用于轨道交通的轨道声学振动主动衰减系统、方法及承载元件与流程

1.本发明涉及一种用于主动衰减轨道交通的轨道声学振动的系统及方法，以及用于轨道交通的轨道的承载元件，用于通过所述系统主动衰减轨道声学振动。
现有技术
2.许多铁路线经过噪音敏感区，例如城市。尤其在夜间，当许多货运列车在途中时，居住在那里的人们会受到相当大的声污染。甚至发现了铁路交通噪音会导致医疗状况。
3.在与大多数铁路行驶相关的约40公里/小时至约280公里/小时的速度范围内，铁路行驶的噪声辐射主要取决于轮轨接触处产生的滚动噪声。车轮在轨道上滚动时会产生滚动噪音。在滚动期间，导致轮组及钢轨的竖直激励的轨道与车轮行驶表面的表面及结构不规则性，主要由材料结构、磨损及腐蚀决定，从而在其中引起振动，并以空气噪声辐射到周围空气中以及以结构噪声进入钢轨的下部结构。
4.轨道接头、交叉组件、平坦点以及轨道的地块进一步导致可分配到轮轨系统的脉冲形噪声。
5.市场上已经有一些被动方式的解决方案，例如，为轨道本体提供覆盖物以减少空气噪声的传递，或在轨道或枕木下方使用减振衬垫将这些部件与地面隔离，以减少结构噪声传递到轨道的下部结构。此外，在铁路车厢的每个车轮中装有系统，以减低在车轮本体振动所产生的噪音。
6.然而，上述被动方式的系统最多只能将释放的声压级降低3分贝(db)(a)，然而，根据列车的速度，需要处理远大于60db(a)的声压级。
7.专利ep 1 497 164 b1的说明书描述了一种用于减低轨道车辆声音传播的方法。在所述过程中，至少一个振动传感器检测到由轮对产生及/或传递的令人烦扰的振动。一种用于针对来自至少一个振动传感器的信号进行频率分析的装置，以识别具有最强谐波激励的频率。通过误差传感器测量传递到车厢主体的残余振动。然后，参考来自至少一个误差传感器的信号的情况下，产生用于至少一个致动器的控制信号。至少一个致动器使传递到车厢主体的残余振动最小化。
8.专利de 198 24 125 c1的说明书公开了一种方法，用于主动抑制与底盘相关的在轨道车辆的乘客舱的振动激励，尤其是空气噪声激励。于此，设置有检测中间框架或初级弹簧上方的车厢主体的振动的振动传感器。此外，提供有致动器，通过所述致动器可将补偿力平行地施加于分别分配给盘形轮的初级弹簧。在所述过程中，控制装置根据振动产生由用于致动器的盘形轮的旋转频率的一个或多个整数倍的频率分量组成的控制信号。在所述过程中，控制装置确定各个频率分量的相位及幅度，从而使相应振动最小化。
9.专利申请de 198 42 345 a1公开了一种轨道车辆，其包括车辆上部结构，在所述上部结构上设置有至少一个用于节能有效地衰减车辆上部结构的振动的减振器装置，根据来自分配于车辆上部结构的至少一个振动传感器的控制信号，控制减振器装置的振动频
率。减振器装置包括弹簧及优选地实施为液压气动致动器的衰减器元件。被动减振器的质量体通过致动器耦联于车辆的上部结构。
10.引用的文件描述了用于衰减铁路车厢的车辆上部结构的振动，特别是声学振动的系统，从而导致铁路车厢的噪声排放减少。这些系统都完全集成于铁路车厢中，只有当所有经过噪音敏感区域的铁路车厢都配备了上述系统时，才能实现有效的降噪。为整个列车队配备上述系统将需要大量成本。
11.技术目的
12.本发明的目的是提供一种成本有效的系统及方法，用于有效地减低轨道交通中的噪声辐射。
13.技术方案
14.本发明的主题提供一种根据权利要求1所述的系统，其实现了所述技术目的。类似地，所述目的通过根据权利要求11的承载元件及根据权利要求14的方法实现。有益的实施例由从属权利要求中示出。
15.实施例的描述
16.本发明涉及一种用于轨道交通的主动衰减轨道声学振动的系统，所述系统包括用于检测轨道的至少一个竖直声学振动的至少一个传感器、用于激励轨道的至少一个直竖反振动的至少一个致动器，及通信地连接于至少一个传感器及至少一个致动器的至少一个控制单元，以及用于根据传感器检测到的振动控制至少一个致动器。
