约束型阻尼钢轨衰减率和降噪效果试验分析

刘晓龙，周 信，刘玉霞，庄继忠，肖新标

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.常州兰锦橡塑有限公司，江苏 常州 213164）

约束型阻尼钢轨衰减率和降噪效果试验分析

刘晓龙1，周 信1，刘玉霞1，庄继忠2，肖新标1

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.常州兰锦橡塑有限公司，江苏 常州 213164）

基于力锤敲击方法，测试阻尼钢轨和标准钢轨的衰减率，将阻尼钢轨与标准钢轨衰减率对比。结果表明：阻尼钢轨低频部分衰减率接近于标准钢轨，高频部分（钢轨噪声明显部分）衰减率高于标准钢轨；相比于标准钢轨，1号阻尼钢轨垂向衰减率在2 500 Hz倍频程带时高出0.50 dB/m，2号阻尼钢轨垂向衰减率在1 600 Hz倍频程带时高出0.28 dB/m，3号阻尼钢轨在1 000 Hz倍频程带提高了0.21 dB/m。束型阻尼钢轨具有一定的降噪效果，可在标准钢轨的基础上降低1.3 dB(A)～1.5 dB(A)。将其应用于实际线路中，能降低铁路总噪声1.6 dB(A)～1.7 dB(A)。

振动与波；轮轨噪声；阻尼钢轨；衰减率；频率响应

随着轨道交通技术的快速发展，铁路振动噪声问题也逐渐突显。它不仅直接影响乘客的乘坐舒适性以及铁路工作者的身心健康，同时也影响到铁路沿线居民的生活质量[1,2]。轮轨滚动噪声在整个铁路噪声中占据主导地位[3]，而钢轨振动噪声是轮轨噪声的重要组成部分。图1为轮轨噪声频谱图[4]，给出了各部分对铁路总噪声的贡献量随频率的变化情况。低于500 Hz频段，轮轨滚动噪声主要来自轨枕贡献；在500 Hz～2 000 Hz频段，主要来自钢轨贡献；大于2 000 Hz频段时，主要来自车轮贡献，同时钢轨噪声仍很显著。因此，研制低噪声钢轨对于降低整个铁路噪声有着重要意义。

目前，降低钢轨噪声的措施主要有：钢轨打磨、埋入式钢轨和采用阻尼钢轨等。试验表明，在钢轨波磨段和钢轨焊接接头部位，钢轨打磨能够降低滚动噪声5 dB[5]，埋入式钢轨可降低车外噪声4 dB～5 dB，且可降低因轮轨作用而引起的地基振动[6]。对钢轨进行阻尼处理能够提高钢轨振动衰减率，有效抑制振动，从而降低钢轨声辐射。在钢轨两侧粘贴约束型阻尼材料是一种安装简便、成本低廉的措施。本文基于力锤敲击法，测试约束型阻尼钢轨的振动衰减率，进而分析约束型阻尼钢轨的减振降噪性能。

图1 轮轨噪声频谱特性[4]

1 试验介绍

衰减率用以表征钢轨振动随钢轨长度方向衰减的快慢，是用于评价阻尼钢轨减振降噪的重要参数。

1.1 测试方法介绍

采用力锤敲击法测试钢轨振动衰减率。试验中的钢轨为60标准轨，长度为6.25 m。采用参考文献[7]介绍的短轨法进行衰减率测试，阻尼钢轨在实际使用中的衰减率可通过线性叠加得到，即实际应用中阻尼钢轨的衰减率等于实际应用中未经阻尼处理钢轨的衰减率与自由支承的阻尼钢轨的衰减率之和。实际应用中未经阻尼处理的钢轨衰减率容易获得。因此，本文重点对自由支承的约束型阻尼钢轨衰减率进行实验室测试分析获得。

约束型阻尼钢轨的衰减率与钢轨的模态属性相关，测试模型如图2所示，阻尼钢轨两端分别垫有软橡胶垫片，模拟钢轨自由支承状态。在钢轨轨头顶面和侧面分别尽可能靠近端部位置贴有加速度传感器，分别测试钢轨垂向振动和横向振动。测试时，首先敲击贴近加速度传感器一端的轨头顶面和侧面，测试钢轨激励点的垂向振动和横向振动，然后敲击远离加速度传感器钢轨一端的轨头顶面和侧面，测试钢轨衰减之后的垂向振动和横向振动。再测试试验钢轨中点的轨头顶面和侧面，以辅助模态识别。试验在室温为20±2°C的实验室进行测试，测试现场如图3所示。

