彈性離散支撐鋼軌的振動(dòng)和聲輻射特性研究

劉清源，成 功,2，何遠(yuǎn)鵬，陳宗平，韓 健，圣小珍

(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.華東交通大學(xué) 軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測(cè)與保障國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；4.上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院, 上海 201620)

隨著軌道交通的快速發(fā)展，鐵路噪聲與振動(dòng)問題受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注，鋼軌輻射噪聲作為鐵路噪聲的主要來源之一，其振動(dòng)和聲輻射特性的建模和預(yù)測(cè)也受到了學(xué)界的廣泛關(guān)注。

Remington[1]在建立的輪軌噪聲預(yù)測(cè)模型中使用連續(xù)彈性支撐的歐拉梁模型模擬鋼軌，Thompson[2]在Remington的基礎(chǔ)上，使用離散彈性支撐的鐵木辛柯梁模型模擬鋼軌，并將其納入TWINS軟件。由于簡(jiǎn)單的鐵木辛柯梁模型在2 000 Hz以上的高頻已不再適用，Wu等[3]提出一種采用雙層鐵木辛柯梁模擬鋼軌的方法，與單梁模型相比，雙層梁模型能反映高頻激勵(lì)下的截面內(nèi)變形。Knothe等[4]采用梁模型模擬軌頭和軌底、板模型模擬軌腰，使用梁和板的組合模型得到鋼軌高頻響應(yīng)。萬淑敏等[5]建立離散彈性支撐的三維實(shí)體有限元鋼軌模型，并得到鋼軌的聲輻射效率。

Remington[1]的噪聲預(yù)測(cè)模型把鋼軌作為線聲源處理，根據(jù)鋼軌的聲輻射效率和振動(dòng)速度計(jì)算鋼軌的輻射聲功率。為了獲得高頻聲輻射，羅斌等[6]使用統(tǒng)計(jì)能量分析得到鋼軌的1/3倍頻程輻射噪聲。Sheng等[7-8]基于傅里葉變換，提出一種基于波數(shù)域的方法，求解周期性結(jié)構(gòu)在移動(dòng)和靜止諧載荷作用下的響應(yīng)，并使用2.5維邊界元法得到鋼軌在移動(dòng)和靜止諧載荷下的聲輻射特性。Thompson[9]總結(jié)了鋼軌噪聲和軌道衰減率的關(guān)系式，根據(jù)鋼軌截面的輻射效率和振動(dòng)衰減率，計(jì)算無限長(zhǎng)鋼軌的輻射聲功率。

研究鋼軌輻射分為兩步，計(jì)算鋼軌振動(dòng)和計(jì)算鋼軌輻射。計(jì)算鋼軌振動(dòng)一般采用解析法或者有限元法，可根據(jù)需要視鋼軌為梁?jiǎn)卧Ｐ?、多層梁?jiǎn)卧Ｐ突蛘邔?shí)體單元模型；計(jì)算鋼軌聲輻射主要采用聲學(xué)邊界元法。二維邊界元法忽略了振動(dòng)沿軌道方向的變化，與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)，但其算出的鋼軌輻射效率可結(jié)合軌道衰減率計(jì)算鋼軌噪聲。三維邊界元受模型網(wǎng)格的影響很大，網(wǎng)格過密會(huì)造成計(jì)算效率過低，網(wǎng)格過疏會(huì)導(dǎo)致模型在高頻段的計(jì)算結(jié)果可信度降低，對(duì)研究無限長(zhǎng)鋼軌的振動(dòng)特性產(chǎn)生限制。鋼軌可以視作在一個(gè)方向上無限長(zhǎng)的同質(zhì)、均勻且橫截面形狀不變的波導(dǎo)體，利用這一特點(diǎn)可以使用于計(jì)算鋼軌聲輻射的三維邊界積分方程得到簡(jiǎn)化。通過將無限長(zhǎng)方向的空間變量從空間域變換到波數(shù)域，就可以實(shí)現(xiàn)在波數(shù)域中解耦求解，這就是2.5維邊界元法。應(yīng)用這種方法計(jì)算鋼軌的聲輻射可以克服以上兩種模型的缺點(diǎn)，在準(zhǔn)確反映振動(dòng)沿鋼軌傳播的同時(shí)提高計(jì)算效率[7-8]。

