高架輕軌箱梁噪聲輻射現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

常亮，邵斌

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高架輕軌箱梁噪聲輻射現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

常亮，邵斌

(南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330063)

對(duì)武漢輕軌一號(hào)線某高架段25 m跨單箱單室預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁的噪聲輻射進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。將采集的噪聲信號(hào)利用快速傅里葉變換技術(shù)通過相干函數(shù)進(jìn)行一定程度的凈化，從而獲得真實(shí)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲。繪制了箱梁結(jié)構(gòu)表面輻射聲壓級(jí)等值線圖。比較分析了綜合噪聲和結(jié)構(gòu)輻射噪聲的A聲級(jí)。分析結(jié)果表明：近軌時(shí)箱梁結(jié)構(gòu)各部位的輻射噪聲明顯大于遠(yuǎn)軌時(shí)箱梁結(jié)構(gòu)各部位的輻射噪聲。在近軌和遠(yuǎn)軌兩種工況下，底板和翼緣的輻射噪聲都大于腹板。箱梁各部位的輻射聲壓級(jí)在跨長(zhǎng)方向和橋?qū)挾确较蛏隙急憩F(xiàn)出非單一的變化規(guī)律，需結(jié)合列車運(yùn)行工況具體分析。輕軌箱梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲級(jí)在61～66 dB(A)之間，實(shí)際工程中為了獲得真實(shí)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲級(jí)需將測(cè)得的綜合噪聲級(jí)減去約2 dB(A)(背景噪聲影響)。實(shí)測(cè)分析結(jié)果可讓工程技術(shù)人員了解箱梁噪聲輻射情況，為后期箱梁的降噪設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

輕軌箱梁；結(jié)構(gòu)噪聲；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；聲壓級(jí)

0 引言

城市輕軌系統(tǒng)在世界各大主要城市都很普遍，其在緩解大城市的交通壓力上起到了至關(guān)重要的作用。然而隨著輕軌系統(tǒng)的使用率越來(lái)越高，由其所引發(fā)的輕軌箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲問題也越來(lái)越突出。當(dāng)列車通過橋梁時(shí)，振動(dòng)能量經(jīng)過軌道結(jié)構(gòu)傳遞到橋面及其他橋梁構(gòu)件，并激發(fā)其振動(dòng)，形成一個(gè)“聲板”，這部分噪聲源稱之為“結(jié)構(gòu)噪聲”。箱梁振動(dòng)所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲屬于低頻噪聲的范疇，具有傳播距離遠(yuǎn)、衰減慢、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)。長(zhǎng)期處于這種噪聲環(huán)境中會(huì)引起頭痛、失眠、耳鳴、胸悶等。

張迅等[1]將列車-軌道-橋梁耦合振動(dòng)理論與聲輻射分析邊界元法相結(jié)合，分析了高速鐵路32 m單箱單室和單箱雙室箱梁聲輻射特性。王子健等[2]以成灌鐵路某跨箱梁為研究對(duì)象，研究了混凝土箱梁的振動(dòng)與噪聲頻譜特性。高飛等[3]采用有限元軟件建立了連續(xù)梁橋的三維振動(dòng)分析模型及二維聲場(chǎng)分析模型，計(jì)算了當(dāng)列車以某一速度通過時(shí)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)及輻射聲壓。李小珍等[4]基于相干分析法提出橋梁結(jié)構(gòu)噪聲源的識(shí)別方法。張鶴等[5]通過建立橋梁振動(dòng)輻射瞬態(tài)噪聲的有限元-邊界元混合求解體系，對(duì)瞬態(tài)噪聲聲場(chǎng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值模擬。王小寧等[6]利用邊界元方法對(duì)槽型梁、箱型梁及T型梁3種截面形式的城軌橋梁的振動(dòng)噪聲輻射進(jìn)行了分析。程海根等[7]通過建立橋梁振動(dòng)輻射有限元-邊界元的求解體系，得出箱梁箱內(nèi)瞬態(tài)噪聲的聲場(chǎng)特性。石廣田等[8]通過Simpack軟件構(gòu)建了高速列車-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，并采用間接邊界元法對(duì)高架箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聲輻射分析。張磊等[9]運(yùn)用有限元-邊界元聯(lián)合仿真技術(shù)，通過改變橋梁跨徑和改變橋梁結(jié)構(gòu)體系，探討了橋梁跨徑對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響規(guī)律，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。張迅等[10]通過建立混合有限元-統(tǒng)計(jì)能量(Finite Element-Statistical Energy Analysis，F(xiàn)E-SEA)預(yù)測(cè)模型，并利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，得出預(yù)測(cè)鐵路混凝土箱梁的低頻噪聲的方法，以及箱梁各板件的聲貢獻(xiàn)量和振動(dòng)傳遞規(guī)律。

