高速列車120 km/h快速過站時站臺及候車廳噪聲特性預(yù)測分析

王翰儒，劉謀凱，韓健，肖新標(biāo)，李映輝

高速列車120 km/h快速過站時站臺及候車廳噪聲特性預(yù)測分析

王翰儒1,2，劉謀凱2，韓健*,3，肖新標(biāo)2，李映輝1

（1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

針對高速列車過站不停的問題，基于幾何聲線法，建立了某綜合交通樞紐聲場特性預(yù)測模型，分析了高速列車以120 km/h快速通過該綜合交通樞紐時站臺和候車廳區(qū)域的噪聲水平及分布規(guī)律，并從傳播路徑的角度提出降噪措施，結(jié)合統(tǒng)計能量方法，分析其降噪效果。得出以下結(jié)論：站臺區(qū)域距離列車最近場點(diǎn)的噪聲最為顯著，其聲壓級為96.2 dBA，候車廳區(qū)域距離列車橫向距離最近，且最靠近站臺區(qū)域和候車廳區(qū)域相通的邊緣場點(diǎn)噪聲最為顯著，其聲壓級為80.4 dBA，在不采取任何措施情況下，噪聲最大值超出了現(xiàn)有的參考標(biāo)準(zhǔn)限值。從傳播路徑的角度采用四周封閉式雙層中空玻璃隔聲罩進(jìn)行了降噪分析，采用優(yōu)化后隔聲罩的站臺區(qū)域噪聲最大場點(diǎn)聲壓級降低了18 dBA；候車廳區(qū)域噪聲最大場點(diǎn)聲壓級降低了21.2 dBA。

過站噪聲；高速列車；站臺噪聲；候車廳噪聲；幾何聲線法

隨著我國鐵路發(fā)展進(jìn)程不斷加快，城市人口規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施加快建設(shè)，綜合交通樞紐成為城市內(nèi)外交通銜接的主要節(jié)點(diǎn)，是現(xiàn)代化交通的重要組成部分，且在國內(nèi)外應(yīng)用越來越多[1]。高速列車為了確保高效性，縮短列車的旅行時間，存在列車以較快速度通過站臺的情況，導(dǎo)致站臺和候車廳噪聲十分顯著，嚴(yán)重影響了候車旅客及工作人員。因此研究高速列車快速過站不停情況下站臺及候車廳區(qū)域的噪聲問題具有非常重要的意義。

劉茜等[2]對我國城市軌道交通3座典型高架車站、8座典型地下車站站臺進(jìn)行噪聲測試，其結(jié)果表明在高架站臺列車進(jìn)、出站噪聲影響分別為78 dBA和79 dBA，在地下車站列車進(jìn)、出站噪聲影響分別為69～78 dBA和68～79 dBA；黃旭煒等[3]以某城市軌道交通車站為研究對象進(jìn)行聲場預(yù)測分析，結(jié)果表明屏蔽門玻璃貼覆吸音膜降噪措施，降噪主要針對1000 Hz以下的低頻噪聲，在250～1000 Hz頻段內(nèi)，可降低站臺測點(diǎn)噪聲1.8～2.4 dBA；李杰等[4]測試了北京地鐵2號線和5號線的10個島式站臺噪聲，發(fā)現(xiàn)10個站臺噪聲最大值均超過80 dBA；羅錕等[5]通過泰國機(jī)場連接線項(xiàng)目噪聲預(yù)測實(shí)例，認(rèn)為將城市軌道交通按線聲源來考慮，并將噪聲分解為牽引噪聲和輪軌噪聲等子噪聲源來預(yù)測城市軌道交通引起噪聲的方法是可行的；辜小安等[6]對高速鐵路客運(yùn)車站進(jìn)行現(xiàn)場噪聲測試，試驗(yàn)表明候車廳內(nèi)的頻率特性與站房結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，對于高架站房及地下站房，其候車廳內(nèi)在31.5 Hz處均出現(xiàn)峰值，該峰值頻率對應(yīng)于轉(zhuǎn)向架特征頻率，主要源于車輛和軌道系統(tǒng)的耦合振動傳遞到候車廳內(nèi)的地面、墻體、梁柱等引起的低頻噪聲特性。

