CN106339556A - 一种轨道交通桥梁和钢轨全空间噪声预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通桥梁和钢轨全空间辐射噪声的预测方法,具体如下：首先，分别建立精细的三维车辆、钢轨、桥梁有限元模型，通过时域车‑轨‑桥耦合振动分析获得桥梁和钢轨的动力响应；其次，通过声学空间傅里叶变换求得桥梁和钢轨的模态声向量，并结合桥梁和钢轨的动力响应计算获得轨道中心线附近近场点的桥梁和钢轨辐射噪声；然后，分别建立二维钢轨、桥梁振动声耦合传播模型，通过声学无限元法求得在稳态激励荷载作用下钢轨和桥梁远场点噪声的衰减分布规律；最后，选定某近场点作为源强点，结合三维模型的近场计算结果和二维模型的远场衰减率预测全空间的桥梁和钢轨噪声水平。

Description

一种轨道交通桥梁和钢轨全空间噪声预测方法
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种轨道交通桥梁和钢轨振动辐射噪声全空间的预测方法。
背景技术
随着经济的发展，轨道交通线路的建设速度正逐年提高，由于轨道交通高架桥梁比地下线路造价低，因此高架桥梁成为了轨道交通线路上重要的形式之一，其占线路总长度的比重很高。列车通过时引起的桥梁结构振动辐射噪声使得轨道交通高架线路上的噪声水平往往要高于普通线路上的噪声。轨道交通线路往往穿过人口较为稠密的地区，而结构振动噪声严重影响公民的日常工作和生活，这使得轨道交通高架桥梁噪声成为了一个亟待解决的问题。
为了达到减振降噪效果，需要提出一种较为精确的预测模型对轨道交通桥梁噪声问题进行系统研究。当采用A计权声压级时，桥梁噪声和钢轨噪声为轨道交通高架线路上的两个主要噪声源。直接采用声学边界元或者有限元模型可以精确计算结构辐射噪声，但主要用于低频噪声分析，当分析频率提高时，单元数量大幅度增加，使得中高频的计算效率较低。因此，直接采用三维边界元或者有限元声学模型同时对桥梁和钢轨的辐射噪声进行计算极为费时，研究者往往采用简化的声辐射模型或者统计能量法预测其噪声水平，而这两种方法无法精确模拟复杂结构形式和声学边界条件下的噪声辐射。所以，亟需一种能够准确、快速预测桥梁和钢轨辐射噪声的数值模型。
发明内容
发明目的：提出一种预测轨道交通桥梁和钢轨噪声的数值模型，以准确、快速获得不同轨道交通桥梁结构的噪声水平，明确轨道线路近场、远场全空间的噪声水平分布特性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
(1)通过有限元软件建立三维车辆、钢轨以及桥梁的精细模型，车辆模型采用三维柔体模型，桥梁和钢轨采用三维实体单元；进行模态分析后导出各子系统的模态位移和模态频率，基于模态叠加法对时域的车-轨-桥耦合振动进行分析，获得钢轨和桥梁的动力响应；轮轨激励荷载以及结构内部的非线性弹簧、阻尼力采用拟力法处理，车-轨-桥耦合振动方程采用数值方法求解；
(2)建立二维的钢轨-桥梁声学模型，并考虑车身边界的影响，计算外表面单位振速下的辐射声压值，二维声学模型采用边界元法或无限元方法，边界元法需在模型内设置CHIEF点或者Burton-Miller方法来解决本征频率不唯一的问题，无限元方法需要对无限元单元的径向阶数、半径等参数进行收敛性分析；
桥梁、钢轨、车身模型外表面为全刚性，通过镜像原理来考虑地面反射的影响；将三维模型的各阶模态位移投影到结构外表面法向，通过空间傅里叶变换获得三维桥梁和钢轨的模态声向量；空间傅里叶变换积分公式中存在奇异点，需要通过换元法分段积分消除奇异点的影响，分段区间以及频率间隔需满足积分收敛性准则；
