一种高速铁路桥梁-声屏障耦联系统噪声的预测方法与流程
本发明涉及高速铁路噪声预测，特别涉及一种高速铁路桥梁-声屏障耦联系统噪声的预测方法。
背景技术：
1、随着我国高速铁路路网规模化建设，高架桥梁段占线路总长比例持续提升，桥梁附属声屏障已成为控制列车运行噪声传播的核心工程设施。列车高速行驶过程中，轮轨动荷载通过轨道结构传递至桥梁箱梁，进一步经连接节点传递至声屏障立柱与隔声单元板，引发桥梁-声屏障整体耦联振动，向外辐射形成二次结构噪声。该二次结构噪声与轮轨滚动噪声、车体气动噪声叠加耦合，是高铁沿线敏感点噪声超标的重要诱因。
2、目前行业内主流的二次结构噪声预测技术存在多方面技术缺陷，难以同时兼顾预测精度与计算效率，无法满足工程批量设计与精细化校核需求：
3、1.耦联机理缺失，低频预测偏差大：现有方法多将桥梁主体与声屏障解耦分析，忽略二者连接节点的振动传递与耦联共振效应，导致低频段结构共振峰值预测误差显著。
4、2.全频段单一方法，精度与效率失衡：全频段采用有限元法求解时，高频段模态密集、网格尺寸要求严苛，计算量呈指数级增长，算力成本极高；全频段采用统计能量法求解时，低频段模态稀疏、统计假设不成立，预测精度不足；中频过渡区缺乏声振双向耦合的精准处理，普遍存在单向传递假设，低估中频噪声水平。
5、3.声辐射计算效率低，适配性差：长大桥梁段多采用全三维边界元法计算声辐射，未利用结构纵向近似不变的特性做降维处理，多跨桥梁批量计算效率极低；高频段仍采用数值网格求解，未结合统计辐射效率方法实现快速预估。
6、4.声源贡献无法量化，工程指导性弱：现有方法仅能输出总二次结构噪声级，无法定量分离箱梁主体辐射与声屏障耦联振动辐射的贡献占比，难以支撑定向降噪优化与结构参数设计。
7、因此，亟需一种高速铁路桥梁-声屏障耦联系统噪声的预测方法，解决现有技术问题。
技术实现思路
1、本发明旨在解决现有技术中存在的至少之一的技术问题，提出了一种高速铁路桥梁-声屏障耦联系统噪声的预测方法。
2、第一方面，本发明实施例提供了一种高速铁路桥梁-声屏障耦联系统噪声的预测方法，包括：
3、s100.构建车辆-轨道-桥梁箱梁-声屏障一体化耦合动力学有限元模型，基于轮轨不平顺功率谱生成时域不平顺激励，经含非线性轮轨接触的车-轨-桥耦合动力学仿真，得到各车速下的频域轮轨动荷载；
4、s200.以所述频域轮轨动荷载为输入激励，以子系统模态重叠因子为频段划分依据，将分析频带划分为低频确定性共振区、中频声振耦合过渡区、高频统计辐射区，分别采用预设方法求解结构振动响应；
5、s300.针对各频段输出的结构振动响应，匹配差异化的高效声辐射计算方法，得到初步声辐射计算结果；
6、s400.引入几何泄漏与传播路径修正项，对所述初步声辐射计算结果进行全频带修正，得到贴合实际工程场景的受声点声场分布；
7、s500.基于修正后的声场数据，定量分离箱梁二次结构噪声、声屏障耦联二次结构噪声与轮轨直达噪声的贡献占比，经非相干能量叠加合成总声场，输出二次结构噪声预测结果。
8、进一步地，s100中，所述一体化耦合动力学有限元模型包含车辆、轨道、箱梁、支座、声屏障立柱、隔声板共六类子结构，模型中精准定义桥梁与声屏障的连接刚度、螺栓约束、支座阻尼与各部件结构损耗因子；轮轨界面采用非线性hertz接触模型，时域不平顺激励由轮轨不平顺功率谱密度经谱表示法反演生成。
9、进一步地，其特征在于，s200中，所述子系统模态重叠因子为子系统损耗因子与模态密度的乘积；所述低频确定性共振区频率范围为≤200hz，中频声振耦合过渡区频率范围为200-2000hz，高频统计辐射区频率范围为2000-6300hz。