17.在本发明的含义中，术语“声学振动”是指人类可听觉感知的、频率在20赫兹(hz)至20千赫兹(khz)的频率范围内的振动，尤其是在0.5千赫兹(khz)至10千赫兹(khz)的最高听觉灵敏度的频率范围内的振动。
18.优选地，所述至少一个振动及所述至少一个反振动，分别包括分别具有多数个彼此不同的频率及振幅，尤其是取决于时间的振动频谱或反振动频谱。
19.轨道的至少一个振动，例如，是由轨道车辆的车轮在轨道上的滚动引起的，与车轮的振动共同构成轨道车辆的轮轨道噪声来源。
20.所述至少一个传感器可以包括例如附接于轨道的压电传感器、磁感应传感器及/或微机电传感器。所述系统可包括传感器，其设置为误差传感器，用于测量在振动被反振动叠加时，传递到承载元件及/或轨道的下部结构的残余振动。借助于误差传感器，控制单元可有利地在闭环控制中控制反振动。
21.由于轮轨噪声通常主要由轮轨系统的竖直振动引起，至少一个传感器被设置为用于检测至少竖直振动，并且至少一个致动器用于激励竖直反振动。
22.至少一个控制单元优选地包括计算机设备，例如单芯片系统、嵌入式计算机系统、存储器可编程控制器、网络客户端及/或网络服务器。所述至少一个控制单元可以无线及/或有线方式通信地连接于所述至少一个传感器及/或所述至少一个致动器。
23.反振动适用于抵消性地干涉检测到的振动。通过叠加反振动，轨道的振动按照主动噪声补偿原理被衰减，从而轨道噪声辐射被降低。
24.至少一个致动器机械式地耦联于轨道及相对于轨道的下部结构静止的配重。在本发明的含义中，术语“下部结构”是指静态地支撑轨道，尤其是间接地通过轨道底座静态地支撑轨道的整体结构。除了地面的空间形态(如地形、路堤、路堑、侧堑)外，还包括一些工程
结构(如支撑墙、回程及挡土墙、桥梁、跨界结构及通道)。配重可以机械式地连接于下部结构及/或通过配重的惯量固定就位。由于与配重的机械连接，致动器可于轨道产生相对于下部结构的反振动。
25.由于至少一个致动器与轨道耦联并衰减铁轨的振动，尤其是从轨道到下部结构及其周围环境，例如附近建筑物，)的结构噪声传递得以降低。此外，还减低了由轨道辐射的空气噪声，尤其是当下部结构包括桥结构时，所述桥结构本身可能被轨道发出的结构噪声激励而振动。
26.与完全集成于轨道车辆中的系统相比，至少一个致动器在轨道上的布置是有益的，因为仅需在轨道部分，尤其在受影响的区域内，设置根据本发明的系统，即可有效降低噪音。如此，与须在所有通过所述区域的轨道车辆配置降噪系统的情况相比，成本较低。
27.此外，如果轨道车辆由不同的供应商运营，则需要所有相关方采取一致行动，为所有轨道车辆配备降噪系统。相比之下，铁路路段的责任通常由单个铁路网络运营商负责，因此与为所有铁道车辆配备降噪系统相比，为所述路段配备根据本发明的系统，可简易地实施。
28.所述至少一个致动器优选地包括至少一个压电致动器。压电致动器的优点在于其维护成本特别低且耐用，这对于在轨道上的布设特别有利，以便无需缩短与轨道车辆相比更长的轨道维护周期。
29.至少一个致动器优选地设置为在适当的频率范围、振幅范围及输出范围内激励轨道的反振动，以补偿由轨道车辆的轮轨接触产生的典型振动。
30.所述至少一个致动器优选地包括至少一个堆叠压电致动器。通过将多个相同或不同类型的压电致动器组合成堆叠压电致动器，可以尤其合适的方式，设置用于激励反振动的致动器的频率范围、振幅范围及/或输出范围。
31.具体地，通过在系统操作期间可变地控制堆叠致动器的各个致动器，堆叠致动器的频率范围、振幅范围及/或输出范围可以动态地适配于检测到的振动。
32.配重优选地包括支撑轨道的承载元件。通过这种方式，可以省略单独的配重，从而可以尤其具有成本效益及简易的方式安装系统。例如，承载元件包括轨枕、所谓的实心轨道的元件，尤其是底座，及/或在其上铺设轨道的轨道下部结构的元件。
