劉曉龍，周 信，劉玉霞，莊繼忠，肖新標(biāo)

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.常州蘭錦橡塑有限公司，江蘇 常州 213164）

約束型阻尼鋼軌衰減率和降噪效果試驗(yàn)分析

劉曉龍1，周 信1，劉玉霞1，莊繼忠2，肖新標(biāo)1

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.常州蘭錦橡塑有限公司，江蘇 常州 213164）

基于力錘敲擊方法，測(cè)試阻尼鋼軌和標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的衰減率，將阻尼鋼軌與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌衰減率對(duì)比。結(jié)果表明：阻尼鋼軌低頻部分衰減率接近于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，高頻部分（鋼軌噪聲明顯部分）衰減率高于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌；相比于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，1號(hào)阻尼鋼軌垂向衰減率在2 500 Hz倍頻程帶時(shí)高出0.50 dB/m，2號(hào)阻尼鋼軌垂向衰減率在1 600 Hz倍頻程帶時(shí)高出0.28 dB/m，3號(hào)阻尼鋼軌在1 000 Hz倍頻程帶提高了0.21 dB/m。束型阻尼鋼軌具有一定的降噪效果，可在標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的基礎(chǔ)上降低1.3 dB(A)～1.5 dB(A)。將其應(yīng)用于實(shí)際線(xiàn)路中，能降低鐵路總噪聲1.6 dB(A)～1.7 dB(A)。

振動(dòng)與波；輪軌噪聲；阻尼鋼軌；衰減率；頻率響應(yīng)

隨著軌道交通技術(shù)的快速發(fā)展，鐵路振動(dòng)噪聲問(wèn)題也逐漸突顯。它不僅直接影響乘客的乘坐舒適性以及鐵路工作者的身心健康，同時(shí)也影響到鐵路沿線(xiàn)居民的生活質(zhì)量[1,2]。輪軌滾動(dòng)噪聲在整個(gè)鐵路噪聲中占據(jù)主導(dǎo)地位[3]，而鋼軌振動(dòng)噪聲是輪軌噪聲的重要組成部分。圖1為輪軌噪聲頻譜圖[4]，給出了各部分對(duì)鐵路總噪聲的貢獻(xiàn)量隨頻率的變化情況。低于500 Hz頻段，輪軌滾動(dòng)噪聲主要來(lái)自軌枕貢獻(xiàn)；在500 Hz～2 000 Hz頻段，主要來(lái)自鋼軌貢獻(xiàn)；大于2 000 Hz頻段時(shí)，主要來(lái)自車(chē)輪貢獻(xiàn)，同時(shí)鋼軌噪聲仍很顯著。因此，研制低噪聲鋼軌對(duì)于降低整個(gè)鐵路噪聲有著重要意義。

目前，降低鋼軌噪聲的措施主要有：鋼軌打磨、埋入式鋼軌和采用阻尼鋼軌等。試驗(yàn)表明，在鋼軌波磨段和鋼軌焊接接頭部位，鋼軌打磨能夠降低滾動(dòng)噪聲5 dB[5]，埋入式鋼軌可降低車(chē)外噪聲4 dB～5 dB，且可降低因輪軌作用而引起的地基振動(dòng)[6]。對(duì)鋼軌進(jìn)行阻尼處理能夠提高鋼軌振動(dòng)衰減率，有效抑制振動(dòng)，從而降低鋼軌聲輻射。在鋼軌兩側(cè)粘貼約束型阻尼材料是一種安裝簡(jiǎn)便、成本低廉的措施。本文基于力錘敲擊法，測(cè)試約束型阻尼鋼軌的振動(dòng)衰減率，進(jìn)而分析約束型阻尼鋼軌的減振降噪性能。

圖1 輪軌噪聲頻譜特性[4]