箱梁由頂板，翼緣板，腹板和底板組成。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)箱梁各部位的振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)頻率范圍是有差別的。因此，由各個(gè)部位激發(fā)引起的結(jié)構(gòu)噪聲也是不同的。目前對(duì)列車荷載下箱梁振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究中，試驗(yàn)方案選取的橫截面和布置的測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少，僅選取一個(gè)橫截面或者僅在同一部位布置測(cè)點(diǎn)不能完整真實(shí)地反映箱梁實(shí)際的噪聲情況。因此本文基于前人研究成果的基礎(chǔ)，以武漢輕軌一號(hào)線某高架段25 m跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁為研究對(duì)象，選取4個(gè)橫截面，每個(gè)橫截面上布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采集記錄列車經(jīng)過箱梁時(shí)各測(cè)點(diǎn)的輻射噪聲聲壓，研究箱梁各部位的輻射噪聲情況。

1 箱梁結(jié)構(gòu)噪聲實(shí)測(cè)

1.1 實(shí)測(cè)方案

選取武漢輕軌一號(hào)線高架段25 m跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土單箱單室簡(jiǎn)支箱梁為研究對(duì)象。箱梁跨中截面基本尺寸如圖1所示。根據(jù)箱梁結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選取1/4結(jié)構(gòu)為測(cè)試對(duì)象，在1/4結(jié)構(gòu)上選取4個(gè)橫截面，如圖2所示。每個(gè)截面上的測(cè)點(diǎn)布置如圖1和圖3所示，總共16個(gè)測(cè)點(diǎn)?？紤]列車是雙向行駛的，因此測(cè)試分近軌和遠(yuǎn)軌兩種工況，近軌是指雙向列車中距離測(cè)點(diǎn)較近的一列；遠(yuǎn)軌是指雙向列車中距離測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)的一列。

圖1 輕軌25 m箱梁跨中橫斷面圖及測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

圖2 測(cè)試選取的橫截面(單位：cm)

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置圖

使用手持式測(cè)速儀，測(cè)得列車約以50 km/h的車速通過該跨箱梁，且該箱梁全長(zhǎng)25 m，列車總長(zhǎng)度78.68 m，計(jì)算后得知列車從駛進(jìn)到駛離該跨箱梁全程需7.45 s，為保證采集的數(shù)據(jù)能夠記錄到列車從駛進(jìn)到駛離該跨箱梁全過程的振動(dòng)和噪聲信息，因此測(cè)試記錄時(shí)間取10 s。測(cè)試時(shí)，在列車車頭距離梁端15 m處開始計(jì)時(shí)，10 s后記錄儀自動(dòng)停止記錄，此時(shí)列車駛離該跨箱梁。

測(cè)試過程中每個(gè)測(cè)點(diǎn)均布置丹麥B&K公司生產(chǎn)的4507B型加速度和4189A21型噪聲傳感器。在測(cè)試初期選用了512 Hz和1 024 Hz兩種采樣頻率，通過現(xiàn)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)512 Hz的采樣頻率可以完整地保留箱梁振動(dòng)和噪聲的頻率成分，因此后期的振動(dòng)測(cè)試和分析均采用512 Hz的采樣頻率。