(3)结合步骤(1)中得到的桥梁和钢轨振动结果和步骤(2)获得的模态声向量，预测轨道中心线附近的近场点的桥梁噪声和钢轨噪声频谱；
(4)分别建立二维钢轨和桥梁的振动声辐射传播模型，并考虑车身边界的影响，二维钢轨和桥梁振动模型均采用自由边界，采用稳态集中激励荷载模拟轮轨激励力，在钢轨模型和桥梁模型对应的轮载位置分别施加稳态激励荷载，左右集中荷载的相位差为90度，计算频率间隔为2Hz；
将稳态荷载作用下钢轨和桥梁的动力响应分别投影到二维声学模型中的声振耦合面上作为振动边界，通过声学无限元法求解钢轨和桥梁在稳态荷载作用下的辐射声压，对离地面同一高度的每一行声场点，选择该行离轨道交通中心线10～15m远处的场点作为参考点，用同一行内其余场点的声压频谱值减去参考点的声压频谱能够得到该行噪声的衰减规律；
(5)将步骤(4)中每一行场点的参考点作为源强点，以源强点位置为分界线，靠近桥梁的包括源强点的近场点的声压频谱采用步骤(3)中精细化的三维模型计算结果；远离桥梁的远场点则根据源强点声压和步骤(4)中二维传播模型的声压频谱衰减值获得，最终获得全空间的桥梁和钢轨噪声水平。
有益效果：本发明从三维车-轨-桥耦合振动理论出发，结合空间傅里叶变换声学理论预测轨道中心线附近近场点的桥梁和钢轨辐射噪声，然后利用二维振动声辐射模型获得桥梁和钢轨噪声的远场空间衰减率，最后结合源强点的声压频谱获得远场的桥梁和钢轨噪声值。与现有的三维声学模型相比能大大提高计算效率，降低了对计算机硬件的要求；与简化的点、线声源辐射模型相比能提高计算精度，充分考虑了车身等复杂边界条件的影响，为准确定量分析桥梁噪声和钢轨噪声的比重进而提出减振降噪措施提供了理论基础。同时，近场三维精细化预测模型与远场二维模型的结合拓宽了噪声预测的空间范围，为轨道交通桥梁结构的减振降噪提供了有力的技术支撑。
附图说明
图1为轨道交通桥梁和钢轨噪声全空间预测方法流程。
图2为某轨道交通箱梁三维有限元模型图。
图3为二维桥梁和钢轨声学无限元模型。
图4为二维桥梁和钢轨在稳态激励荷载作用下的振动模型。(a)激励荷载作用于钢轨；(b)激励荷载作用于桥梁。
图5为空间傅里叶变换精细模型与二维模型计算获得的噪声衰减率对比。(a)钢轨噪声衰减率；(b)桥梁噪声衰减率。
图6为某轨道交通箱梁结构噪声和钢轨噪声的等高线分布图。(a)钢轨噪声；(b)桥梁噪声。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
在本实施例中，轨道交通桥梁和钢轨噪声全空间预测方法的具体流程图如图1所示。
首先，建立三维的车辆、钢轨和桥梁的精细化有限元模型，并进行模态分析，将各阶模态的模态位移和模态频率导出；其次，基于模态叠加法和拟力法原理对车-轨-桥耦合振动进行数值仿真计算，获得桥梁和钢轨的动力响应；接下来，将桥梁和钢轨的模态位移投影到结构外表面法向，根据空间傅里叶变换声学原理计算桥梁和钢轨的模态声向量，并结合结构的动力响应获得桥梁和钢轨的近场噪声；然后，分别建立二维桥梁和钢轨的振动声辐射模型，施加稳态激励荷载，分别计算桥梁和钢轨在稳态激励荷载作用下的噪声值；最后，选择离轨道中心线一定距离的场点作为源强点，通过二维模型的计算结果获得桥梁和钢轨噪声在远场的分布衰减规律，并结合空间傅里叶变换精细化模型获得的源强点噪声频谱预测整个空间桥梁和钢轨的噪声水平。
下面以某跨径30m的轨道交通箱梁结构为例，给出本发明方法预测轨道交通桥梁和钢轨全空间噪声的具体过程。
(1)车-轨-桥耦合振动数值分析
