陶粒吸声材料对CRTSⅡ型轨道板的降噪影响

2020-10-13汪小渝钟瀚寅

铁道运营技术 2020年4期

周瑜，汪小渝，钟瀚寅

（1、2、3，深圳大学土木与交通工程学院，广东省深圳市，518060）

0 引言

无砟轨道是我国高速铁路迄今最主要的轨道型式，其中，CRTSⅡ型板式无砟轨道作为独具特色的纵连式轨道结构，已被广泛应用于京沪高铁、沪昆高铁、京津城际、宁杭客专等多条线路上，双线铺设里程超过5 000 km，占高速铁路无砟轨道线路总里程的35%左右。由于高铁产生的振动与噪声严重影响临线居民身心健康、建筑物和精密仪器的正常使用，因此，开展以CRTSⅡ型板式轨道结构减振降噪为重点的研究具有重大的工程意义。

目前用作轨道结构的吸声材料主要有三类（见表1）。其中，水泥基陶粒吸声材料是一种新型多孔吸声材料，以轻质陶粒、水泥、珍珠岩为主要原料，辅以发泡剂，采用一般混凝土的成型方法制成的三维状材料结构，具有开口孔隙率高、耐气候变化、抗腐蚀、抗热和抗震等优点。对于吸声材料在内声场和声辐射求解方面，声学边界元方法仍然是求解声场的最优选择，因为，声学边界元法只需要提取出结构面网格就可以完成声辐射计算，过程更简单且速度更快。

表1 轨道结构常规吸声材料分类

近年来，国内外很多学者对高速铁路产生噪声影响进行究。裴勇涛，娄生超［1］等从控制噪声源及限制噪声传播两方面介绍了高速铁路噪声分析及防治措施。Thompson［2］利用Remington的早期模型结合波数有限元边界元方法，建立了更精确的钢轨声辐射模型，在时域内简化分析了轮轨非线性接触对轮轨滚动噪声的影响。方锐［3］等结合有限元-边界元建立了声辐射模型和轮轨系统振动模型，同时结合不同类型轨道结构的参数，分析轨道结构的声辐射特性。刘林芽［4］等结合三维有限元法、直接边界元法和遗传优化算法，计算了标准车轮优化前后的声功率。常亮，翟婉明［5］等根据统计能量法和二维声学边界元法研究了高速铁路上吸声面板的吸声效果。杨新文和翟婉明［6］基于微穿孔板吸声理论创建了多孔吸声板的吸声系数模型，研究了吸声板在无砟轨道上的降噪效果。罗贤能［7］利用2.5维有限元-边界元方法建立了钢轨、轨道板及轨道结构模型，分析了高速铁路无砟轨道振动及声辐射特性。综上所述，对于轨道结构的噪声特性已有了初步的认识，但是对于覆盖吸声材料后的轨道结构的噪声影响还不清楚，特别是水泥基陶粒吸声材料对于轨道结构的降噪效果如何尚未有报道。

本文研究水泥基陶粒这一新型吸声材料对高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道的降噪性能影响，首先，介绍非耦合直接边界元法的基本理论；然后采用直接边界元法对CRTSⅡ型轨道板边界元建模；对比分析有无覆盖水泥基陶粒吸声材料的CRTSⅡ型轨道板声辐射特性。本研究旨在揭示水泥基陶粒吸声材料对于高铁无砟轨道结构的降噪效果，期望有助于提升高铁减振降噪措施的工程应用实效。

1 边界元法的基本理论与建模

1.1边界元法简介声辐射特性研究常用方法主要有：有限元边界法、2.5维有限元和边界元法，其中边界元法相对有限元法更加精确高效，它将边界上的边界积分方程作为控制方程并插值离散，简化为代数方程组。边界元包括直接边界元与间接边界元，直接边界元的网格封闭，可以单独计算封闭网格内声场或外声场，而间接边界元的网格可以不封闭，可以对内声场和外声场同时计算［8］。

1.2建模软件及材料LMS Virtual.Lab软件是一种广泛应用的振动噪声仿真平台，使用的边界元法需要将模型划分为多个封闭网络，便可进行封闭网格内部的声振计算。本文利用LMS.Virtual.Lab建立CRTSⅡ轨道板的边界元模型，如图1所示，CRTSⅡ型轨道板尺寸为6 450×2 550×200 mm，材料弹性模型和密度分别为36 Gpa和2 500 kg/m3，为方便进行声辐射模拟计算，将60型轨道截面形状进行简化处理，即圆角直角化、截面矩形拼接化，网格划分大小为30 mm，钢轨模型有90 453个网格，单元数为7 822；轨道板模型有801 333个网格，单元数为151 111。

图1 整体模型（左）和整体模型+对称面+声学边界示意图（右）

2 陶粒吸声材料声辐射特性分析

2.1无陶粒吸声材料的轨道板声辐射特性将列车对轨道板的作用简化为垂直作用在轨道板上表面中央的简谐荷载，大小为500 N，频率域为50 Hz到1 000 Hz，分析域差为10 Hz，进行结构振动响应计算。不同频率作用下轨道结构的振动位移响应如图2所示。由图2可知，荷载频率为430 Hz时，轨道板变形云图在荷载作用点出现一处波峰，说明荷载作用点振动变形值最大。荷载频率为470 Hz、560 Hz、700Hz、900 Hz时，轨道板均发生明显的垂向变形，分别出现了3个、5个、7个、9个波峰，波峰数随着荷载频率的增加而增加，且波峰数均为奇数个，均位于轨道板纵向中心线上。因此，简谐荷载的频率在50～1 000 Hz范围内时，随着频率的增加，轨道板变形云图波峰数目也会相应增加，但变形最大值不一定在频率最大时取得。