33.优选地，至少一个致动器将轨道的下侧机械式地连接于承载元件。在轨道的下侧，尤其有效地用于产生竖直反振动的耦联是可能的。在最简单的情况下，轨道直接放置在至少一个致动器上。
34.所述系统优选地包括针对所述轨道与所述承载元件之间的力传递平行布置于至少一个致动器的至少一个支撑元件，以静态地支撑轨道。所述承载元件防止至少一个致动器因轨道及在使用时在其上的轨道车辆的重力而过载。
35.所述支撑元件可包括减振层，例如，尤其是纤维增强弹性体，用于例如枕木的衬底或减振衬垫。所述减振层允许由致动器激励的轨道移动，并通过有限的可压缩性确保轨道与承载元件之间的最小距离，以保护致动器避免过载。
36.此外，所述减振层减少向承载元件传递的未被反振动抵消的部分轨道振动。进一步地，所述减振层能够借助固定元件将轨道偏压在至少一个致动器上。偏压在压电致动器中是尤其有益的，因压电致动器通常可在压力方向上施加比在拉力方向上较大的力，例如
大十倍的力。偏压支持轨道在致动器的拉力方向上的运动，并抵消轨道在致动器的压力方向上的运动。
37.针对所述至少一个致动器与所述承载元件之间的力传递，优选地，提供有用于减低致动器施加于所述承载元件上的压力的减压元件。例如，减压元件可增大致动器在承载元件上的支承表面，从而降低了压力。所述减压元件通过例如承载元件中的局部应力集中，减低承载元件上的机械负载，从而提高其耐久性。
38.减压元件包括，例如套筒，例如金属板，其中至少一个致动器至少部分地布置于承载元件中。
39.轨道优选地通过至少一个固定元件固定于承载元件。至少一个固定元件包括，例如，固定夹，用于将轨道压到承载元件上及/或从轨道构造中已知的上部结构“w”、上部结构“k”或上部结构“ks”。
40.优选地，针对轨道与承载元件之间的力传递，至少一个致动器与紧固元件串联布置及/或所述致动器替代固定元件。将至少一个致动器布置于固定元件上或替代固定元件的布置，具有比布置在轨道的下侧的情况具有较简易的可接触性的优点，从而有利于致动器的安装及维护，尤其是使用致动器改装现有轨道。
41.优选地，用于衰减从轨道到承载元件的振动传递的至少一个减振元件，针对轨道与承载元件之间的力传递，与固定元件串联布置，及/或固定元件本体被设置为用于减低从轨道到承载元件的振动传递，例如，通过适当的形式及/或材料选择。
42.所述减振元件可包括减振层，例如，尤其是纤维增强弹性体，例如，用作枕木的衬底或减振衬垫。减振层可减少向承载元件传递的未被反振动抵消的部分轨道振动。
43.当至少一个致动器与固定元件串联布置时，优选地，没有减振元件与相同的固定元件串联布置，并且固定元件本身不被设置为可减振，以使被激励的导轨反振动不被致动器衰减。
44.所述至少一个传感器优选地设置为用于检测横向于轨道的纵轴的轨道水平振动，并且所述至少一个致动器优选地设置为用于激励横向于轨道的纵轴的轨道水平反振动。以此方式，有益地，除了竖直振动之外，还可主动减弱横向于轨道的纵轴的轨道水平振动，以实现全面降噪，尤其是在轨道的弯曲处。
45.所述至少一个致动器优选地包括至少一个具有第一运动轴的第一致动器及具有第二运动轴的第二致动器，所述第一运动轴与所述第二运动轴不平行于彼此定向，优选地彼此正交。通过叠加两个致动器及其它潜在的致动器的运动，可激励轨道在不同方向上的反振动，尤其是横向于轨道的水平方向及竖直方向的反振动。两个或多个致动器可组合成堆叠致动器。
46.所述至少一个传感器优选地包括至少一个具有第一测量轴的第一传感器及具有第二测量轴的第二传感器，所述第一测量轴和所述第二测量轴不平行于彼此定向，优选地彼此正交。使用这两个传感器及其它潜在的传感器，可检测到轨道在不同方向上，尤其是横向于轨道的水平方向及竖直方向的振动。
47.所述系统优选地包括至少一个用于向系统供应能源的能源供应单元，所述能源供应单元包括至少一个用于局部发电的发电元件，优选地包括光伏元件及/或压电元件，以及至少一个能源储存器，例如用于储存由发电元件产生的能源的累加器。
