Cadna/A軟件在高速鐵路聲環(huán)境影響評價中的應(yīng)用

徐志勝

中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司環(huán)境工程研究院，四川 成都 610031

要科學(xué)評價高速鐵路噪聲對環(huán)境的影響，設(shè)計滿足降噪目標(biāo)的高速鐵路聲屏障，兩大基礎(chǔ)技術(shù)工作不可回避:1)高速鐵路噪聲的計算方法;2)聲屏障降噪效果的計算。在測試研究的基礎(chǔ)上，我國于2010年對《鐵路建設(shè)項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導(dǎo)意見》(鐵計〔2006〕44號)［1］進行了修訂，發(fā)布了《鐵路建設(shè)項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導(dǎo)意見(2010年修訂稿)》(鐵計〔2010〕44號，以下簡稱 44號文)［2］。44號文不僅是指導(dǎo)選擇噪聲源強的法律文件，同時也是鐵路噪聲計算技術(shù)的導(dǎo)則。對鐵路聲屏障的降噪效果計算，44號文直接引用了HJ/T 90—2004《聲屏障聲學(xué)設(shè)計和測量規(guī)范》［3］的計算方法。44號文和HJ/T 90—2004是現(xiàn)階段我國在高速鐵路環(huán)境影響評價與聲屏障設(shè)計中進行聲學(xué)計算的主要依據(jù)。

迄今為止，鮮有基于44號文所開發(fā)的商用軟件。目前，用于鐵路噪聲預(yù)測的商用軟件(如Soundplan，Cadna/A等)所依據(jù)的計算模式是德國的Schall03方法，該方法與44號文的計算模式有一定的差異，因此，在基于國外軟件計算鐵路噪聲時應(yīng)作適當(dāng)修正［4］。筆者通過分析高速鐵路噪聲源及聲屏障插入后的聲傳播特征，以Cadna/A噪聲計算模式等為基礎(chǔ)，建立了基于Cadna/A軟件的我國高速鐵路噪聲預(yù)測模型。用該模型對高速鐵路噪聲進行計算，并以國外聲源強和基于測試的44號文的聲源強及其噪聲預(yù)測模式進行驗證，對模型參數(shù)進行了修正，分析了修正后模型的適用性。

1 高速鐵路噪聲特點

1.1 高速鐵路聲源組成

高速鐵路噪聲是由各種類型的噪聲組合而成。按噪聲產(chǎn)生的部位分類識別，可分為車輛下部噪聲(主要為輪軌噪聲)、車輛上部空氣動力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲和橋梁結(jié)構(gòu)噪聲［5］(圖1)。

圖1 高速鐵路噪聲來源示意Fig.1 Noise source of high-speed railway

日本是高速鐵路發(fā)展較早的國家之一，對新干線鐵路噪聲的研究也比較深入。研究［6］表明，當(dāng)高速鐵路走行速度超過300 km/h時，空氣動力噪聲、車輛下部輪軌噪聲、集電系統(tǒng)噪聲貢獻是主要的，且貢獻量趨于一致。而橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的貢獻則始終處于相對較低的水平(表1)。

表1 日本新干線噪聲源強的最大聲級(Lmax)Table 1 Noise level for SHINKANSHEN of Japan

1.2 高速鐵路噪聲輻射水平歷史變遷

表2為不同時期高速鐵路輻射噪聲的Lmax情況。由于各國列車與線路技術(shù)條件、測點的選取等因素不一致，無法互相比較。但是，由表2可知，隨著高速鐵路車輛及線路技術(shù)的進步，各國鐵路噪聲輻射水平總體上都在降低。我國高速鐵路雖然起步較晚，但在噪聲控制方面表現(xiàn)不亞于其他國家。

表2 不同時期高速鐵路輻射噪聲的LmaxTable 2 Noise level of high-speed railway for different periods

1.3 高速鐵路頻譜特性

通過頻譜分析可了解噪聲的成分和性質(zhì)，從而有效控制它。圖2為典型的高速鐵路噪聲頻譜［7］。從圖2可知，列車高速運行噪聲在低頻段(31.5～63 Hz)能量較為集中，而在中高頻段則呈較為明顯的寬頻特征，能量主要分布在500～4000 Hz?？紤]到人耳的低頻過濾特性，對人類構(gòu)成主要影響的列車噪聲成分主要集中在500～4000 Hz。

