鐵路編組站噪聲測(cè)試與分析

屠志平

TU Zhi-ping

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司?通信信號(hào)研究所，北京?100081）

(Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China)

鐵路編組站是貨物列車車輛中轉(zhuǎn)、集結(jié)、解體和編組的場(chǎng)所[1-2]，其作業(yè)效率高低直接影響我國(guó)鐵路運(yùn)輸效率，是我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)暮诵沫h(huán)節(jié)。鐵路編組站的調(diào)車作業(yè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜多樣的噪聲源，影響周邊居住環(huán)境及職工工作生活環(huán)境[3]。為了切實(shí)了解鐵路編組站對(duì)周圍環(huán)境的噪聲影響情況，通過(guò)測(cè)試和分析鐵路編組站噪聲，為解決鐵路編組站的噪聲影響問(wèn)題提供數(shù)據(jù)參考和方法借鑒。

1 鐵路編組站噪聲源分析

駝峰是鐵路編組站的主要設(shè)備，在溜放調(diào)車作業(yè)過(guò)程中，駝峰會(huì)向周邊排放噪聲。為全面了解駝峰調(diào)車場(chǎng)噪聲影響問(wèn)題，相關(guān)單位組織對(duì)駝峰編組站的噪聲源進(jìn)行走訪調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，國(guó)內(nèi)編組站的主要噪聲源有：車輛減速器 (以下簡(jiǎn)稱“減速器”) 在工作過(guò)程中產(chǎn)生的制動(dòng)尖叫摩擦噪聲、減速器控制閥箱排空噪聲、減速頂區(qū)段噪聲、輪軌噪聲、內(nèi)燃機(jī)車噪聲、調(diào)車機(jī)車?guó)Q笛噪聲等[4-5]。根據(jù)對(duì)噪聲的測(cè)試分析，在這些噪聲中，影響范圍最廣、危害程度最大、噪聲頻率和等級(jí)最高的當(dāng)屬減速器工作時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)尖叫噪聲和控制閥箱間歇性的排氣噪聲。鐵路編組站主要噪聲如表1 所示[6-7]。

2 鐵路編組站噪聲測(cè)試內(nèi)容及依據(jù)

2.1 噪聲測(cè)試依據(jù)

編組站生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境比較特殊，產(chǎn)生的噪聲具有聲源分散、聲壓級(jí)高、影響范圍廣等特點(diǎn)。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)噪聲測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，駝峰調(diào)車場(chǎng)噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以參考《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096—2008)[8]、《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 12348—2008)[9-10]。即如果周邊有居民居住時(shí)，則應(yīng)按 2 類聲環(huán)境功能區(qū)進(jìn)行劃分，要求環(huán)境噪聲等效聲壓級(jí)限值晝間為 60 dB，夜間為50 dB；如果周邊沒(méi)有居民居住時(shí)，應(yīng)按 3 類聲環(huán)境功能區(qū)進(jìn)行劃分，要求環(huán)境噪聲等效聲壓級(jí)限值晝間為 65 dB，夜間為 55 dB。具體執(zhí)行哪類聲環(huán)境功能區(qū)由當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門確定。

2.2 編組站噪聲測(cè)試對(duì)象

表1 鐵路編組站主要噪聲Tab.1 The main noises at train marshalling yards

鐵路編組站根據(jù)其在整個(gè)鐵路網(wǎng)或樞紐內(nèi)所起的作用不同，其設(shè)計(jì)和布置各不相同，周邊的環(huán)境也復(fù)雜多樣。為了研究編組站噪聲對(duì)周邊環(huán)境的影響及噪聲測(cè)試方法，選擇典型的某駝峰編組站作為噪聲測(cè)試對(duì)象。

某駝峰編組站是該地區(qū)鐵路樞紐集中辦理列車到達(dá)、解體、編組、出發(fā)等調(diào)車作業(yè)的雙向三級(jí)七場(chǎng)式編組站，上、下行雙向調(diào)車場(chǎng)布置一致，各設(shè)置 3 個(gè)部位的調(diào)速設(shè)備 (減速器)，其中下行駝峰編組站周邊有居民區(qū)。由于鐵路編組站占地面積較大，測(cè)試整個(gè)編組站的噪聲對(duì)周邊的影響工作量較大。通過(guò)對(duì)上述編組站的噪聲源分析，認(rèn)為減速器設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲為編組站的主要噪聲源。因此，選擇編組站下行駝峰調(diào)車場(chǎng)主要因減速器設(shè)備引起的噪聲源作為測(cè)試對(duì)象。噪聲測(cè)試布點(diǎn)如圖1 所示。

