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原文传递高速铁路声屏障声学设计、优化及试验研究

论文题名：	高速铁路声屏障声学设计、优化及试验研究
关键词：	高速铁路;声屏障;结构设计;降噪性能
摘要：	我国高速铁路发展迅猛，给人们的出行带来了方便和舒适。同时，铁路线穿过城镇给周边环境带来了严重的噪声问题。声屏障作为高速铁路噪声隔离最主要的方法之一，能够有效地屏蔽噪声源的传播。同时列车高速通过也给声屏障结构安全带来了隐患。列车与声屏障之间的空气处于半封闭的空间，列车的高速运动会导致空气产生强烈的扰动，影响到声屏障的安全。　　对高速铁路声屏障而言，其降噪性能与声屏障本身结构特性、吸声特性以及列车声源分布、频谱特性紧密相关。高速列车噪声分布在列车车身所有高度且为宽频噪声。目前高速铁路声屏障降噪性能研究忽略了声源分布规律及其频谱特性对声屏障降噪效果的影响。在降噪效果计算模型中没考虑车体、轨道与声屏障之间的多重反射。因此高速铁路声屏障降噪性能分析的理论模型与道路声屏障结构特征存在差异。同时，随着列车运行速度提高，气流使声屏障面板和背板产生较大的瞬间压力差，导致屏障振动失稳和疲劳破坏。在这种环境下，对高速铁路声屏障的设计提出了新的要求。此时，声屏障结构既要能够释放气流压力，还要具备良好的降噪性能。因此，高速铁路声屏障声学设计、优化及试验研究有待进一步深入。　　论文受国家863计划课题“高速铁路声屏障复合噪声特性分析和减载声屏障降噪机理研究(2011AA11A103-4-2)”、“高速列车轮轨减振降噪理论与方法研究(U1434201)”和“四川省科技计划项目(2010JY0070)”等项目的资助，主要开展了以下几方面的研究工作: 　　(1)建立了较为完善的高速列车户外噪声源测试分析系统，并发展了相应的数值分析程序。系统包括Beamforming声源辨识系统和标准点噪声测试系统。Beam forming声源辨识采用“延迟与求和”算法。标准点噪声测试基于ISO3095-2015展开。　　(2)完善了高速铁路户外噪声声学分析模型。模型采用二维边界元法，考虑列车运行的几何边界条件，建立列车轮廓和轨道结构，考虑屏障-轨道-车体之间的多重反射。根据声源特性和分布规律，建立符合高速铁路噪声源的相干线声源。　　(3)提出了减载声屏障结构设计原理和减载性能评价指标。　　(4)建立了减载声屏障单元板隔声计算模型。模型采用声学有限元方法。模型中，将减载声屏障开孔间隙和屏障两侧声腔设置为声学有限元网格，声屏障单元板以多孑L吸声材料模拟，并假设声屏障单元板和空腔之间的声压为连续声压。在初始边界条件中，假设声屏障列车运行方向两侧为刚性反射面，进口边界为无位移面，出口为无反射边界条件，空气初始流速为零。　　(5)基于ISO140-3和GB/T19889.3，采用声压法对减载声屏障单元板空气声隔声性能进行实验室测试分析。　　(6)建立了减载声屏障透射声传播规律分析模型并提出了该模型中隔声量定义方法。减载声屏障考虑为矩形声腔的一条边;声屏障一侧为自由场，另一侧为发声室;声源为符合高速铁路的垂直入射的线声源。根据透射声传播规律，确定减载声屏障对透射声的隔声效果。　　基于上述测试分析系统和数值计算模型，针对高速铁路声屏障相关问题，开展了高速铁路噪声源源强、通用型声屏障声学特性、减载声屏障隔声特性和降噪特性等方面的研究: 　　(1)研究了高速铁路噪声源强特性及分布特性。采用Beam forming声源辨识系统，测试并分析了车外噪声源强分布特性和声源频谱特性。研究了不同速度下，噪声源能量在列车高度方向的分布。采用标准点噪声测试系统测试分析了场点声场分布特性、标准点时间历程及声压的时频特性。　　(2)完善了高速铁路户外噪声声学分析模型。应用该模型调查了高速铁路噪声源强特性对声场分布的影响，得到场点声压随速度的变化规律以及主要噪声贡献源。分析了吸声系数、声屏障结构参数、顶部装置对声场分布和场点频谱特性的影响。对比分析了顶部装置的降噪效果，提出最佳结构。　　(3)提出了六种减载声屏障结构设计方案，基于减载率对比分析了六种减载结构的减载性能，最后详细调查了片式结构开孔率和叶片厚度对减载性能的影响，以期对结构优化和方案选择提供参考。　　(4)基于单元板隔声量计算模型，分析了不同材料参数和结构参数对减载声屏障隔声性能的影响。测试并分析了单元板隔声性能，调查了吸声材料、结构形式等参数的影响。根据隔声曲线提出了进一步提高单元板隔声性能的措施并选出最适合高速铁路噪声源的减载结构。　　(5)采用高速铁路户外噪声声学分析模型和减载声屏障透射声传播规律分析模型，分别研究了两类减载声屏障的降噪性能。优化结构形式，调查分析结构形式对插入损失的影响。　　(6)综合减载和降噪性能，考虑现场安装和安全，选出最佳结构，考核其声学性能。分析了声屏障后方场点声压分布规律，获得声压与速度的拟合关系。研究了不同高度的减载声屏障降噪效果，深入分析了频谱规律的影响。最后调查了速度对减载声屏障降噪效果的影响，提出了减载声屏障最佳使用速度范围。
作者：	何宾
专业：	载运工具运用工程
导师：	金学松
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文