铁路混凝土箱梁箱内空腔共鸣噪声及其影响研究.pdf

第 3 7 卷第 7 期 2 0 1 5年 7月 铁 道 学 报 J OURNAL OF THE CHI NA RAI LW AY S OC I ETY Vo 1 3 7 No 7 J u l y 2 0 1 5 文章编 号 ： 1 0 0 1 8 3 6 1 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 1 0 7 0 5 铁路混凝土箱梁箱内空腔共鸣噪声及其影响研究 张 迅 ， 王党雄 ， 李小珍 ( 西南交通大学 土木工程学 院 ，四川 1成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘要 ： 为探讨铁路混凝土箱梁箱 内空腔共鸣噪声及其影 响， 以某客运专线 3 2 r f l 预应力混凝土简支箱梁为研究 对象 ， 开展实桥振动与噪声试验 ， 分析箱梁振 动与噪声 的时域特性及频谱特性 。采用有限元法建立三维空腔声模 型 ， 分析箱 内空腔声模态与腔 内噪声峰值的关联性 。采用边界 元法分别建 立两端封 闭与两端 开 口的箱梁 声学模 型 ， 验证箱 内空腔共鸣噪声的来源及其影响 。结果表 明： 在 特定 行车速度 下 ， 箱 内噪声 出现 “ 拍” 现象 ， 显著增大箱 内噪声 ， 瞬时最大声压可达 4 O P a ， 峰值频率为 7 5 0 Hz ； 箱 内噪声 的“ 拍 ” 现象 来源 于顶板 的振动噪 声 ， 顶 板的振 动峰值频率与箱 内空腔垂 向声模态频率 吻合 时， 箱 内噪声显 著增大 ； 由于梁缝 的声泄漏特 性 ， 箱内空腔共 鸣噪声 在梁缝处衰减较大 ， 但其 对桥梁两侧总体噪声的影响不可忽略 。 关键词 ：混凝 土箱 梁 ； 结构噪声 ； 空腔声模 态 ； 空腔共 鸣； 边界元法 中图分类号 ：U2 4 ： T B I 2 3 文献标志码 ：A d o i ： 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 1 8 3 6 1 2 0 1 5 0 7 0 1 7 S t u d y o n Ca v i t y Re s o n a n c e No i s e o f Ra i l wa y Co nc r e t e B0 X - Gi r d e r a n d I t s I nf l u e nc e ZH ANG Xu n， ( S c h o o l o f Ci v i l En gi n e e r i n g， W ANG Da ng x i o ng。 S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y LI Xi a o z he n Che n g d u 6 1 0 0 3 1，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n or d e r t o s t u d y t he c a v i t y r e s o na n c e n oi s e o f c o nc r e t e b ox - g i r de r a n d i t s i nf l u e nc e，a f i e l d t e s t c o n c e r ni n g v i br a t i on a n d no i s e of a 3 2 m PC s i m p l y s up po r t e d bo x- gi r d e r wa s c a r r i e d o ut ，t o i nv e s t i g a t e t he t i m e - d oma i n c h a r a c t e r i s t i c s a nd f r e q ue nc y s pe c t r um c ha r a c t e r i s t i c s o f vi br a t i on a nd no i s e o f t he b ox - g i r de r A 3 D c a v i t y a c o us t i c a l mod e l wa s e s t a b l i s he d b a s e d on FEM t o a n a l yz e t he c o r r e l a t i on be t we e n c a v i t y a c o us t i c m o de a n d c a v i t y n o i s e p e a k Two a c o u s t i c a 1 mo d e l s f o r b o x - g i r d e r s wi t h c l o s e d e n d s a n d o p e n e n d s ，we r e b u i l t b a s e d on BEM ，r e s pe c t i v e l y，t o v e r i f y t he s o ur c e a nd i nf l u e nc e o f c a v i t y r e s o na n c e n oi s e Re s u l t s s ho we d t ha t t h e “ b e a t ”wa v e p h e n o me n o n o f c a v i t y n o