CN107560722A - 一种箱梁结构的高精度噪声测量方法及噪声贡献分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种箱梁结构的高精度噪声测量方法和噪声贡献分析方法，测量方法包括如下步骤：选择箱梁结构的被测量位置；根据所选择的被测量位置的尺寸，制作噪声测量装置；通过可溶解速干胶水将所制的噪声测量装置的阻尼底座密封粘结在被测量位置表面；声学传感器对箱梁结构的噪声进行采集并转换成电信号，控制分析系统对电信号进行处理后记录测量值。其优点是：在介质隔声方法的基础上，以减小结构噪声反射以及其诱发的二次噪声为出发点，提供一种可提高噪声测量精度的装置及方法，该方案一方面可隔离外部环境噪声，并吸收箱梁结构噪声，以防发生反射现象；另一方面可减弱装置自身的结构振动，以防二次噪声的产生。该方法经济实用、制作成本低、制作简单、所用设备材料可重复使用。

Description

一种箱梁结构的高精度噪声测量方法及噪声贡献分析方法

技术领域

本发明涉及噪声测量设备技术领域，尤其涉及一种箱梁结构的高精度噪声测量方法及分析方法。

背景技术

结构噪声是由结构自身振动所产生的噪声。振动是噪声之源，而外部环境中所包含的声源多而复杂，它们振动所产生的噪声都通过同一介质（空气）传播，因此，在同一介质中任意一点测量得到的噪声值都是由多个振动源共同辐射噪声的叠合值，这使得精确测量出某个特定结构振动所辐射的噪声较为困难。

传统测量结构噪声的方法一般是从减少声源和介质隔声这两个方面进行考虑的。减少声源是指将被测结构置于相对安静的环境中，然后对其进行噪声测量，这种方法虽然在一定程度上减少了声源数量，但测量设备振动和人员试验行为所产生的噪声还是会对测量结果造成较大的影响。介质隔声是指制作一个声屏蔽罩，声屏蔽罩表面张贴吸声材料，然后将测试结构置于屏蔽罩内，致使测量环境与外部环境相隔离，以此避免外部环境噪声对测试结果的影响，这种方法虽然能极大的减少外部环境的影响，但结构噪声在屏蔽罩内一方面会发生反射，另一方面也会诱发屏蔽罩结构振动，产生二次噪声，从而影响噪声测量结果。

为准确测量出结构噪声，本发明在介质隔声方法的基础上，以减小结构噪声反射以及其诱发的二次噪声为出发点，提供一种可提高结构噪声测量精度的装置，该装置一方面可隔离外部环境噪声，并吸收被测结构噪声，以防发生反射现象；另一方面可减弱装置自身的结构振动，以防二次噪声的产生。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺点，提出一种箱梁结构的高精度噪声测量装置及测量方法，在介质隔声方法的基础上，以减小结构噪声反射以及其诱发的二次噪声为出发点，提供一种可提高噪声测量精度的装置及方法，该方案一方面可隔离外部环境噪声，并吸收箱梁结构噪声，以防发生反射现象；另一方面可减弱装置自身的结构振动，以防二次噪声的产生。

为了达到上述发明目的，本发明首先提出的一种箱梁结构的高精度噪声测量方法，该方法包括如下步骤：

一种箱梁结构的高精度噪声测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

a、基于箱梁结构的结构噪声的关注区域，选择箱梁结构的结构噪声测试断面，并在该断面的顶板、腹板和底板位置处选择箱梁结构的被测量位置；所述被测量位置为正方形，且其边长不小于结构噪声关心频率的波长1/8;

b、根据步骤a所选择的所述被测量位置的尺寸，制作噪声测量装置；所述噪声测量装置包括用于粘附在所述箱梁结构上的阻尼底座以及底面呈敞口的隔音罩；所述隔音罩内部顶面固定安装有至少一个声学传感器，所述隔音罩的下沿密封连接于所述阻尼底座上，所述阻尼底座呈与所述隔音罩的下沿相对应的封闭环状，且其开口形状与所述被测量位置相适配；

c、将所述阻尼底座密封安装在所述被测量位置表面，使所述声学传感器正对所述被测量位置；

d、所述声学传感器采集所述被测量位置的噪声信号并传输至所述控制分析系统，所述控制分析系统对所述噪声信号进行处理后记录结构噪声测量值。

所述隔音罩包括刚性框架和包裹在所述刚性框架上的阻尼层，所述阻尼层由阻尼材料制成，其外侧面和/或内侧面上设置有由吸声材料制成的吸声层；所述吸声层与所述阻尼底座密封连接，所述刚性框架与所述阻尼底座固定连接。

