高速動車噪聲隔音屏聲波反射的研究

趙嘉琛

摘 要：高速鐵路給人們帶來便捷、快速通行的同時，也會對鐵路沿線居民及列車本體帶來影響，通過查閱資料，調(diào)查噪聲的來源，研究隔音屏聲波反射，致力于將噪聲反射回來影響到列車本體的聲波能量降到比較低的水平，并提出相關(guān)模型的建設(shè)建議。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；噪聲；隔音屏；反射

中圖分類號：U238 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0047-04

0 引言

利用隔音屏屏蔽高速鐵路噪聲的原理在于，在噪聲的傳播過程中阻斷噪聲的傳播，現(xiàn)如今在保證客運專線的運營速度的基礎(chǔ)上，運用隔音屏，控制噪聲，使其既做到不影響沿線居民生活，又做到不影響列車運行，便成了目前有待解決的問題之一。

1 高鐵噪聲的來源及其原理（表1）[1]

1.1 輪軌間噪聲

其為噪聲的主要來源，運行時不可避免地產(chǎn)生沖擊聲，高速鐵路雖然采用的是無縫鋼軌，但經(jīng)過不同車輛的碾軋和外部環(huán)境的作用后，雖罕有斷裂的情況出現(xiàn)，但其形態(tài)上會發(fā)生一定的改變，這樣的改變形成了五種不平順接觸，如圖1所示。在這五種沖擊情況中，高跨是最為不利的，不同于其它四種情況，其速度越高，產(chǎn)生的沖擊聲就越大，可見應(yīng)盡力避免此類情況。

1.2 集電系統(tǒng)的高速接觸摩擦

日本的研究表明，集電系統(tǒng)的噪聲僅次于輪軌噪聲，其主要在于受電弓和接觸網(wǎng)的高頻振動發(fā)出的噪聲，其中，滑動聲是隨著滑板導(dǎo)線間的滑動因弓網(wǎng)的高頻波振動而產(chǎn)生的：電弧噪聲是列車在高速運行時受電弓和容易發(fā)生脫離而產(chǎn)生的；而受電弓的氣動噪聲是由于受電弓突出在車頂上，幾乎受到與列車速度相同的風(fēng)速作用而產(chǎn)生摩擦從而引發(fā)的。

1.3 空氣動力性噪聲（氣動噪聲）

由氣流直接產(chǎn)生的振幅和頻率雜亂、統(tǒng)計上無規(guī)則的聲音叫做空氣動力性噪聲，簡稱氣動噪聲。列車高速運行時來自各方向的氣流與車體摩擦產(chǎn)生的聲音就是一種氣動噪聲。

1.4 橋梁構(gòu)筑物噪聲

高速鐵路在通過城市區(qū)域時，由于與河流，公路和鐵路的交叉，需要建造多各種結(jié)構(gòu)的橋梁，當高速列車通過這些高架結(jié)構(gòu)時，由于引起橋梁上各種構(gòu)件的振動而向外輻射噪聲，稱之為高速鐵路橋梁構(gòu)筑物噪聲。

2 隔音屏障的調(diào)整

高鐵列車運營期間會產(chǎn)生噪音，其中離鐵軌外軌中心線30米左右，噪音在62-72分貝；震動干擾，離鐵軌外軌中心線30米左右在76-85分貝之間，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2、表3[2]。

我們從一方面來分析，如果將此運行區(qū)間全部包圍起來，那么聲波積聚的能量將會直接作用與列車之上，隨著列車速度的不斷提高，來自車體各部分的大量聲波聚集的能量，在某些情況下是會干擾列車運行的。目前的研究多是集中研究噪聲對外界的影響及防治工作，還很少涉及到聲波反射對列車的影響，由此我考慮到“怎樣去調(diào)整隔音屏，可以將反射回來影響到列車本體的聲波能量降到比較低的水平”，對此我展開了探究。

3 模型對比分析

3.1 建立簡化模型

以當下主流車型和諧號CRH380B型電力動車組為例相關(guān)參數(shù)見表4。

我們基于列車車廂及其至接觸網(wǎng)的高度為一個單位長度，同隔音屏、住宅一同建立一個簡化模型，比例為1：2：4，對于建筑限界，我們從單軌的角度分析，軌道到隔音屏的距離約為2-4米，我們將隔音屏至住宅樓的距離規(guī)定為軌道到隔音屏的距離的2倍，同樣建立一個簡化模型，比例為1：2，通過對聲波反射的繪圖、測量、分析、計算等步驟，來探究怎樣去調(diào)整隔音屏，可以將反射回來影響到列車本體的聲波能量降到比較低的水平。