圖2 高速鐵路噪聲頻譜特性Fig.2 Frequency spectra of high-speed railway noise

1.4 高速鐵路聲屏障對聲波的影響

當(dāng)鐵路軌道外側(cè)設(shè)置了聲屏障以后，聲波可通過以下幾種途徑進行傳播［8-10］。

(1)越過聲屏障頂部和端部，通過繞射(衍射)到達受聲點。繞射不會改變噪聲的能量，但卻能改變聲波的傳播方向，使到達特定受聲點的聲能量降低。通過繞射方法使特定受聲點接收到的聲能降低的程度，用繞射損失來表示。繞射損失主要受聲屏障的高度和長度、聲屏障設(shè)置的位置、聲屏障的形狀等因素影響。設(shè)計高速鐵路聲屏障時，高度、長度、形狀是重要參數(shù)，而聲屏障位置選擇余地則不大。

(2)聲屏障的透射。一般而言，聲屏障材料質(zhì)量越大、尺寸越厚，透過聲屏障的聲能就越小，透射損失就越大，隔聲性能就越好［11-12］。所以像磚墻、水泥墻或厚鋼板、鉛板等面密度大的材料，隔聲效果比較好。因此，在設(shè)計聲屏障時，首先要保證聲屏障具有足夠的面密度和厚度。大部分材料對高頻效應(yīng)明顯，但有些材料，厚度增大，低頻的隔聲效果并不明顯，甚至可能產(chǎn)生所謂的吻合效應(yīng)，出現(xiàn)隔聲吻合谷。如果吻合谷出現(xiàn)在聲源的主要頻率范圍，將使聲屏障的隔聲性能大大降低，應(yīng)予以避免。在設(shè)計高速鐵路聲屏障時，應(yīng)綜合考慮聲屏障隔聲單元板的厚度、面密度、彈性模量、阻尼等參數(shù)的合理匹配，避免隔聲單元的彎曲波共振頻率與高速鐵路噪聲的主頻范圍重疊，設(shè)計出在相同插入損失情況下材料最省，造價最低的聲屏障。

(3)聲屏障及車體的反射，最終通過聲屏障頂部和端部的衍射到達受聲點。由于列車高度為4.0 m左右，其側(cè)面與聲屏障之間構(gòu)成了一個聲波互相反射的結(jié)構(gòu)。因此，與公路不同，鐵路即使是單側(cè)聲屏障，從聲學(xué)效果來說，卻是雙側(cè)聲屏障。由于列車表面屬于剛性面，因此對單側(cè)聲屏障的吸聲處理顯得極為重要。

2 基于Schall03規(guī)范的鐵路噪聲預(yù)測模式

Cadna/A軟件是獲得廣泛應(yīng)用的環(huán)境噪聲預(yù)測軟件。利用該軟件，可以模擬工業(yè)噪聲、交通噪聲、鐵路噪聲、機場噪聲，從而對聲屏障進行優(yōu)化設(shè)計。該軟件在2001年獲得原國家環(huán)境保護總局的認證，作為聲環(huán)境影響評價推薦的工具軟件。目前，該軟件已在工業(yè)、公路、城市軌道交通環(huán)境影響評價及其降噪工程設(shè)計中得到了應(yīng)用并積累了一些經(jīng)驗［13-16］，但在鐵路環(huán)境影響評價與降噪設(shè)計中卻鮮有應(yīng)用。筆者利用基于德國Schall03規(guī)范的Cadna/A軟件對鐵路(含軌道交通、磁浮交通)噪聲進行了計算［17］。

2.1 鐵路輻射噪聲級

根據(jù)Schall03規(guī)范，鐵路輻射噪聲級Lm，E是指鐵路無限長，在自由聲場條件下，水平距離鐵路軸線25 m，高于軌面3.5 m處的平均聲壓級，dB。鐵路噪聲預(yù)測概略如圖3所示。

圖3 Schall03鐵路噪聲預(yù)測概略Fig.3 Schematic of railway noise by Schall03

計算輻射噪聲級Lm，E:

式中，i為通過的列車總數(shù);DFz為列車類型修正值;DD為剎車類型修正值;Dl為火車長度的修正值;Dv為速度修正值;DFb為鐵軌類型的修正值;DBr為橋梁修正值;DBc為交叉道口的修正值;DRa為鐵路彎道進行修正值。上述修正值的單位均為dB。詳見文獻［17］。

