轨道列车振动与噪声研究现状与发展

第３６卷第６期　２０１３年１１月２Ｏ日　

・研究开发・　电力机车与城轨车辆　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ＆Ｍａｓｓ　Ｔｒａｎｓｉｔ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　Ｖ０ｌ＿３６　Ｎｏ．６　Ｎｏｖ．２０ｔｈ．２０１３　

轨道列车振动与噪声研究现状与发展　

刘晓波　。刘剑　，ＬＥ　Ｖａｎ—ｑｕｙｎｈ　

（１．南车株洲电力机车有限公司技术中心，湖南株洲４１２００１；　

２．东南大学机械工程学院．江苏南京２１００９６）　

摘　要：对轨道列车振动和噪声源进行了较为详尽的描述；综述了目前轨道列车噪声预测的常用方法、　

列车噪声的测量技术、减振降噪技术和相关标准。轨道列车振动与噪声设计是一个多学科的系统工程。深入了　

解噪声产生的机理和每一个噪声单元的声贡献是进行列车振动与噪声控制的前提；用系统的方式管理所有振　动和噪声的特性，建立一个持续质量管理计划是必要条件；加强轨道车辆的噪声控制及预测的规范和立法，是　

减小轨道列车噪声污染的有力保障。　关键词：轨道列车；振动；噪声；综述　

中图分类号：Ｕ２６６．１１＋１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—１１８７（２０１３）０６—００１２—０７　

Ｃｕ　ｒｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　

ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｉｓｅ　ｆｒＯｍ　ｒａｉｌ　ｔｒａｉｎｓ　

ＬＩＵ　Ｘｉａｏ－ｂｏ　，ＬＩＵ　Ｊｉａｎ　，ＬＥ　Ｖａｎ—ｑｕｙｎｈ　

（１．Ｒ＆Ｄ　Ｃｅｎｔｅｒ，ＣＳＲ　Ｚｈｕｚｈｏｕ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ　４１２００１，Ｃｈｉｎａ；　２　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｕｒｃｅｓ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｉｓｅ　ｆｒｏｍ　ｒａｉｌ　ｔｒａｉｎｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ．　

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｉｓｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ａｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｉｓｅ　ｏｆ　ｔｒａｃｋ　ｔｒａｉｎｓ　ｉｓ　ａ　ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｉｎｓｉｇｈｔ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｎｏｉｓｅ　

ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｕｎｄ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｎｏｉｓｅ　ｕｎｉｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｐｒｅｍｉｓｅ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｉｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｔｒａｉｎｓ．Ｉｔ　ｉｓ　ａ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｍａｎａｇｉｎｇ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｉｓｅ　ｉｎ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｗａｙ，ａｎｄ　ｔｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　

ａ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｐｌａｎ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｒａｉｌ　ｔｒａｉｎ　ｎｏｉｓｅ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｉｔ　ｉｓ　ａ　ｐｏｗｅｒｆｕｌ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｔｏ　

ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ　ｌｅｇｉｓｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ｆｏｒ　ｎｏｉｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌ　ｔｒａｉｎ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｎｏｉｓｅ；ｒｅｖｉｅｗ　