1 試驗(yàn)介紹

衰減率用以表征鋼軌振動(dòng)隨鋼軌長(zhǎng)度方向衰減的快慢，是用于評(píng)價(jià)阻尼鋼軌減振降噪的重要參數(shù)。

1.1 測(cè)試方法介紹

采用力錘敲擊法測(cè)試鋼軌振動(dòng)衰減率。試驗(yàn)中的鋼軌為60標(biāo)準(zhǔn)軌，長(zhǎng)度為6.25 m。采用參考文獻(xiàn)[7]介紹的短軌法進(jìn)行衰減率測(cè)試，阻尼鋼軌在實(shí)際使用中的衰減率可通過(guò)線(xiàn)性疊加得到，即實(shí)際應(yīng)用中阻尼鋼軌的衰減率等于實(shí)際應(yīng)用中未經(jīng)阻尼處理鋼軌的衰減率與自由支承的阻尼鋼軌的衰減率之和。實(shí)際應(yīng)用中未經(jīng)阻尼處理的鋼軌衰減率容易獲得。因此，本文重點(diǎn)對(duì)自由支承的約束型阻尼鋼軌衰減率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析獲得。

約束型阻尼鋼軌的衰減率與鋼軌的模態(tài)屬性相關(guān)，測(cè)試模型如圖2所示，阻尼鋼軌兩端分別墊有軟橡膠墊片，模擬鋼軌自由支承狀態(tài)。在鋼軌軌頭頂面和側(cè)面分別盡可能靠近端部位置貼有加速度傳感器，分別測(cè)試鋼軌垂向振動(dòng)和橫向振動(dòng)。測(cè)試時(shí)，首先敲擊貼近加速度傳感器一端的軌頭頂面和側(cè)面，測(cè)試鋼軌激勵(lì)點(diǎn)的垂向振動(dòng)和橫向振動(dòng)，然后敲擊遠(yuǎn)離加速度傳感器鋼軌一端的軌頭頂面和側(cè)面，測(cè)試鋼軌衰減之后的垂向振動(dòng)和橫向振動(dòng)。再測(cè)試試驗(yàn)鋼軌中點(diǎn)的軌頭頂面和側(cè)面，以輔助模態(tài)識(shí)別。試驗(yàn)在室溫為20±2°C的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖2 鋼軌測(cè)試模型

圖3 阻尼鋼軌現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.2 測(cè)試阻尼鋼軌介紹

阻尼減振降噪的基本原理就是阻尼結(jié)構(gòu)吸收主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，并將其轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉[8]，從而達(dá)到減振降噪目的。約束型阻尼鋼軌相比TMD形式的阻尼鋼軌和埋入式阻尼鋼軌，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便以及成本低等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛，如圖4所示。

圖4 約束型阻尼鋼軌應(yīng)用實(shí)例

測(cè)試的約束型阻尼鋼軌由常州蘭錦橡塑有限公司生產(chǎn)，根據(jù)阻尼處理部位的不同分為：

(1)軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌（定義為1號(hào)阻尼鋼軌），從軌頭底部到軌腳處進(jìn)行了連續(xù)的阻尼處理，如圖5(a)所示；

(2)軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌（定義為2號(hào)阻尼鋼軌），對(duì)軌腰到軌腰處進(jìn)行了連續(xù)的阻尼處理，如圖5(b)所示；

(3)軌腰包覆型阻尼鋼軌（定義為3號(hào)阻尼鋼軌），僅在軌腰處進(jìn)行阻尼處理，如圖5(c)所示。

1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法

約束型阻尼鋼軌的衰減率與鋼軌的模態(tài)屬性相關(guān)，采用了模態(tài)法，根據(jù)激勵(lì)點(diǎn)的頻率響應(yīng)即可估計(jì)阻尼鋼軌衰減率。鋼軌能量隨時(shí)間的衰減規(guī)律符合式(1)，鋼軌衰減率參考公式(2)計(jì)算[7]。

