高速列车振动特性报告
高速列车沿铁路轨道运行，其移动的轴荷载和由于轮轨接触表面不平顺而产生的轮轨动荷载激发车辆、轨道结构振动；轨道振动经由轨道(以及高架桥梁和隧道)传人大地，引起大地振动波；当此振动波到达建筑物基础时进一步诱发邻近建筑物的二次振动和噪声。这种振动对居民的常生活、工作以及一些精密仪器设备的生产和使用产生很大的影响。因此在过去十余年里，国内外针对此问题的研究非常活跃。
铁路振动的基本特征是：
(1)具有明显的参数激振特性，如机车本身的周期性及其轨道结构的离散支撑。
(2)具有明显的简谐载荷特性，同时列车频繁通过，使得远场地表响应接近稳态响应，研究简谐荷载引起地表稳态响应是反映体系自身动力特性及研究不同参数激励的影响程度的直接手段。
(3)在离铁路线一定范围外，主要以瑞利波的形式在周围土体中传播，这些振动的频率范围很广，主要集中在4-50Hz，在低频区域频率依赖于相速度，研究表明列车速度低于300km/h所产生的振动，其主要频率在5Hz左右。
以下简述集中常用方法
1、解析的波数一频率域法
这种方法利用空间傅立叶变换，将轨道和大地在物理域内的偏微分方程转换到波数一频率域内的常微分方程，在求解傅氏转换域内轨道和大地的振动解后，再通过傅立叶逆变换得到物理域内的解．当考虑层状大地时，需采用传递矩阵(剐度或柔度矩阵)来表示傅氏转换域内各土层上下界面之间的应力和位移关系，称为传递矩阵法．当传递矩阵采用剐度矩阵表示时，土层分界面上应力和位移关系式中会出现指数项，当自然土层厚度很大时指数项将变得很大，这时只能将自然土层分成多个薄层，然后用类似有限元的方法集成整体剐度矩阵或柔度矩阵，即薄层法．解析法以弹性波传递理论中的兰姆(Lamb)问题为基础．兰姆问题研究点分布或线性分布的动荷载在半无限介质中产生的振动波传播问题．随着高速铁路的兴起，兰姆问题得到不断扩展，被用来研究高速铁路引起的大地振动．
同济大学的李志毅等把轨道作为弹性地基上的梁，考虑轨枕的离散作用，得到轨枕与道床之间的动反力，然后根据薄层法的基本原理，得到分层土体及饱和分层土体的稳态响应，研究了分层土体及饱和分层土体上列车运行引起的地表振动的传播与衰减规律，考虑轨枕的离散支撑建立了列车一轨道一周围土体的振动模型，得到了秦沈客运专线沿线地
基的振动解。并将理论分析与现场实测数据对比，得到了一些有益的结论：
1)当列车速度小于场地的瑞利波波速时，列车运行速度的提高对振动幅值的影响不大，而列车速度一旦接近场地的瑞利波波速，场地的振动会显著增大．
(2)列车的固定轴距作用率对振动的频谱曲线影响明显，在移动轴重作用率附近出现加速度峰值．
(3)理论计算和现场测试揭示了相同的衰减规律，即距轨道中心线越近，列车引起的地面振动就越大．距振源较近处振动较大，随着距离的增加有较大的衰减，超过一定距离衰减变缓．随着列车速度的不同，在一定位置出现振动反弹现象．
(4)理论模型能很好地预测近场的地表振动．但由于由于理论分析及模型的简化，对远距离处的地表振动，理论预测值与实测值有一定差别，有待进一步研究．
1998--2000年，北方交通大学土木学院在夏禾教授的主持下，在北京和沈阳郊区的铁路线上进行了数次列车振动对环境影响的试验。在以上试验中，主要是利用现场测试获得的控制点的动态反应，并对其进行频谱分析。根据加速度测试数据和对车辆振动体系的分析，得到列车载重的数学表达式，进而采用有限元分析隧道和周围土体系的动力特性。其主要结论：列车通过时在轨道底部产生的加速度，进过道床后有很大衰减；振动加速度的高频分量随距离衰减较快，低频分量则较慢，地面建筑物受低频影响较大；对于地铁列车的振动反应，按三维空间问题计算与按平面应变问题计算的结果吻合较好，由此可见，按二维平面问题计算地铁列车振动的反应是可行的。
X．Sheng等通过已建立的轨道一层状大地解析模型得到轨道一大地柔度矩阵，利用轮轨接触点处车辆和轨道一大地的柔度矩阵，建立了车辆一轨道一大地耦合模型。G．Lombaert等利用解析法和边界元法分别得到轨道柔度矩阵和大地柔度矩阵，组合形成轨道一大地的整体柔度矩阵，也利用轮轨接触点处的柔度矩阵建立了车辆一轨道一大地耦合模型。利用各自模型，X．Sheng，G．I_ombaert等分析了移动轴荷载和钢轨表面竖向不平顺引起的轨道和大地振动响应．结果显示：由钢轨表面不平顺引起的车辆一轨道耦合振动对研究中高频率的大地振动是非常重要的。
2、数值分析方法
解析的波数一频率域法适用于研究无限大弹性体的振动问题，但它对大地的几何形态有严格的限制，仅仅适用于具有平行界面的层状大
地，而且仅限于线弹性问题．当大地具有复杂的几何形状或大地中包含有隧道、建筑物等异质结构物时，大地在纵向是不均匀的，这时准确地分析需采用数值分析。
列车高速运行时，其移动轴荷载和由于轮轨接触表面不平顺而产生的轮轨动荷载将使车辆和轨道结构发生振动。轨道结构振动经过道床、路基而传入大地，产生振动波。振动波沿着大地表面传播，激发铁路附近建筑物振动。大地振动的主要频率成分处于0～200Hz之间。
华东交通大学的雷晓燕等结合上海普陀区“香溢花城”小区的环境振动测试，分析了列车高速通过时地面的振动特性，结果表明列车引发的地面振动属于低频振动，水平方向振动分量与竖直方向处于同一数量级，地面振动随着距轨道中心线距离的增大而减小。地面列车引发地面振动的时域分析如下
