基于噪聲自動監(jiān)測技術(shù)的高速鐵路列車運行輻射噪聲研究

何財松，劉蘭華，潘永琛，譚 輝

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

0 引言

隨著我國高速鐵路運營里程的不斷增加,呈現(xiàn)出運行速度多樣化、運營動車組譜系化趨勢[1-2]。截至2020年底,我國高速鐵路運營里程達3.8萬公里[3],涵蓋200 km/h、250 km/h、300 km/h和350 km/h 4個速度等級,動車組數(shù)量達到3 918標準組,動車組種類包括引進、消化吸收和再創(chuàng)新三代十幾種類型。不同類型動車組源強噪聲差別大,甚至同一列動車組在服役期不同時間的噪聲差別也較顯著。為了研究服役期不同類型動車組列車運行輻射噪聲水平,以及同一列動車組列車運行輻射噪聲隨服役期的變化情況,需要獲得連續(xù)的長時間序列的大樣本量噪聲數(shù)據(jù)。

既有的鐵路噪聲監(jiān)測技術(shù)經(jīng)歷了采用便攜式聲級計測量列車通過聲級的初始階段[4],采用多通道數(shù)據(jù)采集儀的發(fā)展階段,以及正在經(jīng)歷的采用噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)的擴展和完善階段。在初始階段,需要人工干預(yù)測試,數(shù)據(jù)隨機性高、可對比性弱；在發(fā)展階段,雖然能夠準確獲取每一列動車組的噪聲數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)采集和處理需要耗費大量的人力物力,勞動強度大、經(jīng)濟性低,難以獲取大樣本量數(shù)據(jù)；噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng),不僅能夠獲取準確的數(shù)據(jù),而且運營成本低,為統(tǒng)計學分析提供了可能。

1 試驗方法

1.1 高速鐵路噪聲自動監(jiān)測技術(shù)

既有的噪聲自動監(jiān)測技術(shù)主要應(yīng)用于環(huán)境噪聲監(jiān)測中[5-8],如城市區(qū)域聲環(huán)境功能區(qū)環(huán)境噪聲自動監(jiān)測、道路交通噪聲自動監(jiān)測及機場噪聲自動監(jiān)測[9-10]。在環(huán)境噪聲自動監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用中,監(jiān)測設(shè)備安裝在固定點位,獲取逐小時監(jiān)測數(shù)據(jù)。高速鐵路噪聲自動監(jiān)測,不僅要考慮噪聲數(shù)據(jù)的采集處理、氣象條件的影響[11-13],而且還要獲取高速動車組的車速、車組號,以及精確的列車通過噪聲及其頻譜值。既有的環(huán)境噪聲測試設(shè)備,無論是從硬件還是軟件系統(tǒng),均無法滿足高速鐵路噪聲自動監(jiān)測的要求,特別是無法針對每一列通過列車進行噪聲、車速、車號、氣象數(shù)據(jù)的自動采集和處理。因此,基于既有噪聲監(jiān)測技術(shù)和高速鐵路噪聲自動監(jiān)測需求,開發(fā)了高速鐵路噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)。

高速鐵路噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、分析處理、傳輸?shù)忍幚砉δ?以及數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)警、展示、下載等管理功能,該系統(tǒng)分為前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和后端數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。高速鐵路噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 高速鐵路噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)組成

1.2 測試方案

在我國某高速鐵路橋梁區(qū)段搭建了高速鐵路噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)上線運行后即開展24 h列車運行輻射噪聲自動監(jiān)測。前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝如下：在距離近側(cè)線路中心線7.5 m處安裝測試桿和測試機柜,測試桿上安裝車號識別儀、激光傳感器、氣象傳感器,上述設(shè)備通過數(shù)據(jù)線纜與機柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備相連,數(shù)據(jù)采集處理和傳輸設(shè)備安裝在測試機柜內(nèi)；在距離近側(cè)線路中心線25 m處搭建測試塔,測試塔上安裝噪聲傳感器、全景網(wǎng)絡(luò)攝像頭和太陽能電池板,通過線纜與數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備連接。

噪聲測試區(qū)段線路工況如下：橋梁路段、簡支箱梁、無砟軌道、線間距5 m、橋梁高5.2 m；線路設(shè)計速度為350 km/h,最高運行速度為310 km/h,通過該測試區(qū)段的動車組實際運行速度介于250~310 km/h之間。該線主要運營動車組類型包括CR1、CR1L(L代

圖2 列車運行輻射噪聲測點布置示意

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本文利用的數(shù)據(jù)來源于高速鐵路噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng),數(shù)據(jù)時長為6個月,共獲得了上萬組監(jiān)測數(shù)據(jù),為了排除環(huán)境因素對噪聲數(shù)據(jù)的影響,篩選出了氣象條件良好(晴天、微風)的3 911組數(shù)據(jù),開展了列車運行輻射噪聲數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

通過對大樣本量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,可以得到動車組列車運行輻射噪聲的統(tǒng)計學規(guī)律。研究采用的統(tǒng)計學參數(shù)包括最大值、最小值、極差、平均數(shù)、中位數(shù)、標準差、概率分布等。最大值、最小值及極差3個參數(shù)反映了數(shù)據(jù)變化范圍；平均值反映了動車組運行輻射噪聲的平均水平；中位數(shù)將數(shù)值集合劃分為相等的上下2個部分,反映了統(tǒng)計數(shù)據(jù)中間水平；標準差反映數(shù)據(jù)的離散程度,標準差越小說明數(shù)據(jù)越集中,標準差越大說明數(shù)據(jù)越分散；概率分布反映了樣本數(shù)據(jù)分布情況,即樣本數(shù)據(jù)在某個范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻繁程度。