i s e a p p e a r e d u n d e r a s p e c i f i c t r a i n s p e e d，s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s i n g t h e c a v i t y n oi s e，wi t h t he t r a ns i e n t m a x i m um s oun d pr e s s u r e o f c a v i t y no i s e r e a c hi n g 4 0 Pa a n d t h e n oi s e p e a k f r e q ue n c y be i ng 7 5 0 Hz；The“ b e a t ”wa v e phe no m e n on of c a v i t y n oi s e de r i v e d f r o m t he v i b r a t i o n o f de c kW he n t h e p e a k v i b r a t i o n f r e q u e n c y o f d e c k ma t c h e d wi t h t h e f r e q u e n c y o f v e r t i c a l a c o u s t i c mo d a l o f t h e c a v i t y，t h e c a v i t y n o i s e s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d Th e c a v i t y r e s o n a n c e n o i s e a t t e n u a t e d t o a l a r g e e x t e n t a t t h e e x p a n s i o n j o i n t s d u e t o “ a c o us t i c l e a ka ge ” H o we ve r，t h e i nf l u e n c e o f c a v i t y r e s o na n c e n oi s e o n t he ov e r a l 1 no i s e of t wo s i de s o f b r i dg e c a n n o t b e n e g l e c t e d Ke y wo r d s：c o nc r e t e bo x - g i r de r；s t r u c t u r e r a di a t e d n oi s e；c a v i t y a c o us t i c mo de；c a v i t y r e s on a nc e；BEM 混凝土箱梁在轮轨不平顺激励下发生振动并辐射 噪声 ， 由于该噪声频率较低 ， 易引起人们烦扰不适 ， 是 一 种难以控制的噪声源 。国内外学者对混凝土箱梁 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 0 5 ； 修 回日期 ： 2 0 1 4 0 7 - 2 5 基金项 目：国家 自然科 学基金 ( 5 1 3 0 8 4 6 9 、 5 1 3 7 8 4 2 9 ) ； 中央高校 基 本科研业务 费( 2 6 8 2 0 1 4 B R 0 5 3 ) 第一作者 ：张迅( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 湖北荆 门人 ， 讲师 ， 博士 。 E ma i l ：z h x u n x u n s w j t u e d u e n 通讯作者 ：王党雄( 1 9 9 1 一 ) ， 男 ， 陕西礼泉人 ， 博士研究生。 E- ma i l ：l 1 5 2 4 5 4 3 5 7 q q c o m 的结 构 噪 声 开 展 了 试 验 研 究 口 ， 成 功 采 用 有 限 元 法 、 边界元法 、 声传递 向量法 和功率流法 。 等进 行结构噪声 的数值模拟 ， 采取增加板厚 、 调整腹板倾 角、 增设纵向腹板及调整腹板间距 等措施进行箱梁结 构噪声的控制 n 。文献 1 2 探讨 了桥梁阻尼 、 支座 刚度 、 桥梁荷载等因素对箱梁结构噪声的影响。 从声学角度看 ， 混凝土箱梁是一种两端开 口的特 殊结构。我国铁路常采用 3 2 m 混凝土简支箱梁桥 ， 1 1 O 铁 道 学 报 第 3 7 卷 CHN6 O型钢轨 ， 扣件竖 向刚度取 6 0 MN m， 阻尼 比 取 0 2 5 ， 扣件间距 0 6 m， 列车运行速度为 3 4 0 k m h 。 由于缺少实测轨道不平顺谱 ， 采用文献 1 8 推荐 的短 波不平顺谱 。图 7为单轮作用在箱梁上的轮轨动态作 用力频谱曲线。从图 7可 以看 出， 轮轨力峰值出现在 6 0 Hz 附近 ， 对应于车轮一 轨道系统 固有频率 。为了 对比， 图 7还标识出了幅值为 1 0 k N的白噪声激励 。 在箱梁跨 中施加 图 7的轮轨力激 励和 白噪声激 励 ， 分析 2 0 2 0 0 Hz 频 段范 围 的箱 内噪声 特性 。采用 2种方法进行分析： 第 1种是将单孔箱梁视作两端封 闭结 构 ， 见 图 8 ， 采 用 直 接 边 界 元 计 算 箱 内 噪声 ； 第 2 种是将单孔箱梁视作两端开 口结构 ， 用 间接边界元法 计算箱内噪声 。