2.3 噪聲測(cè)試內(nèi)容及布點(diǎn)情況

某編組站噪聲測(cè)試包括 2 部分內(nèi)容，即減速器設(shè)備的噪聲聲場(chǎng)特性和站場(chǎng)及周邊居民區(qū)的環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)。其中，減速器設(shè)備的噪聲聲場(chǎng)特性包括減速器設(shè)備的噪聲聲級(jí)、噪聲頻譜特性和噪聲傳播規(guī)律等，需要統(tǒng)計(jì)分析測(cè)試數(shù)據(jù)；環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)包括編組站的廠界噪聲監(jiān)測(cè)和周邊居民小區(qū)不同樓層的窗外噪聲監(jiān)測(cè)，采用 24 h 連續(xù)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，獲取噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖1，選擇二部位第 2 線束的減速器設(shè)備作為測(cè)試對(duì)象。通過(guò)測(cè)試減速器設(shè)備作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲，分析其輻射噪聲的頻率特征及傳播規(guī)律。受現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件限制，噪聲測(cè)試僅選擇了 5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距離地面高度均為 1.2 m。

對(duì)于站場(chǎng)及周邊居民區(qū)的環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)，由于某小區(qū)剛好位于編組站下行駝峰三部位減速器作業(yè)區(qū)域，駝峰調(diào)車作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲對(duì)小區(qū)影響較大。在布置環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)時(shí)，充分考慮上述情況。因此，選擇的廠界噪聲測(cè)點(diǎn)位于編組站三部位減速器的邊界。測(cè)點(diǎn)的布置按照《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 12348—2008) 要求，將噪聲測(cè)試儀的探頭布置在廠界外 1.0 m、高度 1.2 m 處；至于居民區(qū)小區(qū)環(huán)境噪聲測(cè)點(diǎn)，測(cè)試選擇了該小區(qū)離三部位減速器最近的 25 號(hào)樓和 26 號(hào)樓的不同高度樓層。其中，26 號(hào)樓距離一、二、三部位減速器中心分別約為 400 m、270 m、200 m，該樓每個(gè)樓層高度為 3.0 m，此樓第 3 層與駝峰調(diào)車場(chǎng)平面高度基本一致。噪聲測(cè)試儀探頭的測(cè)點(diǎn)分別布置在 25 號(hào)樓的 6 樓、13 樓和 26 號(hào)樓的 3 樓、18 樓窗外 1.0 m 處。

3 噪聲測(cè)試結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

3.1 減速器設(shè)備噪聲測(cè)試結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)減速器設(shè)備的噪聲測(cè)試，獲得減速器設(shè)備噪聲不同測(cè)點(diǎn)的噪聲聲級(jí)水平，并且分析其主要頻譜特征。通過(guò)不同測(cè)點(diǎn)的噪聲等效連續(xù) A 聲級(jí)Leq，計(jì)算得到減速器設(shè)備的噪聲傳播規(guī)律。

3.1.1 減速器設(shè)備各測(cè)點(diǎn)噪聲等級(jí)統(tǒng)計(jì)

某編組站駝峰二部位共有 6 線束安裝減速器設(shè)備，考慮到站場(chǎng)的實(shí)際情況，第 1 線束已經(jīng)安裝了降噪設(shè)備，因而選擇第 2 線束減速器設(shè)備進(jìn)行噪聲測(cè)試，布置相應(yīng)測(cè)控點(diǎn)，記錄相應(yīng)噪聲數(shù)據(jù)。

根據(jù)不同距離測(cè)試點(diǎn)的噪聲等效連續(xù) A 聲級(jí)Leq統(tǒng)計(jì)情況，距離減速器外軌 6.4 m 處，平均等效 A 聲級(jí)為 118.58 dB；距離減速器設(shè)備 10.8 m 處，平均等效 A 聲級(jí)為 113.69 dB；距離減速器設(shè)備 16 m處，平均等效 A 聲級(jí)為 112.23 dB；距離減速器設(shè)備19.2 m 處，平均等效 A 聲級(jí)為 111.46 dB；距離減速器 28.8 m 處，平均等效 A 聲級(jí)為 107.02 dB。

圖1 噪聲測(cè)試布點(diǎn)Fig.1 Noise testing points

3.1.2 減速器設(shè)備的噪聲傳播規(guī)律分析

由于聲壓級(jí)采用對(duì)數(shù)表示方式，因而采用對(duì)數(shù)曲線進(jìn)行擬合，如公式 ⑴ 所示。根據(jù)曲線擬合的最小二乘法原理，根據(jù)測(cè)點(diǎn)距離和等效 A 聲級(jí) Leq數(shù)值，擬合等效 A 聲級(jí) Leq的傳播規(guī)律，擬合公式[11]為

