高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲測量量和測量點(diǎn)位的選取

何財(cái)松，李晏良

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司?節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京???100081）

1 概述

高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，極大地改善了人們的出行方式和旅行品質(zhì)，也促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但高速鐵路產(chǎn)生的噪聲問題已經(jīng)引起沿線居民的高度關(guān)注，并成為制約高速鐵路規(guī)劃、建設(shè)、提速和發(fā)展的關(guān)鍵因素。

國外鐵路噪聲測量方法標(biāo)準(zhǔn)體系主要有4種：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、歐洲體系、北美體系和日本體系[1-2]。歐洲鐵路噪聲標(biāo)準(zhǔn)體系與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織體系基本一致；日本鐵路噪聲標(biāo)準(zhǔn)體系受歐洲體系的影響較大，但是日本在測量點(diǎn)位、測量數(shù)值、數(shù)據(jù)處理方法等方面有自己的特色[3-4]；北美鐵路噪聲公開的測量標(biāo)準(zhǔn)較少。因此，關(guān)于國外高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲測量方法的研究，主要基于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO?3095Railway applications-Acoustics-Measurement of noise emitted by railbound vehicles開展。

目前，我國通用的鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T?5111—2011《聲學(xué)軌道機(jī)車車輛發(fā)射噪聲測量》[5]，該標(biāo)準(zhǔn)等同轉(zhuǎn)化于ISO?3095：2005。GB/T?5111—2011發(fā)布以來，對(duì)我國高速鐵路的型式試驗(yàn)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試及源強(qiáng)識(shí)別和降噪等科研工作提供了較好指導(dǎo)，但是高速鐵路噪聲在聲源種類、聲源分布等方面與普速鐵路有很大區(qū)別。并且ISO?3095標(biāo)準(zhǔn)的最新發(fā)布版本更新到2013版，應(yīng)充分研究新舊標(biāo)準(zhǔn)差異的來源、影響，同時(shí)研究分析我國高速鐵路大量的噪聲測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定相關(guān)關(guān)鍵指標(biāo)。

2 我國鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲測量方法

GB/T?5111—2011規(guī)定列車運(yùn)行輻射噪聲測試的測點(diǎn)位置為：傳聲器應(yīng)置于軌道軸線兩側(cè)7.5?m、距軌頂面以上1.2?m，或距軌道軸線兩側(cè)25.0?m、距軌頂面以上3.5?m。測量時(shí)，如在被測車輛上部有重要的聲源如排氣管或受電弓，應(yīng)在距軌道中心線兩側(cè)7.5?m、距軌頂面以上 3.5?m處附加測點(diǎn)。GB/T?5111—2011用于測量勻速列車的側(cè)面?zhèn)髀暺魑恢靡妶D1。

圖1 用于測量勻速列車的側(cè)面?zhèn)髀暺魑恢茫℅B/T 5111—2011）

GB/T?5111—2011規(guī)定列車運(yùn)行輻射噪聲測試的測量量為：列車通過等效連續(xù)A聲級(jí)LAeq、AF計(jì)權(quán)最大聲壓級(jí)LAmax、列車通過暴露聲級(jí)TEL以及噪聲頻譜。TEL計(jì)量公式為：

式中：T為測量時(shí)間段；Tp為列車通過時(shí)間；pA為瞬時(shí)A聲壓；p0為基準(zhǔn)聲壓。

通過的A計(jì)權(quán)聲級(jí)，時(shí)間段T應(yīng)足夠長以包括所有與該事件相關(guān)的聲能量，即至少要考慮比Tp時(shí)間段內(nèi)開始與結(jié)束時(shí)LpA值低10?dB時(shí)間段內(nèi)的聲能量。測量時(shí)間T及列車通過時(shí)間Tp見圖2。

圖2 測量時(shí)間T及列車通過時(shí)間Tp示意圖

3 ISO 3095：2013對(duì)噪聲測量的相關(guān)規(guī)定

ISO?3095：2005規(guī)定了軌道機(jī)車車輛發(fā)射噪聲的測量方法，其優(yōu)勢是適用性強(qiáng)，使用國家多。ISO?3095：2013主要用于標(biāo)準(zhǔn)有砟軌道條件下的列車型式試驗(yàn)，包括范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、儀器與校準(zhǔn)、定置試驗(yàn)、勻速運(yùn)行試驗(yàn)、從靜止到加速試驗(yàn)、減速試驗(yàn)、測試質(zhì)量、試驗(yàn)報(bào)告及附錄資料等章節(jié)。ISO?3095：2013對(duì)于高速列車噪聲型式試驗(yàn)所要求的環(huán)境條件（聲環(huán)境、氣象條件、背景聲壓級(jí)）、軌道狀態(tài)（一般條件、曲線半徑、軌道結(jié)構(gòu)、軌道質(zhì)量、鋼軌聲學(xué)短波不平順、軌道動(dòng)力性能、特殊情況等）、車輛狀況（一般、負(fù)載和操作條件、車輪踏面狀態(tài)、列車編組）、測量點(diǎn)位（標(biāo)準(zhǔn)測點(diǎn)、附加測點(diǎn)）、測量量、試驗(yàn)程序（一般規(guī)定、通過速度、記錄和測量時(shí)間間隔）、數(shù)據(jù)處理（標(biāo)準(zhǔn)處理程序、附加處理程序）等方面做了詳細(xì)的規(guī)定。

