城市轨道交通高架结构噪声研究的进展

    城市轨道交通的高架结构与地下结构相比，具有建设周期短、建设费用低的优势，但噪声污染已成为制约其发展的主要因素。长期以来，国内外相关研究集中在轮轨和车辆等声源产生的中、高频振动噪声方面，而对桥梁结构产生的低频振动噪声研究较少，甚至不被重视。文献［１］认为：声屏障能最大地减小总体噪声并可能是有效的，进一步减小噪声应基于减小轮轨滚动噪声而不是专门去减小桥梁结构噪声。然而，当城市轨道交通的列车速度低于８０　ｋｍ／ｈ时，结构噪声成为高架噪声的主要来源之一［２］。日本也将桥梁结构噪声作为高速铁路主要噪声源之一。总体而言，对高架结构低频噪声的研究近年来逐渐活跃，香港和日本的研究成果可以作为代表。

    １　有关桥梁结构声振特性的研究

    研究人员通过数值计算与实际测试得到桥梁结构噪声的频率主要分布在０～３００Ｈｚ范围内，且当列车以不同的速度通过时，不同测点位置的峰值频率多集中在５０Ｈｚ左右。这表明峰值频率与列车速度的关系不大［３－７］。但文献 ［２］对上海轨道交通３号线实测数据进行分析，得到桥梁结构噪声峰值频率出现在８０～１２５Ｈｚ之间，高于其他研究者的峰值频率。因此，在研究结构噪声的频率特性时可不计车速的影响，将频率控制在３００Ｈｚ以下。

    相关研究认为结构声辐射或声压与列车车速有一定的关系，但目前认识还不统一。日本高速铁路高架线的测试结果表明，距离高架桥线路中心２５ｍ时桥梁结构噪声与列车速度有一定的相关性（见图１）［４］度的影响。文献［８］研究了一般边界条件下矩形正交各向异性薄板在移动荷载作用下的振动声辐射问题，其分析表明，移动荷载的速度越大，产生的声压越大。而文献［２］的结论是结构的低频噪声随列车速度的增加无显著变化，其结论不同于前述研究者。因此车速对噪声大小的影响还须作进一步研究。文献［９］认为，车速越低，桥面振动辐射噪声对总噪声的贡献度越大。

    文献［５］、［１１］对混凝土高架结构的噪声与振动模态进行研究后认为：桥梁整体模态对结构声辐射贡献不大，局部模态的频率高于整体模态的频率，却能够更有效地辐射结构噪声。当以腹板模态进行振动时，腹板边缘的输入阻抗小，如果和中心模态有相当的辐射效率，则频率小于５２０Ｈｚ的腹板模态可能辐射更大的噪声。试验结果也证实，不能假定腹板激振总是增加输入阻抗而有效降低了噪声辐射。结构噪声的峰值主要源于混凝土结构的共振，振动共振比声共振重要得多；为了减少高架结构的结构噪声，振动共振是要分析的一个重要方面。箱形梁腹板的局部模态是平面外的振动模态，其对声辐射的影响要大于腹板平面内随桥梁振动的低频整体模态；而顶板和底板振动的整体模态和局部模态都属于平面外的振动模态，这两种振动模态都能对声辐射有影响，同时局部模态的高频率影响更大。