高速铁路噪声产生机理、传播规律及控制对策研究

High-speed railway noise is one of the key factors restricting the sustainable development of high-speed railway. Therefore, it is proposed in this project to study generation of, propagation away from, and control measures for, high-speed railway noise. A wheel-rail noise prediction model, able to deal with high speed and high frequency wheel/rail interactions, will be developed to investigate generation mechanisms, key influencing factors and equivalent acoustic sources of wheel-rail noise. With the methods of large eddy simulation and acoustic analogy, generation mechanisms, key influencing factors and equivalent acoustic sources of bogie and pantograph areas will be investigated. Through field tests and vibro-acoustic theory, vibrations and equivalent sound sources of a high-speed railway viaduct will be determined. Signal processing methods including Independent Component Analysis (ICA), will be applied to separate wheel-rail noise from aerodynamic noise in a bogie area. Based on the acoustic wave theory for a moving source, propagation of high-speed railway noise into far field and contributions to total noise at an observation point will be examined. As a result of the above, acoustic characteristics of, and differences between, embankment, viaduct and station sections with ballast or ballastless tracks will be revealed, and relevant noise control strategies/measures will be proposed.

高速铁路噪声是制约高速铁路可持续发展的关键因素之一。为此，研究高速铁路噪声声源的产生机理、向线路两侧传播的规律及噪声控制对策。建立高速高频轮轨噪声预测模型，研究轮轨噪声的产生机理、关键影响因素和等效声源。应用大涡模拟和声学比拟方法，研究转向架和受电弓区域气动噪声的产生机理、关键影响因素和等效声源。结合现场测试和声辐射理论确定高架桥梁的振动和等效声源。应用独立成分分析等信号处理方法，研究转向架区域轮轨噪声和气动噪声的分离。基于移动声源的声波理论，研究高速列车运行在路堤、高架和站台区段有砟或无砟线路时轮轨噪声、气动噪声和桥梁噪声的传播和对观测点噪声的贡献量。通过以上研究，揭示不同区段和线路高速铁路噪声的特点和差异，提出噪声控制措施和对策建议。

本项目由上海工程技术大学牵头，联合同济大学风洞中心气动噪声研究团队和西南交大牵引动力国家重点实验室振动噪声研究团队，基于复兴号高速列车和典型高速轨道结构，研究高速铁路噪声源的产生机理、传播规律和控制措施。项目包括5个研究内容，分别是高速铁路轮轨噪声源机理深化研究、高速铁路气动噪声源机理研究、高速铁路高架桥梁结构噪声源特性及传播规律研究、高速铁路噪声传播规律研究、高速铁路噪声控制对策研究。项目取得了系列重要成果：创新周期结构理论、2.5维结构有限元和声学边界元方法，解决了多轮对与无限长周期轨道结构高速高频相互作用以及高频率、大尺度、高速移动复杂声源远场传播等关键科学问题，建立了国际领先的高速铁路轮轨噪声和高架桥梁结构噪声预测模型，阐明了高速条件下轮轨噪声和桥梁结构噪声的产生机理和规律特性；大涡模拟、声学比拟和风洞试验相结合，创新声源识别方法，解决了线路条件下转向架区域气动噪声产生机理关键科学问题，明确了声源分布和关键影响因素；建立了移动点源声压谱公式和移动物体振动声辐射边界积分方程，为深化轮对声辐射研究打下了坚实基础；基于移动点源声压谱公式和麦克风阵列声源识别数据，得到了列车不同部位对车外标准测点噪声的贡献量，同时结合预测模型，明确了轮轨噪声、气动噪声和桥梁结构噪声对车外标准测点的贡献频段；模型仿真、室内试验和现场测试相结合，研究了多环阻尼环车轮、多质量块宽频钢轨阻尼器、声学短路、主动射流、形状优化等源头降噪措施效果。培养博士6人，硕士16人，发表SCI论文31篇，EI论文28篇，受理或授权发明专利13项，全面完成了预定研究目标。重要理论成果发表在国际顶级刊物和主流会议上，技术成果开始用于中车四方、中车长春和中车唐山等主机厂动车组的研制。项目促进了我国在铁路噪声研究上的国际影响力，获得了第14届国际铁路噪声大会举办权，大会于2022年12月7-9日在上海成功召开。这是46年来该国际会议在中国的首次召开。