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350km/h高速列车噪声机理 、声源识别及控制

发表时间:2019-05-03【

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为了考察350km/h高速列车在运行状态下的车外噪声水準、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标準相关要求的前提下,在京津城际铁路选取现场测试工点,採用多通道阵列式噪声数据採集分析系统,对京津城际铁路高速列车噪声进行现场测试。 


测试资料分析结果表明:350km/h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高速列车噪声的控制策略及措施。 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、义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,多通道阵列式噪声资料获取分析系统被越来越广泛地应用于高速列车声源识别研究。


噪声机理 、声源识别及控制处理


 车辆参数、轨道参数以及列车与线路之间的匹配关係等,尤其是轮轨匹配关係,会对高速列车噪声产生很大的影响。声达广州吸音板厂家为了了解中国350km/h高速列车运行状态下车外噪声水準, 明确噪声的主要来源、分布和源强特性,採用多通道阵列式噪声资料获取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、準确地进行高速列车噪声控制提供理论指导。 [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: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係如图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範围,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vt1和vt2)。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、所採取的减振降噪措施有关 . <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,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, <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,但高速铁路由于曲线半径大,而且採用无缝钢轨,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。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 範围的,主要来自钢轨;频率大于1600Hz的, 主要来自车轮。 <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,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:构成受电弓的各种桿件引起非稳态气流,进而形成週期性的涡旋脱落,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複杂,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 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,它会越来越显着甚至起主导作用。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。 


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。 <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暂态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採用柔性结构,成功消除电弧噪声。 <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範围内,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。 [高速列车噪声水準和声源识别] <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期,高速铁路噪声得到很好的控制,目前国内外 高速铁路噪声情况如表1所示。噪声的测量位置为距轨道中心线25.0m、距轨顶面3.5 m高处(日本高速铁路为距地面1.2m高处)。 由表 1可见:中国高速列车的噪声水準优于欧洲高速列车的,但与日本相比还存在一定的差距 。 <速列车噪声声源识别> 根据国外高速列车运行噪声声源识别试验,在列车和线路状况满足ISO3095—2005标準相关要求的前提下,在中国京津城际铁路选取现场测 试工点,安装多通道阵列式噪声资料获取分析系统,如图3所示。该阵列共78通道,为轮辐式阵列构型,直径4.0m,阵列中心距钢轨顶面2.1m 高,距轨道中心线12.0m远,满足400~8000Hz频率分析範围的要求 。


 基于波束形成(Beamforming)声源识别原理,採用多通道阵列式噪声资料获取分析系统, 测得中国CRH3高速列车以394km/h速度运行情况下的车外辐射噪声声强云图,如图4所示。由图4可见,中国高速列车以394km/h速度运行时,车外辐射噪声的主要声源为转向架、轮轨接触位置、受电弓及其底座以及车辆连接处的气动噪声。与其他位置转向架处的气动噪声相比,头车转向架的气动噪声更大。 <高速列车车辆的声暴露级> 图 5给出高速列车各车对应声强云图平面处的声暴露级垂向分布情况,整个横轴对应的声暴露级範围为120~127dB(A)图中,数位1~8表示高速列车的第1至第8节车辆。由图5可见:测得的最大声暴露级位于头车轮轨接触位置处,在车轮中心处达到最大,该处同时对应着声强云图中最大声源点;次大声暴露级位于第2节车辆受电弓位置,此时受电弓呈升起状态;其下依次位于第2节 车辆的轮轨接触位置、头车和第2节车辆上部。这些现场试验资料验证参考文献的定性推论。 [高速列车噪声控制] 研究表明,大部分高速列车车体振动噪声的频率为513Hz~1615Hz,其中,以车体骨架结构产生的振动噪声在5Hz~30Hz的低频範围内,以壁板为主产生的振动噪声在30Hz~300Hz的低中频範围内。车厢内的噪声来自列车高速行驶时的空气噪声,轨道的摩擦及撞击声,车厢内各部件的噪声等等。 控制车体辐射的振动和噪声,避免车内共鸣防止或消除车内共鸣与共振,调整设计车体固有频率,有效利用吸声材料或控制轮轨激励振动传递系统,在噪声反射系统上调节振动特性,以改善车内空腔共鸣问题。在车体各构件中,板件振动对车身噪声影响最大。这是因为板件的声辐射效率较高。为减弱板件的振动,可给它设置加强筋以提高其刚性,并且加装阻尼材料或粘贴减振材料,以增加振动的衰减。另外,在板件上喷涂水基阻尼材料,降低其声辐射效率,对减少噪声也很有效果。实测结论,阻尼喷涂覆盖量为3Kgm2时,隔声效果最佳。 (中国南车集团列车採用声博士OFF隔声减振系统) 控制车体辐射的振动和噪声,避免车内共鸣防止或消除车内共鸣与共振,调整设计车体固有频率,有效利用吸声材料或控制轮轨激励振动传递系统,在噪声反射系统上调节振动特性,以改善车内空腔共鸣问题。在车体各构件中,板件振动对车身噪声影响最大。这是因为板件的声辐射效率较高。为减弱板件的振动,可给它设置加强筋以提高其刚性,并且加装阻尼材料或粘贴减振材料,以增加振动的衰减。另外,在板件上喷涂水基阻尼材料,降低其声辐射效率,对减少噪声也很有效果。  