綜上可見，通過試驗(yàn)與仿真分析，主要研究了站臺的背景、進(jìn)出站以及低速通過噪聲問題，目前還較缺少針對高速列車開展快速過站情況下的站臺及候車廳噪聲預(yù)測分析。

本文針對高速列車快速通過站臺情況，計算和分析具有復(fù)雜聲學(xué)幾何邊界條件的站臺及候車廳的聲場特性及其分布規(guī)律，并從傳播路徑角度提出相應(yīng)的降噪控制措施建議。

1 站臺及候車廳噪聲建模

為了研究高速列車快速過站的噪聲問題，需要分別從高速列車聲源建模、站臺及候車廳聲場建模兩方面進(jìn)行介紹。

1.1 列車模型

以復(fù)興號高速列車為例進(jìn)行建模。車輛為8節(jié)編組，根據(jù)聲源實(shí)際分布情況，將列車聲源進(jìn)行區(qū)域劃分，如圖1所示，包括輪軌噪聲、牽引電機(jī)及齒輪箱噪聲、空調(diào)噪聲、牽引設(shè)備噪聲等。列車所施加的噪聲源頻譜均為實(shí)測數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖1 列車聲源區(qū)域劃分

1.2 站臺及候車區(qū)聲場模型

該綜合交通樞紐共分為三層，B1層為最頂層的商業(yè)區(qū)，B2層為中間層候車區(qū)，B3層為最底層站臺區(qū)，本文重點(diǎn)分析B2和B3層的聲場特性。其中站臺層一共7個站臺、13個車道，車道和站臺長450 m，站臺層橫截面如圖3（a）所示。候車層位于站臺層上方，劃分為候車廳區(qū)域以及鏤空區(qū)域，鏤空區(qū)域與站臺層相通用框標(biāo)出，候車廳橫截面如圖3（b）所示。根據(jù)對應(yīng)結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)，建立了綜合交通樞紐的聲學(xué)幾何邊界，如圖4所示。

圖2 120 km/h列車聲源頻譜圖

圖3 站臺及候車廳橫斷面

基于幾何聲線法對列車快速過站的站臺及候車廳區(qū)域聲場進(jìn)行預(yù)測，通過移動車輛固定場點(diǎn)的方法，獲取列車通過站臺任意時刻的站臺及候車區(qū)聲場分布規(guī)律及其頻譜特性。計算模型中，聲線數(shù)量為4000，聲線的最大反射階數(shù)為20次，計算頻率范圍為100～4000 Hz。

2 列車快速過站聲場特性分析

2.1 站臺區(qū)域聲場響應(yīng)

圖5給出了當(dāng)列車以120 km/h快速通過過站不停車道時B3層整個站臺區(qū)域的聲場云圖。

圖4 某綜合交通樞紐聲學(xué)幾何邊界模型圖

圖5 B3層站臺區(qū)域噪聲響應(yīng)特性

由圖5（a）可知，距離列車過站不停車道越近的站臺，其聲壓級越大，因此選取距離列車所在車道最近的站臺進(jìn)行分析，圖5（b）給出了距離列車最近站臺，沿著列車縱向前進(jìn)方向的聲場分布規(guī)律。在距離過站不停車道最近的站臺上，聲壓級最大為96.2 dBA，在第8個場點(diǎn)后所有的聲壓級均有下降趨勢，其主要原因?yàn)閺牡?個場點(diǎn)開始上空沒有吊頂，為鏤空區(qū)域，列車產(chǎn)生的噪聲在該區(qū)域直接傳至上空與之相通的B2層候車廳區(qū)域。