所述阻尼层外侧面和内侧面均设置有由吸声材料制成的吸声层，所述吸声层与空气的接触面为使噪声在该接触面上发生漫反射的曲面。

所述隔音罩为长方体状，所述阻尼底座呈正方形；所述隔音罩内部顶面每0.25m²安置一个所述的声学传感器。

另外，本发明还提供一种箱梁结构的噪声贡献分析方法，包括如下步骤：

A、在所述箱梁结构上安装激振器，所述激振器的激振点设于箱梁跨中、钢轨下对应的箱梁表面位置，激振头向下；

B、控制分析系统控制激振器输出与所述箱梁结构所受轮轨力的理论值振幅和频率相同的激振力，所述轮轨力的理论值基于有限元分析计算获得；

以及基于如上所述的噪声测量方法，选择所述箱梁结构侧板、腹板和顶板中的任意一块，并布置所述噪声测量装置测量其结构噪声；

以及在被测量位置的中心位置或者板的反面布置用于采集被测量区域的振动信号的振动传感器，并采集所述被测量位置的振动信号并传输至所述控制分析系统；

C、将步骤B所得结构噪声测量值和结构噪声理论值进行比较，所述结构噪声的理论值基于有限元和边界元方法，以及所述振动传感器采集的振动信号计算获得；如果所述结构噪声测量值和噪声理论值误差超过10%，则调整所述噪声测量装置的密封可靠性以及其测量位置，重新测量；直至验证所述结构噪声测量值的准确性；

D、重复步骤B和C，依次获得所述箱梁结构同一断面侧板、腹板和顶板的结构噪声测量值，之后计算各面板的噪声贡献。

所述步骤B中计算箱梁结构所受轮轨力的具体步骤是：

建立双层轨道结构的三维有限元模型：所述双层轨道结构包括钢轨、轨枕、扣件以及枕下结构；其中，钢轨利用三维实体单元 Beam3来模拟，轨枕用质量点单元Mass23等效；双层轨道结构模型的长度取值100m-200m，钢轨梁单元的长度取值0.625m；每个钢轨的每个节点处用弹簧阻尼单元连接一个轨枕质量点单元，再由弹簧阻尼单元连接到固定的箱梁节点上，在两端边界处固定钢轨边界节点纵向（x方向）的自由度；固定轨枕质量点单元x方向的自由度，箱梁上的节点固定所有的自由度；

模拟列车在钢轨上的移动：将加载力以恒速度v在x方向移动，将不平顺导致的惯性力叠加在轮对静荷载上，计算车轮列车对箱梁结构的轮轨力。

所述步骤C中计算结构噪声的理论值的具体步骤是：

箱梁结构的振动响应计算：利用有限元的方法，建立钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、混凝土底座联合计算有限元模型，并将轮轨力施加在该混凝土底座联合计算有限元模型上，计算轨道和桥梁各结构部件的振动响应；

从上述振动响应的计算结果中提取被测量位置的振动数据，并用所述振动传感器采集的振动信号进行准确性验证；

如所述振动数据的准确性被验证，则选取被测量位置的振动计算数据导入到边界元软件中，利用边界元的方法，计算在该区域正上方传声器高度位置的噪声指标，该噪声指标即是结构噪声的理论值。本发明的有益效果是：

经济实用：本噪声测量装置所用材料较易获得，制作成本低，能极大程度减小外部环境噪声对测量结果的影响，从而在测量结构噪声上具有较高的精度；

设计灵活：本装置以吸声、减振为切入点，考虑多种因素对结构噪声测量结果的影响，并针对各种因素的影响提出解决办法，从而设计了一种可提高结构噪声测量精度的装置；本装置制作简单，在测量前可根据箱梁结构振动区域的大小来设计装置尺寸和所用声传感器的数量；

重复使用：本装置与箱梁结构间使用可溶解速干胶水进行粘接，目的是在测量结束后方便对装置与结构进行分离，以便在下次测量中继续使用。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本发明实施例噪声测量装置的结构示意简图；

图2为本发明实施例噪声隔音罩部分结构示意图；

图3为本发明实施例轮轨力计算模型示意图；

图4为本发明实施例噪声测量装置的外观示意图；

图5为本发明实施例噪声测量装置内部结构图；

图6为本发明实施例阻尼底座结构示意图

图7为本发明实施例隔音罩结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-7所示，标号分别表示：

刚性框架1、贴合材料2、声学传感器3、阻尼底座4、导线5、外吸声层6、阻尼层7、内吸声层8、可溶解速干胶水层9、计算机10、箱梁结构11、振动传感器12、功率放大器13、激振器14、力传感器15。

