高速鐵路軌道結構振動噪聲特性研究

0 引言

隨著高速鐵路技術的迅猛發展，列車運行速度的不斷提升，軌道結構的振動噪聲問題日益凸顯，成為制約高速鐵路進一步發展的關鍵因素之一。振動噪聲不僅影響乘客的乘坐舒適度，還可能對沿線居民的生活環境和周邊建筑物的結構安全構成威脅。

近年來，眾多學者針對高速鐵路軌道結構的振動噪聲特性展開了廣泛研究。蔡文鋒[1]等人在提速情況下對磁浮軌道結構的振動響應及傳遞特性進行了深入探討，揭示了提速對軌道結構振動的影響規律。黃瑞堂[2則通過城市軌道交通不同減振軌道結構的振動測試與分析，為減振降噪提供了寶貴數據支持。

鑒于高速鐵路軌道結構振動噪聲特性的重要性及現有研究的局限性，本文進一步探討高速鐵路軌道結構的振動噪聲產生機理、傳播特性及影響因素，旨在為高速鐵路的安全、舒適、環保運行提供理論支撐和技術參考。

1高速鐵路車致振動及聲輻射特性

1.1無砟軌道振動特性

針對鋪設于路基上的高速鐵路無砟軌道結構體系，深入開展了動力學仿真研究。本項目聚焦于軌道結構的動力性能，運用數值模擬技術精確獲取扣件位置及其間距間的軌頂線位移導納信息，深入研究該關鍵部位在列車高速運行時的振動響應特性[3]。為了直觀展現軌道結構的動力反應特征，繪制無砟軌道振動響應頻率。軌道結構跨中振動響應頻率如圖1所示。

在圖1中，“E”代表Ⅱ型軌，后面的數字“1”表示軌的版本號。觀察圖1發現，無砟軌道在兩個扣件的跨中點及扣件部位，軌頂測點在某些頻率點呈現明顯諧振峰。其中，在軌道斷點處，約 1000Hz 頻率處出現一個與pinned-pinned諧振頻率相對應的諧振峰[4]。此外，在1710～2620Hz 范圍內，出現與軌道二階pinned-pinned頻率相對應的諧振峰。同時，在固定裝置截面， 1000Hz 和1850＼～2690Hz頻率范圍內也觀察到共振峰。

1.2無砟軌道結構的振動傳遞特性

在此基礎上，進一步對兩扣件間軌頂、軌腰、軌底等多個關鍵點的軌道結構扣件位置及其相關信息進行精確提取，利用頻率域特征分析技術對提取的數據進行了深入剖析。通過這一系列的分析處理，獲得軌道結構動力響應的頻域分析結果[5]。此結果為全面理解軌道結構在列車高速行駛下的振動特性提供數據支撐，也為后續的優化設計提供了重要的參考依據。鋼軌跨中振動響應如圖2所示，鋼軌扣件位置振動響應如圖3所示。

觀察圖3和圖4可見，在兩扣件的跨中及扣件位置，軌道的頂、腰、底部位移響應曲線均呈現諧振峰。其體而言，軌道頂部在 1710Hz 和 2620Hz 處發生諧振，而腰部和底部則分別在 1920Hz 和 2740Hz 處產生諧振。與頂部相比，腰部和底部在 200Hz 以上的振動傳輸存在損耗。值得注意的是，在 1250Hz 時，軌道底部的振動較腰部更為顯著，傳導和插入損耗減少了12dB。此外，從軌道頂部至底部，高頻振動逐漸放大，最大增幅達7.8dB。

2高速鐵路軌道結構振動噪聲影響因素

高速鐵路軌道結構的振動噪聲特性受行車速度、軌道不平順、扣件剛度和扣件阻尼等多種參數影響，這些參數通過不同物理機制作用于軌道結構，進而影響其振動響應和噪聲輻射特性。

2.1行車速度的影響

行車速度是影響高速鐵路軌道結構振動噪聲的關鍵參數之一。隨著列車速度的提高，輪軌相互作用力顯著增加，導致軌道結構的振動加劇，進而輻射更多的噪聲。輪軌相互作用力 F（t） 可以表示為：

式中： m 為輪軌系統的等效質量， c 為阻尼系數， k 為剛度系數， u（t） 為輪軌接觸點的位移。

隨著速度 v 的增加，輪軌接觸點的振動頻率 f 也會增加，其關系為：

式中：入為軌道不平順的波長。

振動頻率的增加會導致噪聲輻射能量 W 的增加，其關系為：

W∝f²A²

式中：A為振動幅值。

在實際運行中，高速列車速度通常超過 300km/h ，這使得輪軌系統的動態響應更加復雜。這不僅增加了輪軌接觸力的幅值，還使得振動頻率向高頻區域移動，從而導致高頻噪聲的顯著增加。此外，高速運行還會加劇軌道結構的疲勞損傷，進一步影響其振動噪聲特性。因此，行車速度的增加會顯著提高軌道結構的振動噪聲水平。

2.2軌道不平順的影響

軌道不平順是引起輪軌系統振動和噪聲的重要因素，可描述為軌道表面的幾何偏差 y（x） ，其中 X 為沿軌道的空間坐標。軌道不平順的功率譜密度 S_y（w） 可以表示為：