图2 钢轨测试模型

图3 阻尼钢轨现场测试

1.2 测试阻尼钢轨介绍

阻尼减振降噪的基本原理就是阻尼结构吸收主体结构的振动能量，并将其转化为热能耗散掉[8]，从而达到减振降噪目的。约束型阻尼钢轨相比TMD形式的阻尼钢轨和埋入式阻尼钢轨，具有结构简单、安装维护方便以及成本低等特点，在国内外应用比较广泛，如图4所示。

图4 约束型阻尼钢轨应用实例

测试的约束型阻尼钢轨由常州兰锦橡塑有限公司生产，根据阻尼处理部位的不同分为：

(1)轨腰+底部+上部包覆型阻尼钢轨（定义为1号阻尼钢轨），从轨头底部到轨脚处进行了连续的阻尼处理，如图5(a)所示；

(2)轨腰+轨脚包覆型阻尼钢轨（定义为2号阻尼钢轨），对轨腰到轨腰处进行了连续的阻尼处理，如图5(b)所示；

(3)轨腰包覆型阻尼钢轨（定义为3号阻尼钢轨），仅在轨腰处进行阻尼处理，如图5(c)所示。

1.3 测试数据处理方法

约束型阻尼钢轨的衰减率与钢轨的模态属性相关，采用了模态法，根据激励点的频率响应即可估计阻尼钢轨衰减率。钢轨能量随时间的衰减规律符合式(1)，钢轨衰减率参考公式(2)计算[7]。

式中E0是初始时刻的能量值，e-ωη/2cg是能量衰减因子；ω为阻尼钢轨共振频率，由实测取得；η为模态损耗因子，取2倍阻尼比，阻尼比由实测取得；cg为群速，定义为振动能量在钢轨中传递1 m所需要的时间为t=1/cg。因此，群速可以理解为能量在阻尼钢轨中传递的平均速度[9]。

图5 约束型阻尼钢轨

群速cg的计算是根据阻尼钢轨频散曲线的斜率来估计的，阻尼钢轨的频散曲线是各阶模态波数与共振频率的关系曲线[7]。波数与各阶模态数的关系如式(3)所示。

式中kn为各阶模态波数；n为模态数；L为试验钢轨长度。

由于模态数与钢轨的共振频率相对应，因此上式可以转换为波数与共振频率的函数关系，即频散曲线。得出频散曲线之后，群速cg与共振频率对波数的变化率dω/dk相关[9]，取该频率处左右两线段斜率的平均值。第一个频率点与最后一个频率点无法取平均，因此，第一点和最后一点无法求衰减率。

在一般的仿真计算中，钢轨模型一般处理为梁模型，因此阻尼钢轨群速cg也可根据梁模型的群速计算公式(4)计算得到[9]。考虑到梁模型与实际的钢轨模型相比存在着一定局限性，因此在后续的数据分析中，均采用按照阻尼钢轨频散曲线斜率求得的群速来计算衰减率。

为了评估阻尼钢轨的声学特性，以标准钢轨声功率级为基础，用钢轨衰减率加以修正，声功率计算公式可表示为[9]

式中Ld为阻尼钢轨声功率级；L0为标准钢轨声功率级；Δ0为标准钢轨衰减率；Δd为阻尼钢轨衰减率；Δd,free为自由支承的阻尼钢轨的衰减率。

总声功率级的计算，是通过对各个频率下声功率的叠加得到的。某频率下的声功率级LWi是该频率下声功率Wi与基准声功率W0之比的常用对数的十倍，如式(6)所示，由此推出总声功率级的计算式如(7)所示。式(5)给出的Ld即为各频率对应的声功率级LWi

2 试验结果

钢轨频率响应曲线表征钢轨振动随频率的变化，通过对比标准钢轨与约束型阻尼钢轨的频响曲线，分析阻尼处理对钢轨振动的抑制作用。图6给出了轨腰+底部+上部包覆型阻尼钢轨与标准钢轨垂向频率响应的对比。