声达凯克吸音板厂家实测结论,阻尼喷涂覆盖量为3Kgm2时,隔声效果最佳。为防止转向架、牵引电机、齿轮箱、柴油发电机、空调机组等振动、噪声源向车厢内二次固体传声。应在附近的车体重点结构上加隔声材料,增加这部分车体结构的隔声性能,利用隔振、隔声和密封等措施隔绝噪声传播途径。可利用具有弹性和阻尼材料隔断振源与车体之间的振动传递。利用加缓振垫、阻尼胶等改善车体内饰件的隔声性能。这些措施均可以减弱车辆行驶过程中传入车内的噪声。对在隧道裏运行的地铁车辆,为防止通过车辆两侧车窗玻璃向车内传播噪声,应採用双层真空玻璃窗。 <速列车噪声控制措施> 为适应更高的运行速度(例如达到 40 0km/h),根据国内外现有研究与试验测试结果, 结合中国350km/h高速列车的声源识别资料和高速 列车噪声评价指标,就高速列车噪声控制措施提出如下建议。 1)对轮轨接触位置的噪声进行控制,包括轮轨噪声和转向架处气动噪声两大部分。关于轮轨噪声控制,建议通过对车轮和钢轨的阻尼处理或动力吸振原理降低。关于转向架处气动噪声的控制,建议在车辆转向架位置处设置覆盖整流罩,尤其是在头车的转向架处。 2)对于受电弓处气动噪声的控制:儘量减少突出在车顶外面的电绝缘子,若实在必要, 则须考虑採用流线型外形;儘量减少中间铰,根据日本新干线高速列车的经验,单臂受电弓的降噪性能更好;为了减少涡流脱落,设置週期性的小孔是可供选择的方案之一。 3)对于头车剧烈的空气噪声控制:对雪犁覆盖罩进行气动外形优化,儘量避免强烈的头车气流直接冲击头车转向架;优化高速列车车头外形,提高高速列车的气动性能。 4)对于车辆连接处气动噪声的控制:在该位置设置圆周波纹管外风挡。对车门、窗处气动噪声的控制:儘量使门、窗与车身之间平顺,光滑过渡,避免凹陷或外突而形成表面阶差。 高速列车低噪声设计和优化是一项艰巨的任务,需要在理论研究和现场试验的基础上反复进行尝试、调整与优化。所有降噪措施的採用必须十分谨慎,要充分考虑其对高速列车其他性能的影响, 尤其是行车安全性和乘坐舒适性。同时还必须注意,新的降噪措施能带来降噪效果,但其本身可能又会成为新的噪音源,应该进行综合比选和确定。  

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