高速鐵路調頻約束阻尼鋼軌的降噪性能

王夢 王繼軍 劉海濤 劉偉斌

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

高速鐵路沿線噪聲問題日益引起人們的重視和關注。鋼軌輻射噪聲是鐵路噪聲的重要組成部分。針對不同運營條件，國內外專家開展了多種鋼軌噪聲控制技術研究。文獻［1-2］研究了在軌腰兩側粘貼黏彈性阻尼材料的自由阻尼鋼軌技術，通過增加振動沿鋼軌縱向的衰減率實現在較寬頻帶內抑制鋼軌振動；文獻［3-6］研究了在自由阻尼鋼軌的阻尼層外側增設約束層的約束阻尼鋼軌技術，通過阻尼層和約束層在振動時的變形差強迫阻尼層發生剪切變形，耗散能量，從而降低鋼軌振動的振幅和傳播距離；文獻［7-10］研究了在鋼軌上安裝動力吸振系統的調諧阻尼鋼軌，通過質量-彈簧阻尼系統的吸振作用降低鋼軌振動響應；文獻［11］研究了在軌腰兩側安裝吸聲板的降噪措施，通過阻斷鋼軌輻射噪聲的傳播路徑和吸收噪聲的方式減小環境噪聲。

研究和應用較多的降噪措施主要有2類：降低鋼軌振動抑制噪聲源；阻斷鋼軌輻射噪聲傳播路徑。目前多采用單一措施進行鋼軌噪聲控制，且多以城市軌道交通等中低速運營條件為主，對高速運營條件下的鋼軌噪聲控制技術研究較少。調頻約束阻尼鋼軌同時采用約束阻尼降噪和動力吸振2種措施。本文針對高速運營條件下鋼軌的振動特性［12］，研究調頻約束阻尼鋼軌的降噪性能。

1 調頻約束阻尼系統結構

安裝有調頻約束阻尼系統的鋼軌稱為調頻約束阻尼鋼軌。調頻約束阻尼系統由3部分組成（圖1），即約束阻尼降噪板、諧振式動力吸振器和固定夾。

圖1 調頻約束阻尼鋼軌

約束阻尼降噪板連續布置在鋼軌軌腰兩側，用以減小鋼軌噪聲輻射。諧振式動力吸振器（簡稱吸振器）由諧振塊和彈性體構成，布置在相鄰扣件之間的鋼軌翼緣表面，用以抑制對鋼軌振動能量貢獻較大的特殊頻率的振動。固定夾將約束阻尼降噪板和吸振器壓緊，使之貼合在鋼軌表面上。改變固定夾的夾持力可以調節吸振器固有頻率，滿足不同頻率的控制需求。

2 吸振器主要參數研究

大量研究表明，約束阻尼鋼軌可在較寬頻帶內抑制鋼軌噪聲。本文只研究在列車高速運營條件下吸振器的主要參數對鋼軌振動衰減特性的影響。

2.1 模型建立

利用有限元法建立鋼軌-吸振器有限元模型，見圖2。60 kg/m鋼軌采用實體單元模擬；扣件采用彈簧單元模擬，下部為固定約束，扣件靜剛度為23 kN/mm，扣件間距為0.63 m；吸振器中諧振塊和彈性體均采用實體單元模擬，彈性體與鋼軌、彈性體與諧振塊之間通過共用節點實現協同變形和振動。為消除邊界效應的影響，模型長12.6 m，兩端采用對稱約束。

圖2 鋼軌-吸振器有限元模型

在模型中間截面施加60 kN瞬態荷載模擬高速運營條件下的沖擊荷載。以中間截面軌底中心豎向振動加速度為研究對象，計算不同參數下1/3倍頻程中心頻率處的振動加速度級，對比研究諧振塊質量m、彈性體彈性模量E及阻尼c對鋼軌振動特性的影響。

2.2 諧振塊質量對鋼軌振動特性的影響

在E=3.0 MPa，c=15.0 kN·s/m條件下，計算得出m分別為1.5，3.0，4.5，6.0 kg時鋼軌的振動特性，并與無吸振器時進行對比，見圖3。

圖3 諧振塊取不同質量時鋼軌頻域特性

由圖3可知：吸振器對200 Hz以下中低頻范圍內的振動有放大作用；在高速鐵路鋼軌主頻對應的800～1 400 Hz頻域內，鋼軌振動加速度級隨諧振塊質量增加而減小，m=1.5 kg時在800 Hz處仍存在振動加速度級增大現象，m≥3.0 kg時各中心頻率處振動加速度級均明顯減小。因此，諧振塊質量不宜小于3.0 kg。

2.3 彈性體彈性模量對鋼軌振動特性的影響

在m=3.0 kg，c=15.0 kN·s/m條件下，計算得出E分別為0.3，1.0，3.0，10.0 MPa時鋼軌的振動特性，并與無吸振器時進行對比，見圖4。

圖4 彈性體取不同彈性模量時鋼軌頻域特性

由圖4可知：在200 Hz以下中低頻范圍內，E越大振動加速度放大作用越大；E=10.0 MPa時，在800 Hz以下頻段內存在較強的放大作用；在高速鐵路鋼軌主頻對應的800～1 400 Hz范圍內，鋼軌振動加速度級隨E增加而減小，且分頻振動加速度級插入損失隨頻率增高而增大。因此，彈性體彈性模量宜取為1.0～3.0 MPa。