48.使用能源供应单元，可省略系统与外部电源的昂贵连接，例如与市政电网或铁路电网的连接。
49.光伏元件可布置于例如噪声防护墙上。压电元件可耦联于例如轨道，用于将轨道车辆引起的轨道振动转换成电能。
50.所述系统优选地包括用于在至少一个致动器与轨道之间传递力的至少一个传动元件，所述传动元件包括用于重定向所述传递力的有效方向的重定向元件、用于平移传递力的平移元件及/或用于限制传递力的过载保护。
51.借助于重新定向元件，例如杠杆系统及/或楔形偏转，至少一个致动器可在例如轨道的下侧运作而不必直接布置在轨道下方。以这种方式，致动器被保护避免过载，例如由轨道及在其上行驶的轨道车辆的重力而导致的过载，并且可以更简便地被触及，例如用于安装、维护及/或改装。
52.过载保护，例如滑动离合器，还保护致动器避免过载，例如由轨道及在其上行驶的轨道车辆的重力而导致的过载。
53.传动元件尤其可被设置为将多个具有例如不同运动轴的致动器机械式地耦联于轨道。
54.所述系统的一个特别优点为将至少一个致动器及至少一个传感器设置于例如轨道下方，可以对例如打磨轨道的上侧或更换轨道这类一般维护工作不产生不利影响。以这种方式，所述系统不同于例如将噪声吸收器直接附接于轨道以降低噪音的现有系统。
55.本发明涉及一种用于轨道交通的轨道的承载元件，用于主动衰减轨道的声学振动，包括根据本发明的系统及根据本发明的包括所述承载元件的系统。
56.例如，承载元件包括用于将轨道铺设于砾石床上的轨枕，或用于铺设轨道的所谓的实心轨道的元件，尤其是底座。所述承载元件尤其可具有根据现有技术习惯的轨枕或实心轨道的元件的特征，例如关于轨道的形状、尺寸、材料成分及/或固定元件。这带来的优点是，可使用根据现有技术的普通装置及方法，特别是使用自动化的轨道铺设列车，快速且成本低廉地安装及拆卸承载元件。
57.系统的至少一个致动器优选地至少部分地集成于承载元件中，例如布置在轨道下方的承载元件的凹槽中。此外，系统的其他部件，例如至少一个传感器、至少一个控制单元、供电单元及/或传动元件，也可至少部分地集成在承载元件中。通过将系统集成或至少部分集成于承载元件中，系统可以尤其简易及快速的方式与承载元件一并安装。
58.承载元件优选地包括至少一个服务通道，用于在支撑轨道的承载元件处于安装状态下，对至少一个致动器进行维护及/或更换。例如，服务通道包括在相邻于轨道的承载元件的上侧上的可关闭开口。
59.通过服务通道，可维护、更换或改装集成于承载元件中的系统的至少一个致动器，以及在适用情况下的其他组件，而无需为此目的拆卸承载元件或轨道。
60.承载元件尤其可以首先安装于轨道交通路径中，而不需根据本发明的系统的其它组件，以实现根据现有技术水平的承载元件的功能，而无需显着的额外成本。当需要时，根据本发明的系统可轻易地被改装。
61.所述承载元件也可，例如首先安装有仅用于激励竖直反振动的致动器，然后再改装有用于激励水平反振动的另一个致动器。
62.本发明涉及一种具有至少一个轨道的轨道交通路径，尤其是至少两个轨道，包括至少一个个据本发明的系统，用于主动衰减至少一个轨道的声学振动。
63.所述系统优选地包括一定数量，尤其是多个沿轨道间隔设置的传感器及多数个沿轨道间隔设置的致动器，传感器的数量优选地小于多数个致动器的数量。
64.由于沿轨道的良好声音传导特性，用于检测轨道振动的传感器的数量可选择为小于用于产生反振动的致动器的数量，而不会显着影响检测质量。由传感器检测到的振动可由单个控制单元进行分析，或者也可由用于控制致动器的多个控制单元进行分析。
65.本发明涉及一种用于主动衰减轨道交通的轨道声学振动的方法，尤其包括根据本发明的系统，包括由至少一个控制单元执行至少以下的步骤：
66.a)通过至少一个传感器，自动检测至少轨道的竖直振动，
67.b)通过至少一个致动器，自动激励至少轨道的竖直反振动，
