高速軌道交通減震降噪的研究及其關鍵技術的展望

　　引言

　　高速軌道交通不僅能有效地改善交通環境，方便人民群眾出行，而且還有助于帶動城鄉建設和經濟發展，具有顯著的經濟和社會效益。但是也應該承認，軌道交通系統也會不可避免地給城鄉環境帶來諸如噪聲、振動、電磁輻射的問題以及影響景觀，其中以列車行駛中的噪聲和振動影響尤為突出。過量的噪聲和振動將嚴重影響乘客和軌道沿線人們正常的生活；另一方面，噪聲和振動還可能引起有關設備和結構以及周邊建筑物的疲勞損壞，縮短使用壽命。

    因此，控制軌道交通噪聲和振動是改善乘客舒適性和環境保護的重要課題。減小列車的振動和噪聲水平，在軌道交通區段采取相應的減振降噪措施，已成為軌道交通系統建設中的一個關鍵。

　　針對軌道交通的振動和噪聲控制問題，國內外先后進行過大量的研究 。主要圍繞振源與聲源控制、振動與聲傳播控制以及材料和結構控制等三大方面。從理論上講，控制振源與聲源是最根本的方法，但目前就我國的實際情況來看，開展這一工作還存在一定困難。而針對已經建成的軌道交通系統，控制振動與噪聲傳播以及新型減振降噪材料的利用和聲學結構設計就成了一種極為重要的手段。

　　1 減振降噪的研究

　　大量研究結果表明，軌道交通的振動與噪聲源主要包括以下幾方面：

　　(1) 主要振動源

　　列車與結構的動態相互作用；
　　車輛動力系統振動；
　　軌道結構振動；
　　輪軌不平順。

　　(2) 主要噪聲源

　　輪軌噪聲，包括滾動噪聲、沖擊噪聲、摩擦噪聲；
　　結構噪聲（由于輪軌表面相互作用產生的振動通過軌道、橋梁和地基等傳遞導致相應結構振動而輻射噪聲）；
　　車輛動力設備噪聲，包括牽引電機、通風機、壓縮機受電弓等設備噪聲；
　　車輛運行時的空氣動力噪聲。
　　軌道交通噪聲通常具有寬帶特性，頻率范圍在 0.0~6.0kHz 之間，其中對環境影響大的頻率在 0.1~1.0kHz 范圍。

　　目前，國內外有關軌道交通減振降噪的研究主要集中在以下幾方面：

　　1．1 車輛的減振降噪

　　采用彈性車輪、充氣橡膠車輪、阻尼車輪及彈性踏面車輪等技術，通?？蓽p振降噪2~10dBA。如在巴黎地鐵中的車輛和日本跨坐式獨輪交通車輛均采用充氣橡膠車輪。這種車輪比普通鋼輪，可降低噪聲 10dBA。

　　用改變車輪結構的方法來改變噪聲的發射性能，可降低輪軌噪聲。如德國，通過把制動盤放在輪心上來減少噪聲 ， 試驗結果證明對 1000Hz 以上的噪聲 大約可降低 5dB 。采用減振降噪動力驅動系統。如 溫哥華、 底特律、大阪等在 80 年代的軌道交通系統中，采用的車輛 應用了線性電機技術。由于采用線性電機，省去了齒輪箱等一系列傳動機構，減少了許多噪聲源，因而噪聲水平比一般車輛降低了大約 10dBA。此外，由于采用徑向轉向架，車輛能順利地通過曲線，能減少輪軌磨耗和消除常規轉向架通過曲線時的尖叫聲，因而噪聲比一般車輛降低近 20dBA。

　　1．2 軌道結構的振動與噪聲控制

　　軌道結構主要由鋼軌、扣件及軌下基礎組成。根據振動理論，輪軌之間的振動噪聲與軌道各部件的質量、剛度以及結構阻尼密切相關。軌道結構的減振降噪則主要是通過改變結構參數來實現。

　　與有碴軌道相比，無碴軌道具有整體穩定性好、維修少等優點，但其缺點是振動噪聲較大，尤其是用于高架軌道時更為突出，對此，應采取有效的減振降噪措施。

　　從軌道結構方面來看，國外已嘗試的減振降噪措施主要有：

　?、俨捎煤附娱L鋼軌；②采用減振型鋼軌；③采用減振型扣件(如雙重鐵墊板式、剪切型、壓縮型和低剛度型等等)；④采用減振型軌下基礎(如有碴軌道采用彈性軌枕和道床彈性膠墊，無碴軌道則采用彈性支承塊、防振型軌道板等等)；⑤采用鋼軌打磨技術。這些措施均已被證明具有不同程度的減振降噪效果，適應環保要求。例如，由彈性支承塊、道床板和混凝土底座及配套扣件構成的彈性支承塊式軌道結構 減振降噪的效果較為明顯，因此，對于振動和噪聲敏感的地段，特別是高架結構，采用彈性支承塊式無碴軌道結構是比較理想的方案。

