СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ШУМА КОЛЕСНЫХ ПАР РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА О СТЫКИ РЕЛЬС
METHOD TO REDUCE NOISE OF WHEELSETS OF RAIL TRANSPORT AGAINST RAIL JOINTS

Заявляемое изобретение относится к способам снижения шума рельсового транспорта, например трамвая, используемого главным образом в крупных городах. До настоящего времени наиболее массовый и экономичный рельсовый транспорт в Российской Федерации вносит наибольшую составляющую в общий уровень фонового шума, особенно в городских и пригородных инфраструктурах. Несмотря на использование в вагонах и на рельсовых путях эффективных средств вибро- и звукоизоляции или поглощения (патент №2343243, опубл. 2009.10.01 «Балластный слой рельсового пути»), практически не исключено возникновение высокого уровня инфразвуковых и/или низкочастотных вибраций и воздушных шумов. Последние генерируются ударами (и взаимодействием) колесных пар вагонов о термо- и технологические стыки, неровности, как в вертикальной («юзовой»), так и горизонтальной «волнистости» рельс в результате эксплуатационного износа, торможений и метеоусловий в воздухе и верхнем строении пути, а также из-за соударения вагонов.
Наиболее высокий уровень шума отмечается в области контакта подошвы рельс, колесных дисков, рам тележек и нижней рамы кузова вагонов. Так, под серединой пола пассажирского вагона, движущегося со скоростью 120 км/ч, уровень шума достигает 110…115 дБА, что примерно на 20 дБА выше, чем на его крыше, и на 10…15 дБА выше, чем у стен вагона. Спектр такого шума достигает максимума в октавной полосе 31,5 Гц и резко снижается примерно на 50 дБ в полосе 8000 Гц. Основным источником ударного шума, безусловно, являются стыки между рельсами в момент соударения с колесными парами вагона. При этом при стандартном способе укладки стык одного рельса расположен напротив стыка другого рельса.
Одним из радикальных методов уменьшения ударного шума является применение длиномерных (до 800 м) бесстыковых рельсовых «плетей» с укладкой на железобетонные шпалы со специальными амортизаторами, ослабляющими генерацию вибраций и шумов (патент №2112102, опубл. 1998.05.27 «Способ укладки рельсовой плети бестыкового пути»). Использование подобных бесстыковых рельс на открытых пространствах приводит к уменьшению воздушного шума до 10 дБ, однако под эстакадами, в узких улицах и тоннелях ослабление уровня шума не превышает 2…3 дБ. В целом это объясняется более эффективной звукопередачей и излучением структурных шумов взаимодействия колес с рельсами в более длительной временной «связке», заметной на слух. Здесь скорость распространения возмущений более чем на порядок выше скорости звука в воздухе и вызывает «гудение» рельс. Кроме того, такие пути более резко реагируют на изменение атмосферных условий в воздухе и на почве, а стоимость их изготовления, монтажа и ремонта - более чем в 2…3 больше обычных.
Технический результат, на решение которого направлено заявляемое техническое решение, является повышение эффективности снижения шума колесных пар рельсового транспорта о стыки рельс.
Для получения указанного технического результата в способе снижения шума колесных пар рельсового транспорта о стыки рельс, являющиеся источниками шума в момент соударения, стык одного рельса расположен относительно другого рельса на расстоянии d, обеспечивающем сдвиг по фазе между источниками шума π, таким образом, ударный шум колесных пар о стык одного рельса компенсируется ударом колес о стык другого рельса, при этом , где k - волновое число в виде отношения угловой частоты ω к скорости звука в воздухе с.
Данный способ основан на методе авто - или взаимной компенсации звука.
Практическая реализация дипольного (компенсационного) эффекта получена путем формирования когерентных пар ударных монопольных источников, образующих в свою очередь некогерентные дипольные источники с акустическими осями, направленными вдоль магистрали под сравнительно малыми (15…20°) углами. Подобное достигается путем замены параллельных стыков на паре рельс - на последовательные, например, на правом рельсе относительно левого или наоборот, со смещением на определенное расстояние в зависимости, главным образом, от скорости движения составов на данном участке магистрали. В свою очередь, отмеченное расстояние устанавливает корреляционную (по времени) взаимосвязь между акустическими импульсными сигналами.
На фиг.1 показана схема определения акустического взаимодействия двух импульсных источников: 1 - первый источник, которым является стык одного рельса, 2 - второй источник - стык второго рельса.
На фиг.2 изображены временные огибающие суммарного звукового давления при расположении микрофона вдоль рельс а) - для параллельно расположенных стыков, б) - для последовательно расположенных стыков.
c
1
2
1
2
Из фиг.1 следует, что суммарное звуковое давление p, как функция акустических мощностей и расстояния r, для некоторой точки М, смещенной под углом θ относительно нормали X к базе d, по принципу суперпозиции есть сумма давлений p и p от соответствующих источников с некоторыми фазами ψ и ψ, т.е.
где A - некоторая постоянная; к=ω/с - волновое число в виде отношения угловой частоты ω к скорости звука в воздухе c.
1
2
1
2
Полагая направления r и r параллельными радиус-вектору r в дальнем поле, можно считать равными амплитуды давлений p и p, так как Δr<<r.
1
1
1
2
1
2
r
1
2
Тогда A/r≈A/r=A/r и разность хода между r и r относительно r есть приближенно: r=r+Δr, а r=r-Δ, следовательно, p отстает по фазе, а p опережает давление центрального (мнимого) источника на одну и ту же величину Δψ=ωΔt=(ω/c)Δr=kΔr. С учетом последнего (1) примет вид
0
1
2
2
1
где ψ=(ψ+ψ)/2 - средняя начальная фаза; Δψ=ψ-ψ=kd - разность начальных фаз; Δr=(d/2)sinθ - интерференционная разность хода под углом θ.
1
2
m.c.
Принимая равенство p=p=р для двух примерно идентичных источников, после несложных преобразований будем иметь для амплитуды суммарного давления p как функции от Δψ, θ и ω
При выборе расстояния d между стыками рельс в соответствии с примерно равными основными частотами ударных импульсов так, чтобы обеспечить Δψ=π, и учета sin(90°-θ)=cosθ для акустической оси двух источников, получим выражение для амплитуды разностного давления
Таким образом, противофазный режим взаимодействия источников переводит их из режима монопольного излучения в режим дипольного (градиентного) излучения с диаграммой направленности, близкой к «восьмерке» вращения
m.p.
m.c.
Кроме того, зависимость (3) определяет «жесткую» мультипликативную связь давления p (так же, как и p) и общей акустической мощности источников Pa с интерференционной (корреляционной) составляющей. Так, для нашего случая, опуская промежуточные выкладки, можно получить
Как видно, именно при выборе достаточной разности во времени прихода импульсов в точку наблюдения, т.е. Δψ=kd→π в низкочастотном диапазоне, достигается наибольшая компенсация их основных составляющих и нечетных гармоник.
Относительная оценка изменений временных огибающих и энергетических спектров, включая мгновенные (пиковые) значения суммарного звукового давления, для параллельных (фиг.2) и последовательных (фиг.3) стыков на рельсах проводилась при использовании компьютера и анализатора спектра 3360 (B&K). Измерительный микрофон устанавливался вдоль рельс на расстоянии 1 м от параллельного стыка и в середине промежутка между последовательными стыками. На фиг.2 показаны временные огибающие давления во временном окне 4 сек с максимальным размахом 20 дБ.