專利名稱：軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法
技術領域：
本發明涉及一種基于橋梁聲輻射邊界元模型和橋梁聲輻射統計能量分析模型的軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法，適用于大鐵路(普通鐵路、高速鐵路、客運專線、城際鐵路等)和城市軌道交通(地鐵、輕軌、有軌電車等)橋梁結構噪聲的評估和預測，屬于軌道交通振動與噪聲領域。
背景技術：
與其它交通工具相比，軌道交通能夠解決高密度客流出行問題，是一種大容量交通運輸工具，在經濟發展中起到了不可忽視的作用。但是，軌道交通的噪聲污染問題卻在某種程度上降低了它的優勢，隨著生活質量的提高，人們對噪聲的容忍度越來越低，并由此引發了不少社會問題。在國外，日本、法國等國家曾經走了一條先污染后治理之路，導致了不 必要的人力、物力的浪費，在規劃新線路時甚至出現過民眾抵制事件。在國內，正在規劃、建設及運營中的高速鐵路沿線經濟發達、人口稠密，而城市軌道交通更是在城市中穿行，噪聲問題更是引起了廣泛關注。軌道交通噪聲包括輪軌噪聲、集電系統噪聲、空氣動力噪聲和橋梁結構噪聲。橋梁結構噪聲產生的原因是列車通過橋梁時，振動能量通過軌道結構傳遞到橋面及其它橋梁構件，并激發其振動，振動著的各橋梁構件形成一個個“聲板”，由此形成噪聲的“二次輻射”。雖然橋梁區段大多成為噪聲地圖上的“噪聲熱點”，但由于存在著橋梁結構形式多樣、車(線)橋耦合振動分析復雜、超大型構件聲輻射求解難度大等一系列問題，使得橋梁結構噪聲的預測變得異常棘手。因此，軌道交通橋梁結構噪聲的預測研究具有重要的理論意義。同時，未來幾年，軌道交通將成為我國重要的交通工具，而軌道交通在人口密集的市區或郊縣基本上采用高架橋梁結構。因此，軌道交通橋梁結構噪聲的預測具有十分重要的現實意義。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法，以拓寬橋梁結構噪聲的分析頻帶和提高預測精度和計算效率，并適用于不同橋梁類型的結構噪聲分析。本發明解決其技術問題所采用的技術方案如下本發明的軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法，包括如下步驟(I)選擇軌道交通橋梁結構噪聲預測參數，包括列車類型、軌道結構類型、軌道不平順譜、行車速度和橋梁類型；(2)根據橋梁聲輻射統計能量分析模型對子系統模態數的要求確定分析截止頻率，將噪聲計算頻域劃分為低頻帶和中-高頻帶，分別建立低頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型、中-高頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型；(3)將所選軌道交通橋梁結構噪聲預測參數輸入到低頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型和中-高頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型中，在低頻帶計算橋梁結構的振動響應，在中-高頻帶計算鋼軌的振動響應；(4)建立低頻帶橋梁聲輻射邊界元模型，將橋梁結構的振動響應作為聲學邊界條件，計算橋梁結構在低頻帶的噪聲輻射；建立中-高頻帶橋梁聲輻射統計能量分析模型，將鋼軌的振動響應作為系統的能量輸入，計算橋梁結構在中-高頻帶的噪聲輻射；(5)綜合低頻帶橋梁聲輻射邊界元模型、中-高頻帶橋梁聲輻射統計能量分析模型計算結果得到橋梁結構噪聲在整個頻域內的頻譜分布，利用噪聲合成原理預測橋梁結構輻射的總體噪聲。本發明的有益效果是，從軌道交通橋梁結構振動噪聲產生的機理出發，通過建立橋梁聲輻射邊界元模型和橋梁聲輻射統計能量分析模型，研究橋梁在低頻帶和中-高頻帶的噪聲輻射，綜合兩種方法得到橋梁在整個頻域內的噪聲輻射。與現有的軌道交通橋梁結構噪聲技術相比，一是拓寬了橋梁結構噪聲的分析頻帶，提高了預測精度；二是適用于不同
橋梁類型的結構噪聲分析，提高了計算效率。可以利用該發明來了解橋梁各主要參數對噪聲產生所起作用的大小，從而可以指導“安靜”橋梁的設計，縮短產品的開發周期，降低開發成本，對軌道交通橋梁結構噪聲控制具有重要的意義。