　　減振型軌下基礎的研究也很有價值，如在碎石道床的基礎上，加設彈性軌枕道床和道碴墊道床，增 加道床彈性，可 有效降低道碴振動，與 一般碎石道床相比，其 減振效果可達5~15dB。新加坡、香港地鐵的特殊減振地段采用浮置板結構，減振效果非常顯著。另外控制軌道不平順度也能獲得很好的減振降噪結果。例如，鋼軌打磨后，在振動頻率為 8~100Hz 范圍內，振動噪聲下降 4~8dBA，站臺上的振動噪聲下降 5~15dBA。

　　1．3 高架線路和橋梁減振降噪

　?。?）高架橋結構的研究。目前，國外高架橋結構大多采用箱形梁形式，如新建的巴黎快速鐵路高架橋和新加坡高架鐵道均采用箱形梁。我國高架軌道也大都采用箱形梁橋面、國內外學者一致認為，由于箱形梁內部空腔在軌道交通噪聲主要頻段內存在聲學模態，腔內的聲場共振可能使橋梁的上下兩個面的輻射聲增加，而且，箱形梁橋的底面是大面積的平面，聲輻射效率比較高，因此，有必要研究箱形梁的減振降噪措施。目前箱形梁的降噪處理有以下幾類技術：橋下面裝吸聲頂棚；箱形梁腔內設計安裝隔板；安裝橋梁吸振器等。

　?。?）吸聲橋面和路面研究。高架軌道交通線的橋面是聲反射面，降低橋面的聲反射可以大大降低列車通過時的噪聲。近年發展起來的各種多孔混凝土都可以有效降低橋面的聲反射，即在橋面鋪澆一定厚度的多孔混凝土，既不影響檢修者行走，又有一定的吸聲系數。但是，多孔混凝土對 1000Hz 以下的中低頻噪聲的吸聲效果不夠理想。前期研究結果表明，高架軌道交通噪聲中以 500Hz 為中心的中低頻噪聲占主要成分，所以研制能吸收適合低頻噪聲的橋面輕質吸聲鋪層十分重要。

　　（3）吸聲結構研究。高架軌道交通噪聲的各個聲源中，橋梁振動的輻射噪聲對周邊環境，尤其是低樓層有較大影響。國內外都有在高架橋反面安裝吸聲天棚或懸掛空間吸聲體的實例，取得了一定降噪的效果。高吸聲、安全、美觀、易清洗保養是設計這類吸聲結構的要點。目前還沒有被大家普遍認同的高架橋吸聲天棚形式。

　　1．4 聲屏障設置

　　聲屏障是降低軌道交通運行噪聲的一種有效措施。國外都在交通主干線上修建聲屏障來治理噪聲。

　　現有的吸聲型聲屏障均為板式結構，所用的吸聲材料分別有多孔材料（如泡沫玻璃等）、穿孔板加纖維類吸聲材料、微穿孔板等。但頻帶窄，尤其是低頻段吸聲系數小，通常只有 0.5左右，這是現有吸聲型聲屏障的共同缺點。此外，現有吸聲型聲屏障還存在其他問題，例如，目前市內交通聲屏障幾乎都采用吸聲材料包覆護面穿孔板的形式，不但低頻區的吸聲效果差，而且由于使用中雨水、灰塵透過穿孔板侵入吸聲材料，導致聲屏障吸聲性能下降，甚至失效。常見的微穿孔板和其他抗性吸聲結構對低頻噪聲比較有效，但在中高頻段的吸聲系數往往很低。

　　總之，由于交通噪聲主要成分分布在 100Hz～5kHz，單純阻性吸聲或抗性材料都難以在如此寬的頻率范圍內達到滿意的吸聲效果。因此，國內外都研究阻抗復合型聲屏障作為拓寬吸聲頻帶、提高降噪效果的主要方向。降低成本、厚度、尺寸和重量，提高使用壽命，是新型聲屏障研制者的追求。

　　1．5 減振器

　　金屬-橡膠復合減振器。金屬-橡膠復合減振器是國內外目前應用最為廣泛的減振降噪裝置，在軌道交通中（按產值計算）占總量的 90%以上。由于橡膠在很寬的溫度范圍內具有獨特的粘彈行為， 不僅可以象鋼彈簧一樣通過彈性形變來吸收儲存沖擊能量，而且還可以通過分子鏈相對運動而大幅度地消耗能量。這種能力是任何其它材料所不具備的。