０　引言　

２０１０年５月５日，来自海外的５１位华人科学家就　

中国“十二五”环境保护规划关于噪声控制提出：必须　

大力加强噪声控制环保产业的建设和发展：在“十二　

五”期间，基本建成具有核心竞争力、结构合理、上规模　

的噪声控制产业，改变目前综合实力不强的局面。交通　

噪声是环境噪声污染的主要组成部分，是噪声治理的　

重点领域。２００２年，德国联邦环境局一项民意测试表　明［１１：有６５％的居民受公路交通噪声干扰，３７％的人受　

航空交通噪声干扰，２３％的人受铁路噪声干扰。　

轨道列车主要存在由于列车与结构的动态相互作　

用、车辆动力系统振动、轨道结构振动和轮轨不平顺等　

引起的振动；由轮轨接触、结构振动、空调等车载动力　

设备和运动空气摩擦等引起的噪声。列车的声一振环　

境是这些振源及声源多方面的组合。列车声一振设计　

的任务就是合理地利用隔振、减振、隔声和吸声的综合　

效果，是一个系统工程。　

收稿日期：２０１３－Ｏ１—１０　作者简介：刘晓波，２０１２年毕业于东南大学车辆Ｔ程专业，］＿学博士，主要研究方向为结构振动与噪声控制。　

一

１２—　刘晓波等・轨道列车振动与噪声研究现状与发展・２０１３年第６期　

１　轨道列车振动和噪声源　

为了更有效地减小振动和噪声，有必要首先了解　

振动和噪声产生的来源。以及每一个噪声源对总噪声　

的贡献量　

１．１　车外振动源和噪声源　

铁路噪声主要由轮轨噪声、牵引噪声和空气动力　

噪声等组成。铁路噪声源决定于列车具体的运行形式．　

列车速度对噪声的辐射有深刻的影响　：在低速区域较　

低的范围内主要以轮轨噪声为主导，其能量集中在　

８００～２　５００　Ｈｚ频率范围，而空气动力噪声会在更高的　

列车运行速度下占主导　

牵引噪声主要来源于牵引电机噪声、冷却系统的　

风扇等的噪声。　

轮轨噪声是最主要的铁路噪声源．强烈地依赖于　

车轮和轨道表面的质量。轮轨噪声可以分成三类１３】：　

１）滚动噪声（ｒｏｌｌｉｎｇｎｏｉｓｅ），出现在直线轨道上，由轮　

轨表面的不平度引起的垂直方向的振动引起。轮轨噪声　

随列车运行速度　，声压级以大约３０１ｇ　的比率增加，即　

速度提高一倍，声压级大约提高９ｄＢ。图１显示了通过轮　

轨接触和车轮、铁轨和轨枕产生振动和噪声机理示意　

图Ｉ　。车轮和铁轨表面不平度合成后，通过滤波过滤掉轮　

轨表面不平度中波长小于或等于轮轨接触面尺寸的成　

分．即接触滤波（ｃｏｎｔａｃｔ　ｆｉｌｔｅｒ）。轮轨相互作用．激励车轮　

和铁轨振动，产生振动辐射，然后两者的振动辐射合成而　

形成轮轨噪声。　

图１滚动噪声产生机理　

２）撞击噪声（ｉｍｐａｃｔ　ｎｏｉｓｅ），由于车轮或轨面不连　

续而产生，是滚动噪声的一种极端形式。这种激励也是　垂向的，但很大程度上表现为非线性。　

３）啸叫声（ｓｑｕｅａｌ　ｎｏｉｓｅ），过曲线时横向激励引起一　

横向力产生摩擦而引起的噪声。过曲线时引起的啸叫　

声通常比滚动噪声大１０ｄＢ（Ａ）以上ｌ　５＿。　

当列车速度大于２５０　ｋｍ／ｈ后，车外噪声的另一个　

重要来源是空气动力噪声：波动着的风速转化为波动　

的压力．这些压力使结构表面产生随时间而变化的振　动，从而引发噪声。空气动力噪声主要表现在　：列车　

头部、列车尾部及车体表面由于紊流而产生噪声：受电　

弓装置，车厢问的连接部位和百叶窗，转向架及空调装　

置等在高速运动时，各种杆件引起的非稳态气流而在表　

面产生气动噪声。对于高速列车，受电弓的噪声和列车　

底部零部件（特别是轮轨噪声）产生的噪声是对总噪声　

贡献最大的两个噪声源ｌ５－　０１。因而．对于高速列车，通常　在转向架两侧安装围板，并且在其内侧进行有效的吸　

声处理。采用低噪声受电弓和更有效的、合适角度的噪　

声隔离板形状能有效减小高速车的受电弓噪声…一　。　