式中：A 為衰減系數(shù)；B 為等效距離為 1 m 處的 Leq回歸值；X 為到減速器的距離。

為了計(jì)算方便，對(duì)公式 ⑴ 作代換 y = Leq(x)，z = lg (x)，使公式 ⑴ 轉(zhuǎn)化為一次多項(xiàng)式，則有

式中：yi，zi為公式 ⑴ 轉(zhuǎn)換后相應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)；i 代表某一次測(cè)試數(shù)據(jù)；m 代表測(cè)試數(shù)據(jù)的總數(shù)。

為了使點(diǎn) (zi，yi) 盡量落在該直線或在其附近，必須使其下式 Q 取得極小值，即

將公式 ⑷ 改寫(xiě)成矩陣形式，得

根據(jù)各測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)平均值，計(jì)算出 A = －18.94，B = 134.53，代入公式 ⑴ 中，得到減速器設(shè)備的噪聲傳播基本規(guī)律為

Leq(x) =－18.94 lg (x) + 134.53

減速器設(shè)備噪聲傳播規(guī)律如圖2 所示。

圖2 減速器設(shè)備噪聲傳播規(guī)律Fig.2 Transmission patterns of the noises from car retarders

3.1.3 噪聲時(shí)域信號(hào)分析

截取一勾 5 輛車組溜放至二部位減速器設(shè)備時(shí)，經(jīng) 2 次制動(dòng)產(chǎn)生的噪聲信號(hào)如圖3 所示，圖3a為噪聲聲壓信號(hào)，圖3b 為噪聲聲級(jí)信號(hào)。從圖3b可以看出，減速器設(shè)備第 1 次對(duì)溜放車組的制動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)、聲壓級(jí)較高，第 2 次制動(dòng)時(shí)間較短、聲壓級(jí)較低，2 次制動(dòng)噪聲的最大 A 聲級(jí)均比沒(méi)有制動(dòng)時(shí)的 A 聲級(jí)高出 40 dB 以上。

3.1.4 噪聲頻譜分析

圖3 一勾 5 輛車組經(jīng)減速器設(shè)備產(chǎn)生 2 次制動(dòng)的噪聲信號(hào)圖Fig.3 The noise signal diagram of a fi ve-car train group braking twice generated by a retarder

一勾 5 輛車組經(jīng)減速器設(shè)備時(shí)產(chǎn)生噪聲頻譜如圖4 所示。圖中曲線分別表示第 1 次制動(dòng)時(shí)的噪聲、第 2 次制動(dòng)時(shí)的噪聲、溜放車組經(jīng)過(guò)時(shí)的噪聲和背景噪聲。

圖4 一勾 5 輛車組經(jīng)減速器設(shè)備時(shí)產(chǎn)生噪聲頻譜Fig.4 The noise signal diagram of a fi ve-car train group braking generated by a retarder

從圖4 可以看出：①在低頻率段 (＜500 Hz)，減速器設(shè)備制動(dòng)噪聲頻譜特征與列車通過(guò)但沒(méi)有制動(dòng)的噪聲基本一致，因而制動(dòng)噪聲在低頻段能量較少[12-13]；②在中高頻段 (≥500 Hz)，減速器設(shè)備隨著頻率增大制動(dòng)噪聲逐漸變大，減速器設(shè)備產(chǎn)生的噪聲貢獻(xiàn)量逐步增大[12-13]；③ 減速器設(shè)備產(chǎn)生的噪聲能量主要集中在 2 000～10 000 Hz 頻段，其中中心頻率在 2 500 Hz 和 5 000 Hz 時(shí)出現(xiàn)極大值。

3.2 編組站廠界噪聲測(cè)試結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)某編組站廠界噪聲 24 h 監(jiān)測(cè)，每隔 1 h記錄 1 個(gè)數(shù)據(jù)，得到某編組站 24 h 廠界噪聲分布如圖5 所示。根據(jù)《中華人民共和國(guó)環(huán)境噪聲污染防治法》，晝間為 6 ∶ 00 至 22 ∶ 00，夜間為 22 ∶ 00 至次日 6 ∶ 00。由于編組站周邊有居民區(qū)，假設(shè)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門要求按 2 類聲功能區(qū)進(jìn)行考核，即晝間噪聲等效 A 聲級(jí)不超過(guò) 60 dB，夜間噪聲等效 A 聲級(jí)不超過(guò) 50 dB。