為了探究基于不同模型和方法所計(jì)算出的振動(dòng)和聲輻射特性的差異及其原因，確定它們的適用范圍，為研究鋼軌振動(dòng)和聲輻射提供參考，并分析剛性軌道板對(duì)鋼軌輻射聲功率的影響，本文采用三種鋼軌模型計(jì)算無限長(zhǎng)鋼軌在靜止和移動(dòng)諧載荷下的振動(dòng)特性和軌道衰減率，并使用2.5維聲學(xué)邊界元方法和衰減率與噪聲之間的關(guān)系公式計(jì)算無限長(zhǎng)鋼軌在靜止諧載荷下的輻射聲功率級(jí)，并考慮剛性軌道板的影響。

1 鋼軌聲振模型建立

1.1 鋼軌振動(dòng)模型的建立

本文建立的軌道模型包括UIC60鋼軌及軌下扣件系統(tǒng)，其中扣件系統(tǒng)模擬為結(jié)構(gòu)阻尼彈簧，鋼軌分別模擬為有限長(zhǎng)鐵木辛柯梁?jiǎn)卧?、有限長(zhǎng)三維實(shí)體單元-鐵木辛柯梁?jiǎn)卧M合結(jié)構(gòu)及無限長(zhǎng)鐵木辛柯梁，軌道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軌道結(jié)構(gòu)

前兩種結(jié)構(gòu)都是有限長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為210 m。值得注意的是，第二種模擬方法是在21 m長(zhǎng)的三維實(shí)體有限元鋼軌兩端分別連接一段梁?jiǎn)卧撥?，一方面可以更?zhǔn)確地得到鋼軌的振動(dòng)特性，另一方面在兼顧計(jì)算效率的同時(shí)盡量減小截?cái)噙吔绲姆瓷湫?yīng)。該方法在Ansys中進(jìn)行模擬，在梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元之間使用多點(diǎn)約束(MPC)連接，如圖2所示。其原理是將連接截面處的梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)和實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)的自由度進(jìn)行剛性連接，用于耦合單元之間的載荷傳遞。

圖2 MPC連接實(shí)體單元和梁?jiǎn)卧?/p>

值得注意的是，要研究無限長(zhǎng)鋼軌的振動(dòng)和聲輻射特性，需要探究多長(zhǎng)的有限元模型能夠滿足要求。本文使用不同長(zhǎng)度鐵木辛柯梁模型，將端部導(dǎo)納與原點(diǎn)導(dǎo)納的比值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 不同長(zhǎng)度鋼軌端部與原點(diǎn)導(dǎo)納比值

從圖3可以看出，較大的比值出現(xiàn)在400～3 000 Hz。隨著鋼軌長(zhǎng)度的增加，鋼軌端部導(dǎo)納減小，當(dāng)鋼軌長(zhǎng)度為200 m時(shí)，導(dǎo)納比值最大不超過20%，此時(shí)得到的原點(diǎn)導(dǎo)納與后文采用的無限長(zhǎng)鐵木辛柯梁的計(jì)算結(jié)果基本一致，且不會(huì)出現(xiàn)因截?cái)噙吔绶瓷洚a(chǎn)生的波動(dòng)，所以導(dǎo)納比值不超過20%時(shí)(即相差14 dB)可以將有限長(zhǎng)的鋼軌近似為無限長(zhǎng)鋼軌。

第三種結(jié)構(gòu)是將鋼軌模擬為一根無限長(zhǎng)的鐵木辛柯梁，該梁在周期性的扣件位置被離散支撐，其鋼軌在單位高速移動(dòng)諧載荷作用下的速度振動(dòng)響應(yīng)(t=0)可以寫為[8]

(1)

1.2 鋼軌聲輻射計(jì)算方法

Thompson[9]對(duì)無限長(zhǎng)鋼軌的聲功率計(jì)算公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得到聲功率級(jí)與軌道衰減率之間的關(guān)系式為

(2)