采用空间梁单元建立三维车辆模型，车体、转向架、轮对之间采用弹簧单元连接；采用三维实体单元模拟钢轨和桥梁单元，单元尺寸为0.1m，满足1000Hz分析频率下“每个弯曲波长6个单元”的要求，桥梁有限元模型见图2。钢轨和桥梁有限元模型分别单独建立，两者之间的扣件连接不在有限元模型中直接模拟，而是通过拟力法在求解结构动力方程时来考虑。导出车辆、桥梁和钢轨的模态位移及模态频率，基于模态叠加法和拟力法进行车-轨-桥耦合振动响应分析，其中不平顺样本通过ISO3095:2005规范中的不平顺限值功率谱生成，动力方程通过Newmark–β数值方法进行求解。
(2)近场桥梁、钢轨噪声预测
建立二维的钢轨-桥梁声传递无限元模型(图3)，并考虑车身边界对声辐射指向性的影响，桥梁、钢轨、车身模型外表面为全刚性，对钢轨和桥梁外表面单元逐一施加单位法向速度，计算20～1000Hz频率下的辐射声压值，频率间隔取2Hz，场点范围离轨道中心线30m，可得到一系列声传递向量。采用无限元模型时需要对无限元单元的径向阶数、半径、尺寸等参数进行收敛性分析，经试算本例选用参数为：无限元半径5m，阶次30，单元尺寸为0.025m。也可以采用边界元方法进行计算，需要在模型内设置CHIEF点或者Burton-Miller方法来解决本征频率不唯一的问题。
将三维有限元桥梁和钢轨模型的各阶模态位移投影到各自的外表面法向，通过空间傅里叶变换获得三维桥梁和钢轨的模态声向量。空间傅里叶变换积分公式中存在奇异点，需要通过换元法分段积分消除奇异点的影响，分段区间以及频率间隔需满足积分收敛性准则，经试算本例采用的分段点取最高频率的0.95倍，频率间隔为2Hz。将车-轨-桥耦合振动获得的桥梁和钢轨模态时程做快速傅里叶变换(FFT)获得相应的模态坐标频谱，再结合模态声向量求得近场的桥梁和钢轨噪声，并通过镜像原理考虑地面反射的影响。
(3)二维桥梁、钢轨振动声辐射分析
分别建立二维桥梁和钢轨的振动有限元模型，其边界条件为自由，采用稳态集中激励荷载模拟轮轨激励力，在钢轨模型和桥梁模型对应的轮载位置分别施加稳态激励荷载，左右集中荷载认为不相干激励，其相位差为90度，分别计算桥梁和钢轨20～1000Hz范围内的振动响应，计算频率间隔为2Hz，见图4。
采用无限元方法分别建立二维钢轨和桥梁的振动声辐射传播模型，并考虑车身边界对声辐射指向性的影响，无限元半径取5m，无限元单元阶次为30，单元尺寸为0.025m，场点范围离轨道中心线60m。将稳态荷载作用下钢轨和桥梁的动力响应分别投影到二维声学模型中的声振耦合面上作为振动边界，通过声学无限元法求解钢轨和桥梁在稳态荷载作用下的辐射声压。
(4)桥梁、钢轨噪声远场衰减率
通过二维声辐射模型来计算桥梁和钢轨的远场噪声衰减率：对离地面同一高度的每一行声场点，选择该行离轨道交通中心线10～15m远处的场点作为参考点，用同一行内其余场点的声压频谱值减去参考点的声压频谱可得到该行噪声的衰减规律。图5给出了采用精细化空间傅里叶变换声学模型和二维模型计算获得的离轨道交通中心线30m范围内的噪声衰减率对比，验证了二维振动声辐射模型的精度，本例中源强点位置选在离中心线15m处。
(5)桥梁、钢轨全空间噪声预测
将步骤(4)中每一行场点的参考点作为源强点，以源强点位置为分界线，靠近桥梁的近场点(包括源强点，即离轨道中心线15m范围内)的声压频谱采用步骤(2)中精细化模型的计算结果。远离桥梁的远场点(离轨道交通中心线15m外)则根据源强点声压和步骤(4)中二维传播模型的声压频谱衰减值获得，最终获得全空间的桥梁和钢轨噪声水平。图6为离轨道中心线60m范围内桥梁噪声和钢轨噪声的等高线图，其中原点设置在箱梁顶板中心位置，由图6可以明确两种噪声的分布规律，从而有针对性地选择降噪措施。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种轨道交通桥梁和钢轨全空间噪声预测方法，其特征是：具体步骤如下：
