地鐵高架線噪聲源及噪聲傳遞計算的細(xì)化和改進(jìn)

侯建鑫 譚 文 曹明華 曾向榮 俞泉瑜

（1.安境邇（上海）科技有限公司，200030，上海；2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，510030，廣州//第一作者，工程師）

地鐵高架線噪聲源及噪聲傳遞計算的細(xì)化和改進(jìn)

侯建鑫1譚 文2曹明華2曾向榮1俞泉瑜1

（1.安境邇（上海）科技有限公司，200030，上海；2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，510030，廣州//第一作者，工程師）

根據(jù)地鐵高架線噪聲主要組成及頻譜特性，分析了現(xiàn)有單噪聲源及傳遞計算方法的不足，提出了更符合實際工況的雙噪聲源及傳遞計算方法。在此基礎(chǔ)上利用CadnaA軟件將雙聲源噪聲傳遞計算方法進(jìn)一步細(xì)化為多源分頻噪聲源及傳遞仿真計算模型，為地鐵高架線噪聲分析及控制提供了新思路。

地鐵；高架線；噪聲源；噪聲傳遞計算

1 地鐵高架線噪聲的主要組成及特性

軌道交通在高架線運行時產(chǎn)生的噪聲包含了輪軌噪聲、車輛動力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、空氣動力噪聲及橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲等。對速度不超過120 km/h的地鐵高架線來說，主要為輪軌噪聲和橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲。

輪軌噪聲產(chǎn)生于梁面以上，主頻率約為400～1 000 Hz，遇到障礙物時衰減相對較快。橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲沿梁面以上及梁面以下兩個方向向外輻射，其中，梁面以上噪聲包含軌道結(jié)構(gòu)噪聲及梁面二次結(jié)構(gòu)噪聲，梁面以下噪聲包含梁面、腹板及底板二次結(jié)構(gòu)噪聲。橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的主頻約為40～200 Hz，衰減相對較慢。地鐵高架線噪聲典型頻譜特性如圖1所示。

圖1 地鐵高架線噪聲典型頻譜特性示意圖

2 現(xiàn)有噪聲源強及其傳遞分析方法的不足

HJ 453—2008《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則——軌道交通》將高架線噪聲按1個源強考慮，給出了單一列車通過預(yù)測點時等效聲級LP，A的預(yù)測公式：

式中：

LP0——列車最大垂向指向性方向輻射噪聲源強，即列車通過時段參考點(距線路中心線7.5 m、軌面以上1.5 m)的等效聲級；

C——修正項，包括速度修正、線路和軌道結(jié)構(gòu)的修正、幾何發(fā)散衰減、空氣吸收衰減、地面效應(yīng)引起的衰減、屏障插入損失、垂向指向性修正、頻率計權(quán)修正等。

這一方法在具體項目敏感點的噪聲傳遞及控制措施詳細(xì)分析中主要存在以下問題：

（1）噪聲源簡化方面：將地鐵高架線噪聲源強過于簡化為單一源強，忽略了不同噪聲源的發(fā)生部位、量值大小和頻譜特性，故計算結(jié)果可能與實際噪聲傳遞及分布情況相差較大。

（2）降噪措施效果誤差方面：根據(jù)式（1），聲屏障插入損失完全計入對噪聲源的修正。但聲屏障實際上主要對梁面以上噪聲有效，而對梁面以下（梁板下部、底板、腹板及側(cè)板）噪聲無效。此外，梁面以上二次結(jié)構(gòu)噪聲頻率較低、衍射效應(yīng)較強，故聲屏障對其控制效果有所減弱。

（3）障礙物影響方面：式（1）無法考慮障礙物的影響，環(huán)境評估中往往采用經(jīng)驗法進(jìn)行折減或采用軟件進(jìn)行模擬。但在假定為一個噪聲源的情況下，針對千差萬別的障礙物，即使采用軟件模擬，也會存在較大的偏差。

可見，式（1）可滿足項目可研階段噪聲控制投資規(guī)模估算的需要，但難以滿足項目實施階段針對具體的敏感點進(jìn)行噪聲預(yù)測并采取保護(hù)措施的需要。