2.2 計算預(yù)測點的聲壓級

根據(jù)Schall03規(guī)范，將鐵路劃分為若干小段(k)，各小段的長度為 0.01Sk～0.5Sk。其中，Sk為預(yù)測點O與k小段中點之間的距離，m;S⊥，j為預(yù)測點O到線聲源的距離，m;S0為S⊥，j的水平投影，m(圖4)。

圖4 預(yù)測點噪聲計算示意Fig.4 Schematic of noise calculating for receive point

Lr，k為各小段對預(yù)測點O的影響值，dB。其公式為:

式中，Lm，E，k為 k 小段鐵路輻射噪聲級，dB;lk為每小段的長度，m;Dl，k為方向性引起的聲壓級修正值，dB;Ds，k為幾何發(fā)射衰減值，dB;DL，k為空氣吸收引起的衰減值，dB;DBM，k為地面吸收和氣候影響引起的修正值，dB;DKorr，k為傳播路徑的影響值，dB(2.3節(jié));S為當(dāng)鐵路噪聲對預(yù)測點的影響，相對小于其他噪聲源時進行的修正值，dB。

對每小段輻射噪聲級進行能量疊加，最終得到預(yù)測點噪聲級 Lr，tot為:

2.3 傳播路徑的影響

傳播途徑的影響指的是障礙物影響，可以模擬成薄屏障和厚屏障的影響。Cadna/A軟件依據(jù)惠更斯-菲涅爾原理對聲屏障的插入損失進行計算。按照虛聲源假定，采用鏡向法計算聲屏障的反射。如果聲源位于平行反射面之間或封閉空間內(nèi)，則可按多次反射進行計算。

2.3.1 插入損失

插入損失的計算公式:

式中，DBM，k為地面吸收和氣候影響引起的修正值，dB;Kw，k為氣候影響修正值，dB;zk為聲程差值，m。

對于薄屏障(如聲屏障、寬路堤、路塹等，圖5)，聲程差值由式(5)確定。對于厚屏障(如山梁、房屋等，圖6)，聲程差值由式(6)確定。

式中，aQ，k為聲源到屏障上沿的距離，m;aA，k為預(yù)測點到屏障上沿的距離，m;Sk為聲源到預(yù)測點的距離，m。

2.3.2 反射計算

按照鏡向法計算反射。如果鐵路軌道位于平行反射墻或封閉建筑物之間，按照鏡向法進行一次反射計算，多次反射按下式進行計算:

式中，h為建筑物平均高度，m;w為平行反射墻或封閉建筑物間的距離，m。

3 高速鐵路噪聲模擬

3.1 聲源模型化的基本假定

3.1.1 關(guān)于聲源性質(zhì)的假定

44號文及Schall03規(guī)范均未細分橋梁結(jié)構(gòu)噪聲、車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集點系統(tǒng)噪聲。其中，Schall03規(guī)范將車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集點系統(tǒng)噪聲看做一個整體線聲源，而將橋梁噪聲作為一個聲源修正項來考慮。44號文則分別給出橋梁、路堤線路條件下的線聲源的聲源強，相當(dāng)于考慮了橋梁的修正。

Cadna/A遵循Schall03規(guī)范將鐵路聲源看做線聲源的同時，允許用戶對車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集點系統(tǒng)噪聲分別進行定義。由此，可以將聲源模型按以下3種方式定義。

(1)單一線源模型:不細分車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲，將鐵路噪聲看做一個有限長線聲源。這是44號文的定義，也是Cadna/A的默認定義。

(2)線線點源組合模型:車輛下部噪聲定義為有限長線聲源，空氣動力噪聲定義為有限長線聲源，集電系統(tǒng)噪聲定義為點聲源。

(3)線面點源組合模型:車輛下部噪聲定義為有限長線聲源，空氣動力噪聲定義為有限長面聲源，集電系統(tǒng)噪聲定義為點聲源。

3.1.2 關(guān)于聲源等效高度的假定

44號文及Schall03規(guī)范均未對聲源高度作出規(guī)定。根據(jù)3.1.1節(jié)的聲源性質(zhì)假定，可對上述3個模型的聲源等效高度做如下設(shè)置。

(1)單一線源模型:在普速鐵路，由于主要是車輛下部輪軌噪聲的貢獻，通常將線聲源高度設(shè)在車輪中心位置，即高于軌面約0.5 m處。這對于高速鐵路已經(jīng)不適合，建議設(shè)在軌面以上1.0～3.5 m。

