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高速轨道交通减振降噪技术的研究

  过量的噪声和振动将严重影响乘客和轨道交通沿线人们正常的生活、工作和休息、损害身心健康、降低工作效率;另一方面,噪声和振动还可能引起轨道交通系统相应的设备和结构以及周边建筑物和设备的疲劳损坏,缩短有效使用寿命。由此,轨道交通噪声和振动的控制已成为改善乘客舒适性和环境保护的重要内容之一。所以,减小列车的振动和噪声水平、减少轨道交通引起的振动和噪声问题就成为轨道交通车辆制造和系统建设中的十分重要的问题。
        轨道交通振动与噪声源主要包括:
        (1)主要振动源
        ◆列车与结构的动态相互作用;
        ◆车辆动力系统振动;
        ◆轨道结构振动;
        ◆轮轨不平顺;
        (2)主要噪声源
        ◆轮轨噪声,包括滚动噪声、冲击噪声、摩擦噪声。
        ◆结构噪声(由于轮轨表面相互作用产生的振动通过轨道、桥梁和地基等传递导致相应结构振动而辐射噪声);
        ◆车辆动力设备噪声,包括牵引电机、通风机以及压缩机等设备噪声,集电弓噪声;
        ◆车辆运行时的空气动力噪声。
        针对轨道交通的振动和噪声控制问题,开展过大量的研究工作。主要围绕振源与声源控制、振动传播与声传播控制以及材料和结构控制等三大方面展开研究并采取振动和噪声控制措施。
        采用弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮及弹性踏面车轮等技术,通常可减振降噪达到2-10dBA。
        用改变车轮结构的方法来改变噪声的发射性能,降低轮轨噪声。国外的有些厂家,例如,德国通过把制动盘放在轮辐上来减少噪声的发射,其试验结果证明对1000Hz以上的噪声有明显的抑制作用,大约可降低噪声5dB左右。
        采用减振降噪动力驱动系统,例如,运用线性电机驱动及径向转向架。温哥华、多伦多、底特律、大阪等在二十世纪八十年代的轨道交通系统中,采用了线性电机车辆。此外,由于采用径向转向架,车辆能顺利地通过曲线,减少轮轨磨耗和消除常规固定轴距转向架通过曲线时刺耳的尖叫声,所以,噪声比一般车辆降低近20dBA,特别适用于高架轨道交通系统。
        轨道结构主要由钢轨、扣件及轨下基础组成。根据振动理论,轮轨之间的振动噪声与钢轨各部件的质量、刚度以及结构阻尼联系密切。轨道结构的减振降噪,主要是通过改变结构参数来实现的。
        国外在轨道结构方面已尝试了许多减振降噪措施,主要有:
        1.采用焊接长钢轨;
        2.采用减振型钢轨;
        3.采用减振型扣件;
        4.采用减振型轨下基础;
        5.采用钢轨打磨技术。
        这些措施均已被证明具有不同程度的减振降噪效果,适应于环境要求。
        减振型轨下基础的研究也很有价值。为了适用于不同减振要求,各国都对传统的碎石道床与整体道床作了大量改进研究工作,开发了各种减振型轨下基础。主要有:在碎石道床的基础上,研制了弹性轨枕道床和道碴垫道床,增加道床弹性,有效降低道碴振动,与一般碎石道床相比,其减振效果可达5-15dB。在整体道床基础上,实用技术有短轨枕包套式和弹性长轨枕整体道床。在日本新干线的特殊减振地段,采用了防振型板式轨道。在新加坡、香港地铁中,特殊减振地段采用浮置板结构,减振效果非常显著。进行轨道不平顺控制也能获得很好的减振降噪结果。例如,钢轨打磨后,在振动频率为8-100Hz范围内,振动下降4-8dBA,站台上的振动下降5-15dBA。证明了控制轨道不平顺是降低轮轨之间振动与噪声的有效措施。
        目前,国外高架桥结构大多采用箱形梁形式。据日本在山手线对各种构造形式、断面形式和不同跨度的桥梁所进行的对比试验结果,表明控空板形式噪声最低。近年来,新建的巴黎地区快速铁路高架桥和新加坡高架铁道均采用箱形梁。研究箱形梁的减振降噪是国际上在这一领域的热点。
        吸声桥面和路面研究。高架轨道交通线的桥面是声的反射面,降低桥面的声反射,可以大大降低轨道交通列车通过时的噪声。
        吸声结构研究。高架轨道交通噪声的各个声源中,桥梁振动的辐射噪声对周边环境,尤其是低楼层噪声敏感区的声环境有较大影响。高吸声、安全、美观、易清洗保养是设计吸声结构的要点。
        声屏障是降低轨道交通运行噪声的有效措施。美国、日本、英国、法国、澳大利亚及香港地区,都在交通主干线上修建声屏障并取得了较好的噪声治理效果。
        声屏障是地面和高架轨道交通采用的最常用的降噪方法。由于轨道交通的横截面通常尺寸紧凑,声屏障已经接近线路的设备限界,列车车身与屏障之间的距离很小,一般小于一米。车身外板的材料通常是不吸声的金属,如果声屏障也用不吸声或吸声系数很小的材料制成,则噪声的声波将在车身和声屏障间的窄弄中来回折射,最后从上方逸出,声屏障的降噪效果就很差,因此不吸声的隔声型声屏障不适合轨道交通。只有吸声系数大于0.8的声屏障才有比较好的降噪效果。
        声屏障技术应用都比较普遍,现有的吸声型声屏障均为板式结构。频带窄,尤其是低频段吸声系数小,通常吸声系数只有0.5左右,是现有吸声型声屏障(或组合型声屏障的吸声单元)的共同缺点。
        除此之外,现有吸声型声屏障还存在其他问题。总之,由于交通噪声主要成份分布在100~5kHz,单纯阻性吸声或抗性材料难以在如此宽的频率范围内达到满意的吸声效果,而将研究阻抗复合型声屏障作为拓宽吸声频带、提高降噪效果的主要方向。如何降低成本、厚度、尺寸和重量,提高使用寿命,是新型声屏障研制者的追求。

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