图6 阻尼钢轨与标准钢轨垂向频响对比

由图可知，阻尼钢轨的振动在400 Hz以上得到明显的衰减，响应幅值明显低于标准钢轨；在400 Hz以下，阻尼钢轨振动与标准钢轨相近，该频段内阻尼处理对钢轨振动抑制作用较小。在4 000 Hz以上，频率响应曲线相干性变差，故本文分析频率上限为4 000 Hz，轨腰+轨脚包覆型阻尼钢轨和轨腰包覆型阻尼钢轨具有相同的特征。图7给出了三种阻尼钢轨的频响曲线比较，在0～1 000 Hz频带内，各种阻尼钢轨的振动幅值相差很小，在1 000 Hz以上，轨腰包覆型阻尼钢轨的振动响应最明显，其次是轨腰+轨脚包覆型阻尼钢轨，轨腰+底部+上部包覆型阻尼钢轨的减振效果最为明显。由以上分析知，阻尼处理对较低频率（400 Hz以下）的振动的抑制作用不明显，对高频振动具有良好的抑制作用；不同形式的阻尼处理在1 000 Hz以上的减振效果区别明显；同时，阻尼处理不会改变钢轨的固有属性，只降低了共振频率处的振动峰值。

图7 三种阻尼钢轨频率响应对比

通过对阻尼钢轨频响的分析可知，阻尼处理对较低频率（400 Hz以下）的振动的抑制作用不明显，自由支撑的阻尼钢轨在该频段的衰减率很小。图8给出了自由支撑阻尼钢轨和标准钢轨的垂向衰减率，实验室数据显示，自由支撑的阻尼钢轨衰减率均高于同等条件下标准钢轨的衰减率，且随频率整体呈现出上升趋势。三种阻尼钢轨衰减率交替变化，总的来说轨腰+底部+上部包覆型阻尼钢轨衰减率略高于其它两种，其次是轨腰+轨脚包覆型阻尼钢轨。

图8 自由支承钢轨垂向衰减率

通过对自由支撑的阻尼钢轨的衰减率与实际应用中的标准钢轨的衰减率[9]进行线性叠加，得到实际应用中的阻尼钢轨的衰减率，如图9所示。低于400 Hz倍频程带时，阻尼钢轨衰减率曲线几乎与标准钢轨重合，符合上述阻尼钢轨频响分析的结论。在钢轨噪声占主导的500 Hz～2 000 Hz频率范围内以及2 000 Hz以上，阻尼钢轨衰减率明显高于标准钢轨。其中，轨腰+底部+上部包覆型阻尼钢轨衰减率提高明显的是在2 500 Hz倍频程带，衰减率为1.67 dB/m，标准钢轨衰减率为1.17 dB/m，提高了0.50 dB/m；其次是2 000 Hz倍频程带，提高了0.41 dB/m。轨腰+轨脚包覆型阻尼钢轨在1 600 Hz倍频程带时衰减率为0.88 dB/m，标准钢轨为0.60 dB/m，提高了0.28 dB/m；其次是在1 250 Hz倍频程带，提高了0.27 dB/m。轨腰包覆型阻尼钢轨在1 000 Hz倍频程带时衰减率为0.59 dB/m，标准钢轨为0.36 dB/m，提高了0.21 dB/m，其次是在1 250 Hz倍频程带，提高了0.20 dB/m。由数据分析知，三种约束型阻尼钢轨衰减率相比标准钢轨均有一定提高，其中轨腰+底部+上部包覆型阻尼钢轨在三者中略占优势。

图9 阻尼钢轨与标准钢轨垂向衰减率[9]对比

测试阻尼钢轨衰减率的主要目的是为了评估阻尼钢轨的声学特性，阻尼钢轨声功率级可按式(5)计算，式中以图1中标准钢轨声功率级为基础，并用钢轨衰减率加以修正。图10给出了阻尼钢轨与标准钢轨的声功率级频谱图。

图10 阻尼钢轨与标准钢轨声功率级频谱图

由图可知，阻尼钢轨在500 Hz～2 500 Hz倍频程带声功率级较明显地低于标准钢轨。其中，轨腰+轨底+上部包覆型阻尼钢轨在1 600 Hz倍频程带的声功率级为100.64 dB(A)，标准钢轨声功率级为102.26 dB(A)，降低了1.62 dB(A)；其次是在1 000 Hz倍频程带，降低了1.61 dB(A)。轨腰+轨底包覆型阻尼钢轨在1 000 Hz倍频程带的声功率级为103.38 dB(A)，标准钢轨为104.67 dB(A)，降低了2.19 dB(A)；其次是在1 250 Hz倍频程带，降低了1.68 dB(A)。轨腰包覆型阻尼钢轨在1 000 Hz倍频程带的声功率级为102.66 dB(A)，降低了2.01 dB(A)；其次是在630 Hz倍频程带，降低了1.42 dB(A)。