式中:Wref為參考聲功率，Wref=10-12W;vref為參考速度，vref=10-9m/s;σ為輻射效率;ρ0c0為空氣特性阻抗;P為鋼軌橫截面周長(zhǎng);v(0)為激勵(lì)點(diǎn)處的鋼軌速度;δ為軌道衰減率，dB/m。

該聲功率計(jì)算方法認(rèn)為鋼軌下部的支撐是連續(xù)支撐，因此認(rèn)為其振動(dòng)衰減率與波數(shù)β的虛部成正比，但由式(1)易知離散支撐下的鋼軌在每跨不同位置的振動(dòng)幅值都不相同。因此，本文在文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上將無限長(zhǎng)鐵木辛柯梁鋼軌和2.5維邊界元相結(jié)合，得到更符合真實(shí)情況的鋼軌輻射聲功率，其計(jì)算公式為

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：K0為修正的0階第二類貝塞爾函數(shù)；k0=2πf/c0,c0為聲速，f為頻率。

1.3 模型參數(shù)的選取

本文只考慮鋼軌垂向振動(dòng)特性和垂向振動(dòng)的輻射聲功率，因此僅設(shè)置了軌下墊板的垂向剛度。鋼軌和軌下墊板的參數(shù)見表1。

表1 軌道參數(shù)

采用梁?jiǎn)卧M鋼軌受力情況與實(shí)際情況有差異，梁模型中集中載荷施加在鋼軌的中心，彈簧單元實(shí)際支撐的位置也是鋼軌中心。實(shí)體模型受力需要與梁模型受力一致，所以對(duì)鋼軌截面劃分網(wǎng)格時(shí)，保證截面中心位置有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的中心處施加集中載荷和提供彈簧支撐，如圖4所示。

圖4 有限元實(shí)體模型受力示意

使用有限元法計(jì)算鋼軌振動(dòng)和輻射聲功率對(duì)單元長(zhǎng)度有要求，需要單元的最大邊長(zhǎng)不超過鋼軌傳遞最短波長(zhǎng)的1/6。以自由鐵木辛柯梁鋼軌為例，無限長(zhǎng)鋼軌彎曲波的頻散曲線如圖5所示。由于梁模型只能傳遞彎曲波，因此圖5只有一條曲線，但是考慮鋼軌的其他傳播波(在這些振動(dòng)波中，鋼軌橫截面發(fā)生變形)在固定頻率時(shí)的波數(shù)要小于彎曲波的波數(shù)，當(dāng)鋼軌網(wǎng)格滿足彎曲波要求時(shí)，這些傳播波也天然滿足。

圖5 自由鋼軌彎曲波頻散曲線

2 鋼軌垂向原點(diǎn)位移導(dǎo)納特性分析

原點(diǎn)導(dǎo)納是研究振動(dòng)特性的一個(gè)常用指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)在單位諧載荷下的響應(yīng)(位移、速度、加速度)。分別對(duì)有限長(zhǎng)鐵木辛柯梁、有限長(zhǎng)三維實(shí)體-鐵木辛柯梁組合結(jié)構(gòu)及無限長(zhǎng)鐵木辛柯梁施加單位垂向諧載荷，載荷作用于相鄰扣件的跨中位置，載荷頻率范圍為10～5 000 Hz，步長(zhǎng)為10 Hz。對(duì)實(shí)體-梁組合模型，荷載施加在跨中截面的中心軸處。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，使用有限元法計(jì)算實(shí)體單元的原點(diǎn)導(dǎo)納會(huì)產(chǎn)生奇異性，本文為避免這種情況，將與激勵(lì)點(diǎn)相隔一個(gè)單元長(zhǎng)度(50 mm)的點(diǎn)作為響應(yīng)點(diǎn)，將該響應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)作為原點(diǎn)導(dǎo)納，得到原點(diǎn)位移導(dǎo)納如圖6所示。

圖6 原點(diǎn)位移導(dǎo)納

圖6中，導(dǎo)納第一個(gè)峰值出現(xiàn)在170 Hz，是鋼軌整體在扣件上的垂向振動(dòng)特征頻率，是軌道系統(tǒng)的一階共振頻率，其可以計(jì)算為

(7)

