市域快線高架段運行噪聲特性測試與分析

賀玉龍 杜全軍 李靜文 蘇凱 張書豪 黃宏宇

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 成都 611756； 2.成都市環(huán)境保護科學(xué)研究院 成都 610072)

0 引言

近年來，我國城市軌道交通進入了快速發(fā)展階段，截至2020年12月31日，我國大陸地區(qū)開通城市軌道交通的城市共45座，運營里程達7 978.19 km[1]。高架線路是城市軌道交通郊區(qū)段的重要線路敷設(shè)形式，2019年長度占比21.5%。高架段地鐵車輛運行時對沿線噪聲敏感區(qū)的影響是一個不可回避的問題。國內(nèi)外學(xué)者對地鐵高架橋噪聲的理論與試驗研究已經(jīng)取得了一系列的成果[2-9]。本文通過對目前國內(nèi)運行速度最快(140 km/h)、編組最長(8A+編組)的成都軌道交通18號線橋梁段噪聲進行現(xiàn)場測試，分析噪聲源強特性及噪聲水平衰減規(guī)律，并與我國現(xiàn)行的《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》(HJ 453—2018)[10]中地鐵列車噪聲預(yù)測方法預(yù)測的結(jié)果進行對比，分析預(yù)測方法的適用性。

成都軌道交通18號線是按“中心穿越、串城連接、快慢運行、互聯(lián)融合”理念實施的全國首條最高時速140～160 km/h，兼顧中心城區(qū)客流、市域客流、機場客流，集“快慢組合、共線運營”等多種運營組織模式于一體的8A+編組復(fù)合功能線路，采用交流25 kV接觸網(wǎng)供電?？紤]雙機場一體化運行，在18號線、19號線共線段預(yù)留最高時速160 km的運行條件。2020年9月27日開通運營。

1 現(xiàn)場噪聲測試

1.1 測試地點及測量條件

測試地點選在興隆站至三岔站之間的直線段，該直線段地勢平坦，方便架設(shè)三腳架安裝聲傳感器，視野較好，能清楚的觀察并記錄來車情況。橋墩高12.2 m，帶1.5 m高擋板。運行車輛為：8A+編組(6M2T)，車長187 m，寬3 m，最高運行速度140 km/h。

監(jiān)測選在無雨雪、雷電的天氣進行測試，風(fēng)速低于5 m/s。測試期間，現(xiàn)場背景噪聲38.9～ 41.6 dB。

1.2 測試方法及儀器

噪聲源強測試按照《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》(HJ 453—2018)[10]，噪聲衰減測試參照《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096—2008)[11]中環(huán)境噪聲監(jiān)測有關(guān)要求。

數(shù)據(jù)采集采用INV3062-C1(L)型8通道采集儀，聲壓傳感器采用INV9206型高精度ICP式聲壓傳感器，采樣頻率51.2 kHz。

1.3 測點布置

源強測點距離近軌中心線7.5 m，距軌頂面高5 m處。根據(jù)現(xiàn)場場地條件，水平噪聲衰減測點點位布置為：距離近軌中心線7.5 m、15 m、30 m、45 m、60 m處布置聲壓傳感器，距地面高1.2 m。測點布置如下圖1所示。

圖1 測點布置示意

2 噪聲源強測試結(jié)果及分析

本次測試連續(xù)監(jiān)測了12趟列車，其通過源強測點時速度相近，平均值為127.9 km/h，95%置信區(qū)間為(127.4 km/h,128.3 km/h)；12趟列車通過時的噪聲源強范圍為92.6～93.3 dB，平均值為93.1 dB，95%置信區(qū)間為(92.9 dB,93.2 dB)。

2.1 噪聲源強A聲級隨時間變化

當(dāng)列車以127.7 km/h通過測點時A聲級隨時間變化曲線見圖2，由圖可以看出A聲級整體隨時間先增加后減小，當(dāng)列車即將到達測點時A聲級迅速升高，其平均增加速率約為8.6 dB(A)/s，車頭到達測點與車尾離開測點之間A聲級出現(xiàn)一段峰值區(qū)間，持續(xù)時間約為5.3 s，車尾離開測點時A聲級隨時間開始減小，其平均衰減速率約為-5.6 dB(A)/s。

