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嘉峪检测网 2017-12-22 11:39
发展高速铁路必须要考虑噪声问题，高速列车噪声产生机理分析表明，铁路噪声主要由轮轨噪声，气动噪声和结构噪声等组成.随着速度的进一步提高，轮轨噪声和气动噪声越来越成为主要因素，因此本文着重论述了轮轨噪声和气动噪声的产生原理，噪声源的预测和研究方法，据此提出了相应的降噪措施。
国家将在未来3-5年内，投入2.2万亿，建设18000km的高速铁路，形成新一轮的国家战略交通建设高潮，列车时速将达到250至300公里，随着大量铁路的兴建与列车运行速度的日益提高，列车运行对周边环境的影响日益增大，高速列车引起的周边环境振动与噪声污染问题成为一个亟待解决的重要问题。
根据国内外铁路噪声理论研究和试验测试：铁路噪声主要由结构噪声、轮轨噪声和空气动力噪声等组成，按照结构噪声、轮轨噪声和空气动力噪声占主导所对应的列车运行速度范围，可以将列车运行速度分为 3 个区段，2 个不同区段分界点的列车运行速度称之为声学转换速度。列车的声学转换速度不是固定不变的，它与列车和轨道的状态、所采取的减振降噪措施有关。
经研究表明，当列车的速度达到每小时250--300公里时，列车以轮轨噪声为主；随着速度的进一步提高，气动噪声的贡献越来越大。因此，对于高速列车，着重研究轮轨噪声和气动噪声对于防治噪声的污染有着非常重要的意义。
1. 研究思路与方法
采用了频域-时域相结合的研究方法，首先用根据车辆-轨道耦合系统动力学计算求得非线性轮轨力时域历程，并转换为频域轮轨力谱；然后运用虚拟激励法，结合轮轨系统结构导纳，求得轮轨系统结构表面的速度谱；最后利用声辐射效率把轮轨系统的振动转换成噪声，并求得总噪声。
2. 轮轨系统振动响应
振动是噪声的源头，要精确预测轮轨系统噪声辐射，必须准确模拟轮轨系统结构的振动。
A. 车辆-轨道耦合振动
列车-轨道耦合振动系统由机车车辆子系统、轨道子系统和轮轨耦合子系统构成。其中机车车辆子系统被视为具有1、2系悬挂的由车体、转向架构架及轮对组成的刚体系统。不考虑车体、转向架构架及轮对的弹性变形，并假设车体前后左右对称，转向架构架左右对称，车辆模型共有35个自由度，即车体沉浮、横摆，点头，侧滚和摇头运动，前后转向架构架沉浮、横摆、点头、侧滚和摇头运动，4个轮对沉浮、横摆，点头，侧滚和摇头运动。
高速铁路中常采用的轨道结构有有砟轨道、弹性支承块无砟轨道、板式无砟轨道和双块式无砟轨道等。轨道子系统钢轨可视为无限长Timoshenko梁，考虑了钢轨垂向和横向的横截面变形和转动惯量的影响，根据不同形式的轨下结构，建模有不同，如有砟轨道，轨下结构采用多层连续弹性离散点支承，轨枕和道床可视为质量块，轨枕考虑其垂向、横向和扭转运动，而道床只考虑垂向振动。
轨耦合子系统是车辆 - 轨道耦动力学的核心，它是车辆子系统和轨道子系统之的连接纽带，二子系统之间的耦合与反馈作用均通过轮轨关系来实现。轮轨法向力由赫兹非线性弹性接触理论确定，轮轨切向蠕滑力由Kalker线性蠕滑理论和沈氏理论确定。
B. 轮轨系统随机响应
运行于轨道上的列车受到随机不平顺激扰时，会产生随机的轮轨相互作用力，由于车辆-轨道耦合系统存在较强的非线性因素，故这种随机轮轨相互作用力只能在时域内得到。对于轮轨噪声贡献比较显著的主要部件是车轮、钢轨、轨枕和轨道板等，只要知道这些部件的导纳特性，把时域中随机轮轨相互作用力转换成轮轨力谱作为系统的激励，就可以运用虚拟激励法得到部件表面相应的速度响应谱。
假设列车在直线轨道上行驶，且各轮轨产生的轮轨力相同，就可以用单源同相位激励模型。对于列车在轨道上行驶时各轮轨产生的轮轨力是不相同的实际情况，可以用多点激励模型。
3. 轮轨表面粗糙度
轮轨表面粗糙度是轮轨滚动噪声的激励输入。因此，轮轨表面粗糙度的合理与否，直接关系到轮轨随机振动响应及噪声辐射的模拟结果的正确与否。人们一直努力探求符合实际的轮轨表面粗糙度的表达方法及输入形式。通常，轮轨表面粗糙度用粗糙度(空间)谱来表达，由于轮轨表面粗糙度的随机性，其谱只能通过实验测量的方法得以确定。
