350km_h_1_高速列车噪声机理_声源识别及控制

第30卷,第1期 中国铁道科学Vol 130No 11　

2009年1月 C HINA RA IL WA Y SCIENCE

J anuary ,2009　

文章编号:100124632(2009)0120086205

350km ・h -1

高速列车噪声机理、

声源识别及控制

张　曙　光

(铁道部运输局,北京　1000844)

摘　要:为了考察350km ・h -1高速列车在运行状态下的车外噪声水平、主要声源及其源强分布特性,根据国内外高速列车噪声理论和试验研究经验,在列车和线路状况满足ISO3095—2005标准相关要求的前提下,在京津城际铁路选取现场测试工点,采用多通道阵列式噪声数据采集分析系统,对京津城际铁路高速列车噪声进行现场测试。测试数据分析结果表明:350km ・h -1高速列车车外辐射噪声的主要声源为轮轨接触部位、转向架、受电弓及其底座以及车辆连接处的气动噪声;对车辆上不同位置测得的声暴露级按大小排序,前4名的依次为头车轮轨接触位置、第2节车辆受电弓位置、第2节车辆的轮轨接触位置、头车和第2节车辆上部的气动噪声。由此提出350km ・h -1高速列车噪声的控制策略及措施。 关键词:高速列车;铁路噪声;噪声源;噪声机理;噪声控制 中图分类号:U260116;U270116 文献标识码:A

　收稿日期:2008212203;修订日期:2008212203

　基金项目:国家“九七三”计划项目(2007CB714701);国家自然科学基金资助项目(50525518)

　作者简介:张曙光(1956—

),男,江苏溧阳人,高级工程师。 高速列车对周边环境的影响主要有噪声、振动和电磁波干扰,其中噪声最受关注。掌握高速列车技术的法国、德国、日本、意大利和西班牙等国家都开展过一系列的高速列车噪声测试试验,尤其是最近10年,随着声阵列理论和测试技术的发展,多通道阵列式噪声数据采集分析系统被越来越广泛地应用于高速列车声源识别研究[129]。

车辆参数、轨道参数以及列车与线路之间的匹配关系等,尤其是轮轨匹配关系,会对高速列车噪声产生很大的影响[5]。为了了解我国350km ・h -1高速列车运行状态下车外噪声水平,明确噪声的主要来源、分布和源强特性,采用多通道阵列式噪声数据采集分析系统进行声源识别,通过声暴露级考察各个声源对总的车外噪声的贡献,找出高速列车噪声控制的切入点和控制目标值,为高效、准确地进行高速列车噪声控制提供理论指导。

1　高速列车噪声主要声源和产生机理

根据国内外铁路噪声理论研究和试验测试[4,5]:铁路噪声主要由牵引噪声、轮轨噪声和空气动力噪声等组成,他们与列车运行速度的关系如

图1所示。按照牵引噪声、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(图1中v t 1和v t 2)。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。例如,当轮轨噪声得到较好控制后,临界转换速度v t 1将会更高而v t 2将会更低,换言之,牵引噪声在低速区域占主导地位,而空气动力噪声会在更低的

图1　列车噪声源及其速度分区

列车运行速度下占主导地位。反之,则临界转换速度v t 1将会更低而v t 2将更高。法国T GV 高速试验结果表明[7]:列车运行速度达到380km ・h -1时,轮轨噪声依然占主导地位。111　轮轨噪声

传统的轮轨噪声包括轮轨滚动噪声、冲击噪声和曲线啸叫[10],但高速铁路由于曲线半径大,而且采用无缝钢轨,因此,高速铁路的轮轨噪声主要是轮轨滚动噪声。轮轨滚动噪声是由于轮轨表面粗糙度激发车轮、钢轨和轨枕结构振动,并通过周围空气向外传播而产生的。典型的轮轨滚动噪声频谱分析如图2所示[11]。其中,频率低于500Hz 的轮轨滚动噪声主要来自轨枕;频率在500～1600Hz 范围的,主要来自钢轨;频率大于1600Hz 的,主要来自车轮

。

图2　轮轨噪声频谱分析

112　气动噪声

高速列车气动噪声主要产生于列车表面装置和

特殊结构的特定位置。现有研究结论表明[2,429,12],不同位置的气动噪声,其产生机理也不相同,大致可归纳为由于气流流经结构部件表面产生的噪声和湍流流动产生的噪声两大类。

气流流经结构部件表面产生气动噪声的来源包括:受电弓、受电弓底座、车辆连接处、车顶百叶窗、转向架和空调通风设备。在受电弓处产生气动噪声的机理是:构成受电弓的各种杆件引起非稳态气流,进而形成周期性的涡旋脱落,从而产生噪声。在高速列车的转向架处会产生较明显的气动噪声,尤其是在头车前转向架部位。转向架部位的气流非常复杂,对转向架部位气动噪声的产生机理至今还未有很合理的解释。

湍流流动产生气动噪声的来源包括:车身表面、头车和尾车。由于高速列车车身表面存在湍流

层,会在车身表面产生气动噪声。对于300km ・h -1的列车运行速度,它是所有气动噪声中最低的,

对总的车外辐射噪声影响较小,但也是最难以抑制的。而且,随着列车速度的进一步提高,它会越来越显著甚至起主导作用。另外,车身表面湍流流动会对车体形成波动载荷,使其强迫振动,进而使车身结构产生振动声辐射,对车内噪声产生较大影响[13]。由于头车车头附近有很多集中的表面状态变化,另外沿表面的气流大,从而导致在该处产生剧烈的空气湍流并形成噪声,其噪声频谱呈连续分布特性。列车尾流不单对行车安全和周边环境带来不利影响,还会产生尾流气动噪声。高速列车尾流气动噪声相对其他气动声源所产生的不利影响要小,但作为高速列车气动噪声来源之一,须在设计阶段给予相应的重视。113　集电系统噪声

高速列车集电系统在高速运行情况下会产生较剧烈的噪声,包含弓网滑动噪声、电弧噪声以及气动噪声。

弓网滑动噪声是由于受电弓和接触网之间相对滑动、使周围空气产生高频振动而产生的,在高速列车发车、停车时的噪声中占重要比例。电弧噪声是由于受电弓与接触网发生瞬时脱离时产生的弧光噪声。在日本新干线高速列车噪声问题中电弧噪声一度非常突出,后来通过在受电弓与接触导线接触部分采用柔性结构,成功消除了电弧噪声。114　高架结构噪声当高速列车在高架结构上运行时,由于列车运行激发轨道结构振动并通过高架结构各个部件(如承重梁、墩台等)从地面向临近的建筑物传递,引起建筑物的墙壁、地板以及天花板振动而产生的低频噪声,称为“二次噪声”或结构噪声。高架结构噪声频率比较低,主要分布在几十赫兹到数百赫兹范围内,而且高架桥结构辐射面积大,用声屏障隔声的方法控制二次噪声几乎没有效果。控制高架结构噪声最有效的方法是阻止轨道振动的传递,即用隔振的方法降低轨道传递给结构的振动,从而降低结构的振动能量,减少结构的噪声辐射。

2　高速列车噪声水平和声源识别

211　高速列车噪声水平

经过多年的研究开发,相比高速铁路发展初

7

8第1期 350km ・h -1高速列车噪声机理、声源识别及控制