2种不同计算方法下箱 内的声压级 曲 线 见图 9 。 1 6 z 1 2 菩8 罂4 O 5 O 1 0 0 1 5 0 2 0 o 频率r Hz 图 7 作用在箱梁上的轮轨 动态作用力谱 幽 姐 图 8 箱梁边界元模型 ( 两端封 闭) 频率 Hz 频率 Hz ( a ) 旌加轮轨激励力 ( b ) 施加白噪声激励力 图9 箱内 测点) 声压级曲线 从 图 9可 以看 出 ： ( 1 )在 6 1 Hz处( 轮轨激励 力峰值频率附近) ， 两 端开 口和两端封闭模型均出现噪声峰值 ； 两端封闭模 型的箱内声压值远大于两端开 口模型 ； 在 7 3 Hz 附近， 两端封闭模型的箱 内噪声出现最大值 ， 其值 比两端开 口模型高 3 0 d B以上。实测结果 为 7 5 Hz处 出现峰 值 ， 与理论计算 的 7 3 Hz 稍有差异 。因为理论模型箱 内空腔的体积与实际箱梁内空腔 的体积稍有差异， 且 理论模型箱梁两端是完全封闭的， 而实际箱梁两端是 半 封闭 的 。 ( 2 )白噪声激励力同样使箱内噪声在 7 3 Hz 处 出 现最大值 ， 且 由于此频率处 的白噪声激励力大 于轮轨 力 激励 ， 箱 内声压 级更 大 。 综上， 7 3 Hz 处 的箱 内噪声峰值主要受箱 内空腔 共鸣的影响， 提高此频率处的激励力将显著增加噪声。 图 1 O为在轮轨力激励作用下顶板和底板 的振动 加 速 度级 曲线 图 。从 图 1 0可 以看 出 ， 顶 板 在 6 0 8 O Hz 频段范围的振动加速度级 比底板大 1 5 d B以上 ， 说 明箱内空腔共鸣噪声是由顶板的振动噪声被放大而引 起 的 。 图 1 0 振动加速度级曲线 1 40 要1 2 0 粗 1 0 0 8 0 5 O l o 0 1 5 0 2 0 o 频率， I z 图 1 1 两端封闭箱梁模型 声压级 曲线 图 1 1为封 闭箱梁 模 型计算 的箱 内测 点 N 与梁 缝 测 点 N。 的声 压 级 曲线 。从 图 l 1可 以看 出 ， N。 与 N 的声压 级差 异较 小 。实测 梁缝处 的声压 峰值 约为箱 内 声压峰值的 1 2 ， 与理论 计算结果差异 较大。由于实 际箱梁 是半 封 闭 的 ， 而 理论 计 算 的箱 梁 模 型是 完 全 封 闭的， 声泄漏效应导致箱内空腔共鸣现象在梁缝处急 剧减 弱 。 4 结 论 本文结合某 3 2 m预应力混凝土简支箱梁的振动 与噪声 试 验 ， 研 究 了 箱梁 箱 内空 腔 共 鸣现 象 。在此 基 础上 ， 以有限元与边界元为理论基础 ， 建立了箱内空腔 声模 态 ， 从 声模 态 角度 分 析 了 箱 内空 腔 对 箱 梁 结构 噪 声的影响， 通 过数值 仿真模拟 了箱梁 空腔共鸣现象 。 主要 结论 如下 ： ( 1 )列车在桥上以特定 速度运行 时， 箱内噪声将 出现明显 的“ 拍” 现象 ， 使箱 内瞬时噪声高达 4 0 P a ， 峰 值频率为 7 5 0 Hz 。 ( 2 )箱 内噪声 出 现“ 拍 ” 现 象 时 ， 梁 缝 处 的 噪 声 显 著增加 ， 并通过梁缝处泄漏 出去 。实测梁缝处泄漏出 来的噪声峰值 比梁底噪声峰值大 1 倍左右 。 ( 3 )箱 内噪声出现的“ 拍” 现象来源于顶板的结构 噪声。当顶板 的振动峰值频率与箱内空腔垂向声模态 频率吻合时 ， 箱内噪声迅速增大 ， 出现空腔共鸣特征 。 ( 4 )运营中的箱梁 由于梁缝处的特殊结构 ， 使得 箱梁结构处于半封闭状态 ， 导致箱 内空腔共 鸣噪声的 出现 ； 也正是 由于这种半封闭状态， 在某种程度上削弱 了箱内空腔共鸣噪声 ， 使从梁缝处泄漏出去的噪声不 致 过大 。 ( 5 )从梁 缝处 泄漏 出来 的噪 声本 质 上为 箱 梁结 构 噪声 ， 频率较低 ( 本 文实测为 7 5 0 Hz ) 。由于现有铁 路边界噪声评价规范采用 A计权声压级 ， 高频噪声对 第 7期 张迅 等 ： 铁路混凝土箱梁箱 内空腔共 鸣噪声及 其影 响研 究 1 1 1 总体噪声的贡献相对大得多 ， 所以相对于轮轨噪声 、 弓 网噪声等高频噪声而言， 低频空腔共鸣噪声对高铁桥 梁两侧的总体噪声影响较小 ， 可以忽略不计 。但是 ， 对 于车速较低 的城市轨道交通而言， 由于高频噪声较小 ， 桥梁结构噪声占总体 噪声 的比重大大增加 ， 箱梁空腔 共鸣现象将恶化桥梁两侧 的噪声 环境 ， 必须采取措施 进 行控 制 。 由于本次测试未获得桥上实际的轨道不平顺谱 ， 对列车仅在 3 4 0 k m h的速度级下发生箱 内空腔共鸣 的现象难以解释 ， 需要继续研究。由于铁路 3 2 m 箱 梁具有多样性， 为避免箱内空腔共鸣噪声的影响， 箱 内 空腔几何形状与箱梁结构拓扑构形之间的内在关联性 也是今后需要关注的问题 。 