气动噪声强烈地依赖于列车的运行速度，随车速　

大约以６０１ｇｖ～８０１ｇｖ的规律增加ｆ　Ｊ３－１５ｌ。当列车进入隧道　

时，隧道内空气受到列车头部活塞效应的强烈压缩，在　

隧道内产生压力波，从而使隧道内的空气动力噪声明　

显增大。　

在车辆连接开放间隙处（见图２），受空气动力特性　

的影响，空气压力提高而引起声腔共振。这种由于压力　

反馈引起空腔的共振频率与气流速度和空腔长度密切　

相关Ｉ】６１。这种影响也能引起车体结构６０～１００　Ｈｚ内的　

共振，从而导致车内噪声的提高　Ｊ。　

Ｉ・宅腔长膳．．－ｌ　图２车辆连接开放间隙处空气动力特性　

有铁路振动的区域所受的铁路噪声的影响更大，　

铁路的振动至少可以延伸到铁路线边的２００　ｍ远。其　

振动频率范围主要以低频为主，通常在５～２００　Ｈｚ之　

间。为了能确保小于５％的沿线居民不受铁路噪声的　

影响，必须确保振动区域的噪声最少低于８０　ｄＢ（Ａ）１１８１。　

１．２车内振动和噪声源　由于列车车体结构的复杂性，车体中噪声的传递　

是很难去研究的，其激励及响应也很难进行描述ｌ１９Ｉ。所　

有影响车外声一振的声振源也同样影响车内的振动和　

噪声。车体内部的噪声是各种设备噪声与外部入射声　

的集成，设备噪声主要有空调、风机、空气压缩机、主变　

压器、主变流器等引起的噪声，外部入射声主要有轮轨　

噪声、空气动力噪声等。同时，车外的脉动压力通常诱　

发车内气动噪声【扯　１。　

列车在运行过程中，除了轮轨撞击产生的振动和　

噪声以外．还有其他设备也会在工作过程中产生撞击　

振动和噪声　如真空断路器在合闸和分闸过程中常会　

１３—　电力机车与城轨车辆・２０１３年第６期　

产生较大的撞击噪声（合闸时如果不加声学处理，瞬时　

噪声可达ｌ１Ｏ　ｄＢ（Ａ）以上）。列车车体通常由心盘承　

重．在运用过程中上下心盘承受着纵向冲击力，及在转　

弯时，由于心盘和磨耗盘之间的不稳定摩擦和黏着滑　

移导致振动和噪声［２２１。这些瞬时振动和噪声由于作用　

时间短．在实际中并没有得到重视。　

１．３磁浮列车的振动和噪声　

相对于普通高速列车，高速磁浮列车具有快速、爬　

坡能力强、能耗小等许多的优越性。虽然在同等速度　

下，磁浮铁路的噪声低于轮轨铁路，但磁浮列车的噪声　

在高速运行时同样是不可忽视的环境问题。高速磁浮　

列车的噪声主要表现在［　剖：１）空气动力噪声是磁浮列　

车高速行驶时的主要噪声，由于与导轨没有直接接触，　

磁浮列车的噪声源中没有轮轨噪声，其噪声频谱以中　

频成分为主：２）推进及辅助设备引起的电磁噪声及设备　

运转噪声：３）由导轨的振动及列车车体的振动引起的　

结构辐射噪声。这三种噪声源产生的部位、机理、频率　

范围随运行工况的不同而发生变化。同时，磁浮铁路的　

无接触供电，也消除了传统轮轨铁路的受电弓空气动　力噪声。　

２轨道列车噪声预测方法　

对于车外噪声．世界各国有较多的研究。并获得了　

多个列车通过噪声预测经验公式。对于车内噪声，由于　

列车结构的复杂性及振动、噪声源的多样性．目前主要　

是通过声一振仿真的手段进行预测。　

２．１　预测方法　

列车质量在噪声辐射中具有十分重要的作用。对　

于单列车通过时最大噪声压级　．～计算模型，目前较　

多使用的是：美国联邦铁路（ｎ’Ａ）噪声预测模型和法　

国铁路噪声预测模型。美国联邦铁路噪声预测模型　１　

由Ｈａｒｒｉｓ　Ｍｉｌｌｅｒ＆Ｈａｎｓｏｎ公司提出：　

ｍ一删ｇ　ｇ　＋　㈩　ｍｌｇ（２ａ）一３－３　

式中：ＳＥＬ为参考声压级（柴油一电力机车为９２　ｄＢ（Ａ），　

电力机车为９０　ｄＢ（Ａ）），即在参考距离Ｄ。＝１５　ＩＴＩ和参　

考速度Ｖｏ＝８０　ｋｍ／ｈ时机车的声压级：ｆ为被测列车长　

度；ａ＝ｔａｎ（１／２ｄ），其中ｄ为受声点与噪声源之间的最近