摘要： 為降低輪軌噪音，提出了一種新型交叉式靜音鋼軌.與傳統(tǒng)的靜音鋼軌不同，其在鋼軌和阻尼層之間增加了一層擴(kuò)展層，且擴(kuò)展層與約束層交錯(cuò)布置.采用有限元法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果（擴(kuò)展層宜用厚1 mm的鋁材，阻尼層宜用IPN型阻尼材料，約束層宜用厚2 mm的鋼材）制作實(shí)物并進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明：在垂向和橫向激勵(lì)下，該交叉式靜音鋼軌振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間僅為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的1/5，噪聲聲輻射聲壓級(jí)分別比標(biāo)準(zhǔn)鋼軌降低10.4和13.2 dB.

關(guān)鍵詞： 輪軌噪聲；阻尼；振動(dòng)；交叉式靜音鋼軌

中圖分類號(hào)： TB535.1； U213.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ATheoretical Analysis and Experimental Investigation on

軌道交通產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲對(duì)沿線周邊環(huán)境影響極大，是環(huán)境的污染源之一.隨著列車速度的提高和行車密度的增大，它對(duì)周邊環(huán)境的影響也日益嚴(yán)重，使人們的身心健康受到嚴(yán)重?fù)p害，而噪聲污染尤為突出[1].如何解決高速列車引起的噪聲危害，己成為軌道交通必須解決的難題.

在歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家，相關(guān)部門規(guī)劃新線時(shí)，甚至出現(xiàn)過(guò)公眾抵制的情況，原因是高速鐵路的噪聲與振動(dòng)污染問(wèn)題.我國(guó)鐵路也曾出現(xiàn)過(guò)因?yàn)闆](méi)有通過(guò)環(huán)境評(píng)價(jià)而無(wú)法修建的情況.

大量理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，當(dāng)列車速度從50 km/h增大到300 km/h時(shí)，輪軌噪聲是鐵路噪聲的主要噪聲源[24]，而我國(guó)絕大部分鐵路的運(yùn)營(yíng)速度在這個(gè)范圍內(nèi).因此，研究降低輪軌噪聲的措施具有現(xiàn)實(shí)意義.

國(guó)內(nèi)外為解決軌道交通產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題做了大量工作，試圖根據(jù)輪軌噪聲產(chǎn)生的機(jī)理控制聲源：如定期打磨車輪和鋼軌表面，降低輪軌表面粗糙度[57]；在車輪表面粘貼約束阻尼層以增大車輪結(jié)構(gòu)阻尼[8]；用彈性車輪隔離結(jié)構(gòu)振動(dòng)[9]和優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)形狀以減小車輪結(jié)構(gòu)的聲輻射[10]；優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)和阻尼[11]；在軌道板上鋪設(shè)吸聲板以及在軌道兩側(cè)安裝低矮聲屏障吸聲[12]；鋼軌沿線和轉(zhuǎn)向架上分別安裝低矮隔聲墻和隔聲裙[13].目前較為常見的措施是采用整體聲屏障，但其存在以下顯著缺點(diǎn)：由于噪聲衍射的原因，其效果有限；對(duì)高層建筑或深谷環(huán)境的效果有限；具有強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊；安裝成本高[14].

可見，有必要研究行之有效的減振降噪措施，為此，本文提出了一種新型降噪的交叉式靜音鋼軌.

1理論研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的約束阻尼結(jié)構(gòu)分為3層，即基層、阻尼層和約束層[1516].但有時(shí)對(duì)約束阻尼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的要求較為嚴(yán)格，既要保證阻尼耗能效果，又要求約束阻尼結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、剛度好、阻尼大.為此，從結(jié)構(gòu)上可以在需要消耗能量的基層和阻尼層之間增加一層交叉西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)第48卷第2期趙才友等：新型交叉式靜音鋼軌的理論與試驗(yàn)研究式擴(kuò)展層.當(dāng)基層發(fā)生彎曲振動(dòng)時(shí)，交叉式擴(kuò)展層起類似杠桿的放大作用，增大阻尼層的剪切變形，從而增大阻尼層的耗能作用.較理想的擴(kuò)展層應(yīng)是剪切剛度很大，而彎曲剛度很小.1.1結(jié)構(gòu)耗能的基本原理這種約束阻尼結(jié)構(gòu)增大耗能的原因，是增大了阻尼層到基層的距離.更重要的是，由于擴(kuò)展層的剪切剛度遠(yuǎn)大于其彎曲剛度，剪切剛度可視為無(wú)窮大，所以基層振動(dòng)時(shí)，能更好地放大阻尼材料的剪切變形.另外，交叉式擴(kuò)展層的彎曲剛度很小，對(duì)原結(jié)構(gòu)彎曲剛度的影響不會(huì)很大，因此耗能很明顯.

1.2運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)求解結(jié)構(gòu)變形時(shí)，假定：

（1） 基層和約束層未發(fā)生剪切變形；

（2） 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生小撓度變形，各層側(cè)向撓度相同；

（3） 基層、擴(kuò)展層和約束層變形符合平面假設(shè)；

（4） 阻尼層無(wú)彎曲剛度，產(chǎn)生純剪切變形；

（5） 擴(kuò)展層的彎曲剛度比基層和約束層小得多.