参考文献 ： 1 THOMP S ON D J R a i l wa y N o i s e a n d V i b r a t i o n ： Me c h a n i s ms ，Mo d e l i n g a n d Me a n s o f C o n t r o l M Ox f o r d ： El s e v i e r ，2 0 09 2 李小珍 ， 张迅， 刘全民， 等铁路 3 2 m混凝土简支箱梁结 构 噪声 试验 研究 J 中国铁道科学 ， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 3 ) ：2 0 2 6 LI Xi a o - z h e n ，Z HANG Xu n，L I U Qu a n - mi n，e t a 1 Ex p e r i me n t a l S t u d y o n S t r u c t u r e - b o r n e No i s e o f Ra i l wa y 3 2 m S i mp l y - s u p p o r t e d C o n c r e t e B o x - g i r d e r J C h i n a R a i l wa y S c i e n c e ，2 0 1 3，3 4 ( 3 )：2 O 一 2 6 3 高 飞，夏禾 ，安宁北京地铁 5号线 高架结构 的辐射 噪声 分析与 实验 研究 J 中国铁 道科 学 ，2 0 1 0 ，3 1 ( 5 ) ：1 3 4 13 9 GAO Fe i ，XI A He。AN Ni ng An a l y s i s a nd Expe r i m e nt a l S t u d y o n t h e Ra d i a t i o n No i s e o f t h e El e v a t e d S t r u c t u r e s o f B e i j i n g Me t r o L i n e 5 J C h i n a R a i l w a y S c i e n c e ，2 0 1 0 ， 3 1 (5 )：1 34 1 3 9 4 常亮箱形梁结构 的振动 和噪声 辐射研 究 D 武汉 ：武 汉理工大学 ，2 0 0 7 5 NG AI K W， NG C F S t r u c t u r e b o r n e N o i s e a n d Vi b r a t i o n o f C o n c r e t e B o x S t r u c t u r e a n d R a i l Vi a d u c t J J o u r n a l o f S o u n d a n d Vi b r a t i o n，2 0 0 2 ，2 5 5 ( 2 )：2 8 1 - 2 9 7 6 Z HA NG X， L I X Z ， L I U Q M ， e t a 1 Th e o r e t i c a l a n d E x pe r i m e n t a l I n ve s t i g at i o n on Br i dge - bor ne No i s e un de r M o v- i n g Hi g h s p e e d Tr a i n J S c i e n c e C h i n a Te c h n o l o g i c a l S c i e n c e s ，2 0 1 3 ，5 6 ( 4 ) ：9 1 7 - 9 2 4 7 高飞 ， 夏禾 ， 曹艳梅 ，等用边界元一 有限元法研究 高架 结 构辐射噪声 j 土木建 筑与环境 工程 ，2 0 1 2 ，3 4 ( 1 ) ：4 2 46 GAO F e i ，XI A He ，CAO Ya n - me i ，e t a 1 An a l y s i s o f El e v a t e d S t r u c t u r e Ra d i a t e d No i s e wi t h B EM FEM Me t h o d J J o u r n a l o f C i v i l ， Ar c h i t e c t u r a l E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 2，3 4 ( 1 )：4 2 4 6 8 wU T x， L I U J HS o u n d E mi s s i o n C o mp a r i s o n s b e t we e n t h e B o x - s e c t i o n a n d U- s e c t i o n Co n c r e t e Vi a d u c t s f o r E 】 e v a t e d R a i l wa y J N o i s e C o n t r o l E n g i n e e r i n g J o u r n a l ， 2 0 1 2 ，6 0 ( 4 ) ：4 5 0 4 5 7 9 张迅 ，李小 珍 ， 刘 全 民，等混凝土箱 梁 的结构 噪声及 其 影响 因素 J 西南交通大 学学 报 ， 2 0 1 3 ， 4 8 ( 3 ) ： 4 0 9 4 1 4 ZHANG Xu n ，LI Xi a o - z h e n，LI U Qu a n - mi n ，e t a 1 S t r u c t ur e - bo r n e Noi s e of Co nc r e t e Bo x - gi r de r a nd i t s I n f l ue nc e F a c t o r s J J o u r n a l o f S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， 2 0 1 3，4 8 ( 3 )：4 0 9 - 4 1 4 1 O 张迅 ， 李小珍 ， 刘德 军 ，等高速铁路 3 2 m简 支箱梁 声 辐射特性研究 J 铁道学报 ， 2 0 1 2 ，3 4 ( 7 ) ： 9 6 1 0 2 ZHANG Xa n，LI Xi