对于速度高于200km·h的高速列车来说，大于250mm 的不平顺波长仍然可以激起数百赫的振动，而 100 Hz 以上的振动所辐射噪声是很容易为人们所感受到的。文中将粗糙度最大波长取为500mm，此时，对于一列200km·h-360km·h的列车来说，可激起的振动响应最小频率为111Hz～200Hz，能有效地模拟100Hz以上的振动。
4. 轮轨接触域的滤波特性
轮轨表面粗糙度中波长小于或等于轮轨接触域尺寸的成分，对激发轮轨系统振动作用会被削弱。为此引入滤波函数H(k)，用以考虑粗糙度谱中短波作用特性。Remington详细推导了这种接触滤波作用的数学表达式：
式中，b 为接触椭圆半径，k 为沿轨长或轮圆周方向的粗糙度波数，α为定波数下两平行线粗糙度的相关系数，Jl 为贝塞尔函数。由于α的确定较困难，目前通常假定轮轨两平行线间粗糙度完全相关，此时有α→ 0，上式简化为：
5. 声辐射比及声辐射临界频率
辐射比(又称辐射系数或辐射效率)是联系结构振动与声辐射的桥梁，任意结构的声辐射比σ定义为由结构辐射入半空间(即结构的一侧)的声功率除以与此构具有相同表面积和相同均方振动速度的大型活塞所辐射的声功率。如果能够建起车轮和钢轨的声辐射比，则轮轨振动向空间辐射的噪声估算就变得容易。
6. 轮轨系统噪声辐射模拟
当一列车通过时，可采用平均声压级来描述铁路旁的声场。平均声能定义为: 列车通过测点期间所辐射的声能对通过时间的均方平均。为了将轮轨系统的振动转换为铁路旁的噪声级，将车轮和钢轨及轨枕分开来讨论是必要的。常，将车轮声辐射看成一系列通过路旁观察点的简单点声源的叠加 ,而钢轨及轨枕可以被看作一个有限长通过观察点的线声源。
7. 轮轨噪声的研究方法总结
通过建立较细致的列车 — 轨道动态相互作用模型，从轮轨系统振动分析入手，在讨论轮轨表面粗糙度谱、轮轨接触滤波、轮轨声辐射和轨道及路面的反射等基础上 ,给出了轮轨滚动噪声的数值计算方法 。
8. 降低轮轨噪声的措施
针对轮轨系统噪声的产生,认为应采取以下几方面的控措施：
研究设计合理的车轮结构及轮上的减振降噪措施。
研制高性能弹性和阻尼材料, 对于降低轮轨噪声可起到明显的效果。
防振减噪型钢轨的研究, 应用在城市轨道交通上, 可明显降低振动噪声, 这方面研究和创新的领域是广阔的。
合理的钢轨打磨策略和钢轨保养策略, 研究合理的钢轨打磨限值和打磨周期, 保持良好的轨道状态, 都有利于降低轮轨噪声。
新型轨下基础的研究。
1. 高速列车气动噪声产生机理
根据流体声学理论，流体发声产生于流体与固体的相互作用或流体的自由运动，由3种线性声学典型声源—单极子声源、偶极子声源和四极子声源组成。
单极子声源与脉动球体产生的声波波阵面同相位，指向性为一圆球，如列车车门渗漏噪声属于单极子声源发声；
当流体中存在障碍物，流体与物体间产生不稳定反作用力，引起非稳态气流，造成周期性涡旋脱落，形成偶极子声源，如气流流经受电弓时产生的涡流单音噪声；
若媒质中无质量或热量注入，也不存在障碍物，唯有粘滞应力可能辐射声波，则为四极子声源，可看作由一对极性相反的偶极子声源组成，如附着在列车车身表面自由湍流层产生的气动噪声。该声源对列车总气动噪声影响较小，但分布面广，较难抑制，且随列车运行速度的提高而逐渐增加。
综上所述，偶极子声源是高速列车气动噪声的主要声源，包括气流流经列车各结构部件表面产生的气动噪声和车身表面脉动压力产生的振动声辐射。
2. 数值仿真技术
由于控制流动问题的偏微分方程组非常复杂，要得到精确解析解较为困难，因此，一般采用有限元法、有限差分法和有限体积法等数值方法，对流体区域进行离散化，通过一定的原则建立并求解离散区域节点上的代数方程，以获得所求变量的近似解。
近年来，计算流体动力学(CFD)理论和数值方法不断改进，已被广泛应用于高速列车空气动力学性能优化和头型设计等关键技术的研究。与C F D相比，计算气动声学(CAA)理论需进一步完善，但相应的数值模拟技术也已被应用于高速列车气动噪声的仿真计算。一般先计算出高速列车表面的瞬时压力脉动变化，再计算外部脉动源作用下，声音在外流场声媒介中的传播。
A. 直接模拟方法
利用直接数值求解完整的三维非定常方程组，计算湍流所有瞬时流动量( 包括脉动)在三维流场中的时间演变。具有极高的时空分辨率，但需要非常大的计算机内存容量与机时耗费。
B. 雷诺时均方程法
该方法广泛应用于复杂结构的工程计算，它对所有的湍流尺度进行模化后，求解经过雷诺平均的方程组，给出流场的统计平均量。通过假定雷诺应力，并引人湍流模型方程，使方程封闭。