式中：k為單位長(zhǎng)度鋼軌的剛度，N/m2；m為單位長(zhǎng)度鋼軌的質(zhì)量，kg/m。

更高頻率的兩個(gè)峰值(1 080 Hz和2 940 Hz)對(duì)應(yīng)鋼軌的兩階pinned-pinned頻率。pinned-pinned頻率主要受鋼軌彎曲剛度和扣件間距的影響，與扣件支撐鋼軌的寬度也有關(guān)系但影響不大。在pinned-pinned頻率處，當(dāng)載荷作用在跨中時(shí)，原點(diǎn)導(dǎo)納會(huì)出現(xiàn)峰值，作用在扣件上方會(huì)出現(xiàn)谷值。

pinned-pinned模態(tài)產(chǎn)生的主要原因是駐波效應(yīng)，即該頻率下的半波長(zhǎng)等于支撐間距，駐波節(jié)點(diǎn)正處于扣件位置。鐵木辛柯梁的垂向振動(dòng)pinned-pinned頻率為

(8)

式中：n0為鋼軌pinned-pinned模態(tài)階數(shù)；L為軌枕間距，m。

通過對(duì)比三種模型可以發(fā)現(xiàn)：

(1)有限長(zhǎng)鐵木辛柯梁模型和無限長(zhǎng)鐵木辛柯梁模型的原點(diǎn)導(dǎo)納基本保持一致，說明在計(jì)算原點(diǎn)導(dǎo)納時(shí)，200 m的有限元梁模型已經(jīng)可以很好地還原鋼軌的無限長(zhǎng)特性。

(2)三種模型在頻率小于3 000 Hz時(shí)的垂向位移導(dǎo)納基本一致，當(dāng)頻率大于3 000 Hz以后，實(shí)體-梁組合模型的垂向位移導(dǎo)納開始顯著大于另外兩種梁模型的位移導(dǎo)納。因?yàn)殍F木辛柯梁模型的使用需要滿足對(duì)截面變形的一些假設(shè)，受到高頻激勵(lì)后，這些假設(shè)不再有效，因此梁的模型已經(jīng)不再適合。實(shí)體-梁模型受到高頻載荷作用，鋼軌根部發(fā)生翹曲，橫截面發(fā)生變形，不再維持在一個(gè)平面，與兩個(gè)梁模型相比變形也更大。

3 軌道衰減率分析

軌道衰減率是評(píng)價(jià)鋼軌振動(dòng)縱向傳播特性的重要指標(biāo)，其對(duì)鋼軌的聲輻射至關(guān)重要[11]。軌道衰減率代表了振動(dòng)沿鋼軌方向減弱的能力，軌道衰減率大說明該頻率下的振動(dòng)沿鋼軌方向傳播能力差，軌道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)阻尼大。鋼軌的支撐方式和扣件阻尼都對(duì)軌道衰減率有很大影響。

工程上通常根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15641：2008+A1：2010[12]計(jì)算軌道衰減率，該方法采用移動(dòng)激勵(lì)的方式，在不同的位置用力錘進(jìn)行敲擊，測(cè)出不同距離的導(dǎo)納，得到軌道衰減率為

(9)

式中:A(xn)為鋼軌原點(diǎn)(0點(diǎn))施加單位載荷時(shí)第n點(diǎn)的導(dǎo)納函數(shù);A(x0)為在0點(diǎn)施加單位載荷時(shí)原點(diǎn)的導(dǎo)納函數(shù);Δxn為第n個(gè)測(cè)點(diǎn)到第(n-1)個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離。值得注意的是，工程測(cè)試時(shí)錘擊點(diǎn)和測(cè)試點(diǎn)都位于鋼軌軌頂。

本文采用該方法對(duì)軌道衰減率進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且將與激勵(lì)點(diǎn)相隔一個(gè)單元長(zhǎng)度(50 mm)的點(diǎn)作為0點(diǎn)，這也更符合工程測(cè)試實(shí)際。三種模型的軌道衰減率如圖7所示。

圖7 三種模型的軌道衰減率

三種模型計(jì)算的軌道衰減率在低于3 000 Hz的范圍內(nèi)基本一致，低頻段的軌道衰減率接近9 dB/m，該范圍內(nèi)的振動(dòng)會(huì)沿軌道迅速耗散，在pinned-pinned頻率附近出現(xiàn)峰值。