式中E0是初始時(shí)刻的能量值，e-ωη/2cg是能量衰減因子；ω為阻尼鋼軌共振頻率，由實(shí)測(cè)取得；η為模態(tài)損耗因子，取2倍阻尼比，阻尼比由實(shí)測(cè)取得；cg為群速，定義為振動(dòng)能量在鋼軌中傳遞1 m所需要的時(shí)間為t=1/cg。因此，群速可以理解為能量在阻尼鋼軌中傳遞的平均速度[9]。

圖5 約束型阻尼鋼軌

群速cg的計(jì)算是根據(jù)阻尼鋼軌頻散曲線(xiàn)的斜率來(lái)估計(jì)的，阻尼鋼軌的頻散曲線(xiàn)是各階模態(tài)波數(shù)與共振頻率的關(guān)系曲線(xiàn)[7]。波數(shù)與各階模態(tài)數(shù)的關(guān)系如式(3)所示。

式中kn為各階模態(tài)波數(shù)；n為模態(tài)數(shù)；L為試驗(yàn)鋼軌長(zhǎng)度。

由于模態(tài)數(shù)與鋼軌的共振頻率相對(duì)應(yīng)，因此上式可以轉(zhuǎn)換為波數(shù)與共振頻率的函數(shù)關(guān)系，即頻散曲線(xiàn)。得出頻散曲線(xiàn)之后，群速cg與共振頻率對(duì)波數(shù)的變化率dω/dk相關(guān)[9]，取該頻率處左右兩線(xiàn)段斜率的平均值。第一個(gè)頻率點(diǎn)與最后一個(gè)頻率點(diǎn)無(wú)法取平均，因此，第一點(diǎn)和最后一點(diǎn)無(wú)法求衰減率。

在一般的仿真計(jì)算中，鋼軌模型一般處理為梁模型，因此阻尼鋼軌群速cg也可根據(jù)梁模型的群速計(jì)算公式(4)計(jì)算得到[9]?？紤]到梁模型與實(shí)際的鋼軌模型相比存在著一定局限性，因此在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析中，均采用按照阻尼鋼軌頻散曲線(xiàn)斜率求得的群速來(lái)計(jì)算衰減率。

為了評(píng)估阻尼鋼軌的聲學(xué)特性，以標(biāo)準(zhǔn)鋼軌聲功率級(jí)為基礎(chǔ)，用鋼軌衰減率加以修正，聲功率計(jì)算公式可表示為[9]

式中Ld為阻尼鋼軌聲功率級(jí)；L0為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌聲功率級(jí)；Δ0為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌衰減率；Δd為阻尼鋼軌衰減率；Δd,free為自由支承的阻尼鋼軌的衰減率。

總聲功率級(jí)的計(jì)算，是通過(guò)對(duì)各個(gè)頻率下聲功率的疊加得到的。某頻率下的聲功率級(jí)LWi是該頻率下聲功率Wi與基準(zhǔn)聲功率W0之比的常用對(duì)數(shù)的十倍，如式(6)所示，由此推出總聲功率級(jí)的計(jì)算式如(7)所示。式(5)給出的Ld即為各頻率對(duì)應(yīng)的聲功率級(jí)LWi

2 試驗(yàn)結(jié)果

鋼軌頻率響應(yīng)曲線(xiàn)表征鋼軌振動(dòng)隨頻率的變化，通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)鋼軌與約束型阻尼鋼軌的頻響曲線(xiàn)，分析阻尼處理對(duì)鋼軌振動(dòng)的抑制作用。圖6給出了軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌垂向頻率響應(yīng)的對(duì)比。