C. 大涡模拟方法
限于计算机容量和速度，放弃全尺度湍流的直接数值模拟，将流场所有变量分成大尺度涡和小尺度涡。大涡包含主要能量，影响气动噪声的产生与辐射，小涡则关系着能量的最终耗散。因此，需建立数学滤波函数，过滤掉湍流方程中小尺度涡，分解出大涡运动方程，进行直接计算。而小尺度脉动更趋于各向同性，受边界条件的影响较小，存在通用模型。
D. 格子玻尔兹曼方法
该方法基于统计力学，为分析湍流问题提供了不同途径。通过格子玻尔兹曼方程中包含更普遍适用的涡粘性模式，确定湍流脉动，不再依赖于湍流涡尺度分离的假设。
另外，运用理论进行气动声学的直接计算，仅限于简单的几何外形。方法分别进行空气动力和声场的计算，采用射流(模型)、空腔流(衍射模型)与尾流等特定分析方法，根据计算流体动力学建立声源模型，其局限性在于，计算前均需预先建立其解析模型，以获得其源项。
3. 测试技术
A. 声阵列
声阵列技术对测量信号具有强指向性，能够分辨物体辐射噪声的全场测量和空间位置，并有效识别宽带噪声源，在测得噪声信号声压级的同时，通过“ 延迟-累加” 算法获取声源的空间分布和强度，得到整个辐射表面的不同发声信号源位置，给出被测物体全场同一时刻的声学特性。
B. 声反射镜
声反射镜由抛物反射面和位于其焦点处的一个或多个传声器组成，可用于风洞或现场特定位置声源的测定。声反射镜(或声阵列)技术的优点在于，可直接测得纯声波信号，受高速列车车外气动压力波的影响较小。缺点为测试信号持续时间短，较难准确识别和从统计学描述不同噪声源，也使得分析信号频谱与确定其方向性的难度增加。
4. 风洞
风洞被广泛应用于飞行器和车辆的空气动力学性能测试，而气动声学特性的试验需采用低噪声或消声风洞。日本铁路技术研究所(RTRI)用于铁路噪声研究的 Mai bara低噪声风洞，横截面为3m×2.5m，长度为8m，模拟最大风速达400km/h，可进行整个车辆部件的气动性能测试，如受电弓实尺模型。若研究整车的空气动力特性，则需采用比例模型(如1∶5或1∶7) 。
法国TGV高速列车缩尺模型在消声风洞内进行的气动声学测试。风洞测试中，声阵列和声反射镜技术同样可用来确定噪声源的位置和强度。若风洞采用活动地板面，调整其运行速度，便可准确模拟车体底部和地面间的剪切流。风洞测试的优点在于可进行参数研究和识别各部分噪声源的贡献量，但需注意测试采用的比例模型与实际结构间的差异，对于类似转向架的复杂结构，缩尺模型往往不能完全反映出实际结构的气动特性，应进行运行列车的在线测试。
5. 在线测试
高速列车气动噪声在线测试，通过在运行列车的车体被测试部位安装类似于传声器的探测器( 位于流场内) ，记录统计意义上的稳态信号，分析后提取其声学信息。该方法优点在于可获得较长的时间序列进行统计平均与分析。缺点为所得测试信号成分较杂，包含不同噪声源产生的声波信号和车外流场内湍流形成的气动压力波信号，因此，需采用特殊处理途径将两类信号分离出来。
6. 防治气动噪声的措施
进行头车( 包括雪犁覆盖罩) 气动外形优化，提高流线化程度；
保持车身表面平顺光滑，避免凹陷或外突而形成表面阶差；
门、 窗应确保良好密封，并与车身光滑过渡；
车体底架两侧( 包括转向架) 设置裙部；
进行尾车流线型设计，优化列车尾部气动性能，降低尾流气动噪声。
7. 气动噪声的未来研究进展
高速列车气动噪声的研究表明：应准确识别各部位气动声源，分析其形成机理和对总的车外辐射噪声的贡献，然后基于理论研究和现场试验，综合考虑行车安全性和乘坐舒适性等性能，进行高速列车低噪声的设计和优化。确定高速列车空气动力性能与气动噪声特性的变化规律和影响因素时，数值模拟的优点在于： 节省成本、 缩短研制周期并减少风险，并且可对实际问题的大量工况进行整体模拟。而在线实测与风洞试验周期长且费用昂贵，有些部位(如头车前转向架)气流复杂，仅凭试验手段很难完全理解其气动噪声的产生机理。
因此，对于高速列车不同部位的气动噪声源，应选择相应的适合方法进行研究， 以准确了解其物理机制和特性。高速列车气动噪声未来研究重点应在充分考虑气动非稳态效应的基础上，发展高速列车气流复杂部位气动噪声数值分析的新方法与新途径，由风洞或在线试验进行验证。进一步深入研究和认识头车前转向架等关键部位气动噪声的真正成因后，才能采取相应措施，有效地进行高速列车噪声的控制。
来源：AnyTesting