本說明書包括如下i^一幅附圖圖I為軌道交通橋梁結構噪聲總體仿真預測流程圖。圖2為軌道交通橋梁結構噪聲邊界元模型仿真預測流程圖。圖3為軌道交通橋梁結構噪聲統計能量分析模型仿真預測流程圖。圖4為軌道交通32m混凝土簡支箱梁各子系統彎曲模態數。圖5為一種橋梁的有限兀模型不意圖。圖6為一種橋梁的有限兀模型不意圖。圖7為低頻帶的橋梁聲輻射邊界元模型。圖8為中-高頻帶的橋梁聲輻射統計能量分析模型(軸測圖)。圖9為中-高頻帶的橋梁聲輻射統計能量分析模型(斷面圖)。圖10為各子系統之間的功率流形式。圖11為橋梁結構噪聲的理論值與實測值對比。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。本發明的軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法，基于如下基本假設(I)不考慮空氣對橋梁結構的反作用力。嚴格來講，結構的振動引起空氣分子的運動，空氣分子同樣會對結構引起反作用。但是，空氣這種介質相對于橋梁結構來說，密度極小，屬于輕質流體，從而可以忽略二者的相互作用，即忽略流固耦合作用。(2)聲源的唯一性。列車通過橋梁時產生的噪聲，除了有橋梁結構振動產生的噪聲外，還有其它諸多噪聲源(如輪軌噪聲、空氣動力噪聲等)，其與橋梁結構噪聲一起疊加成為通常意義上(人耳實際聽到的)的噪聲，而這并非本發明的研究內容，即本發明所指的“噪聲”僅指橋梁結構振動所引起的噪聲。(3)橋梁周圍無影響聲波傳播的構筑物。一般來講，高架橋梁通過城市區域時，周圍必定會有各種構筑物、高低起伏的地形及其它復雜環境因素，這些均會成為聲波在空氣中傳播的障礙，會產生衍射、反射等聲學現象，這一過程是極其復雜的。為了便于分析，本發明假定橋梁周圍無影響聲波傳播的構筑物(聲屏障除外)。 (4)不考慮聲屏障的振動聲輻射及吸聲特性。聲屏障是一個明顯阻礙聲波傳播的障礙物，聲屏障主要對頻率較高的聲波起作用，而低頻噪聲由于波長長，很容易從聲屏障上方繞射過去。但是，安裝在橋梁上的聲屏障會隨著橋梁結構的振動而運動，從而產生聲輻射，由于聲屏障的振動大小難以確定；同時，聲屏障內側通常會敷設各種吸聲材料，對不同頻帶的噪聲有不同的吸收作用。本發明在對裝有聲屏障的橋梁進行結構噪聲分析時，不考慮聲屏障對聲波的吸收作用，也不計入聲屏障本身的振動聲輻射，而僅考慮其對橋梁結構噪聲的衍射、反射影響。(5)不考慮聲波的干涉效應。—般來說,從橋梁結構上不同部位發射出來兩列聲波在空氣中合成時，可能會產生干涉效應，但這一過程是極其復雜的。對于橋梁結構噪聲，可看作是各種雜亂無章的聲源形成的噪聲場，在這種情況下，可將其視為不相干波，合成聲能量等于各列聲波的聲能量的
簡單疊加。(6)結構噪聲的穩態分析。列車通過橋梁的整個過程中，結構噪聲是一隨時間迅速變化的物理量，人耳感受到的實際效果只是迅速變化的瞬時聲壓。本發明在進行橋梁結構噪聲分析時，將任意時間函數的波動問題分解為一系列簡諧聲波的疊加，視列車通過橋梁的整個過程中引起的噪聲為穩態聲場，即分析結果為時平均的有效聲壓。本發明軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法流程圖如圖I 3所示。首先采集軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測參數，并輸入到低頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型、中-高頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型中去，分別計算橋梁結構的振動響應和鋼軌的振動響應，再通過建立低頻帶的橋梁聲輻射邊界元模型和中-高頻帶的橋梁聲輻射統計能量分析模型，計算橋梁結構在低頻段、中-高頻帶的噪聲輻射，利用噪聲合成原理來預測橋梁結構輻射的總體噪聲。下面以軌道交通32m混凝土簡支箱梁為例，給出本發明方法對軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測的具體過程。(I)選擇軌道交通橋梁結構噪聲預測參數。主要選擇列車類型、軌道結構類型、軌道不平順譜、行車速度、橋梁類型。(2)建立低頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型、中-高頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型。圖4示出的是軌道交通32m混凝土簡支箱梁各子系統的彎曲模態數。在125Hz以下，橋梁各子系統的彎曲模態數均小于5 ;在25Hz以下，橋梁各子系統的彎曲模態數均小于I ;在250Hz以上，橋梁各子系統的彎曲模態數均大于5，故將250Hz作為分析截止頻率。