根據(jù)GB 50157－2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[7]，地鐵過站不停時，其站臺噪聲限值為80 dBA，盡管目前沒有適用于高速列車通過綜合交通樞紐過站不停的限值，但可以將已有地鐵過站不停的標(biāo)準(zhǔn)作為參考，該站臺多數(shù)場點(diǎn)聲壓級均超過參考噪聲限值。

為分析圖5（b）中站臺區(qū)域噪聲顯著的原因，圖6給出噪聲最大場點(diǎn)的聲壓級頻譜特性，并與列車最顯著的噪聲源輪軌噪聲進(jìn)行對比。

圖6 站臺場點(diǎn)頻譜圖

由圖6可知，站臺噪聲最顯著的頻段為中心頻率為630 Hz的頻帶，其聲壓級大小為86.0 dBA，將該最大值下降10 dBA，作為噪聲顯著的頻率區(qū)段，主要集中在400～1600 Hz，且由圖6中輪軌噪聲頻譜可知，該頻段內(nèi)站臺噪聲主要受輪軌噪聲影響，由此可見，有效控制輪軌噪聲及其傳播可有效控制站臺噪聲

2.2 候車廳區(qū)域聲場響應(yīng)

圖7給出了當(dāng)列車以120 km/h速度快速通過過站不停車道時B2層整個候車廳區(qū)域的聲場云圖。由圖7（a）可知，在候車廳內(nèi)與列車過站不停車道橫向距離越近，其聲壓級越大，并且在候車廳內(nèi)沿列車方向的聲壓級相比，與鏤空區(qū)域距離越近，其聲壓級越大。因此選取距離列車所在車道橫向距離最近的候車廳場點(diǎn)進(jìn)行分析，圖7（b）給出了距離列車最近候車廳，沿著列車縱向前進(jìn)方向的聲場分布規(guī)律。候車廳區(qū)域聲壓級距離鏤空區(qū)域越近噪聲越大，最大聲壓級為80.4 dBA；當(dāng)遠(yuǎn)離B3層相通的區(qū)域，該場點(diǎn)的聲壓級越小，噪聲最小場點(diǎn)聲壓級為68.8 dBA，原因?yàn)楫?dāng)列車在B3層產(chǎn)生噪聲時，噪聲通過上空與B2層鏤空部分傳到候車廳區(qū)域，使在B2層候車廳區(qū)域最接近鏤空部分接收到的噪聲最大，越往靠近里面區(qū)域傳播噪聲越小。

現(xiàn)階段藥品批發(fā)企業(yè)的上游來貨尚未全部做到發(fā)票隨貨同行，對于上游發(fā)票未到的藥品，批發(fā)企業(yè)暫時無法向公立醫(yī)療機(jī)構(gòu)銷售，有可能會影響部分藥品適時到貨，特別是臨床短缺藥品的使用。

圖7 B2層候車廳區(qū)域噪聲響應(yīng)特性

仍然參考GB 50157－2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》對候車廳噪聲限值的規(guī)定，候車廳區(qū)域多數(shù)場點(diǎn)聲壓級超過了參考噪聲限值。

同理，為分析圖7（b）中候車廳區(qū)域噪聲顯著的原因，圖8進(jìn)一步給出了噪聲最大場點(diǎn)的聲壓級頻譜特性，并與站臺區(qū)噪聲進(jìn)行對比。

由圖8可知，站臺區(qū)頻譜特性與候車廳頻譜特性基本一致，主要體現(xiàn)在幅值差異上，可見候車廳區(qū)域聲場大小主要由站臺區(qū)噪聲通過鏤空區(qū)域傳播所導(dǎo)致，控制候車廳區(qū)域噪聲應(yīng)該優(yōu)先從控制源頭著手。