式中： A_y 為不平順幅值系數，W為空間頻率， n 為冪指數。

軌道不平順會引起輪軌系統的強迫振動，其振動響應 u（ρ_W） 可以通過頻域分析得到：

u（w）=H（w）F（w）

式中： H（w） 為軌道結構的頻響函數， F（w） 為輪軌作用力的頻域表示。

軌道不平順程度增加會導致振動幅值 A 的增加，進而增加噪聲輻射能量 W 。軌道不平順的來源包括軌道鋪設誤差、軌道磨損和地基沉降等。這些不平順因素會激發輪軌系統的共振現象，尤其是在特定波長范圍內，振動幅值會顯著放大。例如，當軌道不平順的波長與輪軌系統的固有波長匹配時，會產生強烈的共振效應，導致振動噪聲的急劇增加。因此，減少軌道不平順是降低高速鐵路振動噪聲的有效手段之一。

2.3扣件剛度的影響

扣件剛度是影響軌道結構振動特性的重要參數，其直接影響軌道結構的固有頻率，其關系為：

式中： k 為扣件剛度， m 為軌道結構的等效質量。

扣件剛度的增加會提高軌道結構的固有頻率，從而改變振動能量的分布。振動能量可以表示為：

式中： A 為振動幅值。

當扣件剛度過大時，軌道結構的振動能量會集中在高頻區域，導致高頻噪聲的增加。當剛度過小時，振動能量會集中在低頻區域，導致低頻噪聲的增加。

在實際工程中，扣件剛度的選擇需要綜合考慮軌道結構的動態特性和列車的運行穩定性。過高的剛度雖然可以提高軌道的支撐能力，但會增加高頻振動噪聲。而過低的剛度則會導致軌道結構的動態變形過大，影響列車的運行平穩性。因此，扣件剛度的優化設計是降低振動噪聲的關鍵。

2.4扣件阻尼的影響

扣件阻尼是控制軌道結構振動衰減的關鍵參數，其阻尼系數 c 直接影響振動能量的耗散速率。振動幅值A（t） 隨時間 t 的衰減可以表示為：

式中： A₀ 為初始振動幅值， V 為阻尼比， W_n 為固 有頻率。

阻尼比與阻尼系數的關系為：

阻尼的增加會顯著降低振動幅值 A（t） ，從而減少噪聲輻射能量 W 。然而，過大的阻尼會導致軌道結構的動態響應變差，影響列車的運行平穩性。

在實際應用中，扣件阻尼的設計需要平衡振動衰減效果和動態響應特性。適當的阻尼可以有效抑制軌道結構的振動，減少噪聲輻射，但過大的阻尼會使得軌道結構的動態剛度增加，影響列車的運行舒適性。因此，扣件阻尼的優化設計需要在振動控制和運行穩定性之間找到最佳平衡點。

綜上所述，行車速度、軌道不平順、扣件剛度和扣件阻尼等參數通過不同的物理機制影響高速鐵路軌道結構的振動噪聲特性，且各參數之間相互關聯，共同決定了軌道結構的振動響應和噪聲輻射特性。通過優化這些參數，可以有效降低高速鐵路的振動噪聲水平，提高列車的運行舒適性和環境友好性。

3高速鐵路減振降噪控制

3.1 控制方法

為有效控制鐵路振動噪聲，在高速鐵路減振降噪控制設計中采用減振CRTSI型板式軌道。CRTSI型板式軌道本身具有結構高度低、道床寬度小、質量輕的特點，這些特性有助于減少振動和噪音的產生。在CRTSI型板式軌道的設計過程中，可進一步優化其結構參數，如軌道板的厚度、寬度以及材料的選擇等，以此增強其減振降噪效果。此外，為進一步提升減振效果，可在軌道與軌枕之間鋪設減振墊或安裝減振器。這些減振裝置能夠有效地吸收和分散列車運行時產生的振動能量，從而降低振動對周圍環境的影響。

3.2控制效果

在高速鐵路減振降噪控制方面，采用了減振CRTSI型板式軌道設計，對比應用該方法前后的效果。控制效果對比如圖4所示。從圖4中可以清晰地看到，振動與噪聲水平均得到了有效控制。此次設計不僅提升了高速鐵路的乘坐舒適度，也有效減小了噪聲對沿線居民的影響。

4結束語

本研究深入探討了高速鐵路軌道結構的振動噪聲特性，系統分析了無砟軌道的振動及傳遞特性，并詳細分析了行車速度、軌道不平順、扣件剛度和扣件阻尼等關鍵參數對振動噪聲的影響。通過全面的理論分析與實證研究，提出了針對性的高速鐵路減振降噪控制方法，包括采用減振CRTSI型板式軌道設計以及優化軌道結構參數等措施。實踐結果顯示，所提出方法在顯著降低振動與噪聲水平方面取得了顯著成效，不僅提升了乘客的乘坐舒適度，還有效減小了噪聲對沿線居民的影響。

參考文獻

[1]蔡文鋒，張威風，馮洋，等.提速情況下磁浮軌道結構振動響應及傳遞特性研究[J].鐵道標準設計，2023，67（3）：55-60.

[2]黃瑞堂.城市軌道交通不同減振軌道結構振動測試與分析[J].噪聲與振動控制，2023，43（3）：232-237.

[3]徐慶輝，吳軍，李耀，等.地鐵保護區內爆破施工對既有地鐵隧道結構的振動影響[J].城市軌道交通研究，2023，26（11）：79-84.

[4]龔浩然，王博，李慶軍，等.太陽光壓與地球陰影作用下的空間柔性梁結構振動分析與控制[J].振動工程學報，2023，36（4）：988-995.

[5]易強，趙磊，高原，等.城市軌道交通道岔區振動源強特征與減振措施效果試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2024，21（5）：1854-1865.