扣件系統(tǒng)的彈性，即降低其剛度可以起到隔振作用，采用此技術可以開發(fā)一系列減振扣件。從軌枕入手，在軌枕底部粘貼彈性材料也可以起到隔振作用。從道床入手，增加道床彈性也可以起到隔振作用。23三、振動與噪聲的控制措施（2）基于隔振技術的減振措施24三、振動與噪聲的控制措施（3）基于吸振技術的減振措施吸振技術是指在受振對象上附加動力吸振器從而實現(xiàn)減振的一種技術。從能量角度考慮，吸振是通過把受控對象的振動能量轉(zhuǎn)移到動力吸振器上去。目前在軌道交通減振中，這種技術主要應用在抑制鋼軌和橋梁的振動上，即鋼軌動力吸振器和橋梁動力吸振器。實踐證明這兩種動力吸振器對于抑制環(huán)境噪聲的效果優(yōu)于其抑制振動的效果，所以相關研究放到下一小節(jié)進行論述。25三、振動與噪聲的控制措施（4）基于阻振技術的減振措施阻振即采用阻尼減振。阻振技術能降低受振對象在共振頻率附近的動響應和寬帶隨機激勵下響應的均方根值。與吸振技術相比，阻振技術也是通過將受振對象的能量進行轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)減振，但是兩者的不同之處在于阻振技術將轉(zhuǎn)移后的能量轉(zhuǎn)化為熱能等耗散掉，而吸振技術則是將轉(zhuǎn)移后的能量轉(zhuǎn)化為吸振器的機械能。目前在軌道交通減振中，這種技術主要應用在抑制鋼軌和鋼橋的振動上。26三、振動與噪聲的控制措施（5）基于動力修改技術的減振措施對于軌道交通減振而言，動力修正技術主要用在沿線建筑物的振動控制上。從軌道振源傳遞到軌道沿線建筑物基礎的激勵存在一個或若干個優(yōu)勢頻率（卓越頻率），為了避免出現(xiàn)共振，應當改變建筑物的自振頻率以遠離這些優(yōu)勢頻率。建筑結構的自振頻率由其質(zhì)量和剛度所決定，因此要在軌道交通沿線新建結構物時，應在設計階段對建筑物的自振特性進行計算分析，避免由附近的軌道交通誘發(fā)過大的振動。27三、振動與噪聲的控制措施2．軌道交通噪聲控制措施軌道交通噪聲按產(chǎn)生機理有結構振動噪聲和氣動噪聲兩大類，按噪聲源不同又包含輪軌噪聲、橋梁結構二次噪聲、集電系統(tǒng)噪聲和空氣動力噪聲等。從環(huán)境噪聲控制工程學來講，控制噪聲途徑有三：抑制噪聲源、控制傳播路徑和保護接受者。從降噪機理來講，環(huán)境噪聲控制技術可分為：消聲、吸聲和隔聲三大類。其中，消聲是指從噪聲的源頭減弱噪聲源強；隔聲是指從傳播路徑阻擋聲能往接收者傳播；吸聲則是指在噪聲傳播路徑上使聲波發(fā)生摩擦和阻尼作用，將一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能等。28三、振動與噪聲的控制措施（1）針對輪軌噪聲的降噪措施輪軌噪聲屬于振動噪聲的范疇，因此凡是能減小輪軌振動的措施均能降低輪軌噪聲。如消除鋼軌接頭、定期打磨鋼軌、鏇削車輪、小半徑曲線鋼軌定期涂油等能降低輪軌表面粗糙度的措施。對鋼軌和車輪采取阻振和動力吸振也能較好地抑制輪軌噪聲。29三、振動與噪聲的控制措施（1）針對輪軌噪聲的降噪措施30三、振動與噪聲的控制措施（1）針對輪軌噪聲的降噪措施吸聲型聲屏障31三、振動與噪聲的控制措施（2）針對橋梁結構二次噪聲的降噪措施橋梁結構二次噪聲也屬于振動噪聲，且橋梁噪聲主要集中在20-200Hz頻段。要對橋梁進行降噪，總的來講有四個思路：減小由軌道輸入到橋梁的激勵、改善橋梁結構的動力特性、對橋梁采取吸、阻振措施和采取吸隔聲技術。減小橋梁輸入激勵的方法有兩個：其一減小高架軌道系統(tǒng)總的輸入激勵，即減小輪軌相互作用；其二是增大軌道系統(tǒng)的彈性。彈性道床板橋梁32三、振動與噪聲的控制措施（3）針對空氣動力噪聲的降噪措施空氣動力噪聲屬于氣動噪聲的范疇。其降噪途徑主要有提高列車的整體性、平順性、密封性和減少空氣阻力等。對于列車轉(zhuǎn)向架主要有：在轉(zhuǎn)向架兩側適當高度處設置車底裙板結構，外型面保持與車體一致，以阻擋側向涌入轉(zhuǎn)向架部位的氣流，從而減小車外縱向氣流阻力，進而起到降噪作用。對于車輛連接部分，設置外風擋和縮小兩車體外表面間距，可以起到較好的降噪效果。對于車體，則可以通過對車頭和車尾進行流線形優(yōu)化、保持車身表面平順光滑、確保車門和窗密封性等措施降低噪聲輻射。33三、振動與噪聲的控制措施（4）針對集電系統(tǒng)噪聲的降噪措施集電系統(tǒng)噪聲也屬于氣動噪聲的范疇。國內(nèi)外對于降低集電系噪聲也做了大量的研究。優(yōu)化受電弓形狀和受電弓導流罩，在受電弓弓頭（接觸送電線的部件）上安裝等離子體激勵器，以及通過平滑弓頭及支撐座和采用多孔材料覆蓋受電弓表面等措施都可以降低集電系統(tǒng)噪聲。34三、振動與噪聲的控制措施（5）軌道交通環(huán)境噪聲綜合處理技術軌道交通環(huán)境噪聲按噪聲源不同可分為輪軌噪聲、橋梁結構二次噪聲、集電系統(tǒng)噪聲和空氣動力噪聲四大類，目前關于這四類噪聲的降噪措施種類較多，但是各種降噪措施的成本、降噪效果和實現(xiàn)難易程度有所不同。因此，如何合理地匹配各種降噪措施，以最小的成本實現(xiàn)最大