参见图1-5所示，本实施例首先提供一种箱梁结构的高精度噪声测量装置，该噪声测量装置由以下几部分构成：

1、阻尼底座4

阻尼底座4用于粘附在箱梁结构。如图1、4所示，阻尼底座4由阻尼材料制成，呈首尾相接封闭环状的中心开孔板式结构。其下表面通过可溶解速干胶水与箱梁结构11表面紧密粘接，致使噪声测量装置紧密粘接在箱梁结构11表面。阻尼底座4一方面起到粘接作用，另一方面依赖于阻尼材料对振动的耗散作用，可使箱梁结构11传至测量装置的振动得到极大的减弱。

2、隔音罩

隔音罩由刚性框架1和贴合材料2构成。其中，刚性框架1主要起支承噪声测量装置和保持其外形不变的作用，其由直径较小的圆形钢材纵横交错焊接成立方体网罩，其下沿固定安装于阻尼底座4上。贴合材料2紧密张贴在刚性框架1的内外两侧，其下沿与阻尼底座4密封衔接，使整个噪声测量装置在除底面开孔外的其他面上具有较好的密封性。

见图5所示，贴合材料2由三部分构成：外吸声层6、阻尼层7以及内吸声层8。

外吸声层6与内吸声层8均由吸声材料制成，并将两者与空气的接触面设为曲面，使噪声在接触面上发生漫反射，以减小噪声的反射量。外吸声层6的作用是隔离和吸收外部环境噪声，内吸声层8的作用是吸收箱梁结构11振动所产生的噪声，防止其在接触面上发生反射。

另外，和常规的消声室、静音箱的测量原理不同，本实施例中隔音罩固定于被测物体表面。因此箱梁结构11的振动会通过阻尼底座4传递至刚性框架1，从而导致整个装置跟随箱梁结构一起振动。为此，本实施例中所设置的阻尼层7是由阻尼材料制成的薄层，刚性框架1被包裹在阻尼层7内。阻尼层7的主要作用是耗散刚性框架1的振动，消除测量装置自身振动产生的噪声。

3、声学传感器3和振动传感器12

声学传感器3安装在隔音罩内部顶面中心处；通常情况下隔音罩内部顶面每0.25m²安置一个的声学传感器。

在测量时，振动传感器12设在箱梁被测量位置的板的反面（相对声学传感器3），用于采集箱梁被测量位置的振动信号。

4、激振系统

激振系统用于在被测物上施加指定的激振力。激振系统包括激振器14和功率放大器13。另外，还包括一个力传感器15，用于检测激振系统对被测物施加激振的信号。

5、控制分析系统

本实施例中控制分析系统采用的是计算机10 ，鉴于常规的计算机本身会产生一定机械噪声，故此设于隔音罩外部。声学传感器3、振动传感器12、功率放大器13和力传感器15均通过线缆5与计算机10连接。功率放大器13接受计算机10指令，控制激振器14施加指定振幅和振动频率的激振力。声学传感器3、振动传感器12和力传感器15实时采集结构振动、噪声等数据。

当然，在不采用机械振动部件（如硬盘、风扇等）的前提下，控制分析系统也可以安装在隔音罩内部。或者声学传感器3将信息传输至隔音罩内的控制器，再由控制器以无线通讯的方式将信息传输至外部的控制分析系统。由于上述替代方案为本领域技术人员习见技术手段，在此不再赘述。

当需要测量结构噪声时，将该装置粘结在箱梁结构11的测量区表面，外部环境噪声受到外吸声层6的隔离和吸收，很难传至声学传感器3，进而就不会对测量结果影响；箱梁结构11噪声传递至内吸声层8时，会受到内吸声层8的吸收作用，使噪声很难在接触面上发生反射，从而消除结构噪声的反射对结果的影响；箱梁结构11振动经过阻尼底座4与阻尼层7的耗散作用，使得测量装置整体的振动大为减弱，从而避免测量装置因自身振动而产生结构噪声。