(1)通过有限元软件建立三维车辆、钢轨以及桥梁的精细模型，进行模态分析后导出各阶模态位移和模态频率，基于模态叠加法对时域的车-轨-桥耦合振动进行分析，获得钢轨和桥梁的动力响应；
(2)建立二维的钢轨-桥梁声学模型，并考虑车身边界的影响，计算外表面单位振速下的辐射声压值，将三维模型的各阶模态位移投影到结构外表面法向，通过空间傅里叶变换获得三维桥梁和钢轨的模态声向量；
(3)结合步骤(1)中得到的桥梁和钢轨振动结果和步骤(2)获得的模态声向量，预测轨道中心线附近的近场点的桥梁噪声和钢轨噪声频谱；
(4)分别建立二维钢轨和桥梁的振动声辐射传播模型，并考虑车身边界的影响，在钢轨模型和桥梁模型对应的轮载位置分别施加稳态激励荷载，通过声学无限元法求解钢轨和桥梁在稳态荷载作用下的辐射声压，从而获得钢轨和桥梁在远场点的噪声分布和衰减率；
(5)选择离轨道中心线一定距离的场点作为源强点，以源强点位置为分界线，靠近桥梁的包括源强点的近场点的声压采用步骤(3)中的三维模型计算结果，远离桥梁的远场点则根据源强点声压和步骤(4)中的二维传播模型结果获得，最终获得全空间的桥梁和钢轨噪声水平。
2.如权利要求1所述的轨道交通桥梁和钢轨全空间噪声预测方法，其特征是：所述步骤(1)中，车辆模型采用三维柔体模型，桥梁和钢轨采用三维实体单元，轮轨激励荷载以及结构内部的非线性弹簧、阻尼力采用拟力法处理，车-轨-桥耦合振动方程采用数值方法求解。
3.如权利要求1所述的轨道交通桥梁和钢轨全空间噪声预测方法，其特征是：所述步骤(2)中，二维声学模型采用边界元法或无限元方法，边界元法需在模型内设置CHIEF点或者Burton-Miller方法来解决本征频率不唯一的问题，无限元方法需要对无限元单元的径向阶数和半径参数进行收敛性分析，桥梁、钢轨、车身模型外表面为全刚性，通过镜像原理来考虑地面反射的影响。
4.如权利要求1所述的轨道交通桥梁和钢轨全空间噪声预测方法，其特征是：所述步骤(2)中，空间傅里叶变换积分过程中存在奇异点，需要通过换元法分段积分消除奇异点的影响，分段区间以及频率间隔需满足积分收敛性准则。
5.如权利要求1所述的轨道交通桥梁和钢轨全空间噪声预测方法，其特征是：所述步骤(4)中，二维钢轨和桥梁振动模型均采用自由边界，采用稳态集中激励荷载模拟轮轨激励力，左右集中荷载的相位差为90度，计算频率间隔为2Hz,将稳态荷载作用下钢轨和桥梁的动力响应分别投影到二维声学模型中的声振耦合面上作为振动边界。
6.如权利要求1所述的轨道交通桥梁和钢轨全空间噪声预测方法，其特征是：所述步骤(4)中，对离地面同一高度的每一行声场点，选择该行离轨道交通中心线10～15m远处的场点作为参考点，用同一行内其余场点的声压频谱值减去参考点的声压频谱能够得到该行噪声的衰减规律。
7.如权利要求6所述的轨道交通桥梁和钢轨全空间噪声预测方法，其特征是：所述步骤(5)中，将步骤(4)中每一行场点的参考点作为源强点，该行从轨道中心线到源强点范围包括源强点的近场点声压频谱直接由步骤(3)精细化计算获得，该行远离源强点范围的远场点的声压根据步骤(4)中的声压频谱衰减值外推，即可获得整个空间内的噪声水平。
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