1、列车引发的大地振动具有持续性特点，振动的持续时间与车速、车长有关。
2、由于大地对振动具有衰减作用，在距离轨道中心线较近时，地表振动时程曲线可以显示出列车的荷载轮廓，呈现准周期特性, 具有明显的脉冲、尖峰特性，但随着距离的增加而减弱，地面垂向振动速度幅值随距离轨道中心线的增加而减少。
3、水平方向振动的最大值和有效值与垂直方向处于同一数量级中；X 方向和Y 方向振动在数量上也一致。因此，在振动敏感区的振动分析和评价中不能忽视水平方向振动的影响。
地面列车引发地面振动的频域分析如下
1、大地表面竖向振动频率都主要集中在20Hz 以下的范围内，属于低频振动，振动主频分布在8Hz~15Hz 的频段内；
2、大地振动的水平分量属于低频振动，振动主频率一般在20Hz 以下。
3、随着衰减距离的增大，各频率的振动幅值总体上发生衰减，但地频振动衰减不明显，10Hz 以下的振动所占据的成分越来越大。
4、大地对高频振动具有滤波作用。
对于大地VLZ振级：距轨道越近，同一列车引起的地面振动就越大；反之则越小，这主要是因为由于大地对振波的几何衰减造成，列车运行所产生的地面振动随至线路距离增加而有较大的衰减；大地振动与列车牵引类型有关，机车轴重越大，所引发的大地振动就越大。大地振动与列车行驶速度有关，列车行驶速度越大，所引发的大地振动就越大。
在建立了列车—大地振动耦合动力学模型后，分析得到以下结论
1．建立了轨道三层梁平面模型，采用傅立叶积分变换法求解轨道
结构动力响应，为对高速列车引发大地振动有限元分析提供荷载。分析表明，作用于路基顶部的随速度的提高而增大，基床的振动频率也随速度的提高而提高。
2．分析了位移模式下粘性和粘弹性人工边界特性，粘性和粘弹性边界在时域内都存在振波反射，粘弹性边界的精度较粘性边界要好，粘性边界会存在失稳的现象；在频域内，粘性边界和粘弹性边界的实部精度较高，但虚部存在误差。
3．分析了层状介质对瑞利波频散特性的影响，层状介质对瑞利波频散特性的影响与层状介质中各层材料性质密切相关。
4．建立了在列车荷载作用下大地振动的有限元模型，并与列车引发地面振动的实测结果进行对比，对比结果吻合表明有限元方法可以有效真实反映大地在列车荷载作用下的振动情况。
浙江大学的周华飞，蒋建群，，分别以移动线源非均布荷载和粘弹性半空间体模拟运动列车荷载和地基，分析了高速列车引起的地基振动。首先采用积分变换法推导了移动线源非均布荷载作用下粘弹性半空间体动力响应的二维积分解析解，包括位移、速度和加速度。然后采用IH可算法和自适应数值积分算法计算二维积分，得到了低音速、跨音速和超音速移动荷载作用下动力响应的数值结果：
(1)粘弹性半空间体在低速与高速移动线源非均布恒载作用下的竖向和纵向位移均存在显著差异：当荷载移动速度小于Rayleigh波速且无阻尼时，竖向和纵向位移关于X=0平面分别是完全对称和反对称的；当荷载移动速度大于Rayleigh波速时，竖向位移关于X=0平面不再具有对称性或反对称性，此外，还呈现一个明显的特点，即对于荷载作用点前方与其纵向距离相等的各点而言，竖向和纵向位移的最大值并不出现在荷载的运动路径上，而是出现在荷载运动路径的两侧。且随着与荷载作用点纵向距离的增大，竖向和纵向位移最大值点与荷载作用点之间的横向距离越大，即越偏离荷载的运动路径。
(2)低速与高速移动线源非均布恒载作用下粘弹性半空间体的竖向速度和加速度均存在显著差异：当荷载移动速度小于Rayleigh波速且无阻尼时，竖向速度和加速度关于t=0时刻分别是完全反对称和对称的，且在t=0时刻前后的振动持续时间相当：当荷载移动速度大于Rayleigh波速时，竖向速度和加速度关于t=0时刻不再具有反对称性或对称性。此外。还呈现一个明显的特点：竖向速度和加速度在t=0时刻后的振动持续时间大于其在t=0时刻前的振动持续时间，且随着荷载移动速度的增大，该特点越来越明显。
(3)当荷载移动速度小于Rayleigh波速时，其对各个动力响应最大值
的影响是相似的：随着速度从零逐渐增大，它们的最大值也随之逐渐增大：当速度接近Rayleigh波速时，它们的最大值随速度的增大而急剧增大，且在Rayleigh波速附近达到一个极大值。
(4)当荷载移动速度大于Rayleigh波速时，其对各个动力响应最大值的影响是不同的：对于纵向位移、竖向位移和竖向速度，当速度大于Rayleigh波速后，它们的最大值随着速度的增大而不断减小，直至=2．0。对于竖向加速度，当速度大于Rayleigh波速后，它的最大值一开始随着速度的增大而迅速减小，并达到一个极小值；当跨越该极小值后。随着速度的增大，它的最大值的随着速度的增大而增大，直至=2．0。
西南交通大学的和振兴，翟婉明建立高速列车作用下板式轨道一大地耦合振动分析模型。利用Fourier变换，在频率一波数域内求解振动微分方程，再通过Fourier逆变换得到大地表面的振动位移响应。通过算例分析列车运行速度对板式轨道周围地面振动的影响。本文根据三维分层大地振动的频率一波数域求解理论，建立了高速列车作用下板式轨道引起的地面振动分析模型。计算结果表明：一般情况下，轴重越大、车速越高，地面振动也越剧烈，但车速的影响因素要复杂的多。
