羅雁云,唐吉意,林 平

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804;2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司,浙江 寧波 315010)

· 環(huán)境輻射 ·

地鐵高架箱型梁正下方噪聲輻射特性試驗(yàn)分析

羅雁云1,唐吉意1,林 平2

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804;2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司,浙江 寧波 315010)

為了研究地鐵高架箱型梁正下方噪聲輻射特性，以寧波地鐵1號(hào)線為例，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程分析，特征頻率下的線性聲壓級(jí)時(shí)域特性分析及線性聲壓級(jí)對(duì)比分析。結(jié)果表明，各測(cè)點(diǎn)在不同車(chē)次列車(chē)通過(guò)時(shí)，均在50～80Hz頻率范圍內(nèi)取得全頻段峰值，且箱型梁底板處測(cè)點(diǎn)的峰值最大；各測(cè)點(diǎn)在列車(chē)通過(guò)時(shí)，線性聲壓級(jí)曲線的波動(dòng)范圍很相近，且存在一定的交錯(cuò)；在低頻0～50Hz范圍內(nèi)，噪聲主要分布于箱型梁橋下空間的底部；在中低頻80～630Hz范圍內(nèi)，噪聲主要分布于箱型梁底板附近。

噪聲輻射；箱型梁；1/3倍頻程；頻譜特性

1 引 言

箱型梁力學(xué)特性優(yōu)良且構(gòu)造簡(jiǎn)單；架設(shè)安裝方便且易保養(yǎng)維護(hù)；跨越能力大，線形簡(jiǎn)潔美觀且橋下視覺(jué)效果好。近年來(lái)，箱型梁被廣泛應(yīng)用于高速鐵路及城市軌道交通。但在列車(chē)荷載作用下，箱型梁會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)并向周?chē)h(huán)境輻射噪聲；近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)高速鐵路箱型梁噪聲輻射問(wèn)題進(jìn)行了許多研究[1～10]，國(guó)內(nèi)方面的一些典型研究如下。

模擬仿真方面，劉林芽[11]等建立腹板無(wú)孔與腹板開(kāi)孔兩種工況下的三維實(shí)體有限元模型，采用有限元—邊界元耦合聲學(xué)求解方法，分析了腹板開(kāi)孔的箱型梁結(jié)構(gòu)噪聲輻射特性。許代言[12]等采用箱型梁有限元邊界元耦合聲學(xué)計(jì)算模型，求解了跨中斷面各受聲點(diǎn)的線性聲壓級(jí)及二維聲場(chǎng)分布。方小華[13]等基于高架線簡(jiǎn)支箱型梁，建立軌道—橋梁振動(dòng)傳遞特性分析模型，研究簡(jiǎn)支梁跨度、軌下剛度、橋上軌道結(jié)構(gòu)形式以及箱型梁斷面等因素對(duì)高架橋梁結(jié)構(gòu)與噪聲輻射相關(guān)的振動(dòng)傳遞特性的影響。李晶[14]等使用ANSYS對(duì)箱型梁三維模型進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，用一列移動(dòng)荷載模擬列車(chē)過(guò)橋，然后將位移響應(yīng)結(jié)果導(dǎo)入Virtual.Lab Acoustics中，作為邊界條件，計(jì)算外聲場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，西南交通大學(xué)李小珍團(tuán)隊(duì)[15～19]以某高速鐵路客運(yùn)專線32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁為研究對(duì)象，開(kāi)展振動(dòng)與噪聲現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；分析了箱梁振動(dòng)與噪聲的時(shí)域特性及頻譜特性；基于相干分析法對(duì)高鐵簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲源識(shí)別方法進(jìn)行了研究；并研究了扣件剛度與阻尼對(duì)鐵路箱梁車(chē)致振動(dòng)噪聲的影響及鐵路混凝土箱梁箱內(nèi)空腔共鳴噪聲。

