1 軌道交通振動與雜訊產生的原因
當列車以一定速度通過軌道時,由於存在各種各樣的激振源,車輛和軌道都會在空間各個方向產生振動。引起振動強弱的原因有軌道幾何形位的靜、動態不平順,鋼軌頂面波浪形磨耗,軌面擦傷﹑鋼軌接頭,列車速度的高低,車輪踏面擦傷、車輪偏心及不圓順等各種激振因素。由於車輛和軌道這兩個系統的振動是一種耦合關係,這種耦合振動最終要通過軌道結構傳遞來輸出。對於路基上的線路,軌道結構的振動通過道床、路基向外擴散;對於橋梁,軌道結構的振動通過橋梁墩台傳遞到地面,然後向外擴散;對於隧道或城市地下線路,通過隧道周圍的土介質將軌道結構的振動傳遞到地表,如圖1所示。因此,軌道結構既作為振源,也是振動傳播途徑中乙個重要環節,直接影響最終的振動效應。
圖1 輪軌交通環境振動的產生與傳播
國內外的研究資料表明,振動和雜訊是密切相關的,振動越大,雜訊也就越大(圖2)。振動和雜訊是不可分割的兩部分,振動由固體介質傳播,雜訊由空氣介質傳播,當物體振動時能引起雜訊,同樣雜訊也能引起固體介質的振動。
2 軌道振動與雜訊的分類
列車產生的雜訊由幾部分組成,如圖3所示。每一部分雜訊都有其產生的機理、聲源位置的特性、聲源的強度、頻率範圍、方向等。國內外的研究資料表明,鐵路雜訊主要是由牽引電機和動力裝置雜訊、輪軌相互作用和軌道結構振動雜訊、車體的空氣動力雜訊組成;如橋梁地段,還有結構的二次雜訊;如電力列車,還有受電弓雜訊。但列車速度不同,各種雜訊在綜合雜訊中所佔的比例是不同的。日本學者研究認為,高速列車的雜訊主要由四部分組成:輪軌雜訊、結構雜訊、受電弓雜訊和車體空氣動力雜訊,四種雜訊形成綜合雜訊。
l= 10 lg(10lr/10＋10ls/10+10lp/10+10la/10 )
式中l———列車通過時的綜合雜訊;
lr———輪軌雜訊;
ls———結構雜訊;
lp———受電弓雜訊;
la———車體空氣動力雜訊。
輪軌雜訊可分為3種主要型別:尖叫雜訊(嘯叫雜訊),衝擊雜訊和轟鳴(或滾動)雜訊。所有的輪軌雜訊都是由車輪和鋼軌之間的相互作用產生振動,向外輻射出聲波而形成。研究表明,尖叫雜訊是當車輛通過小半徑曲線時,由於車輪受轉向架的約束,不能正切於鋼軌執行,即車軸不能處於曲線的徑向位置,於是引起車輪沿著鋼軌滾動時橫向滑過軌頭,由此產生輪軌接觸表面的黏著和空轉,引起車輪共振,接著產生強的窄頻帶的尖叫聲。衝擊雜訊是車輪通過軌縫,道岔或擦傷的車輪等在鋼軌上滾動時所引起的雜訊,如低(高)接頭、鋼軌剝落、車輪扁瘢等都可以引起附加的輪軌動力,激發車輪和鋼軌振動造成輪軌輻射雜訊。轟鳴(或滾動)雜訊是通常沒有擦傷的車輪在連續焊接、狀態良好的直線鋼軌上滾動時所發生的雜訊,這是由於車輪和鋼軌表面上的小面積粗糙造成的。
研究表明,車輪雜訊峰值在1000~2000 hz範圍內,屬高頻雜訊;鋼軌雜訊峰值在500~1000 hz範圍內,屬中,低頻雜訊;滾動雜訊峰值在500~1000hz範圍內,主頻集中在500hz左右,以中,低頻成分為主;尖叫雜訊的頻率集中在4000~6000hz高頻範圍內。由此看出,輪軌雜訊主要由鋼軌振動產生。
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