(1)当列车运行速度较低时，线路周围地面的振动范围不大，而且随车速增加，振动幅值增加比较平缓；但当速度较高时，将产生较大的动力响应，距离板式轨道中心线越近，行车速度的变化对地面振幅的影响越显著。
(2)在高速列车运行条件下，当列车速度接近地面的Rayleigh波速时，将出现共振而在轨道地基表面引发剧烈振动，振动位移出现峰值。
典型站房：
新广州站地上共三层，分别为地面层、站台层和高架候车层。由于第三代铁路站房要求“以人为本，以流为主”，所以采用三层进站候车，二层上下车，一层出站的分流方式和站房结构形式，这使得候车层位于列车层上方，而列车层通过轨道桥梁架设在二层，高架候车层的竖柱就落在列车层的轨道梁上，列车行进过程中的振动就直接通过竖柱传给上部候车层。
新广州站采用新颖的车站结构体系，轨道与候车层通过竖向支撑联系起来，列车轨道之间的动力相互作用会对车站结构产生振动影响。目前，许多研究集中在建立及求解复杂的列车一路基模型和轨道路基一地基土一结构整体模型，主要用于预测列车引起的地面振动或桥梁结构的振动情况，建立列车一桥梁和桥梁一站房这两个力学计算子模型，通过对列车一
桥梁动力相互作用进行分析计算，得出行驶列车作用在桥梁上轨道各节
点的荷载时程，再将这些荷载作为外部激励，作用在桥梁～站房结构力学计算子模型上进行时程分析。中南大学的邓世海等依据中南大学曾庆元院士和郭向荣教授针对列车一桥梁结构动力相互作用的研究成果，对列车一桥梁结构子模型进行动力计算，得到行驶车辆对桥梁上轨道各节点的激励力时程，接着建立桥梁一站房结构的力学计算子模型，在轨道各节点输人行驶车辆引起的各节点激励力时程，进行桥梁一站房结构的动力时程计算。
郑州东站主站房为全部高架站房。主要分为三层，二层为站台层，山线路、站台和基本站台、候车厅组成。由于平而尺寸很大，为减小温度作用和地震作用对结构的影响，在高架层及以上的结构设置防震缝(兼作仲缩缝)，顺轨向和垂直于轨道方向各设置两道防震缝，垂直轨道方向的两道防震缝将高架车道与候车厅完全分开。
从时程曲线上来看，候车厅结构的在不同工况下的加速度的动力响应规律基本相同，在所计算的时间积分段内，加速度的响应显著时的时刻并不是发生在所计算时间积分段的中间时刻，而是发生在刚开始的时刻和即将退出的时刻。候车厅结构在列车荷载下的最大动挠度的时刻并不总是发生在所计算时间积分段的中间时刻，而是发生在刚开始的时刻和即将退出的时刻。候车厅结构在不同工况下，在整个时间积分段内，位移的波动很小，而加速的波动较大。
展望：在各种解析模型中，车辆激振力大都考虑为移动谐荷载或钢轨表面高低不平顺引起的竖向动荷载，轨道结构一般采用平面的多层梁模型，大地考虑为三维层状弹性介质，一般不考虑建筑物结构．今后应寻求建立车辆、轨道、路基、大地和建筑物为一体的三维解析模型，并考虑轮轨不平顺和各种可能引起振动的激振源。
关于地铁列车运行中振动和噪声问题的探讨 作者：来瑞珉 地铁列车运行引起的噪声和环境振动问 题日趋突出，引起了各有关部门的高度重视。结合城市既有地铁线路两侧的噪声和环境振动出现的问题和影响以及对周围环境的影响程度和应该采取的不同减振减噪措施，以期对后续的地铁工程建设环境影响评价、工程设计提供一定的参考依据。 城市轨道交通在运营中不可避免地要产生噪声，对司机、乘客以及周围的行人、居民产生或多或少的影响。本线为市域快速线，行车速度较高，其车辆的减振降噪问题更是突出。因此，有针对性地寻求降低、衰减噪声的措施和途径，对现存的噪声进行防护，最大限度地降低对人体造成的损伤，是城市轨道交通减振降噪的主题。减振降噪主要从噪声源（车辆、线路）和传播途径上着手。地铁车辆运行中主要噪声有两种来源，一是因为轮轨接触而产生的轮轨滚动噪音，二是牵引电动机产生的电动-机械噪音。这些噪声源恶化了地铁车辆车厢内的环境。在地铁车辆编组中的拖车主要引起轮轨接触的滚动噪声，动车中还有电动-机械噪音。轮轨接触引起的噪音主要分为三种：滚动噪音、刺耳尖利的摩擦噪音和通过曲线时的蠕滑噪音。由于汉城地铁有很多曲线地段，因此摩擦噪音和蠕滑噪音出现比较频繁。其中车辆的减振降噪是从噪声源上降噪，涉及车辆动力系统、传动系统、车体、转向架等，这些都涉及车辆制造行业的技术进步。通过有关资料介绍在这方面的降噪是有一定限度的，在此限度以上，要降低每一分贝的成本都是极高的。因此车辆的减振降噪只能是在现有技术条件下，在投资控制范围内进行，以满足本线噪声指标要求。 列车运行噪声主要由轮轨噪声、车辆动力系统和非动力系统噪声。以及高架桥梁结构的振动辐射噪声组成。列车运行噪声不仅全方位向空间传播，而且具有声级高、频带宽、影响范围广、不易治理等特点。因此在线路规划阶段就应充分考虑尽量避绕噪声敏感建筑，以达到缩小列车运行噪声影响范围，减少噪声影响人数的目的。对噪声的防治最直接有效的办法是控制并降低噪声源强，噪声源强的控制，包括选用低噪声车辆、对轮轨系统和桥梁结构采取减振措施等，但是采取这些措施后仍不能保证沿线环境噪声达标，因此还应从噪声传播途径采取拦截措施，包括采用设置声屏障及对噪声敏感建筑采取保护性措施如对敏感建筑加设隔声门和双层玻璃窗密闭或对个别敏感建筑物采取搬迁或功能置换等。从多方面同时采取措施即采取综合防治措施，才能达到噪声防治的预期目标。
