[发明专利]基于逆边界元的轨道交通桥梁噪声反演预测方法

说明书

本发明公开了一种基于逆边界元的轨道交通桥梁噪声反演预测方法，首先，建立精细的三维桥梁有限元模型并进行模态分析；其次，建立桥梁边界元模型并将模态位移导入作为边界条件求得桥梁的声模态传递向量；然后，在桥梁附近设置一系列测点测试列车通过时的桥梁噪声频谱；接下来，选定几个测点的实测噪声值，结合声模态传递向量进行声学反演，并与其余位置的实测值进行对比以验证逆运算结果的准确性，若不满足精度要求则增加用于反演计算的测点数量并重复逆运算直至反演精度满足要求；最后，对整个空间声场进行重构。本发明方法能够用于桥梁噪声声源的识别和重构，准确获得全空间噪声场的传播规律和分布特性，为进一步降低桥梁辐射噪声提供理论依据。

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种轨道交通桥梁噪声反演和预测的数值计算方法。

背景技术

自从1969年北京第一条地铁线路开通以来，中国的轨道交通迅猛发展，目前已有20多个城市开通了轨道交通线路，而伴随的噪声影响也日趋成为了一个重要的问题。上海、北京、广州、南京等各大城市，在轨道交通噪声问题上，每年都有大量的投诉。在城市轨道交通线路中，由于高架桥梁的造价要远低于地下隧道的造价，因此高架桥梁的长度占了很大的比例。列车通过桥梁时会引起的桥梁的结构振动，而桥梁的振动辐射噪声(二次结构噪声)会使得高架轨道交通系统噪声要比普通线路上的噪声更大。轨道交通噪声中200Hz以下的低频噪声主要由桥梁振动辐射产生，而低频噪声衰减慢，传播远，穿透力强，而且对人体的伤害很大，长期生活在低频噪声中的人容易产生失眠、注意力不集中、耳鸣和胸闷等各种症状。

为了降低轨道交通桥梁噪声，首先要对这种噪声的特性、空间分布及传播规律有较为清晰和深入地理解，现有的桥梁噪声研究主要采用两种：(1)现场实测方法。由于楼层的高度、距离轨道交通高架的距离差异很大，很难用测试方法对高架附近的全空间噪声分布进行分析，对于小高层甚至高层更为困难；(2)基于车-轨-桥耦合振动模型的数值仿真方法，即先预测桥梁振动响应，然后预测其辐射噪声。由于计算模型采用的轮轨粗糙度、钢轨扣件刚度和阻尼系数、桥梁相关参数等与实际情况的差异，使得预测获得的噪声值很难在整个空间所有位置都能与实际噪声值一致。因此，亟需一种能够精确预测桥梁附近空间噪声水平的方法。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明基于逆边界元方法，联合少数测点的实测噪声值和声模态传递向量来精确反演和预测整个空间内的桥梁噪声值，为城市轨道交通桥梁的减振降噪提供有力的技术支撑。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

(1)建立精细化三维有限元桥梁模型，进行模态分析并导出各阶模态位移和模态频率。作为优选，桥梁采用三维实体单元或者壳单元以反映结构的局部振动模态。

(2)建立桥梁声学边界元模型，将有限元模型计算获得的模态位移映射到结构外表面，进而计算桥梁的声模态传递向量，并对声模态向量矩阵进行正则化处理。作为优选，声学模型考虑相邻跨桥梁的振动噪声对总噪声的贡献，采用多跨桥梁模型，采用的跨数由最远关注场点的位置和桥梁的跨径决定；根据桥梁结构形式可以采用三维边界元或者2.5维边界元模型(截面均匀无变截面)；声模态传递向量矩阵可以通过QR分解、Tikhonov方法、奇异值分解方法、Landweber迭代方法等进行正则化处理。

(3)在桥梁附近布置一系列测点，测试列车通过时间段内的噪声频谱值。作为优选，测点布置形式可以为平面或者共形，测点的间距应尽量满足最大分析频率下一个波长两个测点的要求；测试时应保证本底噪声较小，不能对结构噪声的测试结果造成干扰。

(4)选取N个测点的噪声频谱并结合桥梁声模态传递向量进行声学反演以获得桥梁模态坐标频谱值。用于反演的各个测点需要尽量包含完整且唯一的声场信息，避免选用的测点间距过小造成信息重复或测点数量过少而采集的信息不够丰富；测点不宜集中在空间同一位置附近，应包含离轨道中心线水平或者竖直方向不同距离的测点。