圖5、圖6示出的是兩種橋梁有限元模型，低頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動分析采用圖5，即空間板單元有限元模型。中-高頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動分析采用圖6，即空間梁單元有限元模型。對于250Hz的分析截止頻率，空間板單元尺寸小于1/6x340 + 250 乂 O. 22m。取最大分析頻率為10000Hz，則中-高頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動分析的時間積分步長小于1/10000x0. 4=0. 00004s。(3)計算橋梁結構的振動響應和鋼軌的振動響應。根據步驟(I)選擇的列車類型、軌道結構類型、軌道不平順譜、行車速度、橋梁類型，輸入到步驟(2)所建立的低頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型、中-高頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型中，采用軟件“風-列車-線路-橋梁動力分析軟件[簡稱WTTBDAS] I. O”(著作權人李小珍、劉德軍；登記號2010SR038824)進行時域內的數值運·算，在低頻帶計算橋梁結構的振動響應，在中-高頻帶計算鋼軌的振動響應。(4)分別建立低頻帶的橋梁聲輻射邊界元模型和中-高頻帶的橋梁聲輻射統計能量分析模型。I)采用數字濾波技術對時域內振動響應的頻譜處理步驟如下①進行列車-軌道-橋梁耦合振動響應分析，輸出橋梁結構每一處的時域振動響應并進行離散傅立葉變換，得到連續頻率點的振動響應；②對上述連續頻率點的振動響應在每一個1/3倍頻程頻帶范圍進行離散傅立葉逆變換，得到對應于每一個1/3倍頻程頻帶范圍內的振動時程，這一過程稱之為濾波處理；③計算每一個1/3倍頻程頻帶范圍內的振動時程的均方根值(即有效值)，作為1/3倍頻程中心頻率處的振動響應輸出；④根據結構表面的法線方向，將每一個節點各自由度方向的振動響應投影到結構法線方向，作為結構邊界元網格的聲學邊界條件。2)圖7為低頻帶的橋梁聲輻射邊界元模型，由于本發明在進行列車-軌道-橋梁耦合振動分析時已采用板單元將橋梁進行離散，并考慮到了單元尺寸，故可直接利用此結構網格作為橋梁結構的聲學邊界元網格。此外，將地面視作無限大剛性平面以考慮地面對聲波的反射作用；將橋梁結構的振動響應作為聲學邊界條件，在此基礎上采用自編邊界元求解器進行求解。a)將列車-軌道-橋梁耦合振動分析中的橋梁空間板單元視作聲學邊界網格，將橋梁結構的振動響應作為邊界條件，進行邊界元計算，得到振動邊界上的聲壓結果；b)設置場點網格，根據振動邊界上的聲壓結果，逐一計算其對場點處的聲壓貢獻；c)對不同部位橋梁的聲輻射進行疊加處理，考慮聲波在傳播過程中引起的損失，得到聲場觀測點的總噪聲。3)圖8、圖9為中-高頻帶的橋梁聲輻射統計能量分析模型，其中，鋼軌采用三維梁子系統模擬；軌道板、自密實混凝土層、底座板以及箱梁結構采用三維平板子系統模擬；扣件系統采用點連接處理以模擬鋼軌和軌道板的連接；外部空間采用半無限流體子系統模擬。圖10給出了各子系統之間的功率流形式，其中鋼軌的振動為系統的能量輸入，箱梁結構考慮為輻射元件，不考慮鋼軌、軌道板等軌道結構的聲輻射。根據子系統之間的功率流形式，建立子系統之間的能量平衡方程，采用自編統計能量分析求解器求得子系統的振動響應，進而根據振動與聲輻射的關系求得各聲學參量。主要計算步驟如下a)根據相似模態振型群原理，將軌道結構、橋梁結構、外部空間等劃分為不同的子系統，創建各子系統之間的連接；b)輸入系統外部能量(即鋼軌的振動響應)，計算傳遞到橋梁結構各子系統的振動能量，并計算其在自由場中的聲輻射；C)對不同部位橋梁的聲輻射進行疊加處理，考慮聲波在傳播過程中引起的損失，得到聲場觀測點的總噪聲。(5)綜合低頻帶的橋梁聲輻射邊界元模型和中-高頻帶的橋梁聲輻射統計能量分析模型，得到橋梁結構噪聲在整個頻域內的頻譜分布，利用噪聲合成原理來預測橋梁結構輻射的總體噪聲。為了驗證仿真預測方法的有效性，對實橋進行了噪聲測試，圖11為橋梁結構噪聲的實測值與理論值對比，可以看出理論與實測頻譜曲線形式吻合良好，均出現兩個峰值，第一個峰值為50Hz，第二個峰值為315Hz。本發明與現有的軌道交通橋梁結構噪聲技術相比，一是拓寬了橋梁結構噪聲的分析頻帶，提高了預測精度；二是適用于不同橋梁類型的結構噪聲分析，提高了計算效率。可以利用該發明來了解橋梁各主要參數對噪聲產生所起作用的大小，從而可以指導“安靜”橋梁的設計，縮短產品的開發周期，降低開發成本，對軌道交通橋梁結構噪聲控制具有重要的 意義。