晝間和夜間的等效聲級(jí)分別如公式 ⑹ 和公式⑺ 所示。

式中：n 為晝間測(cè)試次數(shù)，每隔 1 h 記錄 1 個(gè)數(shù)據(jù)，n = 16；m 為夜間測(cè)試次數(shù)，每隔 1 h 記錄 1 個(gè)數(shù)據(jù)，m = 8；Leq,d為晝間 6 ∶ 00—22 ∶ 00 的等效聲壓級(jí)；Leq,n為夜間 22 ∶ 00—6 ∶ 00 的等效聲壓級(jí)；Leq,i為某 1 h 的等效聲壓級(jí)。

圖5 某編組站 24 h 廠界噪聲分布Fig.5 Boundary noise distribution of a marshalling yard within 24 hours

通過(guò)計(jì)算，晝間的等效聲壓級(jí) Leq,d= 79.2 dB，夜間的等效聲壓級(jí) Leq,n= 82.5 dB。

從圖5 可以看出，某編組站廠界噪聲在不同時(shí)段等效聲級(jí)差別較大，這與不同時(shí)段駝峰調(diào)車作業(yè)量不同有關(guān)。晝間 6 ∶ 00、10 ∶ 00、17 ∶ 00、夜間 2 ∶ 00—5 ∶ 00 是監(jiān)測(cè)當(dāng)天作業(yè)量較大的時(shí)間段，等效連續(xù) A 聲級(jí)較高。夜間作業(yè)密度比晝間大，調(diào)車場(chǎng)廠界噪聲夜間等效連續(xù) A 聲級(jí)明顯超過(guò)晝間等效連續(xù) A 聲級(jí)。比較測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值可知，某編組站廠界噪聲晝間等效連續(xù) A 聲級(jí)為 79.2 dB，與標(biāo)準(zhǔn)限值 60 dB 相比超標(biāo) 19.2 dB；夜間等效連續(xù) A 聲級(jí)為 82.5 dB，與標(biāo)準(zhǔn)限值 50 dB 相比超標(biāo) 32.5 dB。

圖6 等效聲壓級(jí)與樓層間關(guān)系Fig.6 The relationship between the equivalent sound pressure level and the number of the fl oors

3.3 周邊居民區(qū)噪聲測(cè)試結(jié)果與分析

通過(guò)每隔 1 h 記錄 1 個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)某編組站周邊小區(qū) 25 號(hào)樓 6 層和 13 層、26 號(hào)樓 3 層和 18 層進(jìn)行 24 h 噪聲監(jiān)測(cè)。通過(guò)公式 ⑹ 和公式 ⑺ 計(jì)算出不同樓層間的晝間等效聲壓級(jí)和夜間等效聲壓級(jí)，通過(guò)曲線擬合的最小二乘法原理，擬合出晝間和夜間等效聲壓級(jí)曲線方程，得到等效聲壓級(jí)與樓層間關(guān)系如圖6 所示。

根據(jù)要求，晝間噪聲等效聲壓級(jí)不超過(guò) 60 dB，夜間噪聲等效聲壓級(jí)不超過(guò) 50 dB。從圖6 可以看出，某小區(qū)不同樓層的晝間、夜間窗外環(huán)境噪聲均超標(biāo)，其中 3 樓處測(cè)點(diǎn)由于高度低于某駝峰編組站高度，站場(chǎng)內(nèi)噪聲傳播至測(cè)點(diǎn)時(shí)受到樓前溝塹的遮擋，超標(biāo)量相對(duì)于更高樓層小一些。此外，隨著樓層增高，超標(biāo)量呈增大趨勢(shì)，并且夜間等效連續(xù) A 聲級(jí)高于晝間等效連續(xù) A 聲級(jí)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某編組站的設(shè)備噪聲聲場(chǎng)特性測(cè)試和廠界及周邊小區(qū)環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)，得出以下結(jié)論。

（1）編組站產(chǎn)生的噪聲與編組站所處的地理位置及其功能、站場(chǎng)布置、駝峰峰高、駝峰調(diào)車作業(yè)量、測(cè)試布點(diǎn)情況等息息相關(guān)，站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)量越大，其產(chǎn)生的噪聲聲壓級(jí)越高。

（2）噪聲評(píng)價(jià)依據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096—2008)、《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 12348—2008) 等標(biāo)準(zhǔn)[10]。

（3）監(jiān)測(cè)某編組站廠界和附近小區(qū)環(huán)境的晝間、夜間噪聲等效聲壓級(jí)發(fā)現(xiàn)，隨著小區(qū)樓層的增高，噪聲呈增大趨勢(shì)。

（4）減速器設(shè)備所產(chǎn)生噪聲隨著測(cè)試距離增加，噪聲等效聲壓級(jí)呈減弱趨勢(shì)，噪聲頻率特征主要為中高頻段 (≥500 Hz) 噪聲，噪聲能量主要集中在 2 000 ～10 000 Hz 頻段。

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