　　國內外目前對金屬-橡膠復合減振器的研究重點是彈性材料 。從減振降噪的角度來看，最理想的目標是將軌道車輛上所有的傳動和連接全部改成彈性裝置。如果這樣，整個車廂將用高性能彈性材料“支承”在轉向架上。這就不僅要求彈性材料有優異的減振降燥能力，而且要有較強的強度， 能作為一種結構材料來使用。

　　橡膠部分既是減振器的主要工作部分， 也是影響使用壽命的關鍵因素。金屬-橡膠減振器的失效原因主要是橡膠部分的疲勞破壞、永久變形和老化 ， 在同樣使用條件下，金屬的壽命比橡膠要長得多。因此橡膠這種彈性結構材料的高性能 ，特別是強度、耐蠕變、耐疲勞和耐老化等綜合性能的顯著改善，將使減振器有質的飛躍，大大提高高速列車的舒適性和安全性 。

　　目前國內外對軌道交通減振用彈性結構材料的研究主要集中在提高機械強度和使用壽命兩個方面。其 中機械強度方面，國 內已基本達到國外先進水平，但 離軌道車輛的理想要求 （全部是彈性傳動和彈性連接）還有一定的差距；在使用壽命方面與發達國家相比還存在較大差距，大部分產品僅為國外先進水平的三分之一左右，抗疲勞、抗蠕變和抗老化能力都存在非常明顯的差距，已成為亟需解決的重大技術課題。

　　國外減振器上應用的彈性材料的品種主要是天然橡膠和氯丁橡膠，二者共占 95%以上。國內由于氯丁橡膠的結晶性太高，質量不過關，而進口的微結晶型氯丁橡膠價格又太高，因此天然橡膠的用量占絕大多數，約在95%以上。氯丁橡膠與天然橡膠相比，力學性能相當， 耐候性能優良。但目前發達國家使用天然橡膠制造的金屬-橡膠減振器使用壽命已經達到 10 年以上（大部分為 15～16 年），而我國的只有 3～6 年。因此如果天然橡膠的性能和使用壽命能提高，不僅適合國情，而且經濟效益和社會效益將非常顯著。

　　自適應（有源/半有源）減振器。傳統列車用減振器都是無源型，主要是無源彈簧減振器和金屬-橡膠復合減振器，這類減振器在列車高速運行時往往達不到減振要求。近年來國際上高度重視自適應（有源/半有源）減振器的研究，其中對電/磁流變液減振器的研究已接近產業化。

　　電/磁流變液減振器是利用電/磁流變液的粘度在電/磁場作用下急劇變化的特性而制成的新型振動控制元件。電/磁流變液在無外場作用下為流動良好的液體狀態，而在強電/磁場作用下， 短時間（毫秒級）內其粘度可增加一到兩個數量級以上，并呈現類似固體的力學性能；而且粘度的變化是連續、可逆的， 一旦去掉磁場后，又變成可以流動的液體。這些特點使磁流變液裝置成為電氣控制與機械系統間簡單、安靜而且響應迅速的中間裝置，因而引起國內外學者和工業界的廣泛興趣，成為當前智能材料研究的一個重要分支，被認為最具前途的智能材料之一。利用這類液體的流變效應可制成各種減振器，用于有效地調節系統的阻尼或剛度特性。目前國際上主要是將電/磁流變液減振器用于列車的懸架系統和轉向架系統。我國在列車自適應（有源/半有源）減振器方面的研究才剛剛起步。

　　1．6 吸聲、隔聲材料

　　近幾年來，國內、外在吸聲材料、隔聲材料及其相關結構等方面進行了大量的理論和實驗研究，、開發了許多新材料、新技術。但吸聲材料的研究資料較為豐富， 隔聲材料的研究資料則較少。

　?。?）傳統的隔聲材料有紙面石膏板、隔聲充氣塑料薄膜，紙蜂窩芯復合板、阻燃玻璃鋼隔聲罩等，主要基于傳統的質量定律，是高密度、大厚度的材料，在實用中有很多不便，且隔聲效率低。

　　（2）鎂合金作為一種新型金屬材料，已廣泛應用于汽車、計算機、通信及航空航天等眾多領域， 是一種有發展前途的輕質合金材料。與目前的主流材料相比，鎂合金具有如下幾個優點。