權利要求
1.軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法，包括如下步驟 (1)選擇軌道交通橋梁結構噪聲預測參數，包括列車類型、軌道結構類型、軌道不平順譜、行車速度和橋梁類型； (2)根據橋梁聲輻射統計能量分析模型對子系統模態數的要求確定分析截止頻率，將噪聲計算頻域劃分為低頻帶和中-高頻帶，分別建立低頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型、中-高頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型； (3)將所選軌道交通橋梁結構噪聲預測參數輸入到低頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型和中-高頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型中，在低頻帶計算橋梁結構的振動響應，在中-高頻帶計算鋼軌的振動響應； (4)建立低頻帶橋梁聲輻射邊界元模型，將橋梁結構的振動響應作為聲學邊界條件，計算橋梁結構在低頻帶的噪聲輻射；建立中-高頻帶橋梁聲輻射統計能量分析模型，將鋼軌的振動響應作為系統的能量輸入，計算橋梁結構在中-高頻帶的噪聲輻射； (5)綜合低頻帶橋梁聲輻射邊界元模型、中-高頻帶橋梁聲輻射統計能量分析模型計算結果得到橋梁結構噪聲在整個頻域內的頻譜分布，利用噪聲合成原理預測橋梁結構輻射的總體噪聲。
2.如權利要求I所述的軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法，其特征是所述步驟(2)中，低頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型采用橋梁空間板單元有限元模型，網格尺寸小于最小分析波長的1/6 ;中-高頻帶的橋梁聲輻射統計能量分析模型采用有限元法將橋梁離散為空間梁單元，時間積分步長小于最大分析頻率倒數的O. 4倍。
3.如權利要求I所述的軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法，其特征是所述步驟(4)中采用數字濾波技術將時域內的列車-軌道-橋梁耦合振動分析結果轉化到頻域內，包括橋梁結構的振動響應和鋼軌的振動響應。
4.如權利要求3所述的軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法，其特征是所述步驟(4)中，針對低頻帶橋梁聲輻射邊界元模型，將橋梁空間板單元有限元模型視作聲學邊界元網格，將地面視作無限大剛性平面以考慮地面對聲波的反射作用，將橋梁結構的振動響應作為聲學邊界條件，在此基礎上采用自編邊界元求解器進行求解。
5.如權利要求3所述的軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法，其特征是所述步驟(4)中，針對中-高頻帶橋梁聲輻射統計能量分析模型，鋼軌采用三維梁子系統模擬，軌道板、自密實混凝土層、底座板以及箱梁結構采用三維平板子系統模擬，扣件系統采用點連接處理以模擬鋼軌和軌道板的連接，外部空間采用半無限流體子系統模擬，鋼軌的振動作為整個系統的外部能量輸入，在此基礎上采用統計能量分析求解器進行求解。
全文摘要
軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測方法，以拓寬橋梁結構噪聲的分析頻帶和提高預測精度和計算效率，并適用于不同橋梁類型的結構噪聲分析。該方法首先采集軌道交通橋梁結構噪聲仿真預測參數，并輸入到低頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型、中-高頻帶列車-軌道-橋梁耦合振動模型中去，分別計算橋梁結構的振動響應和鋼軌的振動響應，再通過建立低頻帶的橋梁聲輻射邊界元模型和中-高頻帶的橋梁聲輻射統計能量分析模型，計算橋梁結構在低頻段、中-高頻帶的噪聲輻射，利用噪聲合成原理來預測橋梁結構輻射的總體噪聲。
文檔編號G06F17/50GK102880767SQ20121039819
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者張迅, 李小珍, 李亞東, 劉全民, 張志俊, 吳金峰, 尹航 申請人:西南交通大學