在高于3 000 Hz的頻域范圍，三種模型的軌道衰減率都有升高的趨勢(shì)，但實(shí)體-鐵木辛柯梁模型的上升幅度遠(yuǎn)大于另外兩種梁模型。原因是在高頻振動(dòng)下，實(shí)體-鐵木辛柯梁模型的激勵(lì)原點(diǎn)截面會(huì)發(fā)生變形，且某些頻率下變形后截面不再符合平截面假定，而梁模型的截面為剛性，所以實(shí)體-鐵木辛柯梁模型鋼軌在高頻范圍的動(dòng)態(tài)阻尼較鐵木辛柯梁模型偏大。

通常情況下，軌道衰減率往往通過靜止諧載荷激勵(lì)得到，而在實(shí)際中，鋼軌受到的是移動(dòng)輪軌力激勵(lì)，移動(dòng)諧載荷激勵(lì)下的鋼軌振動(dòng)，可以通過文獻(xiàn)[7]中式(42)計(jì)算移動(dòng)諧載荷下的位移導(dǎo)納得到移動(dòng)諧載荷下的軌道衰減率，如圖8所示。從圖8可以看出，載荷前和載荷后的軌道衰減率有較大區(qū)別，前者整體大于后者，同時(shí)前者大于靜止諧載荷軌道衰減率，后者小于靜止諧載荷軌道衰減率。靜止諧載荷會(huì)在pinned-pinned頻率處(1 080 Hz)出現(xiàn)峰值，而在移動(dòng)諧載荷作用時(shí)pinned-pinned頻率會(huì)出現(xiàn)分叉(載荷前變?yōu)? 020、1 160 Hz，載荷后變?yōu)? 000、1 180 Hz)。

圖8 移動(dòng)諧載荷與靜止諧載荷的軌道衰減率

4 鋼軌輻射聲功率分析

4.1 實(shí)體-鐵木辛柯梁鋼軌和無限長(zhǎng)鐵木辛柯梁聲輻射對(duì)比

圖7表明實(shí)體-鐵木辛柯梁鋼軌和鐵木辛柯梁鋼軌在高頻段的軌道衰減率有較大差異，根據(jù)式(2)易知軌道衰減率對(duì)鋼軌的輻射聲功率具有較大影響?；谑?2)，可以得到單位垂向諧載荷作用下的實(shí)體-鐵木辛柯梁鋼軌和無限長(zhǎng)鐵木辛柯梁鋼軌輻射聲功率，如圖9所示。載荷作用于相鄰扣件之間的跨中位置，載荷頻率范圍為10～5 000 Hz，步長(zhǎng)為10 Hz。對(duì)于實(shí)體-梁組合模型，載荷施加在跨中截面的中心軸處。

圖9 有限長(zhǎng)實(shí)體-鐵木辛柯梁組合模型和無限長(zhǎng)鐵木辛柯梁模型的輻射聲功率對(duì)比

從圖9可以看出，有限長(zhǎng)實(shí)體-鐵木辛柯梁組合模型的輻射聲功率在高于3 000 Hz時(shí)明顯小于無限長(zhǎng)鐵木辛柯梁模型所計(jì)算的輻射，隨著頻率的增加，這種差異也隨之增大，在5 000 Hz時(shí)差異可以達(dá)到6 dB。由式(2)可知，當(dāng)軌道衰減率增加時(shí)，輻射聲功率會(huì)減小，原點(diǎn)速度導(dǎo)納增加時(shí)，輻射聲功率會(huì)增大。由圖6和圖7可知，頻率高于3 000 Hz時(shí)，實(shí)體-鐵木辛柯梁模型的原點(diǎn)速度導(dǎo)納大同時(shí)軌道衰減率也大，但軌道衰減率的差異更大，所以實(shí)體-鐵木辛柯梁模型的聲功率級(jí)更小。

4.2 式(2)與式(3)的聲輻射對(duì)比

根據(jù)式(2)和式(3)得到的自由場(chǎng)鋼軌輻射聲功率級(jí)如圖10所示。

圖10 鋼軌輻射聲功率級(jí)對(duì)比

由圖10可以看出：

(1)頻率低于150 Hz時(shí)，式(3)得到的鋼軌聲功率小于式(2)的聲功率，這是由于在該頻段，鋼軌的衰減率較大，鋼軌趨近于偶極子聲源，與式(2)線聲源的假設(shè)不符。