然而，已有的箱型梁噪聲輻射研究(包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn))基本以高速鐵路為主，而關(guān)于城市軌道交通方面的很少；而且，由于地鐵高架箱型梁噪聲源十分復(fù)雜且受諸多因素影響，模擬仿真與實(shí)際試驗(yàn)效果相符度不高；因此，有必要加強(qiáng)對(duì)地鐵高架箱型梁噪聲輻射特性的試驗(yàn)研究。本文以寧波軌道交通1號(hào)線高架箱型梁為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)箱型梁正下方噪聲輻射特性進(jìn)行分析，為地鐵高架箱型梁噪聲輻射研究及噪聲輻射控制提供一定參考。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取了寧波軌道交通1號(hào)線高架箱型梁，采用實(shí)際運(yùn)營(yíng)的地鐵B型車(chē)，6輛編組，轉(zhuǎn)向架中心距12.6m，轉(zhuǎn)向架軸距2.3m，帶司機(jī)室拖車(chē)長(zhǎng)19.65m，動(dòng)車(chē)長(zhǎng)19m，寬2.89m，接觸網(wǎng)供電。測(cè)試截面位于簡(jiǎn)支箱型梁跨中，如圖1所示，在箱型梁中心線正下方布置三個(gè)高度不同的噪聲測(cè)點(diǎn)，三個(gè)測(cè)點(diǎn)位于同一條豎直線上，測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)為9、10、11，離地面高度分別為1.2m、3.6m、6m。試驗(yàn)設(shè)備包括：丹麥B&K4189聲傳感器(量程6～20Hz)，丹麥B&K2671傳聲器前置放大器(量程6～50 000Hz)，東方所振動(dòng)噪聲采集儀，筆記本電腦，屏蔽信號(hào)線(防止信號(hào)干擾)。圖2為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖，列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)采集，每一列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，采集一組數(shù)據(jù)。為減小測(cè)試誤差，采集多組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有效數(shù)據(jù)篩選，其中測(cè)點(diǎn)9有9組有效數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)10及測(cè)點(diǎn)11的有效數(shù)據(jù)為8組；對(duì)這些有效數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程分析、線性聲壓級(jí)時(shí)域特性分析及傳遞特性分析。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Arrangement of measuring points

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.2 Data acquisition system

3 1/3倍頻程分析

為得到各測(cè)點(diǎn)噪聲的頻譜特性，對(duì)其進(jìn)行1/3倍頻程分析，測(cè)點(diǎn)9～11的1/3倍頻程線性聲壓級(jí)如圖3～圖5所示。從全頻段峰值方面分析，3個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同車(chē)次列車(chē)通過(guò)時(shí)，均在50～80Hz頻率范圍內(nèi)取得全頻段峰值；其中，測(cè)點(diǎn)11處的全頻段峰值最大，達(dá)到89dB，測(cè)點(diǎn)10次之，測(cè)點(diǎn)9最小。從峰值數(shù)量及分布情況上看，測(cè)點(diǎn)9共有四個(gè)峰值，分別位于8Hz、50Hz、160Hz及800Hz附近；測(cè)點(diǎn)10、11共有3個(gè)峰值，分別位于8Hz、63Hz及630Hz附近。

對(duì)于測(cè)點(diǎn)9，從線性聲壓級(jí)沿頻率變化趨勢(shì)上來(lái)看，在0～12.5Hz頻率范圍內(nèi)，聲壓級(jí)隨頻率先增大后減小，在8Hz附近取得極大值，在12.5Hz附近取得極小值；在12.5～100Hz頻率范圍內(nèi)，聲壓級(jí)隨頻率先增大后減小，在50Hz附近取得極大值，在100Hz附近取得極小值；在100～250Hz頻率范圍內(nèi)，聲壓級(jí)隨頻率先增大后減小，在160Hz附近取得極大值，在250Hz附近取得極小值；在250～5 000Hz頻率范圍內(nèi)，聲壓級(jí)隨頻率先增大后減小，在800Hz附近取得極大值。

圖3 測(cè)點(diǎn)9的1/3倍頻程線性聲壓級(jí)Fig.3 1/3 octave linear sound pressure level of No.9 measuringpoint

從線性聲壓級(jí)沿頻率變化趨勢(shì)方面來(lái)看，測(cè)點(diǎn)10及測(cè)點(diǎn)11基本相同，在0～12.5Hz頻率范圍內(nèi)，聲壓級(jí)隨頻率先增大后減小，在8Hz附近取得極大值，在12.5Hz附近取得極小值；在12.5～250Hz頻率范圍內(nèi)，聲壓級(jí)隨頻率先增大后減小，在63Hz附近取得極大值，在250Hz附近取得極小值；在250～5 000Hz頻率范圍內(nèi)，聲壓級(jí)隨頻率先增大后減小，在630Hz附近取得極大值。

圖4 測(cè)點(diǎn)10的1/3倍頻程線性聲壓級(jí)Fig.4 1/3 octave linear sound pressure level of No.10 measuringpoint

圖5 測(cè)點(diǎn)11的1/3倍頻程線性聲壓級(jí)Fig.5 1/3 octave linear sound pressure level of No.11 measuringpoint