3 噪聲源劃分及相應(yīng)的傳遞分析公式法

3.1 噪聲源的劃分

根據(jù)上文，高架橋主要噪聲源分為梁面以上和梁面以下。聲屏障措施主要對梁面以上噪聲有效，而軌道減振措施對梁面以上二次結(jié)構(gòu)噪聲及梁面以下二次結(jié)構(gòu)噪聲均有效。

通過在多個地鐵高架線進(jìn)行實測和拆分，近似得到噪聲源強如表1所示。各線路整體道床噪聲頻譜如圖2～5所示。

表1 部分線路的噪聲源強

根據(jù)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對于混凝土橋梁，一般情況下梁面以上噪聲量值均大于梁面以下噪聲，但梁面以下噪聲主要為低頻橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲。

梁面以上噪聲與梁面以下噪聲的大小比例與諸多因素（如線路條件、行車速度、車輛構(gòu)造、輪軌狀態(tài)、軌道結(jié)構(gòu)、橋梁類型等）。需積累更多不同工況條件下的實測數(shù)據(jù)，才能使不同工點的噪聲源強賦值更準(zhǔn)確。

圖2 北京地鐵13號線高架線整體道床噪聲頻譜

圖3 北京地鐵房山線高架線整體道床噪聲頻譜

圖4 上海軌道交通11號線高架線整體道床噪聲頻譜

圖5 廣州地鐵4號線高架線整體道床噪聲頻譜

3.2 二聲源噪聲傳遞分析公式

根據(jù)梁面以上及梁面以下噪聲源的劃分，建議對式（1）稍加修改，將原來的1個噪聲源改為2個噪聲源，并針對具體的敏感點分別進(jìn)行修正計算后再疊加。修正后的噪聲預(yù)測計算式為：

則疊加后的噪聲源為

利用上述二聲源噪聲傳遞計算公式，將各自的修正項區(qū)分開來。如C梁面以下中不含聲屏障插入損失，而軌道減振措施降噪插入損失在C梁面以上中的量值會低于在C梁面以下中的量值。

表2為二聲源與單聲源公式計算傳遞至距離30 m處的噪聲值。在采用直立聲屏障（假設(shè)其降噪插入損失8 dB（A））的情況下，二聲源計算得到的疊加噪聲為70.2 dB（A）比單聲源大2.1 dB（A）?？梢妴温曉垂酱嬖谳^大的偏差。

表2 二聲源與單聲源噪聲傳遞計算結(jié)果對比 dB（A）

3.3 多源分頻組合聲源噪聲傳遞仿真計算模型

二聲源公式法仍不能很好地體現(xiàn)梁面以上/梁面以下噪聲源的位置、分布及發(fā)散特性，也無法對復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)、地形或建筑物條件下的噪聲繞射、折射等進(jìn)行計算。所以，為盡量準(zhǔn)確地模擬不同地段噪聲發(fā)生及影響范圍內(nèi)的傳遞情況，有必要借助軟件進(jìn)行更為仿真的模擬。

借助噪聲領(lǐng)域最常用的Cadna/A（Computer Aided Noise Abatement）軟件可建立多源分頻組合聲源噪聲傳遞仿真分析模型見圖6。該模型對車輛、軌道、橋梁、建筑、障礙物、地表及噪聲控制措施的空間輪廓均進(jìn)行了仿真模擬，并將輪軌噪聲及橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲按相應(yīng)實際發(fā)生的部位，并根據(jù)實測、計算或類比得到的量值及頻譜進(jìn)行輸入。模型中，輪軌噪聲分為左右兩個線聲源，車輛對梁面以上聲場的干擾和影響也得到充分體現(xiàn)，橋梁及軌道結(jié)構(gòu)二次結(jié)構(gòu)噪聲則按梁面以上和以下表面進(jìn)行全覆蓋模擬。得到的單聲源模型及多源分頻聲源模型仿真計算結(jié)果見圖7。