　?、僦亓枯p。鎂合金作為一種輕質金屬結構材料，其密度為鋁的 2／3，鋼的1／4。
　　②吸震性能高。鎂合金有極好的滯彈吸振性能，可用于吸振隔聲。
　?、勰ｈT生產率高。
　?、茉偕院透唠姶鸥蓴_屏障。
　?、菘蛊凇o毒、無磁性和裂紋少等。

　?。?）聚酰亞胺材料已有 40 年的發展歷史。隨著科學技術的進步，聚酰亞胺由于其在性能和合成方面的突出優點，越來越受到重視?，F已廣泛地應用于飛機、艦船、火車、汽車等領域，有隔熱、隔聲、隔振等功能。

　?。?）褶皺芯材是 90 年代俄羅斯適應飛行器發展而研制出的一種異型芯材。褶皺芯材是一種縱橫向均呈“之”字形曲折的輕質褶皺芯材。他能在較寬的頻率范圍內保持隔聲量隨頻率上升而提高。

　?。?）車身吸聲涂料由于軌道交通噪聲以低頻成分為主，普通的吸聲涂料對降低列車噪聲幾乎沒有什么作用。國外采取適當延長車身兩側旁板的裙邊，并在內側噴涂泡沫類或纖維類吸聲材料，取得了一定的降噪效果，但對低頻噪聲的效果尚有待進一步改進。

　　2 技術關鍵的展望

　　根據我國軌道交通減振降噪技術的水平及特點，當前希望研究解決的關鍵技術如下：

　　2．1 機械動力部件和車廂的振動分析與減振降噪

　　（1） 以機車上的電動機、傳動裝置以及其它輔助機械設備（如通風機、壓縮機）為對象，進行振動和噪聲測量，分析它們的振動和噪聲特性，探索振動和噪聲傳播的途徑和控制方案。
　?。?） 研究機械動力部件的振動模態，確定振動和噪聲的主要頻率范圍，提出減/隔振降噪的具體措施，進行機車車輛動力系統振動和噪聲智能有源控制的研究。
　　（3） 對機車車輛動力系統的轉動部件進行轉子動力學設計，使系統的工作頻段遠離共振區（臨界轉速區）和不穩定區。進行電磁耦合激發振動和噪聲的試驗和研究，提出避免電磁耦合的措施。
　?。?） 以車輪為對象，研究彈性車輪的減振降噪原理和相關材料及結構特征，提出彈性車輪的設計方案。
　?。?） 對 車廂和部件進行動力學建模 ，利用激光全息測振技術對整個車廂、車輪和關鍵部件進行試驗模態分析，提出車廂的減振降噪方案。

　　2．2 新型減振器

　　研制適用于新型列車高速運行 時的自適應（有源/半有源）電/磁流變液減振器。 主要圍繞電/磁流變液、電/磁流變液減振器和振動控制 3 個方面開展分析和研究。研制具有較優良的磁流變性能、較低的本底粘度和滿足實驗裝置要求的電/磁流變液；研制用于列車振動控制的直動式電/磁流變液減振器、剪切式和擠壓式磁流變液減振器，并進行相關的理論和實驗研究。

　　研制新型金屬-橡膠復合減振器。研究以少量具有納米片層結構的有機改性蒙脫土與橡膠進行插層納米復合，顯著降低材料的疲勞生熱，延緩疲勞破壞過程。具體內容包括硫化體系的研究及抗硫化返原助劑的應用，抗熱氧老化、紫外線老化助劑的選擇和應用，加工成型工藝的改進，產品的結構設計，在大載荷下的靜態蠕變和高頻、大振幅下的動態疲勞和蠕變研究等等。

　　2．3 新型減振材料及膠墊

　　橡膠材料在軌道交通減振降噪中應用很廣，如 軌下膠墊、支承塊下膠墊、橋梁橡膠支座等，但橡膠材料配方工藝不同，其減振降噪效果就不同，而且其耐磨性能和抗老化性能也不同。因此，研制高性能橡膠材料至關重要。

　　本項目擬采用 ZnOw 改性橡膠復合材料，開發既具有優越的減振降噪性能又具有良好的耐磨、抗老化性能的橡膠墊板產品，進而研制出新的減振型軌下膠墊、扣件鐵墊板下膠墊和支承塊下膠墊等系列產品，為減振型軌道結構提供配套部件。開發高效輕質的減振降噪新材料，包括單相勻質的新材料和多層結構的復合材料。進行高效吸聲、隔聲材料的體結構設計，提高隔聲性能。借助有限元等分析手段對不同吸聲、隔聲材料的性能進行模擬，優化吸聲、隔聲體的性能。