4 時(shí)域特性分析

由于3個(gè)測(cè)點(diǎn)在每次列車(chē)通過(guò)時(shí)，均在50～80Hz頻率范圍內(nèi)達(dá)到全頻段峰值，為詳細(xì)了解特征頻率(50～80Hz)下的噪聲聲壓級(jí)傳遞規(guī)律及時(shí)間特性，截取包括列車(chē)通過(guò)的24s聲壓信號(hào)進(jìn)行濾波和時(shí)變參量分析，得到各噪聲測(cè)點(diǎn)的線性聲壓級(jí)時(shí)域特性，如圖6所示?？傮w上，列車(chē)通過(guò)時(shí)，測(cè)點(diǎn)9～11的線性聲壓級(jí)分別為88dB、88dB和89.5dB，且與列車(chē)未通過(guò)時(shí)相比，3個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)在列車(chē)通過(guò)時(shí)的線性聲壓級(jí)都有了明顯增加，聲壓級(jí)最大增加量為25dB。列車(chē)通過(guò)過(guò)程中，三條線性聲壓級(jí)曲線波動(dòng)范圍很相近，且存在一定的交錯(cuò)。結(jié)果表明，列車(chē)通過(guò)時(shí)，高架箱型梁正下方噪聲輻射沿高度方向線性聲壓級(jí)差別不明顯。

5 線性聲壓級(jí)對(duì)比分析

各噪聲測(cè)點(diǎn)的線性聲壓級(jí)對(duì)比分析如圖7所示，3個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)均在50～80Hz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了峰值，最大達(dá)88dB，且測(cè)點(diǎn)11的聲壓級(jí)大于測(cè)點(diǎn)10的聲壓級(jí)，測(cè)點(diǎn)10的聲壓級(jí)略大于測(cè)點(diǎn)9的聲壓級(jí)；在此特征頻率之前，即在0～50Hz頻率范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)9的線性聲壓級(jí)大于測(cè)點(diǎn)10和測(cè)點(diǎn)11的線性聲壓級(jí)。結(jié)果表明，低頻0～50Hz范圍內(nèi)的噪聲主要分布于箱型梁橋下空間的底部。由圖7還可以看出，在630～800Hz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了局部峰值，在該局部峰值對(duì)應(yīng)的特征頻率與全頻段峰值特征頻率之間的范圍內(nèi)(80～630Hz)，測(cè)點(diǎn)11的線性聲壓級(jí)最大。結(jié)果表明，80～630Hz頻率范圍內(nèi)的中低頻噪聲主要分布于箱型梁的底板附近。

圖6 特征頻率下的線性聲壓級(jí)時(shí)域特性Fig.6 Linear SPL time-domain characteristics of characteristic frequencies.

圖7 各測(cè)點(diǎn)線性聲壓級(jí)對(duì)比分析Fig.7 Comparison analysisof linear SPL of measuring points

6 結(jié) 語(yǔ)

地鐵高架化是地鐵建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，箱型梁是高架橋的重要結(jié)構(gòu)方式，研究地鐵高架箱型梁噪聲輻射特性對(duì)噪聲控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)營(yíng)的地鐵高架箱型梁線路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：

(1)列車(chē)通過(guò)時(shí)，箱型梁正下方各噪聲測(cè)點(diǎn)，均在50～80Hz頻率范圍內(nèi)取得線性聲壓級(jí)全頻段峰值，且箱型梁底板處測(cè)點(diǎn)的峰值最大，說(shuō)明箱型梁正下方噪聲輻射以低頻為主。

(2)列車(chē)通過(guò)時(shí)，箱型梁正下方各高度不同的噪聲測(cè)點(diǎn)線性聲壓級(jí)曲線的波動(dòng)范圍很相近，且存在一定的交錯(cuò)，說(shuō)明箱型梁正下方噪聲聲壓級(jí)沿高度變化不大。

(3)列車(chē)通過(guò)時(shí)，在低頻0～50Hz范圍內(nèi)，噪聲主要分布于箱型梁橋下空間的底部，說(shuō)明橋下的行人及汽車(chē)容易受到低頻噪聲輻射。

(4)列車(chē)通過(guò)時(shí)，在中低頻80～630Hz范圍內(nèi)，噪聲主要分布于箱型梁底板附近，結(jié)合結(jié)論(3)，說(shuō)明中頻噪聲由底板往下輻射過(guò)程中產(chǎn)生一定衰減，而低頻噪聲則衰減很少。

[1] 程海根,蔣偉超. 高速列車(chē)作用下箱梁橋箱內(nèi)振動(dòng)噪聲分布研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2015,(9):93-97.