根据给出三种阻尼钢轨各频率下的声功率级和公式(6)及(7)可叠加出各钢轨的总声功率级。标准钢轨为110.7 dB(A)；轨腰+底部+上部包覆型阻尼钢轨为109.4 dB(A)，降低了1.3 dB(A)；轨腰+轨脚包覆型阻尼钢轨为109.2 dB(A)，降低了1.5 dB(A)；轨腰包覆型阻尼钢轨为109.3 dB(A)，降低了1.4 dB(A)。因此，三种约束型阻尼钢轨有一定的降噪效果，且不同的阻尼处理之间的降噪效果相差甚小。

上述分析，讨论了阻尼钢轨的声辐射特性和减振降噪性能。我们需要进一步了解约束型阻尼钢轨对整个铁路噪声的抑制作用。通过对不同阻尼钢轨与车轮、轨枕声功率级进行叠加，得到相应铁路噪声的总声功率级，如表1所示，三种阻尼钢轨均能在一定程度上降低铁路总噪声，其中，轨腰+底部+上部包覆型阻尼钢轨的使用，能使铁路总噪声降低1.6 dB(A)；轨腰+轨脚包覆型阻尼钢轨能降低铁路总噪声1.7 dB(A)；轨腰包覆型阻尼钢轨降低铁路总噪声1.6 dB(A)。

表 1不同钢轨铁路噪声总值/dB(A)

3 结语

在实验室中，对三种约束型阻尼钢轨进行力锤敲击试验，测试其衰减率并计算分析其声辐射特性。经过对测试数据的处理分析，得出以下结论：

(1)阻尼处理对较低频率（400 Hz以下）的振动的抑制作用不明显，对高频振动具有良好的抑制作用；

(2)阻尼处理不会改变钢轨的固有属性，只降低了共振频率处的振动峰值；

(3)三种阻尼钢轨的衰减率均高于标准钢轨，且在钢轨噪声占主导作用的频率区段内减振效果明显，衰减率最大提高了0.5 dB/m；

(4)三种阻尼钢轨均有一定的降噪效果，可降低标准钢轨辐射噪声1.3 dB～1.5 dB(A)；

(5)约束型阻尼钢轨能够降低整个铁路噪声1.6 dB～1.7 dB(A)。

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Laboratory Measurement of Damped Rail Decay Rates andAnalysis of Noise Reduction

LIU Xiao-long1,ZHOU Xin1,LIU Yu-xia1, ZHUANG Ji-zhong2,XIAO Xin-biao1
(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Changzhou Lanjin Rubber Co.Ltd.,Changzhou 213164,Jiangsu China)

Hammering method was used to test the decay rates of damped rails and a standard rail in a laboratory.Their test results and sound spectra were compared and analyzed.The results show that the decay rates of the damped rails in low frequency range are close to that of the standard rail,but they are much higher than that of the standard rail in high frequency range.The decay rate of the damped rail No.1 at 2 500 Hz,No.2 at 1 600 Hz and No.3 at 1 000 Hz are respectively 0.5 dB/ m,0.28 dB/m and 0.21 dB/m higher than that of the standard rail.So,results of the analysis show that the damped rails can reduce the rail noise by 1.3 dB(A)-1.5 dB(A),and reduce the whole track noise by 1.6 dB(A)-1.7 dB(A).

vibration and wave;wheel-rail noise;damped rail;decay rate;frequency response

TB535；U211.3

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.006

1006-1355(2015)03-0024-05

2015－01－13

国家自然科学基金(U1434201)；教育部创新团队(IRT1178)；教育部博士点基金(20130184110005)

刘晓龙（1990－），男，四川德阳人，硕士研究生，目前从事高速列车振动与噪声研究。E-mail:xiaolong_liu_rmys@163.com

肖新标，男，副教授，硕士生导师。E-mail:xiao@home.swjtu.edu.cn