第25卷 第7期 岩石力学与工程学报 V ol.25 No.7 2006年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July ，2006 收稿日期：2005–05–23；修回日期：2005–08–22 基金项目：广东省自然科学研究基金资助项目(5300512) 作者简介：王祥秋(1968–)，男，博士，1989年毕业于本溪冶金高等专科学校，现任副教授，主要从事岩土与地下结构工程方面的教学与研究工作。E-mail ：tongji_wxq@https://www.doczj.com/doc/cd3358540.html, 列车振动荷载作用下隧道衬砌结构 动力响应特性分析 王祥秋1，杨林德2，周治国3 (1. 佛山科学技术学院 环境与土木建筑工程学院，广东 佛山 528000； 2. 同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092； 3. 广州市建筑科学研究院，广东 广州 510440) 摘要：论述隧道衬砌结构动力有限元分析的理论与数值计算方法，并以京广线朱亭隧道列车振动荷载现场测试成果为基础，通过对3种不同断面形状的隧道衬砌结构的动力响应特征进行分析研究，可获得隧道衬砌结构竖向位移、竖向加速度及各种内力时程曲线。研究成果对评价既有提速铁路隧道衬砌结构的动力稳定性和完善铁路隧道结构的设计理论具有一定的指导意义。 关键词：隧道工程；动力有限元分析；衬砌结构；列车振动荷载 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)07–1337–06 DYNAMIC RESPONSE ANALYSIS OF LINING STRUCTURE FOR TUNNEL UNDER VIBRATION LOADS OF TRAIN WANG Xiangqiu 1，YANG Linde 2，ZHOU Zhiguo 3 (1. School of Environment and Civil Engineering ，Foshan University ，Foshan ，Guangdong 528000，China ； 2. Department of Geotechnical Engineering ，Tongji University ，Shanghai 200092，China ； 3. Guangzhou Institute of Building Science ，Guangzhou ，Guangdong 510440，China ) Abstract ：A theory of dynamic FEM and a numerical method for the lining structure of tunnels are put forward. Based on in-situ measurement results of vibration loads for the train running on the Zhuting tunnel of Beijing —Guangzhou Line ，the dynamic response characteristics for three types of tunnels with different cross-sections are investigated. And then ，the distributing characteristics of the vertical displacements and internal forces are obtained for the lining structures of three types of tunnels. The research results have important denotation not only for the dynamic stability evaluation of tunnel structures for speeded railway but also for the tunnel design and construction of railway. Key words ：tunneling engineering ；dynamic analysis of finite elements ；lining structure of tunnel ；vibration loads of train 1 引 言 随着我国各主要铁路干线列车运行速度的不断提高，与铁路建设相关的技术问题已逐步展开研究。 隧道工程是铁路工程中不可避免的重要建设项目，列车运行速度的提高势必造成列车振动荷载进一步加大，从而对隧道结构的动力稳定性提出了更高的要求。因此，如何评价列车提速后原有隧道结构的抗振稳定性，已成为工程师们普遍关注的问题之一。