[2] Janssens MHA, Thompson D J. A calculation model for the noise Irom steel railway bidge[J]. Journal of Sound and Vibration, 1996,193(1):295-305.

[3] 石廣田,楊新文,張小安,楊建近. 高鐵板式軌道區(qū)段箱梁結(jié)構(gòu)噪聲輻射分析[J]. 噪聲與振動(dòng)控制,2015,(1):160-164.

[4] A Wang and S.J.Cox Railway bridge noise control with resilient base plates [J] Journal of Sound and Vibration,2000,231(3):907-911.

[5] 李寶銀. 高速鐵路32m簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲研究[D].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2014.

[6] Cooper J H, Harrison M F Development of an alternative design for the West Rail viaducts Proceedings of Institution of Civil Engineers[J]. Transport, 2002,153(2):87-95.

[7] 徐 良. 高速鐵路簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的SEA方法[D].成都:西南交通大學(xué),2011.

[8] Ngai K W. The model of local mode analysis of structural acoustics of box structures [D].Hong Kong: The Hong Kong Polytechnic University,2004.

[9] 劉玉華,葛起宏,左鵬飛. 高架橋箱梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲的測(cè)試分析[J]. 武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,(3):58-59,67.

[10] Lee Y Y, Ngai K W, Ng C F. The local vibration modes due to impact on the edge of a viaduct[J].Applied Acoustics,2004,65(11):1077-1093.

[11] 劉林芽,許代言. 腹板開(kāi)孔的箱型梁結(jié)構(gòu)噪聲輻射特性分析[J]. 振動(dòng)與沖擊,2016,(15):204-210.

[12] 許代言. 基于響應(yīng)面法的軌道交通箱型梁結(jié)構(gòu)—聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].南昌：華東交通大學(xué),2016.

[13] 方小華,谷愛(ài)軍,吳建峰. 軌道交通簡(jiǎn)支箱梁橋振動(dòng)傳遞特性分析[J]. 都市快軌交通,2013,(3):84-88.

[14] 李 晶,張 楠,張立彬. 高架橋梁振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值模擬[J]. 環(huán)境工程,2012,(S1):156-160.

[15] 張 迅,蘇 斌,李小珍. 扣件剛度與阻尼對(duì)鐵路箱梁車(chē)致振動(dòng)噪聲的影響研究[J]. 振動(dòng)與沖擊,2015,(15):150-155.

[16] 張 迅,王黨雄,李小珍. 鐵路混凝土箱梁箱內(nèi)空腔共鳴噪聲及其影響研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào),2015,(7):107-111.

[17] 李小珍,劉孝寒,張 迅,李亞?wèn)|. 基于相干分析的高鐵簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲源識(shí)別方法研究[J]. 工程力學(xué),2014,(1):129-136.

[18] 王子健,張 迅,李小珍. 鐵路混凝土箱梁的振動(dòng)與噪聲頻譜特性研究[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2014,(1):85-90,8.

[19] 李小珍,張 迅,劉全民,張志俊,李亞?wèn)|. 鐵路32m混凝土簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué),2013,(3):20-26。

Test and Analysis of Noise Radiation Characteristics below the Metro Viaduct Box Girder

LUO Yan-yun1, TANG Ji-yi1, LIN Ping2

(InstituteofRailTransit,TongjiUniversity,Shanghai201804,ChinaNingboRailTransportationGroupCo.,Ltd.,Ningbo,Zhejiang315101,China)

In order to study the noise radiation characteristics of the metro box girder, taking Ningbo Metro Line 1 as an example, field test was carried out. The noise data was analyzed from three aspects, the 1/3 octave analysis, the time domain analysis of linear sound pressure level characteristic frequencies and the comparison analysis of linear SPL of measuring points. The results show that when the train passes, the peak value is reached in the 50～80Hz frequency range, and the peak value of the measuring point in box girder floor is the largest. The fluctuation range of the linear sound pressure level curves is very close, and there is a certain degree of interleaving. The low frequency noise of 0～50Hz is mainly distributed at the bottom of the space under the bridge. In the range of 80～630Hz, noise is mainly distributed near the bottom plate of the box girder.

Noise radiation; box girder; 1/3 octave; frequency domain characteristics

2017-03-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678446)。

羅雁云(1960-)，男，上海人，2005年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)力學(xué)專業(yè)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事鐵路噪聲與振動(dòng)控制研究。

U239.5

A

1001-3644(2017)03-00101-05