即将直播：轨道车辆振动噪声检测与监测应用（11/28）

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导读：轨道交通工具(火车、地铁列车、轻轨列车等)在行驶过程中产生噪声的机理复杂多样，而且噪声问题不仅对乘客或沿线居民造成困扰，还在一定程度上制约着轨道交通技术的发展与应用。11月28日19时30分，由仿真秀和北京东方所联合主办的《2022轨道交通技术交流月》系列讲座，第二期报告《轨道车辆振动噪声检测与检测应用》，将详细介绍轨道交通振动噪声的相关应用场景和规范，并分享典型的应用案例及相关的案例解决方案，诚邀专家学者莅临交流。

一、噪声形成机理与对策

轨道交通噪声主要源于列车运行时轮轨的接触噪声、小半径曲线路段上车辆轮缘与钢轨间的摩擦声、车辆非动力系统噪声(车辆的空压机、空调机、电动机等)，以及列车运行时车身与空气摩擦产生的风阻声和桥梁结构的二次振动引起的辐射噪声等。概括来说，轨道交通产生噪声可根据产生原理大致分为6类：轮轨滚动噪声、轮轨撞击噪声、轮轨曲线啸叫噪声、气动激励噪声、牵引系统噪声、结构物激振噪声。需注意的是轮轨滚动噪声、轮轨撞击噪声、轮轨曲线啸叫噪声都属于图1的轮轨噪声。

图1.列车噪声源与速度的关系-出自文献[1]

1、轮轨滚动噪声

为了保证列车的平稳行驶，列车的车轮、钢轨表面都要求打磨得光滑平顺。然而随着服役时间的增加，车轮的磨损、钢轨的竖/纵/横向变形、钢轨的擦伤及剥离等病害的出现几乎不可避免。车轮或轨道表面的平顺性无法保证时，列车在行驶期间会出现颠簸现象，车轮和钢轨受迫发生弹性振动，这种弹性振动辐射至空气中就变成了噪声。

根据噪声形成机理，轮轨滚动噪声的治理思路主要从轮轨不平顺的控制、噪声传播途径的阻断、轮轨振动特性的优化这三个方面入手：

轮轨不平顺的控制在现实中是通过各项轨道养护作业实现的，包括了轨道各部件的更新修理、钢轨变形与病害的维修等经常性的维修工作；
噪声传播途径的阻断则通过各类吸声材料的声屏障来实现，例如城市铁路高架的两侧通常会设置隔声屏障；
轮轨振动特性的优化则是目前的研究前沿，科研工作者们以减振降噪为目标，探索轨道构件的最优设计形式，例如钢轨的截面形状、车轮形状、橡胶垫的刚度、钢轨的损失系数、钢轨表面粗糙度等。

图4. 城市铁路高架两侧的隔声屏障

2、轮轨撞击噪声

车轮或钢轨表面可能由于设计缺陷或病害而存在局部的不连续性，例如车轮踏面损伤、钢轨接缝、道岔、钢轨接头等。这些局部的不连续性会使高速行驶的列车车轮与钢轨发生冲击性激扰，进而引起非线性辐射的轮轨撞击噪声。

3、轮轨曲线啸叫噪声

由于穿行于条件复杂的城市地下环境中，地铁列车的行进路线经常遇到小半径曲线(也就是急转弯)，此时车轮会挤压外侧的钢轨，轮轨之间发生横向的相对滑动，从而产生高频的轮轨曲线啸叫噪声。

现实中，当轨道上的列车速度提高到一定程度后，轮轨撞击噪声与轮轨曲线啸叫噪声在列车总噪声中的比重可以忽略不计；而在低速的情况下，这两类噪音的治理措施与轮轨滚动噪声的治理措施大同小异，此处不再赘叙。

4、气动激励噪声

对于运行速度200km/h以上的高速列车(也就是所谓的高铁)而言，随着列车运行速度的提高，列车的噪声源逐步由轮轨激励转变为气动激励主导。高速行驶的列车车身与受电弓分别会产生气动激励噪声，其中：

车身气动激励噪声的形成机理是：高速运行的列车车厢表面与空气之间发生剧烈的切割作用，空气在车厢表面附近形成湍流并产生脉动压力。脉动压力一方面直接作用于空气，形成噪声波；另一方面作用在车厢壁板上并引起弹性振动，这种弹性振动再辐射至车内空气中从而变为车内的噪声。

图5.列车表面空气脉动压力云图，出自文献[3]

受电弓气动激励噪声主要包括以下3种：

列车行驶过程中，受电弓与输电导线产生相对滑动时引起的机械滑动声；
受电弓与迎面气流接触产生的风切声；
受电弓脱离输电导线瞬间产生的电弧放电噪声。由列车受电弓引发的声音统称为集电系统噪声。

在高速列车领域，气动激励引起的噪声污染问题相较于轮轨激励更为严峻，因此对于气动激励噪声的研究更为迫切。风洞试验是将高速列车模型固定在地面人工环境中，人工制造气流使之经过模型车身或受电弓，从而模拟各种复杂的行驶状态并获取试验数据。例如，现实中为了获取较优的车身形状，通常先根据过往经验设计并制造出若干种车身形状的模型，分别进行风洞试验并对比获取较优的方案，从而尽可能地降低高速列车的气动激励噪声。