　　2．4 軌道結構減振隔振方案設計及其動力性能預測

　　在國內外軌道交通減振降噪研究成果的基礎上，結合我國軌道交通實際，圍繞軌道結構開展各種可能的減振隔振結構設計和參數優化研究，主要開展以下工作：

　　① 彈性支承塊式無碴軌道結構參數設計。目前我國軌道交通主要采用承軌臺式混凝土道床結構，由于只有扣件彈性墊板一個減振環節，而軌道整體剛度大，其減振效果并不理想。若在承軌臺下設置一層橡膠墊，便能大大降低軌道整體支承剛度，顯著提高軌道的減振降噪性能。這種結構已被瑞士、丹麥、英國、法國等采用，特別是在英法海峽隧道和我國長大秦嶺隧道內得到了成功應用，被證明具有優越的減振降噪性能。本項目還將研究其應用技術條件，并通過車輛－軌道耦合動力學新理論對其進行動力學參數優化設計。
　?、?防振鋼軌設計。在鋼軌軌腰兩側粘貼(或包覆)防振吸音材料(如橡膠、樹脂)，可望獲得較理想的降噪效果，適用于需特殊降噪地段(如醫院、學校和住宅區附近)。通過對不同的防振吸音材料的理論和實驗研究，找出其最佳的防振材料及其粘附方案。
　　③ 浮置板式軌道結構設計及動力學評估。該結構是用扣件把鋼軌固定在鋼筋混凝土浮置板上，浮置板置于可調的橡膠支座上，浮置板兩側用彈性材料固定，形成一種質量－彈簧系統。為探索其應用于軌道交通的可行性與經濟性，擬運用車輛－軌道耦合動力學理論，具體評估車輛運行于 浮置板式軌道結構上的動力學能。
　?、?有碴軌道減振設計。運用車輛－軌道耦合動力學理論及有關仿真軟件，以目前我國有碴軌道結構參數為基礎，通過對高彈性軌下膠墊、彈性軌枕和道碴下膠墊等所進行的輪軌動力分析，評估其減振效果，并確定軌道各部件剛度的合理設計范圍。

　　2．5 軌道最優結構實驗

　　基于以上不同減振隔振軌道結構方案的分析，結合軌道交通運營實際，提出適用于高架鐵路的最優動力性能軌道結構方案，包括適合于一般地段和特殊要求地段的方案各一套。在部分軌道交通線上根據最優軌道結構方案試鋪試驗線段，或對試驗地段線路局部改造，加設關鍵減振技術環節，通過過路列車運行測試其減振降噪效果。

　　2．6 新型聲屏障

　　（1）不規則吸聲結構的理論分析。研究用數值方法分析不規則吸聲結構的吸聲性能 。即采用聲學有限元方法，尋求適當的邊界條件，分析吸聲材料和吸聲結構內部的聲場，預測結構的吸聲性能，優化設計參數。
　?。?）聲屏障技術：上海交通大學振動、沖擊、噪聲實驗室已經擁有自主知識產權的 SJTU-1型聲屏障技術，已獲得國家專利。該聲屏障在軌道交通噪聲主要頻率范圍的吸聲系數達到 0.9以上，目前已經被上海市莘閔高架軌道交通 3 米以上高度的聲屏障正式全線采用。本項目擬在已有成果的基礎上繼續改進和完善聲屏障技術，在保持良好吸聲性能的同時，在重量、尺寸和外型美觀等方面繼續進行改進。
　?。?） 研究橋面輕質吸聲鋪層，擬采用新型發泡混凝土技術，研究在高架軌道交通橋面的應用關鍵技術。
　?。?） 研究實用于車身兩側旁板的裙部內側安裝的微穿孔吸聲結構的技術，并運用到軌道交通列車上。
　　（5）為高架軌道交通研究吸聲性能好、安全、美觀的新型吸聲頂棚和空間吸聲體。

　　2．7 箱形梁聲學設計的優化技術研究

　　（1）開展輕型廉價的箱形梁腔內隔聲板設計研究，將箱形梁腔內的聲學共振頻率向上移至軌道交通噪聲的主要頻段以外。研究在新型腔內輕質填充型吸聲吸振材料的技術。
　　（2）研 究在箱形梁腔內安裝動力吸振器的理論與技術，這 是控制橋梁振動噪聲最有效的方法。
　?。?） 進行高架箱形梁的振動模態和整體聲學結構設計。對試驗段的高架箱形梁進行試驗模態分析，確定其振動模態和振動波的傳遞能量，提出高架橋箱形梁的減震降噪優化結構和設計方法。

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