钢轨波磨对地铁列车振动噪声的影响 摘要轨道交通车辆主要噪声来源于两部分，即轮轨噪声和车辆本身部件噪声，轮轨噪声主要是车辆在轨道上正常运行、加减速、过弯道等产生的轮轨滚动噪声、冲击噪声、啸叫噪声、刹车噪声，车辆本身部件噪声主要由其具有噪声源的电气部件产生，如受流装置、空桶与通风系统、牵引辅助系统、制动风源系统、PIS广播系统等。 关键词地铁；橡胶隔振垫轨道；钢轨波磨；振动；车内噪声 轨道交通系统作为一种公共交通形式，目前已发展成为现代化大中型城市公共交通的骨干。轨道交通系统通常具备安全快捷、省地节能、全天候、运量大及污染少等特点，可在缓解人口密集城市交通压力、拓展城市空间及治理城市环境污染等过程中起到至关重要的作用在城市轨道交通快速发展的同时，随着人们生活水平的提高、环保意识的加强以及噪声防治相关法律的强制实施，地铁列车车内噪声问题日益突出，受到了社会上的广泛关注[1]。 地鐵列车噪声源主要包括轮轨噪声、辅助设备噪声、集电系统噪声、牵引系统噪声等。国内外相关研究结果表明，车辆运行速度小于60 km/h时，列车牵引电机及辅助设备噪声占主要成分；当车辆运行速度在60～200 km/h时，轮轨噪声占主要成分；当车辆运行速度大于200km/h时，空气动力噪声占主要成分[2]，如图1所示。地铁列车运营时度通常为60～120 km/h，运行在该速度区间列车车内噪声的最为主要声源为轮轨噪声[2，3]。 通过国内外专家长期的分析与研究表明轮轨表面不平顺是激发轮轨振动的主要原因，而轮轨噪声的直接原因是轮轨振动。运用噪声辐射及传播理论和多体动力学理论，考虑了包括轮轨表面粗糙度、接触滤波、地面反射在内等因素对轮轨噪声的影响，建立了轮轨噪声预测模型，并通过轮轨噪声预测软件（如STTIN），预测并评价了钢轨、车轮及轨枕的振动辐射噪声。所有这些研究成果都是以钢轨、车轮、轨枕为研究对象，预测的是轮轨向环境的辐射噪声。而轮轨激励下车厢壁板振动所辐射的噪声，至今少见相关研究。实际上，车厢壁板振动所产生的声辐射是一个重要的噪声源。至于具体影响有多大，就需要根据现场测试数据进行定量的分析。 1 钢轨波磨测试 地铁轨道形式种类较多，不同軌道形式的减振效果也不相同，产生的噪声也存在差异。所以本文主要是针对橡胶隔振垫轨道的钢轨波磨对车内噪声的影响。现场调查了国内某地铁线路一段曲线半径为450m的橡胶隔振垫轨道。 图2为钢轨打磨前后表面不平顺频谱图，从图中可以看出打磨前曲线低轨存在明显的30～50mm波磨，高轨不存在明显的波磨。打磨后低轨的30～50mm波磨被打磨掉，特征不平顺水平下降了20dB。左右轨打磨磨痕覆盖了整个轨顶区
专业：机械电子工程 班级：机械0904 姓名：张牧 学号：200904000326 指导老师: 郑海明
浅析高速铁路振动产生的噪声及防治措施 摘要：针对高速铁路行车速度造成噪声污染急剧增加的问题，从噪声控制理论 出发，对高速铁路产生噪声对沿线环境的影响特点和干扰程度进行了分析，提出了控制轮轨噪声、列车整体噪声、隧道反射噪声以降低高速铁路噪声源，以及在线路两侧设置绿化带及防声屏障限制噪声的传播等措施，从而实现高速铁路对环境保护的要求。 关键词：高速铁路；振动噪声；噪声源；轮轨噪声；辐射噪声；防声屏障 在交通运输高速发达的今天，世界许多发达国家都已经有了自己的高速铁路系统。随着京津高速铁路和合武新干线、石太客远专线的开通运行，以及郑西高铁、武广高铁和京沪高铁的开通，我国也已经跨人了世界行列，大大加速了我国铁路高速化的进程。然而与高速铁路行车速度有关的环境因素，主要为噪声污染已严重影响了铁路两侧居民的正常工作和学习生活。国际上已把振动噪声列为七大环境公害之一，高速铁路的噪声问题日益受到各方关注。如何降低铁路环境噪声对敏感点的影响，一直是环境保护工作者的重要任务之一。因此，如何减小高铁噪声污染，是当前车辆制造和铁路建设中的一个十分重要的课题. 1 、高速铁路的噪声源 1．1高速铁路噪声的特点 相对于普速铁路，高速铁路具有高速、高架、电气化等特点，因而其噪声传播的空间和时间也较普速铁路远，其噪声的构造也较普速铁路复杂。尤其是高速铁路穿越人口稠密的区域时，问题尤其严重。 1、2 高速铁路的噪声源分析 高速铁路噪声是由各种不同类型的噪声组合而成，按发生部位的不同，可分为轮轨噪声、空气动力性噪声、集电系统噪声和桥梁构造物噪声。如图1所示。
高速铁路列车运行振动传播规律研究 了影响地面振动的主要因素，采用由列车速度、载重量和传播距离组成的比例距离来预测高速列车运行的地面振动，在广深线上列车速度160和200的地面振动实测值和预测值十分接近。 Study of Propagate law of Vibration caused by Train on the High Speed Railway Zhou Jiahan (Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080) Abstract The effection factions of ground vibration caused by the train on the railway are analysed after measuring the ground vibration velocity. Scale distance consisted of the speed and loads of train and distance to concerned point can be used to predict the vibration intensity. The measuring value are indentical with the predict value when the train speed at 160km/h or 200km/h on GuanShen line. Keywords Highspeed train Vibration 引言 高速铁路以其速度快、运能大、安全、舒适等特点已逐渐被人们接受。