我國高速鐵路噪聲源強特性變化試驗研究

劉蘭華（中國鐵道科學(xué)研究院，北京　100081）

我國高速鐵路噪聲源強特性變化試驗研究

劉蘭華
（中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081）

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，其噪聲影響也日益引起社會的關(guān)注。掌握高速鐵路輻射噪聲水平及其特性是開展噪聲影響控制的理論基礎(chǔ)。在大量高速鐵路輻射噪聲現(xiàn)場試驗研究的基礎(chǔ)上，獲得了我國高速鐵路橋梁線路和路基線路分別在200～300 km/h及300～350 km/h速度區(qū)間下的噪聲源強特性變化規(guī)律，探討了不同速度區(qū)間噪聲源強與速度的變化機理。比較分析了中國標(biāo)準(zhǔn)動車組、CRH380、CRH2C動車組等不同車型動車組噪聲源強特性的變化，并對高速鐵路噪聲輻射特性與普速鐵路噪聲輻射特性及法國、德國、日本等國家高速鐵路輻射噪聲特性加以對比分析，指出我國高速鐵路輻射噪聲水平略高于法國、德國等。

高速鐵路；噪聲源強；輻射噪聲

高速鐵路已經(jīng)成為現(xiàn)代化交通體系的主干。但高速鐵路噪聲的影響已成為制約其發(fā)展的一個重要因素，必須根據(jù)國家有關(guān)噪聲防治要求對其進(jìn)行有效控制。在噪聲控制工程中，研究高速鐵路噪聲源強及其特性、掌握動車組類型及不同線路條件下輻射噪聲水平及其變化是重要的基礎(chǔ)工作。

國內(nèi)外對高速鐵路噪聲源強特性及其變化規(guī)律進(jìn)行了大量理論研究。日本從20世紀(jì)60年代、法國與德國從20世紀(jì)80年代開始結(jié)合各自國家高速鐵路建設(shè)及高速列車研制對高速鐵路噪聲源強特性開展了試驗研究，得到了高速列車在不同速度下的噪聲源強。我國從20世紀(jì)末期開始高速鐵路噪聲領(lǐng)域的有關(guān)研究，目前在高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及高速鐵路綜合試驗中開展了大量試驗，試驗內(nèi)容涉及噪聲源組成、噪聲源強特性、聲場分布、傳播規(guī)律、主要降噪措施效果等，也對不同類型動車組及線路條件變化所引起的高速鐵路噪聲源強進(jìn)行了對比試驗研究［1-6］。試驗方法依據(jù)《Acoustics-RailwayApplications-MeasurementofNoise Emitted by Railbound Vehicles》（ISO-3095）及《聲學(xué)鐵路機車車輛輻射噪聲測量》（GB/T 5111—2011）。本次試驗分析數(shù)據(jù)來源于我國時速300 km/h及以上等級的高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及綜合試驗結(jié)果，試驗列車包括我國高速鐵路運營中的主型動車組CRH380及CRH2C。同時，根據(jù)最新試驗研究成果，對比分析了與中國標(biāo)準(zhǔn)動車組輻射噪聲水平的差異。

1　試驗結(jié)果及分析

1.1噪聲源強

對我國近30條高速鐵路40余個試驗區(qū)段的相關(guān)試驗結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得到我國高速鐵路橋梁與路基線路輻射噪聲與速度的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1　輻射噪聲與速度的關(guān)系曲線

各試驗區(qū)段橋梁線路試驗工點輻射噪聲與速度的關(guān)系測試數(shù)據(jù)分布見圖2。橋梁線路輻射噪聲源強試驗結(jié)果統(tǒng)計極差為3.4 dB（A）、方差為0.85、標(biāo)準(zhǔn)差為0.92 dB（A）。

圖2　輻射噪聲與速度的關(guān)系測試數(shù)據(jù)分布

對圖1中試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到我國高速鐵路動車組以300～350 km/h運行時輻射噪聲與速度的變化關(guān)系。對橋梁線路，TEL=（39～43）lg（V/V0）+c1；對路基線路，TEL=（36～40）lg（V/V0）+c2。其中V為車速，參考速度 V0=300 km/h，c1，c2為初始常數(shù)。

同理可得我國高速鐵路動車組以200～300 km/h運行時輻射噪聲與速度的變化關(guān)系。對橋梁線路，TEL=（27～30）lg（V/V0）+c1；對路基線路，TEL=（26 ～29）lg（V/V0）+c2。其中參考速度 V0=200 km/h。可知，動車組輻射噪聲聲級水平隨列車運行速度的提高總體上呈增大的趨勢。但在不同速度區(qū)間，試驗動車組輻射噪聲聲級水平隨速度提高增長的速率不盡相同，200～300 km/h時輻射噪聲與速度級的增長系數(shù)為26～30；300～350 km/h時輻射噪聲與速度級的增長系數(shù)為36～43。