10、进一步地，其特征在于，将分析频带划分为低频确定性共振区、中频声振耦合过渡区、高频统计辐射区，分别采用预设方法求解结构振动响应，具体包括：
11、对于低频区采用精细有限元法，对结构与声腔做整体耦合求解，输出结构表面确定性振速；
12、对于中频区采用fe-sea混合法，按模态重叠因子划分为确定性子系统与统计子系统，通过耦合损耗因子实现声振双向功率交换；
13、对于高频区采用统计能量法，通过子系统功率流平衡方程求解空间平均均方振速。
14、进一步地，所述fe-sea混合法按模态重叠因子阈值划分子系统属性：模态重叠因子小于1的部件设为确定性有限元子系统，模态重叠因子大于1的部件设为统计能量子系统；隔声面板、立柱与声腔子系统之间通过耦合损耗因子实现声振双向功率交换，腔体声场对结构面板的二次激励自然计入求解过程，无需后置单独修正。
15、进一步地，所述统计能量法通过建立子系统功率流平衡方程组求解各子系统振动能量，求解过程满足模态密度与耦合损耗因子的互易性关系；通过模态缩聚降低系统自由度，避免高频段精细有限元网格的算力爆炸问题。
16、进一步地，s300中，针对各频段输出的结构振动响应，匹配差异化的高效声辐射计算方法，具体包括：对于低中频区，以结构表面法向振速为边界条件，结合2.5d降维边界元与快速多极边界元求解空间声场分布；对于高频区，采用声辐射效率法计算各子系统辐射声功率，并经几何传播衰减映射至受声点，得到初步声辐射计算结果。
17、进一步地，所述2.5d降维边界元针对纵向近似不变的长大箱梁段，沿桥长方向作傅里叶变换将三维helmholtz方程转化为二维波数域问题，求解后经逆傅里叶变换叠加得到三维声场。
18、进一步地，s400中，所述几何泄漏与传播路径修正项包括端部绕射修正、缝隙透射修正、底部间隙修正、地面阻抗修正，以及支座、伸缩缝纵向不连续部位的局部声辐射修正。
19、进一步地，s500中，采用能量基贡献量分解方法定量分离三类声源贡献占比；输出的预测结果包括1/3倍频程频谱、沿线声场等值线、关键测点声压级和各类声源贡献占比。
20、本发明公开了一种高速铁路桥梁-声屏障耦联系统结构噪声精准快速预测方法，本发明以子系统模态重叠因子为依据，将全频带划分为低频确定性共振区、中频声振耦合过渡区、高频统计辐射区，分别匹配精细有限元法、fe-sea混合法、统计能量法求解振动响应；结合2.5d降维、快速多极边界元与辐射效率法实现分区高效声辐射计算，经几何泄漏与传播修正后，定量分离箱梁与声屏障的二次噪声贡献占比，最终合成总声场。本发明解决了现有技术耦联机理缺失、全频精度与效率失衡、声振耦合考虑不足、声源贡献无法量化的问题，预测误差小，计算效率显著提升，可广泛应用于高铁声屏障降噪设计、沿线噪声环评与既有线路治理。
21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22、1.全耦合建模，低频预测精度高：建立车-轨-桥-屏一体化耦合模型，完整还原振动传递路径，精准捕捉桥-屏耦联共振峰值，解决传统解耦模型低频模态缺失、误差大的问题。
23、2.全频带分区求解，兼顾精度与效率：以模态重叠因子为划分依据，低频用fem、中频用fe-sea混合法、高频用sea，匹配各频段的物理特性，既保证了低频共振的确定性精度，又避免了高频精细网格的算力爆炸，计算效率较全频段三维有限元提升一个数量级以上。
24、3.降维加速声辐射，适配工程批量计算：长大箱梁段采用2.5d降维方法，局部三维区域采用快速多极边界元，高频采用辐射效率法，多维度提升声辐射计算效率，可支撑多跨桥梁、多工况的批量预测。