由圖7可看出，多源分頻組合聲源模型計算得到的噪聲傳遞情況更符合實際情況。

圖6 多源分頻組合聲源噪聲傳遞仿真計算模型

圖7 單聲源模型及多源分頻聲源模型計算結(jié)果對比

圖8 某高架線斷面噪聲傳遞計算值與實測值的對比

圖8 為采用多源分頻組合聲源模型仿真針對某地鐵高架斷面不同距離及高度的噪聲計算值與實測值的對比。由圖8可見，測量值與實測值的差異范圍僅為0.1～2.8 dB（A），從距離30 m、60 m處的頻譜曲線也可看出二者的差異較小。即便差異可能含有測試偶然因素的影響，多源分頻組合聲源仿真計算模型的計算結(jié)果與實測結(jié)果的吻合度也仍較高。

4 結(jié)語

國內(nèi)地鐵高架線噪聲傳遞預(yù)測方法導(dǎo)則的實施時間不長。這幾年不斷出現(xiàn)一些高架線噪聲擾民投訴。可見現(xiàn)有噪聲傳遞計算方法方面存在不足。

在尚無法對地鐵高架線各種工況的噪聲源進(jìn)行準(zhǔn)確識別的情況下，本文提出的高架線二聲源噪聲劃分及利用利用Cadna/A軟件建立的多源分頻組合聲源噪聲傳遞仿真計算模型，可較好地服務(wù)于工程實施階段絕大部分工況條件下噪聲敏感點的噪聲影響評估及降噪措施方案的優(yōu)化選擇。當(dāng)然，這一方法和模型的應(yīng)用還需要借助更多的噪聲測試數(shù)據(jù)積累作為支撐。

［1］ 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則——城市軌道交通：HJ 453—2008［S］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2008：9.

［2］ 劉加華.從軌道結(jié)構(gòu)降低城市軌道交通高架結(jié)構(gòu)振動與噪聲的研究與應(yīng)用［D］.上海：同濟大學(xué)，2006.

［3］ NGAI K W，Ng C F.Structure-borne noise and vibration ofconcrete box structure and rail viaduct［J］.Journal of Soundand Vibration，2002，255（2）：281.

［4］ OUELAA N，REZAIGUIA A，Laulagnet.Vibro-acoustic modelingof a railway bridge crossed by a train［J］.Applied Acoustics，2006，67（5）：461.

［5］ WU XF.Experimental validation of finite element andboundary methods for predicting structural vibration andradiated noise［D］.Lexington，USA：the University of Kentucky，1991.

［6］ 張迅.軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測與控制研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2012.

［7］ 高飛.城市軌道交通高架結(jié)構(gòu)振動與噪聲影響的研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2011.

［8］ 韓江龍.城市軌道交通槽型梁結(jié)構(gòu)噪聲計算與分析［J］.工程力學(xué)，2013，30（2）：190.

［9］ 謝偉平.箱形梁聲輻射問題的半解析方法［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報 2008，30（12）：165.

［10］DATAKUSTIC G.Cadna/A Manual［M］.［S.I］：［S.n］，2007.

［11］ 李曉東.城市軌道交通高架橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2012.

［12］ 施毅，李雙，劉秀娟，等.蘇州軌道交通1號線風(fēng)亭噪聲特性分析［J］.都市快軌交通，2015，28（6）：26.

Refinement and Improvement of Noise Transfer Calculation for Metro Elevated Line

HOU Jianxin，TAN Wen，CAO Minghua，ZENG Xiangrong，YU Quanyu

According to the main composition and spectral characteristics of metro elevated line noise，the shortcomings of current calculation method for single noise source and noise transferare analyzed，a dualnoise source and transfer calculation method is presented which is more realistic for practical engineering.On this basis，the calculation method of dual noise source and noise transfer is further refined into multi-source frequency noise source and transfer simulation model by using the software CadnaA，to provide new ideas of noise analysis and control for metro elevated line.

metro； elevated line； noise source； noise transfer calculation

First-author′s address ANGEL （Shanghai） Technology Co.，Ltd.，200030，Shanghai，China

TB533.2+∶U233

10.16037/j.1007-869x.2017.12.015

2016-03-31）