1.2 數(shù)據(jù)處理

選取的箱梁位于京漢大道主干線上，盡管4189A21型傳聲器對(duì)聲傳播方向有嚴(yán)格的選擇性，但背景噪聲仍可通過箱梁表面反射，被傳聲器接收，因此，采集的結(jié)構(gòu)噪聲信號(hào)勢(shì)必混入背景噪聲?；煊斜尘霸肼暤妮斎胼敵鱿到y(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 混有背景噪聲的輸入輸出系統(tǒng)模型

將式(1)代入式(2)，整理后可得

由式(4)可知，利用快速傅里葉變換技術(shù)并通過相干函數(shù)可對(duì)采集的噪聲信號(hào)進(jìn)行一定程度的凈化，從而獲得真實(shí)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲。

2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

4189A21型傳聲器記錄的是聲壓數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為聲壓級(jí)，以描述箱梁結(jié)構(gòu)表面噪聲輻射情況。《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則-聲環(huán)境》[12]中聲壓級(jí)定義為有效聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的對(duì)數(shù)的20倍，即

由式(5)計(jì)算出近軌和遠(yuǎn)軌兩種工況時(shí)各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)后，利用數(shù)據(jù)處理軟件Matlab，畫出兩種工況下1/4箱梁結(jié)構(gòu)表面聲壓級(jí)等值線圖，分別如圖5和圖6所示。翼板和腹板已投放到與底板同一平面上。

圖5 近軌時(shí)不同部位聲壓級(jí)等值線圖(單位：dB)

圖6 遠(yuǎn)軌時(shí)不同部位聲壓級(jí)等值線圖(單位：dB)

由圖5可知，近軌工況下，沿跨長(zhǎng)方向，翼緣板的輻射噪聲總體表現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)。具體表現(xiàn)為在距離跨中0～8 m的范圍內(nèi)輻射噪聲緩緩增大，在8～12 m的范圍內(nèi)急劇減小；腹板和底板的輻射噪聲總體變化趨勢(shì)與翼緣板的變化趨勢(shì)相同，也都是表現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)。但腹板和底板的輻射噪聲變化趨勢(shì)具體表現(xiàn)為在距離跨中0～4 m的范圍內(nèi)急劇增大，在4～12 m的范圍內(nèi)緩慢減小。沿箱梁的寬度方向，翼緣板從上梗腋到懸臂端的輻射噪聲略有減?。桓拱搴偷装逶诰嗫缰?～4 m范圍內(nèi)從上梗腋到底板縱向中心線的輻射噪聲逐漸增大，在4～12 m范圍內(nèi)基本保持不變。

由圖6可知，遠(yuǎn)軌工況下，沿跨長(zhǎng)方向，翼緣板的輻射噪聲大小基本無(wú)變化；但腹板和底板的輻射噪聲變化情況比較復(fù)雜，具體表現(xiàn)為在距離跨中0～8 m的范圍內(nèi)腹板輻射噪聲略有減小，其中在4～8 m的范圍內(nèi)輻射噪聲大小基本保持不變，在8～12 m的范圍內(nèi)先增大后減??；底板的輻射噪聲在0～4 m的范圍內(nèi)略有增大，在4～12 m的范圍內(nèi)慢慢減小。沿箱梁的寬度方向，翼緣板從上梗腋到懸臂端的輻射噪聲略有減??；腹板和底板在距離跨中0～9 m的范圍內(nèi)從上梗腋到底板縱向中心線的輻射噪聲在逐漸增大，在9～12 m的范圍內(nèi)逐漸減小。

對(duì)比圖5和圖6可知，近軌時(shí)箱梁結(jié)構(gòu)各部位的輻射噪聲明顯大于遠(yuǎn)軌時(shí)箱梁結(jié)構(gòu)各部位的輻射噪聲。近軌和遠(yuǎn)軌兩種工況下，底板和翼緣的輻射噪聲都大于腹板。