68.c)其中反振动适配为抵消性地干涉检测到的振动，及
69.d)其中，所述至少一个致动器机械式地耦联于所述轨道及支撑所述轨道的承载元件。
70.所述方法的设置选项及优点显示出于类似根据本发明的系统。
71.控制单元可基于检测到的振动，使用主动噪声补偿领域内已知的方法计算反振动。可替代地，控制单元可使用检测到的振动以检测列车的到达，并且优选地检测到达列车的列车类型。
72.一旦检测到列车的到达，控制单元就可控制至少一个致动器，例如用于激励通用的反振动，所述通用的反振动适配为抵消性地干涉通常由在相关轨道上行驶的列车所产生的轨道振动。使用通用的反振动的优点为无需为每个到达的列车重新计算反振动，因此控制单元可设置为性能较低且成本效益较高。通用的反振动可通过自学习算法确定，例如，基于先前检测到的振动确定。
73.优选地，一旦检测到特定列车类型的列车到达，控制单元控制至少一个致动器以激励对应特定列车类型的反振动。在此，可根据检测到的振动及/或基于到达时间与列车时刻表的比较来确定列车类型。使用特定于列车类型的反振动的计算成本低于基于检测到的振动计算反振动的成本，并且通常能够实现比通用的反振动强烈的减振。特定于列车类型的反振动可通过例如基于先前检测到的与相关列车类型有关的振动的自学习算法确定。
74.控制单元可使用系统的至少一个传感器为误差传感器，以测量在反振动的激励期间传递到承载元件及/或轨道的下部结构的残余振动。优选地，控制单元在闭合控制回路中控制反振动，使得残余振动最小化。
75.所述方法优选地包括由至少一个控制单元以执行至少以下的步骤：
76.a)通过至少一个传感器，自动检测至少轨道的水平振动，
77.b)通过至少一个致动器，自动激励至少轨道的水平反振动，
78.c)其中反振动适用于抵消性地干扰检测到的振动。
79.本发明的一个特别优点是可抵消产生的轨道交通噪声。特别地，通过这种方式，由于已经无需大型隔音墙，尤建造轨道交通轨道所需的空间可以较小。
80.此外，减少轨道中的振动可减低车轮及轨道的磨损。由于减低了车轮的磨损，在不包括根据本发明的系统的路段上也可减低轮轨噪音。
81.理想情况下，可通过减低噪音排放以解除夜间列车的交通禁令，以便更多的列车可通过噪音敏感区域。由于减低了噪音辐射，住在靠近铁路轨道的地方将更具吸引力。这将提高轨道交通作为一种高效、环保的物流系统的接受度。
附图说明
82.本发明的进一步的优点、目的及特征将在以下描述及附图的协助下解释，附图中示出了根据本发明的示例性主题。附图中在其功能方面至少基本相同的特征可用相同的附图标记表示，这些特征不必在所有附图中进行编号及解释。
83.图1示出根据本发明的系统的示意图。
84.图2示出根据本发明的系统的另一个示意图。
85.图3示出根据本发明的系统的另一个示意图。
86.图4示出根据本发明的系统的另一个示意图。
87.图5示出根据本发明的铁路交通轨道的示意图。
88.图1
89.图1示出根据本发明的用于主动衰减用于轨道交通的至少一个轨道310的声学振动的系统100的示意图。在图1中，以示例性方式，示出轨道的两个平行延伸的轨道310，及设置于其上的轨道车辆的两个车轮r。
90.例如，系统100分别包括用于检测每个轨道310的竖直声学振动的一个传感器110，例如压电传感器，分别包括用于激励轨道310的竖直反振动的一个致动器120，例如压电致动器，及与传感器110及致动器120(连接器未示出)通信连接的控制单元130，例如用于根据传感器110检测到的振动控制致动器120的嵌入式计算机系统。
91.致动器120机械式地耦联于相应的轨道310及支撑轨道310的承载元件200，例如轨枕，及将例如相应的轨道310的下侧机械式地连接于承载元件200。
92.所述系统包括针对所述轨道310与所述承载元件200之间的力传递平行布置于至少一个致动器120的支撑元件150，以静态地支撑相应的轨道310。
