轨道交通噪声机理研究与控制

　　引言

　　轨道交通与其它交通工具相比,具有快捷、运输量大、安全可靠性高等优势。随着我国城市化水平的提高,轨道交通成为许多大都市优先发展的公共基础设施。其中,城市轻轨作为一种造价比地铁系统低的交通工具,在我国各大城市发展很快,除上海的明珠线外,北京已经有一条投入运营,重庆等一些城市正在建设中。轨道交通所带来的负面因素是对环境的振动和噪声污染,特别对沿线的生活和工作的居民影响最大,这在一定程度上制约着轨道交通的发展。在欧洲的一些国家,轨道交通噪声污染问题受到高度重视,不采取降噪措施,将会被限制经营或是被要求降低行车速度。

　　目前,国内已经开始对轨道交通噪声机理与控制的某些方面进行研究,而国外对此有更加广泛和深入的工作。简要介绍近年来国外这方面的进展,包括噪声产生的机理,声屏障的计算,轮、轨的优化设计和一些降噪的途径和方法等内容。

　　1 振动与噪声产生的机理

　　关于轮/轮噪声与振动产生的机理一般[1]在行车速度不是很高的情况下(<80km/h)分成三大类:

　　(1)滚动噪声(rolling noise)

　　在直轨中,由于轮轨表面的波动(不均匀)导致轮轨的垂直振动,从而辐射噪声。通常这种不“平”和不“均匀”指轮轨表面的“粗糙度”,其响应的波长处于5-200mm之间,幅值从小于1至50μm之间(图1)。这种“粗糙度”引起滚动噪声可以有两种方式验证:采用不同的轮轨制动方式,产生不同的轮轨粗糙度特性,从而引起不同噪声;基于轮轨粗糙度的输入的噪声预测计算模型与实验符合。由于轮轨表面的波动而引起的滚动噪声的产生的物理过程如下:

　　轮轨表面的波动y轮/轨的振动响应y声辐射y传播至接受点[2]轮轨噪声预测软件TWINS(Track-Wheel Interac-tion NoiseSoftware)就是基于以上理论的,采用的是一个线性模型(特定波长的轮轨表面的波动对应于相应频率的噪声辐射),适合于计算20-80km/h的机车速度,许多国外的相关文献的计算中使用了TWINS程序,并做出了很好的评价。此外,较知名的计算轮轨噪声的软件还有RIM程序[3]。

　　但由粗糙度至噪声这样的模型并不对所有情况都合适,文献[4]指出有用最光滑的铁轨所得到的噪声实验结果却不是最好的。因为虽然有时粗糙度下降了,但接触面宽度,轨道刚度会起作用,等效的粗糙度会增加,噪声反而会上升。

　　(2)冲击噪声(impact noise)

　　冲击噪声是滚动噪声的一种极端情况,产生于轮或轨表面不连续处,如轨道的接缝处,焊点处,接近车站处等,主要也是垂直方向的振动,但非线性起了显著作用。