(2)高于150 Hz的大部分頻率，式(3)得到的鋼軌聲功率大于式(2)的聲功率，最大高約2 dB，這是由于式(2)的推導(dǎo)是在連續(xù)彈性支撐梁的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而在扣件等效剛度相等時(shí)，連續(xù)彈性支撐梁的聲輻射會(huì)低于離散支撐梁。差異的峰值出現(xiàn)在第一、第二階pinned-pinned頻率及2 000 Hz附近。將該區(qū)域放大可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法得到的輻射聲功率頻率峰值存在差異，式(2)的峰值在1 840 Hz，式(3)的峰值出現(xiàn)在1 930 Hz，差異出現(xiàn)的原因在于式(2)的方法忽略了聲在軌道方向傳播的波動(dòng)性，該波動(dòng)性對(duì)聲輻射的影響將在4.3節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)闡述。

(3)兩個(gè)公式均預(yù)測(cè)了pinned-pinned頻率附近的峰值。

4.3 剛性軌道板對(duì)鋼軌輻射聲功率的影響

在實(shí)際情況中，鋼軌作為聲源并不存在于自由聲場(chǎng)中。對(duì)于高速鐵路無砟軌道而言，鋼軌位于軌道板上方，因此有必要考慮鋼軌位于軌道板上方時(shí)的輻射聲功率，由于軌道板表面阻抗很大，可以認(rèn)為聲波在軌道板表面發(fā)生了全反射，通?？梢詷?gòu)造鏡像聲源來模擬剛性反射面，如圖11所示。用式(3)可以得到考慮軌道板反射時(shí)的鋼軌輻射聲功率，其中的聲壓是考慮了源鋼軌與鏡像鋼軌的相互影響后得到的聲壓。

圖11 鋼軌及鋼軌鏡像

目前的板式無砟軌道中，鋼軌和軌道的間距常常處于40～100 mm之間，所以本文計(jì)算了間距分別為40、60、80 mm三種工況的鋼軌輻射聲功率，如圖12所示。

圖12 剛性軌道板上鋼軌的輻射聲功率

從圖12可以看出：相比于自由場(chǎng)下的鋼軌輻射聲功率，考慮軌道板的反射后最顯著的特征是會(huì)出現(xiàn)一些峰值，對(duì)應(yīng)于40、60、80 mm三種工況，峰值分別出現(xiàn)在830、4 470 Hz，790、3 060 Hz，730、2 320 Hz。隨著距離的增加，峰值頻率會(huì)減小，峰值的幅值也會(huì)降低。

為了探明這些峰值產(chǎn)生的原因，分別畫出不同激振頻率和不同軌道方向波數(shù)時(shí)單位力激勵(lì)的鋼軌振動(dòng)速度譜，如圖13所示，圖13中的色彩代表力作用點(diǎn)處鋼軌的振動(dòng)速度水平，粗黑線是自由鋼軌的頻散曲線，以及以單位速度振動(dòng)時(shí)鋼軌表面平均聲壓譜(即鋼軌同一截面上，表面各點(diǎn)聲壓的平均值，鋼軌不同截面振動(dòng)速度相同因此聲壓分布也相同)，自由空間和剛性軌道板上方鋼軌的表面平均聲壓如圖14和圖15所示。圖13～圖15中顏色越深紅表示振動(dòng)速度/聲壓的幅值越大。

圖13 無限長(zhǎng)周期離散支撐鋼軌的速度譜

圖14 自由空間鋼軌的表面平均聲壓

圖15 剛性軌道板上方鋼軌(間距為60 mm)的表面平均聲壓

由圖13可以看出，鋼軌的振動(dòng)能量主要由彎曲波提供，但由于離散支撐的存在，頻率在500 Hz以下的彎曲波與自由鋼軌存在一定差異。易知隨著扣件剛度的增加，該頻率也會(huì)隨之增加，170 Hz是一個(gè)cut-on頻率。