京沪高速铁路将是我国建设的第一条高速铁路，全长1300公里，实施全封闭、全立交式的客运专线。铁路设计时速为300公里，基础设施可满足350公里的时速要求。修建京沪高速铁路将是我国在新世纪前10年投资额度较大的项目之一。在要修建高速铁路的京沪铁路沿线人口密度高，建筑物密集。高速铁路选线需要进行环境综合评价，选线方案的
列车振动荷载的确定 列车振动：列车在轨道上运行时, 轨道不平顺是使列车产生随机振动的主要原因, 并直接影响其运行平稳和安全.轨道不平顺是由众多的随机因素引起的, 例如钢轨的初始弯曲、磨耗、损伤,弹性垫层、轨底道床路基的弹性不均匀, 轨枕间距不均,各部件之间的间隙不等,扣件失效,存在暗坑等 1.列车简化模型 通常车体在纵向和横向都是对称的,忽略轮轨之间的弹跳作用以及车体的摇摆和点头作用, 假定列车的重量均匀分配给每个轮对,于是对于列车均只取出一车轮为计算模型, 如图 1 所示.其中, mi , ki , ci 分别为质量、弹簧刚度系数和阻尼系数, P ( t) 为轮轨间的作用力, yi 为参考坐标系, 分别对应于各质量的静平衡位置. (其中轮对、大齿轮、轴箱、部分电动机重量、液压减振动器、销、均衡梁、螺旋弹簧等属于簧下质量部分；车体支承装置、构架、齿轮传动装置、基础制动装置、部分电动机重量等属于簧间质量部分；车体等属于簧上质量部分。) 假定列车以速度v = 90 km/ h 匀速运行, 图1 列车竖向振动模型 选取目前常用的某一列车型号, 其参数如下:
2.列车振动荷载数定表达式 对于如图所示的列车简化模型，其轮系竖向运动平衡微分方程（轮系的运动微分方程可按达朗贝尔原理写出）为 （1） 忽略轮轨间的弹跳作用，轮系竖向加速度等于轨底振动加速度，即： （2）N代表采集数据个数，分析中采用了快速付里叶变换，n=0、1.2.……N/2-1 《注释：列车在轨道上运行时, 轨道不平顺是使列车产生随机振动的主要原因, 并直接影响其运行平稳和安全.轨道不平顺是由众多的随机因素引起的, 例如钢轨的初始弯曲、磨耗、损伤,弹性垫层、轨底道床路基的弹性不均匀, 轨枕间距不均,各部件之间的间隙不等,扣件失效,存在暗坑等, 所有这些因素沿轨道的随机分布决定了轨道不平顺的随机性, 决定了它是一个距离的随机过程.当车速为匀速时,列车振动可看成是一个具有零均值的各态历经的平稳高斯过程（需要查资料）.忽略轮轨间的弹跳作用, 轮系竖向加速度y0可看作为轨底振动加速度，根据轨道加速度测试数据和分析车辆体系的振动得到了列车荷载的模拟数定表达式,由于y 0 是距离的函数,故可利用x = v t ,将y 0的自变量x 转换为t ,得到y0对时间t 的随机过程.，列车引起的振动具有随机特性,而且可以认为它是一个各态历经过程,因而可以将其分解为一系列不同频率的谐波。各次谐波的幅值可由傅里叶变换得到。》 将( 2 ) 式代入( 1 ) 式，解( 1) 式（解微分方程），并略去瞬态项，积分常数可由初始条件定出，即可求出y1,y2，由图1所示，根据竖直方向的动力平衡条件可得： （3） 假定轮轨作用力P( t )经钢轨等传递成沿隧道纵向均匀分布在每钢轨位置处的线荷载为， （4） 其中：L为机车长度，n 为机车轮对数；根据铁路部门提供的资料，L = 2 0 ．3 6 8 m，n =6。将各参数代入式(3 )～( 4) ，即可得列车竖向振动荷载的模拟表达式，利用O r i g i n绘出其时程曲线如图2所示。
汽车噪声与振动 概述：随着汽车发动机功率的不断提高，噪声与振动的问题日渐突现出来，开始成为汽车开发工程中的主要问题之一。在汽车界，人们在讨论噪声与振动时，常用的一个词就是NVH，即是噪声（Noise）、振动（Vibration）和不舒适（Harshness）三个英文单词首字母的简写。汽车噪声振动有两个特点，一是与发动机转速与汽车行驶速度有关，二是不同的噪声振动源有不同的频率范围。在低速时，发动机是主要的噪声和振动源，在中速时，轮胎与路面的摩擦是主要的噪声和振动源，而在高速时，车身与空气之间的摩擦变成了最主要的噪声和振动源。 近年来汽车噪声振动问题研究现状 行驶汽车的噪声包括发动机、底盘、车身以及汽车附件和电气系统噪声。发动机噪声是汽车的主要噪声源。在我国，车外噪声中发动机噪声约占60%左右。 1.发动机噪声 发动机噪声按其机理可分为结构振动噪声和空气动力性噪声。 1.1结构振动噪声 通过发动机外表面以及与发动机外表面刚性连接件的振动向大气辐射的噪声称为结构振动噪声或者称为表面辐射噪声。根据发动机表面噪声产生机理，结构振动噪声又可分为燃烧噪声、机械噪声以及液体动力噪声。燃烧噪声的发生机理相当复杂，主要是由于气缸内周期性变化的压力作用而产生的，与发动机的燃烧方式和燃烧速度密切相关。机械噪声是发动机工作时各运动件之间及运动件与