圖8 站臺與候車廳最大響應(yīng)場點(diǎn)對比

3 降噪措施

綜合第2節(jié)站臺及候車區(qū)噪聲大小及其分布規(guī)律可知，對輪軌噪聲和列車所在區(qū)域噪聲控制，是一種有效的降噪手段。本文從控制傳播路徑的角度出發(fā)，采用在車道兩旁修建隔聲罩的方式對列車噪聲進(jìn)行隔離控制，列車隔聲罩采用四周封閉式，頂板材料為120 mm混凝土外加3 mm不銹鋼板，兩側(cè)材料為雙層中空玻璃，玻璃厚度為5 mm，空氣層厚度為2 mm，并且一個隔聲罩覆蓋兩條車道。

由于基于幾何聲線法的聲線無法穿過隔聲罩進(jìn)行外部的聲場預(yù)測，因此需基于統(tǒng)計能量法首先進(jìn)行隔聲罩插入損失特性預(yù)測[8]，進(jìn)而代入原模型進(jìn)一步預(yù)測聲場。首先在隔聲罩內(nèi)表面進(jìn)行面積劃分，隔聲罩兩側(cè)以1 m×3 m、頂部以2 m×3 m為單元面積；其次通過幾何聲線法求得列車產(chǎn)生的噪聲傳播至隔聲罩內(nèi)單元面積上的聲功率，運(yùn)用統(tǒng)計能量法求得頂板與側(cè)板的插入損失，由于隔聲罩為封閉狀態(tài)，因此隔聲罩外側(cè)接收點(diǎn)聲功率等于內(nèi)表面聲功率與隔聲罩插入損失相減[9-10]，如圖9所示。

圖9 隔聲罩引起聲功率改變示意圖

得出的隔聲罩外表面聲功率作為聲源，同理，列車每移動10 m建立靜態(tài)模型進(jìn)行分析，從而得到列車在整個運(yùn)行過程中對綜合交通樞紐的噪聲影響水平。安裝隔聲罩后站臺區(qū)域聲壓級云圖如圖10所示。

圖10 隔聲罩對站臺區(qū)域噪聲影響

由圖10（a）可知，采用隔聲罩后，對于站臺區(qū)域降噪效果明顯，但整體聲場分布規(guī)律與無隔聲罩規(guī)律相近。選取距離列車所在車道橫向最近的站臺場點(diǎn)進(jìn)行分析，圖10（b）給出了該站臺沿列車前進(jìn)方向場點(diǎn)分布，站臺區(qū)域噪聲有明顯下降，其中離過站不停車道最近的站臺噪聲聲壓級最大為78.2 dBA，比無隔聲罩工況下噪聲降低了18 dBA。滿足站臺參考噪聲限值的要求，通過施加優(yōu)化后的隔聲罩，該區(qū)域最大聲壓級比參考噪聲限值小1.8 dBA，滿足參考限值的要求，也沒有造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

采用隔聲罩后，B2層候車廳區(qū)域聲壓級云圖如圖11所示。

圖11 隔聲罩對候車廳區(qū)域噪聲影響

由圖11（a）可知，采用隔聲罩后，對于候車廳區(qū)域降噪效果明顯，但整體聲場分布規(guī)律與無隔聲罩規(guī)律相近。選取候車廳區(qū)域與列車所在車道橫向距離最近的場點(diǎn)進(jìn)行分析，根據(jù)候車廳區(qū)域沿列車前進(jìn)方向場點(diǎn)分布，得出候車廳區(qū)域聲壓級，如圖11（b）所示。B2層候車廳區(qū)域噪聲最大值在B3層與B2層相通的邊緣處，該聲壓級為59.2 dBA，比無隔聲罩噪聲最大值降低了21.2 dBA，增加隔聲罩之后，候車廳區(qū)域所有場點(diǎn)噪聲均滿足噪聲限值要求。