3.2 對比分析過程（分析的基礎(chǔ)建立在列車運行時速為300km/h）

至于隔音屏對房屋的影響，我們將以下圖1模型中的屏高，看作可以完全屏蔽掉對房屋的噪聲，只分析隔音屏聲波對車體的影響。第一行線為列車及受電裝備的高度，根據(jù)上文對噪聲來源的分析，可以將第一行線劃分為四個點分成的區(qū)段，第一個點A——輪軌噪聲和橋梁構(gòu)筑物噪聲；第二個點B——空氣動力性噪聲；第三個點C——車頂；第四個點D——集電系統(tǒng)噪聲（受電弓），從不同點出發(fā)的噪聲聲波能量，會發(fā)散到各個方向上去，為了確定區(qū)間，計算反射回來影響到列車的聲波能量占總噪聲的比重，所以繼續(xù)進行分析?，F(xiàn)存的隔音屏形狀大致有兩大種，一類是直面型，另一類是曲面型，曲面型當中又分為內(nèi)曲型、外曲型兩種，通過簡化模型可以探究輪軌噪聲、空氣動力性噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、橋梁構(gòu)筑物噪聲之間的關(guān)系。

如圖2所示，可見，從A點發(fā)出的輪軌噪聲和橋梁構(gòu)筑物噪聲，到達D點后反射到B點，B點為列車車體的邊緣，以此區(qū)間為臨界區(qū)間，向上反射的聲波便不會返回到列車車體之上。反過來看，在此區(qū)間以內(nèi)的所有聲波便會返回到車體之上，影響列車的運行，在簡化模型中經(jīng)過測量、計算，可以分析出——對于直面型噪聲隔音屏，來自于輪軌摩擦和橋梁構(gòu)筑物振動的噪聲反射到車身的部分約為原隔音屏高度的1/6，約為0-1.3m。

如圖3所示，可見在簡化模型中，從B點發(fā)出的空氣動力性噪聲，我們將散發(fā)至各個方向的聲波，統(tǒng)一看成兩個主要方向，一部分散發(fā)至車頂方向，另一部分散發(fā)到地面方向。從B點出發(fā)到達E點反射至A點的空氣動力性噪聲，向E的左側(cè)部分傳播的聲音便將會到達地面被反射出去或被吸收，因而對E的左側(cè)部分，便不再多作考慮，E點便成為了一個邊界，同樣從B點出發(fā)到達F點反射至C點的空氣動力性噪聲，向E的右側(cè)部分為向上反射的聲波，便不會返回到列車車體之上，因此F點便成為了另一個邊界，在簡化模型中經(jīng)過測量、計算，可以分析出——對于直面型噪聲隔音屏，EF段來自于列車運行時產(chǎn)生的空氣動力性噪聲反射到車身的部分約占約為原隔音屏高度的1/6，約為0.66-1.99m。

如圖4所示，可見在簡化模型中，從D點發(fā)出的集電系統(tǒng)噪聲，將散發(fā)至各個方向的聲波，統(tǒng)一看成兩個主要方向，一部分散發(fā)至車頂方向，另一部分散發(fā)到地面方向。從D出發(fā)到達F點反射至C點的空氣動力性噪聲，向F的右側(cè)部分為向上反射的聲波，便不會返回到列車車體之上，因此F點便成為了一個邊界。同理E點左側(cè)部分傳播的聲音將會到達地面被反射出去或被吸收，因而對E的左側(cè)部分，便不再多作考慮，E點便成為了另一個邊界，同樣，在簡化模型中經(jīng)過測量、計算，可以分析出——對于直面型噪聲隔音屏，EF段來自于列車運行時產(chǎn)生的集電系統(tǒng)噪聲，反射到車身的部分約為原隔音屏高度的1/6，約為1.99-3.32m。

經(jīng)過上述分析，按比重加權(quán)計算過后可得，在直面型隔音屏中，來自于各部分的噪聲反射到列車上的當量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=1×（54+7）+1×16+1×23=100（其中L1/L2/L3指的是每段隔音屏的高度）

如圖5所示，可見，從A點發(fā)出的輪軌噪聲和橋梁構(gòu)筑物噪聲，到達E點后反射到C點，C點為列車車體的邊緣，以此區(qū)間為臨界區(qū)間，向上反射的聲波便不會返回到列車車體之上。反過來看，在此區(qū)間以內(nèi)，既E點左側(cè)部分，所有聲波便會返回到車體之上，影響列車的運行，在簡化模型中經(jīng)過測量、計算，可以分析出——對于曲面型噪聲隔音屏，來自于輪軌摩擦和橋梁構(gòu)筑物振動的噪聲反射到車身的部分約為原隔音屏高度的2/33，約為0-0.37m。