结合上述的装置结构，以下将详细描箱梁结构的高精度噪声测量方法，该方法包括如下步骤：

a、基于箱梁结构11的结构噪声的关注区域，选择箱梁结构的结构噪声测试断面，并在该断面的顶板、腹板和底板位置处选择箱梁结构的被测量位置。被测量位置为正方形，且其边长不小于结构噪声关心频率的波长1/8。结构噪声的波长计算公式为：，其中。例如：关心的桥梁200Hz以内的结构噪声，波长为340m/s÷200Hz=1.7m，则该测试区域边长不应小于1.7/8=0.2125m。

b、根据步骤a所选择的被测量位置的尺寸，制作如上所述的噪声测量装置。

c、将阻尼底座4通过可溶解速干胶水密封安装在箱梁结构11的被测量位置表面，使声学传感器3正对被测量位置；

d、声学传感器3采集被测量位置的噪声信号并传输至控制分析系统，控制分析系统对噪声信号进行处理后记录结构噪声的实际测量值。

另外，上述的测量方法还可以用于箱梁结构噪声的贡献分析，该噪声贡献分析方法包括如下步骤：

A、在箱梁结构11上安装激振器14，激振器14的激振点设于箱梁跨中、钢轨下对应的箱梁表面位置，激振头向下；

B、基于如上所述的噪声测量方法，选择所述箱梁结构侧板、腹板和顶板中的任意一块，并布置所述噪声测量装置测量其结构噪声；

以及在上述箱梁结构11的被测量位置的中心位置或者板的反面布置用于采集被测量区域的振动信号的振动传感器12；

当控制分析系统控制激振器14输出与所述箱梁结构所受轮轨力的理论值振幅和频率相同的激振力时，噪声测量装置测量结构噪声并传输至控制分析系统，振动传感器12采集被测量位置的振动信号并传输至控制分析系统；

上述轮轨力的理论值基于有限元分析计算获得；

C、将步骤B所得结构噪声测量值和结构噪声理论值进行比较，所述结构噪声的理论值基于有限元和边界元方法，以及所述振动传感器采集的振动信号计算获得；

如果噪声测量值和噪声理论值误差在10%以内，认为噪声测量装置布置方式有效；

反之，检测噪声测量装置的密封状态，增加其密封可靠性，以及调整被测量位置大小，重新制作和/或安装检测噪声测量装置，重新测量；直至验证所述结构噪声测量值的准确性，结构噪声测量值准确的标准为：多次调整后噪声测量值稳定，判断噪声理论值计算方式不理想；或者噪声测量值和噪声理论值误差在10%以内；

D、重复步骤B和C，依次获得所述箱梁结构同一断面侧板、腹板和顶板的结构噪声测量值，之后计算各面板的噪声贡献。

在噪声贡献分析步骤中，计算箱梁结构所受轮轨力的具体步骤是：

建立双层轨道结构的三维有限元模型：所述双层轨道结构包括钢轨、轨枕、扣件以及枕下结构；其中，钢轨利用三维实体单元 Beam3来模拟，轨枕用质量点单元Mass23等效；双层轨道结构模型的长度取值100m-200m，钢轨梁单元的长度取值0.625m；每个钢轨的每个节点处用弹簧阻尼单元连接一个轨枕质量点单元，再由弹簧阻尼单元连接到固定的箱梁节点上，在两端边界处固定钢轨边界节点纵向（x方向）的自由度；固定轨枕质量点单元x方向的自由度，箱梁上的节点固定所有的自由度；

模拟列车在钢轨上的移动：将加载力以恒速度v在x方向移动，将不平顺导致的惯性力叠加在轮对静荷载上，计算车轮列车对箱梁结构的轮轨力。整个分析计算过程采用全瞬态的分析方法，时间积分步长取为0.005秒，计算的总时间由列车跑完模型全程所需的时间来确定。模型如图3所示。

在噪声贡献分析步骤中，计算结构噪声的理论值的具体步骤是：

箱梁结构的振动响应计算：利用有限元的方法，建立钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、混凝土底座联合计算有限元模型，并将轮轨力施加在该混凝土底座联合计算有限元模型上，计算轨道和桥梁各结构部件的振动响应；

从上述振动响应的计算结果中提取被测量位置的振动数据，并用所述振动传感器采集的振动信号进行准确性验证；

如所述振动数据的准确性被验证，则选取被测量位置的振动计算数据导入到边界元软件中，利用边界元的方法，计算在该区域正上方传声器高度位置的噪声指标，该噪声指标即是结构噪声的理论值。