ISO?3095：2005對(duì)所有狀態(tài)的列車測試點(diǎn)位做了規(guī)定3個(gè)點(diǎn)位（同GB/T?5111—2011），但是沒有明確勻速行駛狀態(tài)列車的具體測量點(diǎn)位，也沒有明確不同速度運(yùn)行時(shí)的具體測量點(diǎn)位。ISO?3095：2013規(guī)定列車運(yùn)行輻射噪聲測試時(shí)，根據(jù)速度指標(biāo)給出了具體的測點(diǎn)位置：

（1）標(biāo)準(zhǔn)測點(diǎn)：列車運(yùn)行速度低于200?km/h，測點(diǎn)位于距軌道中心7.5?m、距軌面高度1.2?m處；列車運(yùn)行速度高于或等于200?km/h，測點(diǎn)位于距軌道中心25.0?m、距軌面高度 3.5?m 處。

（2）附加測點(diǎn)：假如被測車輛上部有重要的聲源（如動(dòng)力單元），推薦在距軌道中心線7.5?m、軌面以上3.5?m布設(shè)測點(diǎn)。

ISO?3095：2013用于測量勻速列車的側(cè)面?zhèn)髀暺魑恢靡妶D3。

在ISO?3095：2005標(biāo)準(zhǔn)中，測量量單獨(dú)成章。ISO?3095：2013標(biāo)準(zhǔn)中，測量量分別放在了各種測試列車狀態(tài)章節(jié)中，對(duì)于不同的測試列車狀態(tài)，明確了不同的具體的測量量。ISO?3095：2005標(biāo)準(zhǔn)中測量量為TEL或者LpAeq,Tp。ISO?3095：2013核心的變化是測量基本量由TEL改為單一測量量LpAeq,Tp，并同時(shí)測試列車速度和通過時(shí)間Tp；如果需要，可給出其他的測量量，如頻率和音調(diào)。

圖3 用于測量勻速列車的側(cè)面?zhèn)髀暺魑恢茫↖SO 3095：2013）

4 關(guān)鍵測量參數(shù)的選取建議

4.1 測量量

在我國現(xiàn)行高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲標(biāo)準(zhǔn)體系執(zhí)行過程中，《CRH?系列動(dòng)車組噪聲等評(píng)價(jià)指標(biāo)暫行規(guī)定》（鐵總科技〔2014〕210號(hào)）要求：車外噪聲測試方法按照ISO?3095要求進(jìn)行。這里如果按照ISO?3095：2013最新版標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，即測量量為LpAeq,Tp?！稌r(shí)速350公里中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組暫行技術(shù)條件》（鐵總科技〔2014〕50號(hào)）只規(guī)定測點(diǎn)位置，沒有明確測量量執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，因此通常按照GB/T?5111—2011執(zhí)行，即測量量為TEL。因此，對(duì)高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲測量量的理解亟須統(tǒng)一。

目前歐洲對(duì)高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)中的測量量有明確且統(tǒng)一的規(guī)定。TSI?2008/232/EC《歐盟鐵路互通性技術(shù)規(guī)范一跨歐洲高速鐵路系統(tǒng)車輛子系統(tǒng)可互操作性》、UIC?660：2002《確保高速列車技術(shù)兼容性的措施》（第2版）等規(guī)定的測量量均為單一量LpAeq,Tp。

因此，建議我國高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲測量量應(yīng)選擇LAeq,Tp，不再使用TEL。

（1）TEL與LpAeq,Tp相比，TEL獲取較為復(fù)雜，且易出現(xiàn)人為誤差[5]。由圖2和式（1）可知，兩者的區(qū)別在于積分時(shí)間不同，TEL根據(jù)測量記錄時(shí)間T內(nèi)的LAeq,T、T和Tp計(jì)算而來。在實(shí)際工作中，列車通過時(shí)間Tp可以通過列車觸發(fā)信號(hào)直接得到，而記錄時(shí)間T的截取非常復(fù)雜，人工處理數(shù)據(jù)時(shí)，需要不斷的調(diào)試，才能得到記錄時(shí)間T，從而極大地增加了數(shù)據(jù)處理的工作量，同時(shí)也增加了人為誤差；機(jī)器處理數(shù)據(jù)時(shí)，需要多耗費(fèi)百倍的計(jì)算時(shí)間得到準(zhǔn)確的量值，也不利于高速鐵路噪聲自動(dòng)化測試的應(yīng)用。

（2）TEL和LAeq,Tp的差異較小且穩(wěn)定[5]。高速列車通過時(shí)列車運(yùn)行輻射噪聲時(shí)程曲線（見圖4）顯示，通常瞬時(shí)聲級(jí)水平高于本底噪聲30?dB（A）以上，聲級(jí)變化率在15?dB（A）/s以上，測量量LAeq,Tp將列車通過時(shí)的主要聲能量全部涵蓋。