(2)線線點源組合模型:車輛下部噪聲設(shè)在軌面以上約0.5 m處;空氣動力噪聲為軌面至車體頂部，即高于軌面約4.0 m的范圍;集電系統(tǒng)噪聲高度為受電弓與接觸網(wǎng)交接的位置，即高于軌面約4.5 m。

(3)線面點源組合模型:車輛下部噪聲設(shè)在軌面以上約0.5 m處;空氣動力噪聲高于軌面約2.0～3.5 m;集電系統(tǒng)噪聲高于軌面約4.5 m。

3.1.3 典型模型

典型的上下行線鐵路的Cadna/A噪聲預(yù)測模型3D圖如圖7所示，聲源分別按單一線源模型、線線點源組合模型、線面點源組合模型的性質(zhì)與等效高度進行設(shè)置。橋面、防護墻起隔聲的作用。模型中，橋梁高12 m，寬12 m，梁體中心線左右2.5 m為軌道中心線。防護墻距近軌中心線2.05 m，高于橋面1.0 m。沿線地形平坦，無地物。

Cadna/A模型中未提供中國列車模型，但是，我國的CRH3型動車組是脫胎于德國ICE城際列車，因此選取模型中提供德國ICE列車并做車型修正是一個可選方案。

3.2 預(yù)測結(jié)果驗證與修正

3.2.1 參考位置聲級修正

德國ICE列車目前的單列車通過噪聲水平約為90 dB(A)?？坡≈练ㄌm克福城際高速鐵路是德國于2002年建成使用的高速鐵路，采用ICE3(CRH3的原型)動車組。模型中列車選用ICE，8節(jié)編組;單軌運行，行駛速度為300 km/h。利用Cadna/A單一線源模型進行預(yù)測，獲得距鐵路近軌中心線25 m，高于軌面3.5 m處的噪聲時間歷程曲線如圖8所示(見修正前ICE噪聲時間歷程曲線)。根據(jù)高速鐵路聲源組成特點，在采用單一線源模型時，設(shè)定線聲源等效高度為高于軌面3.5 m。獲得列車通過近側(cè)軌道時的Lmax為95.5 dB(A)?？梢?，這個結(jié)果與20世紀80年代德國ICE的93 dB(A)的噪聲水平較接近，但與目前的90 dB(A)噪聲水平相去較遠。ICE系列高速列車主要有ICE1，ICE2，ICE3等，模型中并未分別給出，因為Cadna/A模型的優(yōu)點之一就是可以根據(jù)列車類型對各種類型的列車進行噪聲修正。修正后獲得符合 ICE現(xiàn)狀聲級、我國CRH3現(xiàn)狀聲級的時間歷程曲線(圖8)。同理，采用線線點源組合模型、線面點源組合模型時，均可以通過列車類型修正，以獲得符合44號文的參考位置噪聲源強值。

圖7 上下行線鐵路的Cadna/A噪聲預(yù)測模型3D圖Fig.7 Three-dimensions of Cadna/A noise model for double rails

3.2.2 等效聲級的驗證與比較分析

圖8 修正前后模型預(yù)測噪聲時間歷程曲線Fig.8 Time history of noise before and after corrections

設(shè)定上、下行列車晝間共192對，線聲源高度按3種情況設(shè)置，分別為高于軌面1.5，2.5和3.5 m，其他條件相同。按44號文提供的預(yù)測模式和Cadna/A軟件的方法進行計算。由于44號文的源強值是代表實測結(jié)果的，因此在利用Cadna/A計算時，通過調(diào)整模型參數(shù)，使聲源強參考位置(高于軌面3.5 m，距離近軌水平距離25 m，下同。)的晝、夜等效聲級與基于44號文源強參考位置的晝、夜等效聲級值相等，以便使Cadna/A模型在參考位置的晝、夜等效聲級與基于44號文相應(yīng)位置的晝、夜等效聲級值相等。其中，對于Cadna/A單一線源模型，通過調(diào)節(jié)線源中的參數(shù)達成;對于Cadna/A線線點源組合模型以及Cadna/A線面點源組合模型，則依據(jù)車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲在參考位置的貢獻量相當(dāng)?shù)奶攸c，通過調(diào)整模型中車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲各自的參數(shù)達成。在研究中，根據(jù)44號文，獲得參考位置的晝間等效聲級為68 dB(A)。因此，將Cadna/A模型在參考位置的等效聲級也調(diào)整為68 dB(A)。