固定件之间作用的周期力、冲击力、撞击力所引起的，它与激发力的大小和发动机结构动态特性等因素有关。一般在低速时，燃烧噪声占主导地位；在高转速时，由于机械结构的冲击振动加剧而使机械噪声上升到主导地位。车用发动机的辐射噪声频率范围主要在500～3000Hz内，而其主要噪声辐射部件的临界频率大致在500—800Hz范围内。发动机中液体流动产生的力对发动机结构激振产生的噪声称为液体流动噪声，如冷却系中水流循环对水套冲击产生的噪声。 1.2空气动力性噪声 空气动力性噪声直接向大气辐射噪声源，即由于空气动力学的原因使空气质点振动产生的噪声。空气动力噪声包括进、排气噪声和风扇或风机噪声。排气噪声是发动机的最大声源，进气噪声次之。风扇噪声也是发动机的主要噪声源之一。排气噪声由周期性排气、涡流和空气柱共鸣噪声组成。周期性排气噪声是排气门开启时一定压力的气体急速排出而产生；涡流噪声是高速气流通过排气门和排气管道时产生的；空气柱共鸣噪声是管道中空气柱在周期性排气噪声的激发下发生共鸣而产生。 对于发动机噪声的评价，除考虑其辐射噪声能量总水平外，还应考察以下噪声特性：噪声级及其随发动机工作状态的变化关系、发动机周围空间各点噪声级数值的分布状态、空间各点的噪声频谱以及发动机工作过程各阶段的瞬时声压级。通过这些信息，不但可以比较和评价发动机辐射噪声的大小，还可以深入研究辐射声能频率的分布情况，判断发动机工作循环中辐射声最大的阶段，以便分析产生高噪声的原因，提高噪声控制措施并比较和评价这些措施的有效性和经济上的合理性。 2.底盘噪声 汽车底盘结构固体声源产生噪声主要是传动系噪声和轮胎噪声。传动系噪声频率为400—2000Hz。其中齿轮传动的机械噪声是主要部分。齿轮噪声以声波向空间传出的仅是一小部分，大部分则是变速器驱动桥的激振使各部分产生振动而变为噪声。 按声源的激励性质不同，轮胎噪声主要产生机理可分三大类： (1)气流声机理。随着轮胎的滚动，在与路面接触区，花纹沟内空气不断被吸入与挤出，由此形成“空气泵”噪声，这是横向花纹的一种主要噪声机理。此声源为起伏变化的气体，属气流噪声。 (2)机械声机理。由胎面花纹块撞击路面、轮胎结构的不均匀性以及路面的不平性等因素激发机械噪声，是光面胎及纵向花纹的主要噪声源。 (3)滤波放大机理。轮胎与路面接触处形成喇叭口几何体，对上述噪声起着滤波放大作用。另外，胎面花纹沟与路面所围管道内的空气共振以及轮胎花纹块离开路面处形成的赫姆霍兹共振效应主要为袋状沟的噪声机理。 3.车身噪声 车身噪声主要是由于汽车加速行驶时空气流过汽车表面和孑L道时产生的噪声。该噪声主要来源于气流有明显折弯的地方，在该区域内气流分离，分离区内旋涡脱落，形成噪声。
高速列车振动特性报告 高速列车沿铁路轨道运行，其移动的轴荷载和由于轮轨接触表面不平顺而产生的轮轨动荷载激发车辆、轨道结构振动；轨道振动经由轨道(以及高架桥梁和隧道)传人大地，引起大地振动波；当此振动波到达建筑物基础时进一步诱发邻近建筑物的二次振动和噪声。这种振动对居民的常生活、工作以及一些精密仪器设备的生产和使用产生很大的影响。因此在过去十余年里，国内外针对此问题的研究非常活跃。 铁路振动的基本特征是： (1)具有明显的参数激振特性，如机车本身的周期性及其轨道结构的离散支撑。 (2)具有明显的简谐载荷特性，同时列车频繁通过，使得远场地表响应接近稳态响应，研究简谐荷载引起地表稳态响应是反映体系自身动力特性及研究不同参数激励的影响程度的直接手段。 (3)在离铁路线一定范围外，主要以瑞利波的形式在周围土体中传播，这些振动的频率范围很广，主要集中在4-50Hz，在低频区域频率依赖于相速度，研究表明列车速度低于300km/h所产生的振动，其主要频率在5Hz左右。 以下简述集中常用方法 1、解析的波数一频率域法 这种方法利用空间傅立叶变换，将轨道和大地在物理域内的偏微分方程转换到波数一频率域内的常微分方程，在求解傅氏转换域内轨道和大地的振动解后，再通过傅立叶逆变换得到物理域内的解．当考虑层状大地时，需采用传递矩阵(剐度或柔度矩阵)来表示傅氏转换域内各土层上下界面之间的应力和位移关系，称为传递矩阵法．当传递矩阵采用剐度矩阵表示时，土层分界面上应力和位移关系式中会出现指数项，当自然土层厚度很大时指数项将变得很大，这时只能将自然土层分成多个薄层，然后用类似有限元的方法集成整体剐度矩阵或柔度矩阵，即薄层法．解析法以弹性波传递理论中的兰姆(Lamb)问题为基础．兰姆问题研究点分布或线性分布的动荷载在半无限介质中产生的振动波传播问题．随着高速铁路的兴起，兰姆问题得到不断扩展，被用来研究高速铁路引起的大地振动． 同济大学的李志毅等把轨道作为弹性地基上的梁，考虑轨枕的离散作用，得到轨枕与道床之间的动反力，然后根据薄层法的基本原理，得到分层土体及饱和分层土体的稳态响应，研究了分层土体及饱和分层土体上列车运行引起的地表振动的传播与衰减规律，考虑轨枕的离散支撑建立了列车一轨道一周围土体的振动模型，得到了秦沈客运专线沿线地