2.4 彈性體阻尼對鋼軌振動特性的影響

在m=3.0 kg，E=3.0 MPa條件下，計算得出c分別為3.0，7.5，15.0，30.0 kN·s/m時鋼軌的振動特性，并與無吸振器時進行對比，見圖5。

圖5 彈性體取不同阻尼時鋼軌頻域特性對比

由圖5可知：在125 Hz以下中低頻范圍內，彈性體取不同阻尼時鋼軌振動加速度級基本相當，c對鋼軌振動特性影響不大；在高速鐵路鋼軌主頻對應的800～1 400 Hz范圍內，鋼軌振動加速度級隨c增加而減小，且分頻振動加速度級插入損失隨頻率增高而增大。因此，彈性體阻尼宜取為7.5～15.0 kN·s/m。

3 試驗研究

為驗證調頻約束阻尼鋼軌的降噪效果，在國家鐵路試驗中心環形試驗場建立試驗段進行實車試驗。

3.1 試驗概況

試驗段（圖6）位于路基地段，曲線半徑1 432 m，外軌超高125 mm，鋪設長度160 m，其中120 m位于無砟軌道地段，兩端各20 m位于有砟軌道地段。試驗采用三節編組市域列車，速度v選取70，100，120 km/h。

圖6 試驗段調頻約束阻尼鋼軌

為消除相鄰軌道影響，在軌道中間斷面（里程80 m斷面）上布設傳感器。為研究調頻約束阻尼系統對鋼軌振動加速度級的影響，在鋼軌上布置傳感器測量加速度；為研究安裝調頻約束阻尼系統前后列車通過時的等效聲級及噪聲頻譜特性，在距離軌道中心線4，25，30 m處各選1個測點布設傳感器測量等效聲級，見圖7。其中測點A，B分別位于軌面以上0.5，3.5 m處，測點C（邊界測點）位于地面以上1.2 m處［13］。

圖7 測點布置（單位：m）

3.2 鋼軌振動加速度

列車以不同速度通過時，根據傳感器測得的加速度進行數據分析，得出安裝調頻約束阻尼系統前后鋼軌振動的頻域特性。以車速較快的120 km/h為例，鋼軌豎向、橫向振動加速度分頻振級見圖8。

圖8 v=120 km/h時，鋼軌振動加速度分頻振級

由圖8可知，安裝調頻約束阻尼系統后，鋼軌豎向和橫向振動加速度級在較寬頻域內均有所降低，在630～1 600 Hz頻域減振效果顯著，在高速鐵路鋼軌主頻所在的800～1 400 Hz頻域內豎向、橫向振動加速度分頻振級分別降低 7.1～13.2 dB，8.5～11.0 dB。因此，調頻約束阻尼系統對鋼軌振動有抑制作用。

3.3 等效聲級

安裝調頻約束阻尼系統前后，列車以不同速度通過時各測點等效聲級見圖9，其中各速度下的等效聲級均為多次測試結果的平均值。

圖9 不同車速下各測點等效聲級

由圖9可知，不同車速下安裝調頻約束阻尼系統后各測點的等效聲級均有所下降，測點A，B，C處等效聲級插入損失分別為3.0～4.0，3.6～4.6，2.7～4.0dB（A）。因此，調頻約束阻尼鋼軌有降噪作用。

3.4 環境噪聲頻域特性

為研究調頻約束阻尼系統的主要作用頻率，列車以不同速度通過時，對比分析安裝調頻約束阻尼系統前后邊界測點（測點C）噪聲的頻域特性。以車速較快的120 km/h為例，典型測次1/3倍頻程中心頻率處的聲壓級見圖10。可知，試驗所采用的調頻約束阻尼系統主要降噪頻段為 400～2 500 Hz，其中 630～1 600 Hz效果顯著。

圖10 v=120 km/h時邊界測點噪聲頻域特性

4 結論

本文針對高速鐵路鋼軌振動特性，對調頻約束阻尼鋼軌的關鍵參數進行了理論研究，并進行了實車試驗。主要結論如下：

1）有限元分析表明，高速鐵路采用調頻約束阻尼鋼軌時諧振塊質量不宜小于3.0 kg，彈性體彈性模量宜為1.0～3.0 MPa，彈性體阻尼宜為7.5～15.0 kN·s/m。

2）現場試驗表明，調頻約束阻尼系統可在較寬頻域內降低鋼軌豎向和橫向振動，在630～1 600 Hz頻域效果顯著，可抑制以800～1 400 Hz為主頻的高速鐵路鋼軌的振動。

3）安裝調頻約束阻尼系統前后環境噪聲測試結果表明，在試驗車速下，距軌道中心線30 m、地面以上1.2 m處的邊界測點等效聲級插入損失為2.7～4.0 dB（A），試驗所采用的調頻約束阻尼鋼軌主要降噪頻段為 400～2 500 Hz，其中 630～1 600 Hz降噪效果顯著。