圖6 阻尼鋼軌與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌垂向頻響對(duì)比

由圖可知，阻尼鋼軌的振動(dòng)在400 Hz以上得到明顯的衰減，響應(yīng)幅值明顯低于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌；在400 Hz以下，阻尼鋼軌振動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌相近，該頻段內(nèi)阻尼處理對(duì)鋼軌振動(dòng)抑制作用較小。在4 000 Hz以上，頻率響應(yīng)曲線(xiàn)相干性變差，故本文分析頻率上限為4 000 Hz，軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌和軌腰包覆型阻尼鋼軌具有相同的特征。圖7給出了三種阻尼鋼軌的頻響曲線(xiàn)比較，在0～1 000 Hz頻帶內(nèi)，各種阻尼鋼軌的振動(dòng)幅值相差很小，在1 000 Hz以上，軌腰包覆型阻尼鋼軌的振動(dòng)響應(yīng)最明顯，其次是軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌，軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌的減振效果最為明顯。由以上分析知，阻尼處理對(duì)較低頻率（400 Hz以下）的振動(dòng)的抑制作用不明顯，對(duì)高頻振動(dòng)具有良好的抑制作用；不同形式的阻尼處理在1 000 Hz以上的減振效果區(qū)別明顯；同時(shí)，阻尼處理不會(huì)改變鋼軌的固有屬性，只降低了共振頻率處的振動(dòng)峰值。

圖7 三種阻尼鋼軌頻率響應(yīng)對(duì)比

通過(guò)對(duì)阻尼鋼軌頻響的分析可知，阻尼處理對(duì)較低頻率（400 Hz以下）的振動(dòng)的抑制作用不明顯，自由支撐的阻尼鋼軌在該頻段的衰減率很小。圖8給出了自由支撐阻尼鋼軌和標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的垂向衰減率，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，自由支撐的阻尼鋼軌衰減率均高于同等條件下標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的衰減率，且隨頻率整體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。三種阻尼鋼軌衰減率交替變化，總的來(lái)說(shuō)軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌衰減率略高于其它兩種，其次是軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌。

圖8 自由支承鋼軌垂向衰減率

通過(guò)對(duì)自由支撐的阻尼鋼軌的衰減率與實(shí)際應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的衰減率[9]進(jìn)行線(xiàn)性疊加，得到實(shí)際應(yīng)用中的阻尼鋼軌的衰減率，如圖9所示。低于400 Hz倍頻程帶時(shí)，阻尼鋼軌衰減率曲線(xiàn)幾乎與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌重合，符合上述阻尼鋼軌頻響分析的結(jié)論。在鋼軌噪聲占主導(dǎo)的500 Hz～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)以及2 000 Hz以上，阻尼鋼軌衰減率明顯高于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌。其中，軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌衰減率提高明顯的是在2 500 Hz倍頻程帶，衰減率為1.67 dB/m，標(biāo)準(zhǔn)鋼軌衰減率為1.17 dB/m，提高了0.50 dB/m；其次是2 000 Hz倍頻程帶，提高了0.41 dB/m。軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌在1 600 Hz倍頻程帶時(shí)衰減率為0.88 dB/m，標(biāo)準(zhǔn)鋼軌為0.60 dB/m，提高了0.28 dB/m；其次是在1 250 Hz倍頻程帶，提高了0.27 dB/m。軌腰包覆型阻尼鋼軌在1 000 Hz倍頻程帶時(shí)衰減率為0.59 dB/m，標(biāo)準(zhǔn)鋼軌為0.36 dB/m，提高了0.21 dB/m，其次是在1 250 Hz倍頻程帶，提高了0.20 dB/m。由數(shù)據(jù)分析知，三種約束型阻尼鋼軌衰減率相比標(biāo)準(zhǔn)鋼軌均有一定提高，其中軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌在三者中略占優(yōu)勢(shì)。

圖9 阻尼鋼軌與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌垂向衰減率[9]對(duì)比

測(cè)試阻尼鋼軌衰減率的主要目的是為了評(píng)估阻尼鋼軌的聲學(xué)特性，阻尼鋼軌聲功率級(jí)可按式(5)計(jì)算，式中以圖1中標(biāo)準(zhǔn)鋼軌聲功率級(jí)為基礎(chǔ)，并用鋼軌衰減率加以修正。圖10給出了阻尼鋼軌與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的聲功率級(jí)頻譜圖。