a o - z h e n，LI U De - j u n，e t a 1 S o u n d Ra d i a t i o n C h a r a c t e r i s t i c s o f 3 2 m S i m p l y S u p p o r t e d Co n c r e t e Bo x G i r d e r Ap p l i e d i n Hi g h s p e e d R a i l wa y J J o u r n a l o f t h e Ch i n a Ra i l wa y S o c i e t y ，2 0 1 2 ，3 4 ( 7 ) ：9 6 1 O2 儿C R OC KE T T A R， P Y KE J RVi a d u c t De s i g n f o r Mi n i mi z a t i o n o f D i r e c t a n d S t r u c t u r e - r a d i a t e d Tr a i n No i s e J J o u r n a l o f S o u n d a n d Vi b r a t i o n，2 0 0 0 ，2 3 1 ( 3 )：8 8 3 8 9 7 1 2 高飞 ，夏禾 ， 曹艳梅 ，等城市轨道交通高架结构 振动与 声辐射研究 J 振动与 冲击 ，2 0 1 2 ， 3 1 ( 4 ) ：7 2 7 6 GAO Fe i ，XI A He，CAO Ya n - me i ，e t a 1 Vi br a t i on a nd No i s e I n f l u e n c e s o f El e v a t e d S t r u c t u r e s i n Ur b a n Ra i l wa y J J o u r n a l o f Vi b r a t i o n a n d S h o c k ，2 0 1 2 ，3 1 ( 4 ) ：7 2 7 6 1 3 L I X Z ，Z HANG X，Z HAN G Z J ，e t a 1 E x p e r i me n t a l Re s e a r c h o n No i s e f r o m I n t e r c i t y Ra i l wa y C o n c r e t e B o x - g i r d e r B r i d g e s J P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f Me c h a n i c a l En g i n e e r s ，P a r t F：J o u r n a l o f Ra i l a n d Ra p i d Tr a n s i t ，2 0 1 5 ，2 2 9 ( 2 )：1 2 5 - 1 3 5 1 4 温玉君城市轨道交通 系统的减振 降噪措施 J 城市 轨 道交通研究 ， 2 0 0 5 ， 8 ( 6 ) ： 7 7 7 9 W EN Yu - j u n Me a s u r e s o f No i s e Re d u c t i o n a n d Vi b r a t i o n D a mp i n g o n Ur b a n R a i l T r a n s i t S y s t e ms J Ur b a n Ma s s Tr a n s i t ，2 0 0 5，8 ( 6 ) ：7 7 - 7 9 1 5 谢 伟平 ， 陈西德 钢筋混 凝土 圆柱壳 声辐 射特 性 的有 限 元 研究 J 声学技术 ， 2 0 0 8 ，2 7 ( 5 ) ：7 6 9 7 7 4 XI E W e i - pi ng CHEN Xi de Re s e a r c h on Ac ou s t i c Ra di a t i o n f r o m Re i n f o r c e d Co n c r e t e Cy l i n d r i c a l S h e l l b y Fi n i t e - e l e me n t Me t h o d J Te c h n i c a l Ac o u s t i c s ，2 0 0 8 ，2 7 ( 5 ) ： 76 9 7 74 1 6 张迅轨 道交 通桥 梁结 构噪 声预 测与 控制 研究 D 成 都 ：西南交通大学 ， 2 0 1 2 1 7 李 小珍 高速铁路列车一 桥梁 系统 耦合振 动理论及应用 研 究 D 成都 ：西南 交通大学 ， 2 0 0 0 1 8 I n t e r n a t i o n a l Or g a n i z a t i o n f o r S t a n d a r d i z a t i o n I S O3 0 9 5 2 0 0 5 Ra i l wa y Ap p l i c a t i o n s Ac o u s t i c s - M e a s u r e me n t o f N o i s e E mi t t e d b y R a i l B o u n d Ve h i c l e s S B r u s s e l s ： I n t e r n a t i o n a l Or g a n i z a t i o n f o r S t a n d a r d i z a t i o n。 2 0 0 5 ( 责任编辑苗蕾)