r=10.5cm C=2πr=65.94cm

C大弧=×2πr=×65.94cm≈6.04cm

C小弧=×C大弧≈0.37cm

噪聲反射比率=×100%≈6.1%

（其中a指的是圓心角度數(shù)，b指的是大弧對應(yīng)圓心角的角度，c指的是小弧對應(yīng)圓心角的度數(shù)。）

如圖6所示，可見在簡化模型中，從B點發(fā)出的空氣動力性噪聲，同樣我們將散發(fā)至各個方向的聲波，統(tǒng)一看成兩個主要方向，一部分散發(fā)至車頂方向，另一部分散發(fā)到地面方向。從B點出發(fā)到達E點反射至A點的空氣動力性噪聲，向E的左側(cè)部分傳播的聲音便將會到達地面被反射出去或被吸收，因而對E的左側(cè)部分，便不再多作考慮，E點便成為了一個邊界。同樣從B點出發(fā)到達F點反射至C點的空氣動力性噪聲，向F的右側(cè)部分為向上反射的聲波，便不會返回到列車車體之上，因此F點便成為了另一個邊界，在簡化模型中經(jīng)過測量、計算，可以分析出——對于曲面型噪聲隔音屏，EF段來自于列車運行時產(chǎn)生的空氣動力性噪聲反射到車身的部分約為原隔音屏高度的7/30，約為0.18-1.46m。

同理可得，噪聲反射比率≈23.3%。

如圖7所示，可見在簡化模型中，從D點發(fā)出的集電系統(tǒng)噪聲，將散發(fā)至各個方向的聲波，統(tǒng)一看成兩個主要方向，一部分散發(fā)至車頂方向，另一部分散發(fā)到地面方向。從D出發(fā)到達F點反射至C點的空氣動力性噪聲，向F的右側(cè)部分為向上反射的聲波，便不會返回到列車車體之上，因此F點便成為了一個邊界。同理E點左側(cè)部分傳播的聲音將會到達地面被反射出去或被吸收，因而對E的左側(cè)部分，便不再多作考慮，E點便成為了另一個邊界，同樣，在簡化模型中經(jīng)過測量、計算，可以分析出——對于直面型噪聲隔音屏，EF段來自于列車運行時產(chǎn)生的集電系統(tǒng)噪聲，反射到車身的部約約為原隔音屏高度的8/31，約為1.1-2.57m。

同理可得，噪聲反射比率≈25.9%。

經(jīng)過上述分析，按比重加權(quán)計算過后可得，在內(nèi)曲型隔音屏中，來自于各部分的噪聲反射到列車上的當量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=1.83×（54+7）+1.28×16+1.47×23=165.92（其中L1/L2/L3指的是每段小弧的高度）。

如圖8所示，同直面型內(nèi)曲型原理，對于外曲型噪聲隔音屏，來自于輪軌摩擦和橋梁構(gòu)筑物振動的噪聲反射到車身的部分約為原隔音屏高度的10/43，約為0-1.83m。

噪聲反射比率≈23.2%。

如圖9所示，同直面型內(nèi)曲型原理，對于外曲型噪聲隔音屏，EF段來自于列車運行時產(chǎn)生的空氣動力性噪聲反射到車身的部分約為原隔音屏高度的5/42，約為1.1-2.02m。

噪聲反射比率≈12.0%。

如圖10所示，同直面型內(nèi)曲型原理，對于外曲型噪聲隔音屏，EF段來自于列車運行時產(chǎn)生的集電系統(tǒng)噪聲，反射到車身的部分約為原隔音屏高度的4/45，約為2.01-2.74m。

噪聲反射比率≈8.9%。

經(jīng)過上述分析，按比重加權(quán)計算過后可得，在外曲型隔音屏中，來自于各部分的噪聲反射到列車上的當量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=1.83×（54+7）+0.92×16+0.73×23=143.14（其中L1/L2/L3指的是每段小弧的高度）。

4 模型優(yōu)化調(diào)整

說明：對于C4弧面，從C點出發(fā)到達E點反射至D點的噪聲，向E的上部分為向上反射的聲波，便不會返回到列車車體之上，因此E點便成為了一個邊界。C4弧面的噪聲便不再多作考慮，便做成如圖所示的形式，這樣及削弱了聲波反射，又降低了高度，節(jié)省了材料。

經(jīng)過上述分析，按比重加權(quán)計算過后可得，來自于各部分的噪聲反射到列車上的當量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=0.18×（54+7）+1.28×16+1.31×23=61.59（其中L1/L2/L3指的是每段小弧的高度）

可見直面型、內(nèi)曲型、外曲型優(yōu)劣共存，同理，經(jīng)過前面模型的分析，我們通過同樣的方法，驗證了這個組合型模型，如圖11所示，其相對于先前的模型設(shè)計，對噪聲的反射回車體的當量有所削減，可以實行調(diào)整。

5 結(jié)語

對比分析，得出結(jié)論：（1）內(nèi)曲型隔音屏對噪聲反射回到車體的比率比較高；（2）外曲型隔音屏對噪聲反射回到車體的比率居第二位；（3）直面型隔音屏對噪聲反射回到車體的比率較??；（4）改進后的組合型屏障，與直線型的相比，反射到機車上的當量減少了38%。

參考文獻

[1] 王典雍.客運專線噪聲分析與綜合控制方法的研究[D].北京交通大學(xué)，2007.

[2] 王光蘆，張新華.降低高速鐵路噪聲措施的探討[J].噪聲與振動控制，1999（3）：41-43.