Cadna/A線面點源組合模型是最為接近聲源本身特點的模型，計算結(jié)果最為可靠，因此在討論其他模型計算結(jié)果是否可靠時，可以用Cadna/A線面點源組合模型的結(jié)果為參照。計算獲得高于軌面1.5 m及高于地面1.5 m，距近軌中心線不同距離處的晝間等效連續(xù)A聲級見表3。由表3可知:1)44號文模型，Cadna/A單一線源模型，Cadna/A線線點源組合模型與Cadna/A線面點源組合模型計算結(jié)果比較一致;2)對于44號文模型，Cadna/A單一線源模型，Cadna/A線線點源組合模型中線聲源的等效高度對距近軌中心線30～200 m范圍的噪聲計算結(jié)果沒有顯著影響。

表3 距近軌中心線不同距離處的晝間等效連續(xù)A聲級Table 3 Equivalent continuous A-weighted sound pressure level with variation of distance from rail

選取Cadna/A單一線源模型，Cadna/A線線點源組合模型，Cadna/A線面點源組合模型，計算相應(yīng)的垂向等值線圖，如圖9所示。由圖9可知，在距近軌中心線200 m范圍內(nèi)，線面點源組合模型聲波衰減相對較小，但無明顯差別。可見，Cadna/A單一線源模型，Cadna/A線線點源組合模型，Cadna/A線面點源組合模型均適用于高速鐵路聲環(huán)境影響預(yù)測。

圖9 Cadna/A模型垂向噪聲等值線Fig.9 Vertical-grid noise map by Cadna/A models

3.2.3 聲屏障插入損失的比較分析

由于列車高度達4.0 m左右，其側(cè)面與聲屏障之間構(gòu)成了聲波互相反射的結(jié)構(gòu)。根據(jù)鐵路聲屏障的這一特點，在計算聲屏障插入損失的時候，車體應(yīng)按反射式聲屏障來處理。Cadna/A模型中，可考慮在對側(cè)加上一個高于軌面約4.0 m的反射式聲屏障?；谶@一思路，建立高速鐵路聲屏障模型，如圖10所示。

圖10 含聲屏障的線面點源模型3D圖Fig.10 Three-dimensions of Cadna/A model of line-area-point noise source

對高速鐵路聲屏障降噪效果的監(jiān)測表明:3 m高的聲屏障在距離近軌中心線30 m，在高于地面1.5 m至高于軌面1.5 m范圍內(nèi)的插入損失為3～9 dB(A)［18］。在上行側(cè)設(shè)置聲屏障，分別按44號文提供的預(yù)測模式和Cadna/A軟件的方法進行計算，獲得聲屏障中間斷面高于軌面1.5 m及高于地面1.5 m，距近軌中心線不同距離處的晝間等效連續(xù)A聲級插入損失(表4)。由表4可見:1)利用44號文計算插入損失時，計算結(jié)果與實測結(jié)果偏離較大;2)單一線源模型與等效高度小于2.5 m時，插入損失計算結(jié)果與實測結(jié)果偏離較大;3)Cadna/A線面點源組合模型、線線點源組合模型以及等效高度大于2.5 m的Cadna/A等效線源模型的插入損失計算結(jié)果與實測結(jié)果比較接近。

表4 聲屏障插入損失Table 4 Insertion loss of sound barrier

4 結(jié)論與展望

(1)只需對Cadna/A軟件模型參數(shù)做適當(dāng)驗證性修正，該軟件即可適用于我國高速鐵路噪聲的環(huán)境影響預(yù)測。

(2)基于Cadna/A軟件的鐵路聲屏障模型可以用于指導(dǎo)聲屏障優(yōu)化設(shè)計工作。

今后，將對聲源類別的假定及其等效高度給予更深入的分析與修正，并在聲屏障參數(shù)對降噪效果的影響方面做進一步工作，使高速鐵路噪聲及聲屏障降噪效果預(yù)測的結(jié)果更趨合理。在此基礎(chǔ)上積累經(jīng)驗，不斷改進模型參數(shù)，使Cadna/A軟件發(fā)揮其強大的計算和地形地物處理能力，同時滿足我國高速鐵路工程環(huán)境影響評價與高速鐵路聲屏障設(shè)計的要求。

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