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行业新闻

关于高速列车车外噪声震动及声源的分析

更新时间  2022-11-21 09:25 阅读

关于高速列车车外噪声震动及声源的分析


铁路噪声原本存在,随着高速铁路的诞生,噪声污染问题就更显突出。噪声在白天达到100db(A)时,人们会感到烦躁;晚上达到45db(A)会对正常人的睡眠产生觉醒反应。


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一、高速列车车外噪声的产生


高速列车气动噪声


根据Lighthill流体声学原理,流体发生产生于流体与固体的相互作用或流体的自由运动,由以下几种线性声学典型声源组成:


单极子声源与脉动球体产生的声波波振面同相位,指向性为一圆球,如列车车门渗漏噪声。


当流体中存在障碍物,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噪声。


若煤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,如附着在列车车身表面自由湍流层产生的气动噪声。


高速列车轮轨噪声


轮轨噪声主要表现为以下形式:

冲击噪声为车轮经过钢轨接缝处或其它不连续部位及表面呈波纹磨损的钢轨时产生的噪声。

滚动噪声是车轮踏面和钢轨顶面存在凹凸不平顺时,引起钢轨与车轮间受迫振动而产生的。

尖叫噪声是指列车沿曲线运行时,由于挤压外轨产生 的摩擦及车轮在钢轨上滑动而产生的噪声。


当速度达到一定限值时,冲击噪声和尖叫噪声已不再增加,因此,对于高速铁路,轮轨噪声主要表现为轮轨滚动噪声。


二、高速列车噪声的分析


气动噪声车体表面声源强度分析

在气动噪声方面,笔者从车体表面声源强度和分布来进行分析。车体表面声源成为偶极子声源,偶极子声源的计算需要求解列车在一定速度下运行时其周围的流畅参数,得出车体附近气体脉动压力,再通过傅里叶变化得到不同频域下的列车表面偶极子声源强度。由于声学计算的精度要求边界网大小不得超过最小波长的1/6,针对人耳对1kHz-3kHz的频率范围声音最为灵敏并考虑到目前计算机能力,再做更详尽的分析时采用最高频率为2000Hz,并取头车和尾车建立模型。


在这方面的深入分析,一般采用大涡模拟湍流模型,对时速为300km/h的列车外部非定常流畅进行仿真计算。将流畅动态计算结果转换成车体面偶极子声源强度分布。在速度相同的条件下,其它频率车声表面偶极子声源的分布规律也基本一致,但随着频率的升高声源压级有所下降。


轮轨噪声理论分析

在轮轨噪声中主要的就是尖叫噪声和滚动噪声。列车沿小曲率轨道上运行时主要产生尖叫噪声;沿直线或近似于直线的轨道上运行时主要产生轰鸣声。主要由钢轨和车轮踏面的凹凸不平,使轮轨振动产生的。二者振动的大小可有“Bender公式”:


式中:Vw(w)、Vr(w)和F(w)分别是车轮、钢轨的振动速度及轮轨相互作用力。W为角频率,Zw、Zr分别为车轮半径方向及钢轨上下方向以接触点为加振点的机械阻抗,且与w相关,w(w)和r(w)分别是轮箍踏面和钢轨表面的凹凸时间变化率,为了便于分析,化为以下分析:


F(w)=

假设轮、轨的机械阻抗Zw和Zr不变,则F(w)、Vw(w)和Vr(w)与凹凸时间变化率做同样的变化,可知减小轮轨的接触面平滑可降低振动声噪。


假设凹凸时间变化率一定、车轮的机械阻抗Zw也不变,把重型长钢轨换成轻型短钢轨,使车轮的径向振动减小。


假设r(w)+w(w)一定,钢轨的机械阻抗Zr也一定,而把钢性车轮换成弹性车轮,Zw减小,则相互作用力减小,钢轨的上下振动减小。


由(2)、(3)可知,轮轨机械阻抗的改变使轮轨振动速度发生相反的变化。


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三、高速列车噪声控制方向


气动噪声控制措施

高速列车车身表面的主要噪声源区域都是在气流容易分离、湍流运动比较剧烈的地方,因此,优化列车头部形状及车身外形、减少凹凸物对气流的扰动是降低气动噪声的有效方法;随着列车运行速度的提高,列车车身声功率和表面声功率都显著增加,研究并降低气动噪声对发展高速列车至关重要。


轮轨噪声控制措施

对轨道噪声而言,最成功的技术是使用钢轨减振器。这种减振器适合于使用柔软的钢轨垫板,因为柔软的钢轨垫板可以将沿轨道长度方向的振动的传播减至最小值,并可使枕木被隔振。


北京图声天地科技有限公司(Beijing NVM Technology Co., Ltd.)成立于2012年,是北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所(北京市劳动保护科学研究所)为加速声学噪声振动控制技术成果转化,经北京市政府批准成立的高新技术企业,企业致力于通过创新的设计理念、技术和产品解决城市各类噪声与振动污染问题。

公司是国家高新技术企业、中关村高新技术企业,北京环境物理研究会理事会员,主营业务包括城市环境噪声数字化系统集成与开发、噪声与振动控制(设计、生产及安装)、
室内声学与住宅隔声、复杂声环境分析与控制等,提供技术解决方案、产品设备研制、供货、安装及服务。公司继承北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所(原北京市劳动保护科学研究所)50多年技术经验和科研成果,秉持严谨的科研态度,为客户提供复杂噪声环境治理解决方案


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公司拥有一批经验丰富的技术服务团队和专家顾问,参编了《北京市环境噪声污染防治办法》、《北京市住宅建筑隔声设计规范》等声学标准,产品和服务广泛应用于环保部门、建筑、交通、石油化工及科学研究等众多行业。在国内拥有很多优秀的噪声处理以及减震成功案例。如需更多信息请联系在线客服或者拨打电话:18610846908