不同速度區(qū)間輻射噪聲隨速度增長系數(shù)差異主要是由不同速度下輻射噪聲源組成差異造成的。理論分析結(jié)果表明：在以輪軌噪聲為主的速度區(qū)段運行時，速度與聲級的變化關(guān)系式為30lg（V/V0）；當(dāng)列車以空氣動力噪聲為主的高速區(qū)段運行時，速度與聲級的變化關(guān)系式為70lg（V/V0）。

據(jù)此說明，200～300 km/h時噪聲源仍以輪軌噪聲為主，時速達(dá)到300 km/h及以上時，噪聲源中空氣動力噪聲、弓網(wǎng)集電系統(tǒng)噪聲等逐步增加，而空氣動力噪聲對列車運行速度更為敏感?！惰F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［2010］44號文）中推薦的噪聲預(yù)測模式，其輻射噪聲隨速度增長系數(shù)為30，與200～300 km/h的試驗結(jié)果吻合，但與300～350 km/h試驗結(jié)果存在差異。這說明鐵計［2010］44號文中推薦的噪聲預(yù)測模式及有關(guān)參數(shù)修正主要適用于以輪軌噪聲為主的鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測。

1.2輻射噪聲時域和頻域特性

高速動車組以350 km/h通過橋梁線路試驗測點時輻射噪聲的時域、頻域特性見圖3、圖4，CRH380動車組以300，350 km/h速度運行時輻射噪聲頻譜對比見圖5。

圖3　列車輻射噪聲時域與頻譜分析結(jié)果

圖4　列車輻射噪聲時頻域變化結(jié)果

圖5　典型速度時列車輻射噪聲頻譜對比

由圖3—圖5可知：

1）動車組通過受聲點時，瞬時聲壓級變化劇烈，最大聲壓級變化率在8 dB（A）/s以上，且隨著車速的提高，聲壓級變化率也逐步增大，瞬時聲壓級水平高于背景噪聲40 dB（A）以上。聲壓級變化率加大會加大人的煩惱度。

2）高速鐵路噪聲頻譜呈寬頻特性，最大聲壓級集中在31.5～125 Hz的低頻段，4 000 Hz以上高頻迅速減??；A計權(quán)噪聲能量分布在500～5000 Hz頻帶，其中1 000～4 000 Hz更為突出。

3）隨著車速的提高，各頻帶聲壓級逐漸升高，高頻分量升高較慢，低頻分量升高較快。這與二者的噪聲主要來源及其對速度的敏感性有關(guān)，與高頻分量相比，低頻分量主要來源于空氣動力噪聲，其對速度的敏感性更高。

4）高頻噪聲與低頻噪聲對受聲點的作用時間有所差異，主要是與不同頻段噪聲的衰減速率有關(guān)，與高頻噪聲相比，低頻噪聲衰減較慢，對受聲點的作用時間較長。

1.3不同等級線路的輻射噪聲頻譜比較

普速鐵路與高速鐵路橋梁線路典型速度輻射噪聲頻譜分布情況對比見圖6。

圖6　普速鐵路與高速鐵路橋梁線路典型速度頻譜對比

由圖6可知：無論是普速鐵路還是高速鐵路，典型速度下峰值頻率都集中在低頻段。這主要是由線路扣件間距及轉(zhuǎn)向架定距等特征頻率引起的。但普速鐵路與高速鐵路頻譜也存在顯著差異，普速鐵路在31.5～125 Hz左右的低頻段能量更為集中，高速鐵路則呈寬頻帶分布，其A計權(quán)噪聲能量在1 000～4 000 Hz更為突出。這主要是由于高速鐵路列車時速達(dá)到300 km/h及以上時輻射噪聲中弓網(wǎng)集電系統(tǒng)噪聲、空氣動力噪聲等明顯增加所致。

1.4不同動車組類型引起的輻射噪聲比較

根據(jù)最新試驗結(jié)果，本文對比分析了中國標(biāo)準(zhǔn)動車組、CRH380及 CRH2C等相關(guān)動車組以 300～350 km/h速度運行時輻射噪聲試驗結(jié)果，見圖7。

圖7　橋梁區(qū)段主要類型動車組典型速度輻射噪聲對比

由圖 7可知，CRH2C動車組的輻射噪聲最大，CRH380動車組次之，中國標(biāo)準(zhǔn)動車組最小。但中國標(biāo)準(zhǔn)動車組與 CRH380動車組輻射噪聲相差不大，差值在1.0 dB（A）內(nèi)。根據(jù)上述3種類型動車組的制造時間，可以看出我國高速動車組輻射噪聲逐漸降低，經(jīng)歷了由高變低的過程，在此過程中輻射噪聲總體降低了1～2 dB（A）。主要原因是在后續(xù)動車組設(shè)計中，采用了相應(yīng)的噪聲優(yōu)化設(shè)計措施，如 CRH380系列動車組增加了車頭的長細(xì)比，優(yōu)化了動車組頭型，對車體表面作了平順化處理。上述優(yōu)化措施可減少空氣阻力10% ～15%，使得車體表面氣動噪聲影響降低7%［6-7］。再如采用DSA350型高速受電弓，在受電弓兩側(cè)設(shè)擋板，強化受電弓安裝座區(qū)域流場及導(dǎo)流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，有效降低了集電系統(tǒng)氣動噪聲影響。