图2 不同频率作用下轨道结构的振动位移响应

图3是CRTSⅡ型轨道板声功率级曲线图。由图3可知，在50 Hz到1 000 Hz的范围内，出现了5处明显的波峰，分别对应的频率是430 Hz、470 Hz、560 Hz、700 Hz、900 Hz，与上述论证过程中的频率完全吻合，说明了该边界元模型的正确性：在50 Hz到1 000 Hz的频率范围内，随着频率的增加，轨道板模型在简谐荷载作用下变形云图波峰数目也会相应增加，且变形最大值不一定在频率最大时取得，本例轨道板模型的噪声响应在560 Hz取到最大值，且最大均方根值为124.627 dB。

图3 CRTSⅡ型轨道板声功率级曲线图

将轨道板边界元模型周围的流体材料定义为空气，声速取344 m/s，密度取1.2 kg/m3，定义ISO Power Field Point（场点），定义数据转移和声学边界条件，对轨道板边界元模型进行声学响应求解，例如600 Hz时场点声压级云图如图4所示。对上述求解结果进行初步分析，在50 Hz至1 000 Hz的频率范围内，上半球和下半球的声压级大小并无明显的变化，只有在轨道板模型平面方向上的声压级大小出现较为明显的变化，具有一定的规律性，随着频率的增加，声压级大小从y轴方向开始增加，后又逐渐减小；同时x轴方向上的声压级开始增大。到了600 Hz以上的频率，声压级开始在该平面方向上处于一个稳定值状态，波动不大；另外，声压级最大值集中在z轴方向上，即轨道板模型上下表面的垂直方向。

图4 600Hz时场点声压级云图

2.2附有陶粒吸声材料的轨道板声辐射特性

1）附有水泥基陶粒吸声材料的轨道板边界元模型。列车在行驶过程中车身激发声波并向四周发散形成声压，在轨道板表面贴附吸声材料能吸收声波，可达到降噪的效果。本文以CRTSⅡ型轨道板为例，通过LMS.Virtual.Lab建立了轨道板的边界元模型，由于轨道板具有对称性而只取半结构，划分的网格大小为25 mm，对模型x、y、z向平动自由度约束，如图5所示；定义流体材料为空气，声速为3 44 m/s，密度为1.2 kg/m3，且可知当前流体网格声学计算上限频率为5 666.7 Hz；定义单极子声源，选择轨道板上表面中心节点作为声源位置，对角顶部的节点定义为IO点，自由度为S；对轨道板模型进行声学模态计算，得到不同频率状态下的声压级云图。

图5 附吸声材料轨道板1500Hz时声压级云图

2）声模态参与因子对比分析。假如一个封闭空间的一个面上贴有吸声材料，则会对整个声场的声学响应产生影响。本文通过模拟轨道板上表面覆盖一层吸声材料，用模态分析来计算封闭空间的声学响应，找到合理的轨道降噪措施。用声阻抗边界条件来定义吸声属性，吸声材料为水泥基陶粒，密度1 200～1 400 kg/m3之间，取1 300 kg/m3，且阻抗类型为连续阻抗。再进行声场分布计算和50阶内的模态参与因子计算，且与无附水泥基陶粒吸声材料的模型图像做对比。图6为无附有模型（左）与附有模型（右）第20阶声模态参与因子示意图。

图6 无附有模型（左）与附有模型（右）第20阶声模态参与因子

由图6可知无论是附有水泥陶粒吸声材料的模型还是未附有吸声材料的模型，各阶段的声模态参与因子都在固定的频率范围内出现波动，但是两者的垂向振动变形数值差距很大，未附有水泥陶粒吸声材料的模型垂向振动变形程度要比附有吸声材料的模型垂向振动变形程度大几倍至几百倍，甚至5到6个数量级，因此，水泥陶粒吸声材料具有一定的降噪效果，对不同阶态的作用频率相对固定，主要的降噪原理为阻隔声波对模型的影响，大幅度降低模型的垂向振动位移。

3）声压级频率响应曲线对比分析。计算IO点声压级频率响应曲线，横轴为荷载频率，频率域在100-2 500 Hz，纵轴为声压级，附有吸声材料时声压级变化范围在20 dB到170 dB，未附有吸声材料时声压级变化范围在50 dB到170 dB。由图7可知，荷载频率在100～350 Hz范围内，声压级频率响应波动较大，且均值都在120 dB左右；荷载频率在350～430 Hz范围内，声压级频率响应发生骤降，附吸声材料模型声压级降到50 dB以下，虽然声压级数值随后有小幅增加，但是在500 Hz频率之后，随着频率的增大，声压级频率响应曲线逐渐下降并逐渐稳定在20dB左右。可进一步预测，当荷载频率在100～350Hz范围内时，本例吸声材料效果有限,但在350Hz以后，降噪效果明显、稳定，具有较宽工作频带。