盡管A計(jì)權(quán)低估了低頻噪聲的影響，但A聲級(jí)仍是目前噪聲評(píng)判的主要標(biāo)準(zhǔn)。本次實(shí)測(cè)傳聲器記錄的聲壓經(jīng)過A計(jì)權(quán)后計(jì)算得到的A聲級(jí)(綜合噪聲)和箱梁結(jié)構(gòu)表面輻射A聲級(jí)列于表1中。

表1 綜合噪聲和結(jié)構(gòu)輻射噪聲A聲級(jí)

從表1可知，結(jié)構(gòu)輻射噪聲級(jí)主要分布在61～66 dB(A)之間，相同測(cè)點(diǎn)處綜合噪聲和結(jié)構(gòu)輻射噪聲級(jí)相差約2 dB(A)。實(shí)際工程中，為了剔除背景噪聲的影響，獲得真實(shí)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲，需將測(cè)得的綜合噪聲級(jí)減去約2 dB(A)。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)25 m跨輕軌單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的噪聲實(shí)測(cè)得到以下結(jié)論：

(1) 近軌時(shí)箱梁結(jié)構(gòu)各部位的輻射噪聲明顯大于遠(yuǎn)軌時(shí)箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲。近軌和遠(yuǎn)軌兩種工況下，底板和翼緣的輻射噪聲都大于腹板；

(2) 箱梁各部位的輻射聲壓級(jí)在跨長(zhǎng)方向和橋?qū)挾确较蛏隙急憩F(xiàn)出非單一的變化規(guī)律，需結(jié)合列車運(yùn)行工況具體分析；

(3) 列車以50 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，輕軌箱梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲級(jí)在61～66 dB(A)之間，測(cè)得的綜合噪聲級(jí)減去約2 dB(A)(背景噪聲影響)，即為真實(shí)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲級(jí)。

本文的實(shí)測(cè)分析結(jié)果可使工程技術(shù)人員對(duì)箱梁噪聲輻射情況有基本的了解，為后期箱梁的降噪設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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Measurement of noise radiated from box girder of elevated light rail transit

CHANG Liang, SHAO Bin

(School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063,Jiangxi, China)

In an elevated section of Wuhan light rail Line 1, a field test of the noise radiation has been made for the prestressed reinforced concrete simply supported box girder with a 25 m span of single box and single chamber. By using the Fast Fourier Transform (FFT) technique, the noise signal is purified to some extent by the coherence function so that the real structural radiation noise can be acquired. The contour maps of radiated sound pressure level from the surface of box girder are drawn and the A-weighted sound pressure levels of overall noise and structural radiation noise are compared and analyzed. The results show that for near rail the radiation noise from each part of box girder is significantly greater than that for distant rail. In these two conditions of near rail and distant rail, the radiation noises from bottom plate and flange plate are all greater than from web. The radiated sound pressure levels at diffident parts of box girder show different changing rules along the long span and bridge width, which should be analyzed according to the operation conditions of the train. The radiation noise of light rail box girder is between 61 dB (A) and 66 dB (A), and the2 dB (A)influence of background noise should be deducted from comprehensive noise in order to obtain real structural radiation noise. The analysis of the measurement result can help engineers comprehend the noise radiation from the box girder, and provides a reference for the noise reduction design of the box girder.

light rail box girder; structural noise; field measurement; sound pressure level

TU112

A

1000-3630(2018)-01-0077-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.01.014

2017-03-08;

2017-06-16

江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20161BAB216103、20161BAB 201005);江西省教育廳一般項(xiàng)目(GJJ160708、GJJ150731)

常亮(1982－), 男, 河北秦皇島人, 博士, 講師, 研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)及聲輻射。

邵斌, E-mail: 714557901@qq.com