一、填空题 1．测量噪声时，要求气象条件为：________、________、风力________、 答案：无雨无雪小于5.5 m／s(或小于四级) 2．凡是干扰人们休息、学习和工作的声音，即不需要的声音，统称为________；此外振幅和频率杂乱、断续或统计上无规律的声振动，______。 答案：噪声也称为噪声 3．在测量时间内，声级起伏不大于3dB的噪声视为______噪声，否则称为______噪声。 答案：稳态非稳态 4．噪声污染源主要有：工业噪声污染源、交通噪声污染源、______噪声污染源和______噪声污染源。 答案：建筑施工社会生活 5．声级计按其精度可分为4种类型，O型声级计是作为实验室用的标准声级计，I型声级计为精密声级计，II型声级计为______声级计，III型声级计为______声级计。 答案：普通简易 6．A、B、C计权曲线接近______、70方和100方等响曲线的反曲线。 答案：40方 7．声级计在测量前后应进行校准，灵敏度相差不得大于______dB，否则测量无效。 答案：0.5 8．城市区域环境噪声监测时，网格测量法的网格划分方法将拟普查测量的城市某一区域或整个城市划分成多个等大的正方格，网格要完全覆盖住被普查的区域或城市。每一网格中的工厂、道路及非建成区的面积之和不得大于网格面积的________％，否则视为该网格无效、有效网格总数应多于________个。 答案：50 100 9．建筑施工场界噪声限值的不同施工阶段分别为：________、打桩、________和________。 答案：土石方结构装修 二、选择题、 1．声压级的常用公式为：L P=_______。( ) A．10 lg P/P0B．20 ln P/P0C．20 lg P/P0 答案：C 2．环境敏感点的噪声监测点应设在________。( ) A．距扰民噪声源l m处B．受影响的居民户外1 m处C．噪声源厂界外1 m 处
文章编号!"##$%&"#$’&##"(#)%##*&%#$ 减小铁路振动与噪声影响的方法 卜建清"+高勇利&袁向荣& ’",石家庄铁道学院科研处-&,石家庄铁道学院交通系-石家庄#.##*)( 提要!在分析了铁路振动与噪声及其传播规律的基础上-列出了减小铁路振动与噪声影响的方法/主题词!铁路0振动0噪声0影响 中图分类号!12.))文献标识码!3 4概述 在有关环境问题的讨论中-人们往往比较注重水5 空气和土壤的质量-因为它们对于我们周围的环境有着更为持久的影响/但是现在-大家开始抱怨因为噪声而带来的不适-人们对于噪声这种污染形式比较敏感-*#至.#62’3(的噪声就干扰正常人的睡眠-$#62’3(的噪声就能使7#8的人惊醒-人如果长期处在$# 62’3(的噪声环境中-大脑神经调节功能会出现失控-引起慢性和急性耳聋-破坏脑皮层组织的工作能力-出现注意力减退5失眠5头昏5头疼5易怒5神经紧张/还会减小胃液含酸量-使消化过程减慢-身体抵抗力下降-易受病原微生物感染-导致许多常见病的发生/噪声对人的视力损伤较大-当噪声达到9#62’3(时-有近*#8的人出现瞳孔放大-视物模糊不清-长期在噪声环境中-容易发生眼疲劳5眼花5眼病等眼部损伤-还使人的色觉5色视野发生异常改变:";-且噪声源往往又都是可以看得到的/而人对铁路的振动并不是十分敏感-除非是危重病人等特殊人群/但个别区段因地质情况5线路状况不佳5长大桥梁结构等可能引起振动超标-对重点保护的文物古迹5对振动高度敏感的地震观测台站5某些精密仪器设备等具有一定的危害及干扰-是不能忽视的/随着社会的不断进步和生活水平的不断提高-人们对环境质量越来越重视-在铁路经过的城镇5乡村居民区要采取必要的措施对振动和噪声进行整治/对振动与噪声干扰的治理和防护-一直是高速铁路工程的重要组成部分/日本5德国5法国等发达国家高速铁路工程中-用于降噪5减振的投资在工程总投资中占有相当大的比重/早期日本新干线由于未重视振动与噪声的治理和防护-引起诸多环境纠纷-给工程建设和运营带来障碍0而后续的拆迁5整治等补救工程不仅难度大-投资耗费也甚巨-这一深刻的教训为沿线各地区人口密度大5经济较发达的京沪高速铁路工程’与日本新干线相似(提供了很好的借鉴/ <铁路振动与噪声及其传播规律分析<,4铁路振动与噪声分析:<-=; <,4,4轮轨振动与噪声分析 轮轨噪声源可视为位于轨道中心线上方5高出轨面#,&.>的由连续互不相干的偶极子组成的有限长线声源-其长度等于列车全长/影响轮轨噪声的因素除列车线路等级5构造和状态外-还有列车速度5牵引吨位和列车长度等运行参数/轮轨噪声是轮轨系统相互激励的一种响应-包括冲击噪声5滚动噪声和尖叫声/轮轨噪声主要以低中频成分为主-其峰值集中在"&.?&###@A/许多研究也表明-车轮辐射高频噪声-对轮轨噪声B贡献C极小-而钢轨辐射低中频噪声-对轮轨噪声B贡献C大/所以对钢轨采取减振措施以此来降低轮轨噪声是非常现实的/ <,4,<轮轨作用引起的桥梁振动和噪声 列车通过桥梁时-轮轨作用除了使车轮和轨道直接向外辐射噪声外-还要向桥梁的各个构件传递振动能量-激发桥梁的各个构件产生振动-并形成噪声的二次辐射/轮轨作用引起的桥梁振动和噪声与机车车辆的类型5车速5桥长5钢轨类型’短轨或焊接长轨(5道床 & *铁道工程学报&##"年9月+收稿日期&##"%#.%"D卜建清讲师’硕士(男"9$D年出生 万方数据