對(duì)于聲壓譜，由圖14可以看到，自由場(chǎng)中的鋼軌聲壓在2 000 Hz附近存在一條亮帶，這條亮帶是由鋼軌本身的聲學(xué)邊界形狀所決定的，波數(shù)為0時(shí)，亮帶的中間頻率為1 840 Hz，這一頻率正是式(2)計(jì)算得到的一個(gè)鋼軌聲功率峰值，但式(3)得到的聲功率峰值出現(xiàn)在這條亮帶與鋼軌彎曲波頻率曲線的交點(diǎn)上，這一交點(diǎn)的對(duì)應(yīng)頻率為1 930 Hz；由圖15可以看到，具有反射面聲場(chǎng)中的鋼軌聲壓相比于自由場(chǎng)鋼軌聲壓新增了兩條亮帶，這兩條亮帶由鋼軌和軌道板的間距所決定，可以看到兩條亮帶與鋼軌頻散曲線的交點(diǎn)(790、3 060 Hz)正是圖12中的鋼軌輻射噪聲峰值頻率。值得注意的是，鋼軌的聲壓由式(5)決定。鋼軌的聲壓譜為何會(huì)產(chǎn)生峰值，筆者認(rèn)為可能由特征波導(dǎo)致，但鋼軌振動(dòng)速度為0時(shí)，其聲壓譜的峰值在圖14和圖15中并不相同。對(duì)此筆者還在進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

(1) 使用有限長(zhǎng)鋼軌模型計(jì)算振動(dòng)特性，端部導(dǎo)納和原點(diǎn)導(dǎo)納比值最大不超過20%時(shí)，其原點(diǎn)導(dǎo)納與無限長(zhǎng)鋼軌模型基本一致，不會(huì)出現(xiàn)因截?cái)噙吔绠a(chǎn)生的波動(dòng)，此時(shí)可以將有限長(zhǎng)鋼軌近似為無限長(zhǎng)。

(2) 使用MPC連接實(shí)體模型和鐵木辛柯梁鋼軌模擬鋼軌，在保留實(shí)體鋼軌模型的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，可以大量減少計(jì)算消耗。當(dāng)網(wǎng)格劃分合適，實(shí)體-梁鋼軌模型的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果在高于3 000 Hz的頻率比梁?jiǎn)卧撥壍目尚哦雀摺o限長(zhǎng)鐵木辛柯梁模型相比另外兩種模型計(jì)算更為方便，可以集成軌道模型和聲學(xué)邊界元模型建立軌道系統(tǒng)噪聲預(yù)測(cè)軟件。

(3) 由于實(shí)體-梁鋼軌模型在高頻會(huì)產(chǎn)生較多的變形，所以導(dǎo)納和軌道衰減率會(huì)比梁鋼軌模型更大，這也會(huì)導(dǎo)致實(shí)體-鐵木辛柯梁組合模型在高頻段的輻射聲功率比鐵木辛柯梁模型小了很多，而且這個(gè)差異隨著頻率的增加而增大。

(4) 由于多普勒效應(yīng)，移動(dòng)諧載荷下的軌道衰減率在pinned-pinned頻率處會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，同時(shí)荷載前的鋼軌衰減率要大于荷載后的鋼軌衰減率。

(5) 相比于基于周期離散支撐鋼軌振動(dòng)和2.5維邊界元計(jì)算鋼軌聲功率的方法，基于軌道衰減率和2維邊界元法的鋼軌聲功率傳統(tǒng)方法的結(jié)果在150 Hz以下高估了鋼軌聲功率，在150 Hz以上低估了鋼軌聲功率。

(6) 剛性軌道板會(huì)使鋼軌輻射聲功率出現(xiàn)多個(gè)峰值，峰值頻率隨鋼軌與軌道距離的增加而減小，其原因是峰值頻率位于鋼軌的速度譜與聲壓譜亮帶的交點(diǎn)上，聲壓譜亮帶頻率隨距離的增加而降低。

鳴謝

在本文的研究過程中，多次與英國(guó)南安普敦大學(xué)聲與振動(dòng)研究所(ISVR)的D.J.Thompson教授進(jìn)行了討論，得到了他的大力指導(dǎo)。