圖4 高速列車通過時(shí)列車運(yùn)行輻射噪聲時(shí)程曲線

通過對(duì)聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見表1），結(jié)果顯示，當(dāng)列車以200～420?km/h運(yùn)行時(shí)，其列車運(yùn)行輻射噪聲TEL與LAeq,Tp差值非常小且穩(wěn)定，差值范圍為0.3～0.6?dB（A），平均值和中位數(shù)均為0.5?dB（A）。因此，采用LAeq,Tp作為高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲測量量，對(duì)于歷史數(shù)據(jù)的研究與利用不會(huì)造成障礙。

表1 高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲TEL與LAeq,Tp差值

（3）ISO和UIC評(píng)價(jià)高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲均采用LAeq,Tp，國際化、統(tǒng)一化的測量量不僅可以消除差異，也有利于我國高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施。

4.2 測量點(diǎn)位

在我國鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試、型式試驗(yàn)、科學(xué)試驗(yàn)以及環(huán)評(píng)中，關(guān)于列車運(yùn)行輻射噪聲測量的測點(diǎn)位置，普速鐵路和高速鐵路采用的相關(guān)測點(diǎn)，即距軌道中心線25.0?m、軌面以上3.5?m，貨運(yùn)鐵路采用的測點(diǎn)為距軌道中心線7.5?m、軌面以上1.2?m。歐盟與國際鐵路聯(lián)盟均來源于同一標(biāo)準(zhǔn)ISO?3095，因此對(duì)于速度200?km/h以上的高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲具有相同的測點(diǎn)位置，即標(biāo)準(zhǔn)測點(diǎn)（距軌道中心線25.0?m、軌面以上3.5?m）和附近測點(diǎn)（距軌道中心線7.5?m、軌面以上3.5?m）；同時(shí)，歐盟在TSI?2014/1304/EU中已經(jīng)明確規(guī)定了在速度大于250?km/h時(shí)，在距軌道中心線7.5?m、軌面以上3.5?m處增設(shè)測點(diǎn)。

建議我國高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲測試中，以距軌道中心25.0?m、距軌面高度3.5?m和距軌道中心7.5?m、距軌面高度3.5?m?兩個(gè)測點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)測點(diǎn)。

（1）ISO?3095 和 GB/T?5111—2011，都有同一的測量點(diǎn)位，即距軌道中心25.0?m、距軌面高度3.5?m。此測量點(diǎn)位為國際社會(huì)和我國長期使用，通用性高，且積累了大量的歷史數(shù)據(jù)，可為后續(xù)鐵路降噪研究與設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）距軌道中心7.5?m、距軌面高度3.5?m應(yīng)成為標(biāo)準(zhǔn)測點(diǎn)。從我國開展的高速鐵路噪聲源識(shí)別結(jié)果可以得出，高速動(dòng)車組上部噪聲在高速情況下受電弓噪聲貢獻(xiàn)量較大[6-7]，成為主要聲源之一。我國某型動(dòng)車組以250?km/h和400?km/h運(yùn)行時(shí)的車外噪聲源識(shí)別結(jié)果見圖5（圖中亮度越高代表噪聲值越大）。某型動(dòng)車組以200～400?km/h運(yùn)行時(shí)，高速列車上、中、下不同區(qū)域的噪聲貢獻(xiàn)量比例見表2。

表2 某型動(dòng)車組垂向不同區(qū)域聲功率級(jí)貢獻(xiàn)量

由圖5和表2可以得出，當(dāng)列車運(yùn)行速度超過200?km/h時(shí)，動(dòng)車組上部噪聲，特別是受電弓處噪聲已經(jīng)非常明顯，且隨著速度的提高成增長趨勢。當(dāng)速度為400?km/h時(shí)，受電弓噪聲與動(dòng)車組頭車一位車輪相當(dāng)。高速鐵路動(dòng)車組噪聲源分布與普速鐵路具有顯著性差別，其中部和上部區(qū)域也成為重要的噪聲源位置。因此，距軌道中心7.5?m、距軌面高度3.5?m處的噪聲測點(diǎn)，也應(yīng)成為我國高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲測量方法中的標(biāo)準(zhǔn)測量點(diǎn)位。

圖5 我國某型動(dòng)車組聲源識(shí)別結(jié)果

5 結(jié)束語

分析國內(nèi)外高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲測量方法及標(biāo)準(zhǔn)限值等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及我國測試方法的應(yīng)用現(xiàn)狀，建議修訂我國高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲測量方法時(shí)，其基本要求、測量儀器等通用條款可以利用ISO?3095的最新成果，測量量和測量點(diǎn)位兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)需要明確與優(yōu)化。在運(yùn)用高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還應(yīng)進(jìn)一步對(duì)測量點(diǎn)位開展研究，待基礎(chǔ)數(shù)據(jù)豐富后，探索最佳的測點(diǎn)位置，簡化測量點(diǎn)位數(shù)量。