圖10 阻尼鋼軌與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌聲功率級(jí)頻譜圖

由圖可知，阻尼鋼軌在500 Hz～2 500 Hz倍頻程帶聲功率級(jí)較明顯地低于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌。其中，軌腰+軌底+上部包覆型阻尼鋼軌在1 600 Hz倍頻程帶的聲功率級(jí)為100.64 dB(A)，標(biāo)準(zhǔn)鋼軌聲功率級(jí)為102.26 dB(A)，降低了1.62 dB(A)；其次是在1 000 Hz倍頻程帶，降低了1.61 dB(A)。軌腰+軌底包覆型阻尼鋼軌在1 000 Hz倍頻程帶的聲功率級(jí)為103.38 dB(A)，標(biāo)準(zhǔn)鋼軌為104.67 dB(A)，降低了2.19 dB(A)；其次是在1 250 Hz倍頻程帶，降低了1.68 dB(A)。軌腰包覆型阻尼鋼軌在1 000 Hz倍頻程帶的聲功率級(jí)為102.66 dB(A)，降低了2.01 dB(A)；其次是在630 Hz倍頻程帶，降低了1.42 dB(A)。

根據(jù)給出三種阻尼鋼軌各頻率下的聲功率級(jí)和公式(6)及(7)可疊加出各鋼軌的總聲功率級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)鋼軌為110.7 dB(A)；軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌為109.4 dB(A)，降低了1.3 dB(A)；軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌為109.2 dB(A)，降低了1.5 dB(A)；軌腰包覆型阻尼鋼軌為109.3 dB(A)，降低了1.4 dB(A)。因此，三種約束型阻尼鋼軌有一定的降噪效果，且不同的阻尼處理之間的降噪效果相差甚小。

上述分析，討論了阻尼鋼軌的聲輻射特性和減振降噪性能。我們需要進(jìn)一步了解約束型阻尼鋼軌對(duì)整個(gè)鐵路噪聲的抑制作用。通過(guò)對(duì)不同阻尼鋼軌與車(chē)輪、軌枕聲功率級(jí)進(jìn)行疊加，得到相應(yīng)鐵路噪聲的總聲功率級(jí)，如表1所示，三種阻尼鋼軌均能在一定程度上降低鐵路總噪聲，其中，軌腰+底部+上部包覆型阻尼鋼軌的使用，能使鐵路總噪聲降低1.6 dB(A)；軌腰+軌腳包覆型阻尼鋼軌能降低鐵路總噪聲1.7 dB(A)；軌腰包覆型阻尼鋼軌降低鐵路總噪聲1.6 dB(A)。

表 1不同鋼軌鐵路噪聲總值/dB(A)

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)三種約束型阻尼鋼軌進(jìn)行力錘敲擊試驗(yàn)，測(cè)試其衰減率并計(jì)算分析其聲輻射特性。經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理分析，得出以下結(jié)論：

(1)阻尼處理對(duì)較低頻率（400 Hz以下）的振動(dòng)的抑制作用不明顯，對(duì)高頻振動(dòng)具有良好的抑制作用；

(2)阻尼處理不會(huì)改變鋼軌的固有屬性，只降低了共振頻率處的振動(dòng)峰值；

(3)三種阻尼鋼軌的衰減率均高于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，且在鋼軌噪聲占主導(dǎo)作用的頻率區(qū)段內(nèi)減振效果明顯，衰減率最大提高了0.5 dB/m；

(4)三種阻尼鋼軌均有一定的降噪效果，可降低標(biāo)準(zhǔn)鋼軌輻射噪聲1.3 dB～1.5 dB(A)；

(5)約束型阻尼鋼軌能夠降低整個(gè)鐵路噪聲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

國(guó)家自然科學(xué)基金(U1434201)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(IRT1178)；教育部博士點(diǎn)基金(20130184110005)

劉曉龍（1990－），男，四川德陽(yáng)人，碩士研究生，目前從事高速列車(chē)振動(dòng)與噪聲研究。E-mail:xiaolong_liu_rmys@163.com

肖新標(biāo)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail:xiao@home.swjtu.edu.cn