4 結(jié)語

本文通過幾何聲線法對某綜合交通樞紐的站臺區(qū)域和候車廳區(qū)域進(jìn)行聲場預(yù)測，當(dāng)列車以120 km/h快速通過站臺區(qū)域時，最大聲壓級位置為最靠近過站不停車道的場點(diǎn)，其大小為96.2 dBA，在上空為鏤空沒有吊頂?shù)膮^(qū)域，站臺區(qū)噪聲相對較小；候車廳區(qū)域最大聲壓級位置為B3層與B2層相通的邊緣位置，其大小為80.4 dBA。站臺區(qū)域和候車廳區(qū)域大部分場點(diǎn)聲壓級超過規(guī)定的限值。

從傳播路徑的角度提出列車隔聲罩作為降噪措施，當(dāng)列車以120 km/h快速通過站臺區(qū)域時，最大聲壓級降低了18 dBA；候車廳區(qū)域最大聲壓級降低了21.2 dBA。

[1]國家發(fā)展計劃委員會. 國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十個五年計劃綜合交通體系發(fā)展重點(diǎn)專項(xiàng)規(guī)劃[J]. 交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2001（4）：276-287，315.

[2]劉茜，辜小安，周鵬. 我國城市軌道交通車站站臺噪聲影響現(xiàn)狀[J]. 鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，2015，5（6）：247-250.

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[5]羅錕，雷曉燕，仲志武. 城市軌道交通噪聲預(yù)測方法[J]. 城市軌道交通研究，2007（11）：29-32.

[6]辜小安，邵琳，伍向陽，等. 中國高速鐵路客運(yùn)車站內(nèi)環(huán)境噪聲影響特性[J]. 鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，2017，7（2）：55-58.

[7]GB 50157－2013，地鐵設(shè)計規(guī)范[S].

[8]彭程，徐峰，孫敏，等. 基于整車聲傳函的聲學(xué)包評價及應(yīng)用[J]. 機(jī)械，2016，43（6）：42-46.

[9]Wittsten J. Optimization of Train Floors with Acoustic and Structural Constraints[D]. Goteborg：Chalmers University of Technology，2016.

[10]岳譯新，林文君，雷挺. 地鐵鋁合金車體模態(tài)和穩(wěn)定性有限元分析[J]. 機(jī)械，2008（4）：20-22.

Forecast Analysis of Noise Characteristics of Platform and Waiting Hall When High-Speed Train Passing Through at 120 km/h

WANG Hanru1,2，LIU Moukai2，HAN Jian3，XIAO Xinbiao2，LI Yinghui1

(1.School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

Based on the ray tracing method, a comprehensive sound field characteristic prediction model of a transportation hub is established and analyzed while the high-speed train pass through the integrated transportation hub station and waiting hall at 120 km/h, and noise control measures are proposed from the perspective of transmission path. The noise reduction effect is then analyzed based on the statistical energy analysis (SEA) method. The research finds that platform area is the nearest to the trains and the noise is the most significant with sound pressure level 96.2 dBA. The lateral distance between waiting hall and the train is closest, and noise is most significant in interlinked platform sites, with sound pressure level 80.4 dBA. The maximum noise predicted exceeds the reference standard. The noise reduction analysis was carried out with double-layer insulating glass enclosure. After the optimized enclosure was adopted the maximum sound pressure level of noise in the platform area reduced by 18 dBA, and the maximum sound pressure level of noise in the waiting hall area was reduced by 21.2 dBA.

train pass-by noise；high-speed train；platform noise；waiting hall noise；ray tracing method

X827.6；TB533+.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.12.003

1006－0316 (2020) 12－0016－06

2020－05－13

國家自然科學(xué)基金（U1934203/U1834201）；中國國家鐵路集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計劃項(xiàng)目（N2019G037）；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃戰(zhàn)略性國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)（2016YFE0205200）；四川省國際科技創(chuàng)新合作/港澳臺科技創(chuàng)新合作項(xiàng)目（2019YFH0131）

王翰儒（1992－），男，北京人，碩士，主要研究方向?yàn)楦咚倭熊嚋p振降噪。*通訊作者：韓健（1987－），男，遼寧葫蘆島人，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)檐壍澜煌p振降噪，E-mail：super_han@126.com。