2 結(jié)果分析

2.1 列車運行輻射噪聲水平

經(jīng)統(tǒng)計,所分析的3 911組數(shù)據(jù)中,運營速度達到300 km/h的數(shù)據(jù)共計1 717組,約占總數(shù)據(jù)的44%。表1給出了時速300 km各車型動車組列車運行輻射噪聲的統(tǒng)計結(jié)果,包括車型、樣本數(shù)、最大值、最小值、極差、平均值、中位數(shù)和標準差,圖3給出了各車型動車組以300 km/h通過橋梁區(qū)段時,其列車運行輻射噪聲的平均值和中位數(shù)。

表1 時速300 km動車組列車運行輻射噪聲統(tǒng)計

圖3 各車型動車組列車運行輻射噪聲平均值及中位數(shù)

由表1及圖3可知,當高速動車組以300 km/h通過橋梁區(qū)段時：①樣本數(shù)量充足時,各車型列車運行輻射噪聲平均值及中位數(shù)基本一致,說明數(shù)據(jù)分布集中,離散程度低；②同類型車短編組和長編組數(shù)據(jù)的平均值基本一致,說明同類型動車組列車運行輻射噪聲基本不受編組情況影響；③因高速動車組車外噪聲主要由輪軌噪聲、氣動噪聲和集電系統(tǒng)噪聲構(gòu)成,而同類型動車組氣動噪聲和集電系統(tǒng)噪聲基本一致,引起數(shù)據(jù)差異的主要原因是服役期輪軌狀態(tài)變化所致,監(jiān)測得到的動車組輪軌狀態(tài)對列車運行輻射噪聲最大影響范圍可達4.4~5.1 dB(A)。

2.2 噪聲數(shù)據(jù)離散度

平均數(shù)只能反映樣本數(shù)據(jù)的平均水平,不能反映數(shù)據(jù)的離散程度和分布情況,而標準差可以反映數(shù)據(jù)的離散程度,概率分布可以反映樣本數(shù)據(jù)的分布情況。為得到各車型列車運行輻射噪聲集中分布范圍,以步長1 dB(A)對噪聲數(shù)據(jù)分布概率進行統(tǒng)計分析,得到高速動車組列車以300 km/h通過橋梁區(qū)段時概率分布統(tǒng)計結(jié)果(見表2)。

表2 各車型列車運行輻射噪聲分布百分比 %

當高速動車組以300 km/h通過橋梁區(qū)段時,除了CR3動車組統(tǒng)計樣本過少導(dǎo)致列車運行輻射噪聲標準差大于1以外,其余各車型標準差均小于1(見表1),說明各車型列車運行輻射噪聲分布較為集中,離散程度較小。根據(jù)表2,CR1、CR1L、CR4和CR5動車組列車運行輻射噪聲主要分布在(X+8)～(X+10）區(qū)間,CR2和CR2L主要分布在(X+9)～(X+11)區(qū)間。

2.3 噪聲隨速度變化規(guī)律

國內(nèi)外研究結(jié)果表明,列車運行輻射噪聲與列車運行速度正相關(guān)[14-15],并且呈對數(shù)正相關(guān),其關(guān)系模型見公式（1）,其中輪軌噪聲與列車運行速度的增長系數(shù)約為20~40,氣動噪聲與列車運行速度的增長系數(shù)約為60~80。

式中：Lv為速度V時的等效聲級,dB(A)；K為聲級隨速度的增長系數(shù)；V為列車運行速度,km/h；V0為參考列車運行速度,km/h；Lv0為參考速度V0時等效聲級,dB(A)。

本文對動車組速度由250 km/h提高到300 km/h的噪聲數(shù)據(jù)進行對數(shù)擬合,CR1、CR1L、CR2、CR2L、CR4和CR5型列車運行輻射噪聲與運行速度的增長系數(shù)分別為43.5、37.2、43.0、40.0、40.5和42.3。部分動車組列車運行輻射噪聲隨速度的變化關(guān)系如圖4所示。

各型動車組列車運行速度在250~300 km/h時,車外輻射噪聲隨速度變化規(guī)律基本一致(見圖4),其增長系數(shù)范圍為37~44,表明動車組運行速度在250~300 km/h區(qū)間時,輪軌噪聲仍然為列車運行輻射噪聲主要噪聲源。

圖4 列車運行輻射噪聲隨速度變化關(guān)系

3 結(jié)論

利用高速鐵路噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng),獲得了連續(xù)、長時間序列大樣本量數(shù)據(jù),為動車組列車運行輻射噪聲開展統(tǒng)計學研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用服役期動車組運行輻射噪聲數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計學研究,結(jié)論如下。

（1）當高速動車組以300 km/h通過橋梁區(qū)段時,在樣本數(shù)量充足的情況下,各車型列車運行輻射噪聲平均值及中位數(shù)基本一致；同類型動車組短編組和長編組數(shù)據(jù)的平均值基本一致,說明同類型動車組列車運行輻射噪聲基本不受編組情況影響。

（2）當高速動車組以300 km/h通過橋梁區(qū)段時,同速度級工況下影響同類型動車組列車運行輻射噪聲差異的主要原因是服役期輪軌狀態(tài),最大影響程度可達4.4~5.1 dB(A)。

（3）當高速動車組以300 km/h通過橋梁區(qū)段時,除了CR3動車組統(tǒng)計樣本過少導(dǎo)致列車運行輻射噪聲標準差大于1以外,其余各車型標準差均小于1,說明各車型列車運行輻射噪聲分布較為集中,離散程度較小。

（4）動車組運行速度在250~300 km/h時,各車型列車運行輻射噪聲隨速度變化規(guī)律基本一致,輪軌噪聲仍然為動車組列車運行輻射噪聲主要噪聲源。