2　與國外試驗結(jié)果的比較

2.1國內(nèi)外高速列車輻射噪聲與速度的關(guān)系比較

日本、法國、德國等多年來對高速鐵路噪聲源強特性進(jìn)行了研究，在2000年之前先后獲得了相應(yīng)條件下橋梁線路高速鐵路列車運行輻射噪聲與速度的關(guān)系，見表1［8-9］?？梢姡覈咚勹F路列車輻射噪聲隨速度提高的增長系數(shù)均小于法國、德國及日本的試驗結(jié)果，說明我國高速列車流線型等噪聲優(yōu)化設(shè)計優(yōu)于試驗當(dāng)時的德國、法國及日本高速列車。

表1　部分國家高速鐵路列車運行輻射噪聲與速度的關(guān)系

2.2國內(nèi)外高速列車輻射噪聲水平比較

國外高速鐵路噪聲影響狀況均經(jīng)歷了由高到低的變化歷程，表2為日、法、德3國高速鐵路在不同年代的列車運行輻射噪聲水平。可見隨著高速鐵路技術(shù)不斷進(jìn)步，以及各種降噪措施的實施，其輻射噪聲逐步下降。

表2　國外高速鐵路輻射噪聲

我國與國外高速鐵路列車運行輻射噪聲對比見圖8。由圖8可知，時速300～350 km/h我國高速鐵路列車運行輻射噪聲略高于法國、德國高速列車運行輻射噪聲水平，差值在1 dB（A）內(nèi)。

圖8　高速鐵路輻射噪聲對比

3　結(jié)論

1）時速300～350 km/h時動車組輻射噪聲聲壓級隨速度提高系數(shù)為36～43；高速動車組經(jīng)過受聲點時瞬時聲壓級變化率大，瞬時聲壓級水平遠(yuǎn)高于背景噪聲；隨著車速的提高，各頻帶聲壓級逐步增加，由于噪聲源組成的變化，高頻分量增長慢，低頻分量增長快。

2）無論是普速鐵路還是高速鐵路，其輻射噪聲峰值頻率均在低頻段，但高速鐵路輻射噪聲呈寬頻特性，普速鐵路輻射噪聲能量主要集中在低頻段。

3）隨著動車組噪聲優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展，我國高速動車組輻射噪聲經(jīng)歷了由高到低的變化過程，中國標(biāo)準(zhǔn)動車組輻射噪聲相對最低。近年來我國動車組輻射噪聲總體降低了1～2 dB（A），已與法國、德國高速動車組輻射噪聲水平比較接近。

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［2］趙航海.高速鐵路與傳統(tǒng)鐵路噪聲對比研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011.

［3］邢淑梅，劉巖，張曉排.高速鐵路動車組噪聲測試與分析［J］.噪聲與振動控制，2009（3）：79-88.

［4］俞悟周，王晨，毛東興，等.高速鐵路動車組列車的噪聲特性［J］.環(huán)境污染與防治，2009，31（1）：74-77.

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（責(zé)任審編李付軍）

Experimental Study on Noise Source Characteristics of High Speed Railway

LIU Lanhua
（China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

W ith the development of high speed railway in China，the influence of noise has aroused more and more social attention and understanding the radiation noise level and its characteristics of high speed railway is the theoretical basis of noise influence and control.Based on a large number of radiation noise field experiments in China high speed railway，the change rules of noise source intensity characteristics were concluded for high speed railway bridge circuit and subgrade circuit with speed of 200～300 km/h and 300～350 km/h respectively，the change mechanism between noise source intensity and velocity in different speed range was discussed，noise source intensity characteristics change of different EM U（Electric M utiple Unit）models including Chinese standard EM U，CRH380and CRH2Cwas analyzed，the noise radiation characteristics for both high speed railway and common speed railway were compared and radiation noise characteristics of high speed railway in France，Germany and Japan were discussed，which indicated that the radiation noise level of high speed railway in China is slightly higher than that of France and Germany.

High speed railway；Noise source intensity；Radiation noise

U211.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.40

1003-1995（2016）08-0160-04

2016-03-22；

2016-04-26

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃（2014Z003-A，2015Z003-A）

劉蘭華（1977— ），男，副研究員。