基于波导有限元和模态理论的铁路混凝土箱梁声辐射机理研究

Wheel-track irregularity excitation causes vibration of concrete box-girder bridge, which then radiate noise. The low-frequency characteristic of it arouses annoyance, uneasiness, and thus become an insolvable problem. Based on the waveguide finite element and modal theory, this project combines theoretical analysis, numerical simulation and field test to explore the sound radiation mechanism of box-girder bridge from two levels of energy input and its intrinsic vibration-sound radiation characteristics. Based on pre-established hybrid FEM/BEM model, the spectral characteristics and dominant frequencies of box-girder bridges are analyzed to establish the internal relations of them with various influencing factors, and as a starting point for future research. Then, the waveguide finite element method (WFEM)is adopted to establish the vibration power flow model of train-track-bridge coupling system in frequency-domain, and the mechanism of vibration power flow of box-girder bridge is reveled. From the local vibration mode and multipole theory, the laws of vibration mode acoustic radiation efficiency and acoustic radiation directivity are determined. After that, the mechanism of cavity resonance phenomenon and its countermeasures are studied based on cavity acoustic mode of box-girder bridge. At last, based on acoustic radiation modal theory, a bridge between the acoustic radiation modes and vibration modes is established, and the dual mechanism of vibration and noise reduction is reveled. The achievement will make a good reference to the vibration and noise mitigation theory and engineering applications.

混凝土箱梁在轮轨不平顺激励下发生振动并辐射噪声，该噪声由于频率较低易引起人们烦扰、不适，是一种难以控制的噪声源。本课题基于波导有限元和模态理论，采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法，从外界能量输入和箱梁固有振动声辐射特性两个层次探索箱梁的声辐射机理。基于前期建立的混合有限元/边界元模型，分析箱梁结构噪声的频谱特性和优势频率范围，建立噪声频谱特性与各影响因素的内在联系，作为后续研究的出发点；基于波导有限元法，在频域内建立车-线-桥耦合系统振动功率流模型，揭示箱梁振动功率流的传递机制；基于局部振动模态和多极子理论，揭示箱梁振动模态声辐射效率、声辐射指向性的规律；基于空腔声模态理论，探讨箱内"空腔共鸣"现象的发生机理及其解决措施；基于声辐射模态理论，建立振动模态和声辐射模态之间的桥梁，揭示箱梁减振、降噪的双重机理。本项目研究成果可为箱梁减振、降噪理论及工程应用提供科学的理论依据。

混凝土箱梁是我国铁路高架桥梁中使用比例最高的梁型，其辐射的低频噪声是重要的铁路噪声源之一。本项目从箱梁结构噪声的频谱特性出发，分析典型箱梁的频谱特性及优势频率，并从外界能量输入和箱梁固有振动声辐射特性两个层次开展研究工作。首先，对典型混凝土简支箱梁开展振动与噪声现场试验，并发展了箱梁结构噪声分析的混合有限元/边界元法和混合有限元/统计能量分析法，进而掌握了典型混凝土箱梁结构噪声的频谱特性及优势频率成分；然后，建立频域内车-线-桥耦合系统振动功率流传递模型，揭示了车致箱梁振动功率流的传递规律；最后，采用数值仿真分析和现场试验数据明确了箱内空腔声模态对结构噪声的影响规律，并通过振动模态和声辐射模态解释了箱梁的声辐射行为。研究成果成功应用于广州地铁14号线4×40 m连续刚构、深茂高铁32 m简支箱梁等实际工程，为其减振降噪设计提供了直观、快速、有效的分析手段。经过三年的研究，已完成了预期的各项内容和指标。项目负责人以第一作者或通讯作者发表期刊论文20篇（含5篇录用论文）、会议论文4篇，其中：SCI收录7篇，包括2篇声学领域的权威刊物《Journal of Sound and Vibration》、2篇铁路工程领域的权威刊物《Journal of Rail and Rapid Transit》；EI收录12篇，包括3篇《土木工程学报》、4篇《铁道学报》、1篇《振动工程学报》。向科学出版社提交专著1本——《铁路桥梁噪声辐射理论与应用》。受理实用新型专利1项。在人才培养方面，联合培养了博士生4名（2人已获学位），硕士生5名（3人已获学位），其中：2篇博士学位论文和3篇硕士学位论文分别获得西南交通大学2016年度优秀学位论文；9人次获得国家奖学金。此外，项目负责人被聘为西南交通大学首届“雏鹰学者”（青年教师拔尖人才培育计划），并于2016年12月晋升副教授。在国内外学术交流方面，参加了第9届结构动力学国际会议（葡萄牙波尔图）、第45届国际噪声控制工程大会（德国汉堡）、第14届结构工程国际研讨会（北京）和第14届全国噪声与振动控制工程会议（南京）；2014年10月至2015年6月，项目负责人受国家留学基金委全额资助赴澳大利亚科廷大学访学，合作导师为郝洪教授（澳大利亚工程院院士）；2016年7月，郝洪教授受邀来课题组交流1周。