需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在上述实施例的指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种箱梁结构的高精度噪声测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

a、基于箱梁结构的结构噪声的关注区域，选择箱梁结构的结构噪声测试断面，并在该断面的顶板、腹板和底板位置处选择箱梁结构的被测量位置；所述被测量位置为正方形，且其边长不小于结构噪声关心频率的波长1/8;

b、根据步骤a所选择的所述被测量位置的尺寸，制作噪声测量装置；所述噪声测量装置包括用于粘附在所述箱梁结构上的阻尼底座以及底面呈敞口的隔音罩；所述隔音罩内部顶面固定安装有至少一个声学传感器，所述隔音罩的下沿密封连接于所述阻尼底座上，所述阻尼底座呈与所述隔音罩的下沿相对应的封闭环状，且其开口形状与所述被测量位置相适配；

c、将所述阻尼底座密封安装在所述被测量位置表面，使所述声学传感器正对所述被测量位置；

d、所述声学传感器采集所述被测量位置的噪声信号并传输至所述控制分析系统，所述控制分析系统对所述噪声信号进行处理后记录结构噪声测量值。

2.根据权利要求1所述的一种箱梁结构的高精度噪声测量方法，其特征在于：所述隔音罩包括刚性框架和包裹在所述刚性框架上的阻尼层，所述阻尼层由阻尼材料制成，其外侧面和/或内侧面上设置有由吸声材料制成的吸声层；所述吸声层与所述阻尼底座密封连接，所述刚性框架与所述阻尼底座固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种箱梁结构的高精度噪声测量方法，其特征在于：所述阻尼层外侧面和内侧面均设置有由吸声材料制成的吸声层，所述吸声层与空气的接触面为使噪声在该接触面上发生漫反射的曲面。

4.根据权利要求1所述的一种箱梁结构的高精度噪声测量方法，其特征在于：所述隔音罩为长方体状，所述阻尼底座呈正方形；所述隔音罩内部顶面每0.25m²安置一个所述的声学传感器。

5.一种箱梁结构的噪声贡献分析方法，其特征在于，所述噪声分析方法包括如下步骤：

A、在所述箱梁结构上安装激振器，所述激振器的激振点设于箱梁跨中、钢轨下对应的箱梁表面位置，激振头向下；

B、控制分析系统控制激振器输出与所述箱梁结构所受轮轨力的理论值振幅和频率相同的激振力，所述轮轨力的理论值基于有限元分析计算获得；

以及基于如权利要求1-4任意一项所述的噪声测量方法，选择所述箱梁结构侧板、腹板和顶板中的任意一块，并布置所述噪声测量装置测量其结构噪声；

以及在被测量位置的中心位置或者板的反面布置用于采集被测量区域的振动信号的振动传感器，并采集所述被测量位置的振动信号并传输至所述控制分析系统；

C、将步骤B所得结构噪声测量值和结构噪声理论值进行比较，所述结构噪声的理论值基于有限元和边界元方法，以及所述振动传感器采集的振动信号计算获得；如果所述结构噪声测量值和噪声理论值误差超过10%，则调整所述噪声测量装置的密封可靠性以及其测量位置，重新测量；直至验证所述结构噪声测量值的准确性；

D、重复步骤B和C，依次获得所述箱梁结构同一断面侧板、腹板和顶板的结构噪声测量值，之后计算各面板的噪声贡献。

6.根据权利要求5所述的一种箱梁结构的噪声贡献分析方法，其特征在于，所述步骤B中计算箱梁结构所受轮轨力的具体步骤是：

建立双层轨道结构的三维有限元模型：所述双层轨道结构包括钢轨、轨枕、扣件以及枕下结构；其中，钢轨利用三维实体单元 Beam3来模拟，轨枕用质量点单元Mass23等效；双层轨道结构模型的长度取值100m-200m，钢轨梁单元的长度取值0.625m；每个钢轨的每个节点处用弹簧阻尼单元连接一个轨枕质量点单元，再由弹簧阻尼单元连接到固定的箱梁节点上，在两端边界处固定钢轨边界节点纵向（x方向）的自由度；固定轨枕质量点单元x方向的自由度，箱梁上的节点固定所有的自由度；

模拟列车在钢轨上的移动：将加载力以恒速度v在x方向移动，将不平顺导致的惯性力叠加在轮对静荷载上，计算车轮列车对箱梁结构的轮轨力。

7.根据权利要求5所述的一种箱梁结构的噪声贡献分析方法，其特征在于，所述步骤C中计算结构噪声的理论值的具体步骤是：

箱梁结构的振动响应计算：利用有限元的方法，建立钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、混凝土底座联合计算有限元模型，并将轮轨力施加在该混凝土底座联合计算有限元模型上，计算轨道和桥梁各结构部件的振动响应；

从上述振动响应的计算结果中提取被测量位置的振动数据，并用所述振动传感器采集的振动信号进行准确性验证；

如所述振动数据的准确性被验证，则选取被测量位置的振动计算数据导入到边界元软件中，利用边界元的方法，计算在该区域正上方传声器高度位置的噪声指标，该噪声指标即是结构噪声的理论值。