93.所述支撑元件150包括例如弹性体的减振衬垫，可与相应的致动器120集成。
94.图2
95.图2示出根据本发明的系统100的另一个示意图。
96.与图1相比，图2仅示出其上相应布置有传感器110及致动器120的一个轨道310。
97.此外，还示出固定元件220，例如将轨道310压到承载元件200上的固定夹。特别地，所述固定元件220可在设置于轨道310下方的支撑元件150中的致动器120上产生压缩偏压，例如在弹性体的减振衬垫中产生压缩偏压。
98.所示系统100包括减压元件160，例如金属套筒，其布置为限制由致动器120施加于承载元件200上的、致动器120与载体200之间传递的力的压力。
99.所示系统100包括误差传感器111，用于测量传递于承载元件200的残余振动。
100.图3
101.图3示出根据本发明用于轨道交通的系统100的用于主动衰减的至少一个轨道310的声学振动的另一示意图。
102.所述系统100包括，例如，用于检测轨道310的竖直声学振动的传感器110，例如压
电传感器，用于激励轨道310的竖直反振动的致动器120，例如压电致动器，及通信地连接于传感器110及致动器120的控制单元130，例如用于根据传感器110检测到的振动控制致动器120的嵌入式计算机系统。通信连接以虚线方式示出。
103.所述致动器120机械式地耦联于相应的轨道310及支撑轨道310的承载元件200，例如轨枕，及将例如相应的轨道310的下侧机械式地连接于承载元件200。这些及以下描述的机械式连接以实线方式示出。
104.所述系统包括针对所述轨道310与所述承载元件200之间的力传递所平行布置于至少一个致动器120的支撑元件150，以静态地支撑轨道310。
105.所述支撑元件150包括例如弹性体的减振衬垫，可与相应的致动器120集成。
106.所述轨道310优选地通过至少一个固定元件220固定于承载元件200。至少一个固定元件220包括例如上部结构“w”、上部结构“k”或上部结构“ks”，其从轨道建设可知。
107.针对轨道与承载元件之间的力传递，优选地，用于衰减从轨道310到承载元件200的振动传递的至少一个减振元件与固定元件220串联布置。
108.所述减振元件155可包括尤其是例如纤维增强弹性体的减振层。
109.图4
110.图4示出根据本发明的系统100的另一个示意图。
111.图4中所示的系统100与图3中所示的系统100的不同之处在于，致动器110不将轨道310的下侧机械式地连接到承载元件200，而是针对轨道310与承载元件200之间的力传递，与紧固元件220串联布置。
112.根据本发明，根据图3布置的至少一个致动器110与根据图4布置的至少一个致动器110(未示出)的组合也是可能的。
113.当致动器110与固定元件220串联布置时，优选地，没有减振元件155与其相同的紧固元件220串联布置。
114.图5
115.图5显示根据本发明的轨道交通轨道300的示意图，包括至少一个轨道310及根据本发明的至少一个系统100，用于主动衰减至少一个轨道310的声学振动。所述系统图100包括沿轨道310间隔的多个传感器110(作为示例，示出了两个传感器110)及沿轨道310间隔设置的多个致动器120(作为示例，示出了三个致动器120)，多个传感器110的数量少于多个致动器120的数量。
116.系统100包括通信地连接于传感器110及致动器120的控制单元130。通信连接被示出为虚线。
117.为清楚起见，系统100的其他组件未示出。
118.参考标号列表
119.100.系统
120.110.传感器
121.111.误差传感器
122.120.致动器
123.130.控制单元
124.150.支撑元件
125.155.减振元件
126.160.减压元件
127.200.承载元件
128.220.紧固元件
129.300.轨道交通路径
130.310.轨道
131.r 轮