圖1為該結(jié)構(gòu)局部變形示意[17]，其中ub、us、uv和uc分別為基層、擴(kuò)展層、阻尼層和約束層的軸向位移，θ為梁段轉(zhuǎn)角，γs和γv分別為擴(kuò)展層和阻尼層的剪應(yīng)變，hb、hs、hv和hc分別為基層、擴(kuò)展層、阻尼層和約束層的厚度，h為約束層中性軸到結(jié)構(gòu)整體中性軸的距離，yb為基層中性軸到結(jié)構(gòu)整體中性軸的距離，le為單元長(zhǎng)度，x為距左端距離.

4結(jié)論交叉式靜音鋼軌的關(guān)鍵技術(shù)是在鋼軌和阻尼層之間增加一層擴(kuò)展層，并且將阻尼層和擴(kuò)展層設(shè)計(jì)成相互交叉的結(jié)構(gòu)形式.這樣，當(dāng)鋼軌發(fā)生彎曲振動(dòng)時(shí)，擴(kuò)展層起著類似于杠桿的放大作用，增大阻尼層的剪切變形，從而增大了阻尼層的耗能.仿真分析和室內(nèi)測(cè)試表明：

（1） 在垂向和橫向激勵(lì)下，交叉式靜音鋼軌的振動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)鋼軌小得多，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間僅為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的1/5.

（2） 在垂向激勵(lì)下，在0～4 000 Hz頻段內(nèi)，海達(dá)靜音鋼軌的噪聲聲輻射比標(biāo)準(zhǔn)鋼軌小.與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌相比，海達(dá)靜音鋼軌在500 Hz以下低頻段降低了3.35 dB，在500～1 000 Hz中頻段降低了6.43 dB，在1 000～4 000 Hz高頻段降低了7.66 dB；在0～4 000 Hz頻段內(nèi)，總聲壓級(jí)降低10.40 dB.

（3） 在橫向激勵(lì)下，在0～4 000 Hz頻段內(nèi)，海達(dá)靜音鋼軌的噪聲聲輻射得到較明顯地抑制.與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌相比，海達(dá)靜音鋼軌在500 Hz以下低頻段降低7.57 dB，在500～1 000 Hz中頻段降低7.35 dB，在1 000～4 000 Hz高頻段降低9.44 dB；在0～4 000 Hz頻段內(nèi)，總聲壓級(jí)降低13.20 dB.

（4） 垂向和橫向激勵(lì)交叉式靜音鋼軌時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌相比，由于增加了交叉式擴(kuò)展層和阻尼層，聲場(chǎng)點(diǎn)處聲壓的主要頻率持續(xù)時(shí)間短得多.

參考文獻(xiàn)：

[1]雷曉燕，圣小珍. 鐵路交通噪聲與振動(dòng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004： 759.

[2]MAUCLAIRE B. Noise and vibration from highspeed trains[M]. London： Thomas Telford， 2001： 319.

[3]DITTRICH M G， ZHANG X. The harmonoise imagine model for traction noise of powered railway vehicles[J]. Journal of Sound and Vibration， 2006， 293（3）： 986994.

[4]REMINGTON P J. Wheel/rail noise， part Ⅰ： characterization of the wheel/rail dynamic system[J]. Journal of Sound and Vibration， 1976， 46（3）： 359379.

[5]NELSON J T. Wheel/rail noise control manual[M]. Washington： National Academy Press， 1997： 521.

[6]REMINGTON P J. Wheel/rail noise， part IV： rolling noise[J]. Journal of Sound and Vibration， 1976， 46（3）： 419436.

[7]HEMSWORTH B. Recent developments in wheel/rail noise research[J]. Journal of Sound Vibration， 1979， 66（3）： 297310.

[8]LETOURNEAUX F， GUERRAND S， POISSON F. Assessment of the acoustical comfort in highspeed trains at the SNCF： integration of subjective parameters[J]. Journal of Sound and Vibration， 2000， 231（3）： 839846.

[9]GUCCIA L. Le confort acoustique des voyageurs[J]. Revue Générale des Chemins de Fer， 1999， 49（7）： 510.

[10]趙洪倫，許小強(qiáng). 彈性車輪減噪聲學(xué)特性研究[J] .鐵道學(xué)報(bào)，2001，23（6）： 2630.

ZHAO Honglun， XU Xiaoqiang. Study on noise reduction properties of resilient wheels[J]. Journal of the China Railway Society， 2001， 23（6）： 2630.

[11]GRY L. Dynamic modeling of railway track based on wave propagation[J]. Journal of Sound and Vibration， 1996， 195（3）： 477505.

[12]JONES C， HARDY A. Bogie shrouds and low trackside barriers for the control of railway vehicle rolling noise[J]. Journal of Sound and Vibration， 1996， 193（1）： 427431.

[13]HEMSWORTH B. Rapporteurs report， session 4： propagation of railway noise； effect of topography； barrier design[J]. Journal of Sound and Vibration， 1977， 51（3）： 399401.

[14]OERTLI J. The STAIRRS project， work package 1： a costeffectiveness analysis of railway noise reduction on a European scale[J]. Journal of Sound and Vibration， 2003， 267（3）： 431437.

[15]HAO M， RAO M D， SCHABUS M H. Optimum design of multipleconstraintlayered systems for vibration control[J]. AIAA Journal， 2004， 42（12）： 24482461.

[16]LIU W. Experiment and analytic estimation of damping treatments in engineering structures[D]. Lawrence， Kansas： The University of Kansas， 2005： 113159.

[17]LEE D H. Optimal placement of constrainedlayer damping for reduction of interior noise[J]. Noise and Vibration Bulletin， 2008， 46（1）： 7583.

（中、英文編輯：付國(guó)彬）