圖2 典型列車通過時A聲級變化曲線

2.2 噪聲源強頻譜分析

典型列車通過時噪聲源強與背景噪聲1/3頻譜曲線如圖3所示，列車通過測點時各頻段噪聲聲級都有所增加，但在250～5 000 Hz頻率范圍內(nèi)增加較大，這說明噪聲能量主要集中在250～5 000 Hz寬頻范圍內(nèi)，在1 250 Hz處出現(xiàn)最大峰值。

圖3 典型列車通過時噪聲源強與背景噪聲頻譜曲線

3 水平向噪聲衰減分析

3.1 頻譜特性分析

為了解不同水平距離的噪聲頻譜特性，將各水平測點的噪聲頻譜與背景噪聲頻譜數(shù)據(jù)進行對比，見圖4。

圖4 典型列車通過不同水平距離測點頻譜

由圖4可知，各水平測點的噪聲頻譜變化趨勢基本一致，都是隨著頻率的增加聲壓級先增加后減小。噪聲能量主要集中在250～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)，在63 Hz附近處出現(xiàn)低頻峰值，各水平測點對應(yīng)峰值為48.2 dB、47.6 dB、44.4 dB、48.4 dB、45.8 dB；在630 Hz附近處出現(xiàn)中頻峰值，各水平測點對應(yīng)峰值為70.6 dB、70.8 dB、68.7 dB、65.9 dB、65.8 dB。噪聲衰減的頻段主要是80～400 Hz范圍內(nèi)。

3.2 水平向噪聲衰減分析

各水平測點A計權(quán)與未計權(quán)聲級如圖5所示，由圖5可以看出，未計權(quán)與A計權(quán)聲壓級隨著水平距離的增加呈衰減趨勢，且在30 m范圍內(nèi)衰減較快，而30 m之后衰減較為平緩。未計權(quán)的聲壓級是客觀量，反映的是噪聲能量絕對值的大小，而A計權(quán)的聲壓級是主觀量，反映了人對噪聲的感受。在7.5 m處橋梁的結(jié)構(gòu)噪聲影響較大，結(jié)構(gòu)噪聲是低頻噪聲采用A計權(quán)后低頻噪聲會被抑制[12]，所以7.5 m處的A聲級小于15 m處的A聲級。

圖5 不同水平距離測點聲壓級

3.3 導(dǎo)則公式的適用性

根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》(HJ 453—2018)列車運行噪聲預(yù)測方法，列車運行時噪聲等效連續(xù)A聲級基本預(yù)測計算公式如下所示：

LAeq,Tp=Lp0+Cn

(1)

式中，Lp0為列車最大垂向指向性方向上的噪聲輻射源強，dB(A)；Cn為列車運行噪聲修正，dB(A)。

Cn=Cd+Cθ

(2)

式中，Cd為運行輻射噪聲幾何發(fā)散衰減，dB(A)；Cθ為運行噪聲垂向指向性修正，dB(A)。

(3)

式中，d為預(yù)測點至聲源的直線距離，m；d0為源強點至聲源的直線距離，m；l為列車長度，m。

高架橋軌面以上由擋板結(jié)構(gòu)或U型梁腹板遮擋時：

當(dāng)-10°≤θ≤31°時，垂向指向性修正按式(4)計算：

Cθ=-0.035(31°-θ)1.5

(4)

當(dāng)31°≤θ≤50°時，垂向指向性修正按式(5)計算：

Cθ=-0.0165(θ-31°)1.5

(5)

式中，θ為聲源和預(yù)測點之間的連線與水平面的夾角，聲源位置為高于軌頂面以上0.5 m，預(yù)測點高于聲源位置為正，預(yù)測點低于聲源位置為負(fù)，(°)。

當(dāng)θ<-10°時，按照-10°進行修正；當(dāng)θ>50°時，按照50°進行修正。

利用式(1)—式(4)對列車通過時各個測點的噪聲進行預(yù)測。由于現(xiàn)場測試列車速度接近130 km/h，故只預(yù)測列車以130 km/h速度運行時通過時段內(nèi)各受聲點處的等效連續(xù)A聲級。測試地點為直線段且地面為硬質(zhì)地面，故預(yù)測僅考慮列車運行噪聲的幾何發(fā)散衰減、垂向指向性修正。根據(jù)資料顯示橋墩高12.2 m，箱梁高度為1.8 m，無砟軌道板高度為0.564 m，鋼軌高度為0.176 m，計算出聲源位置高度為15.24 m，各預(yù)測點與聲源之間的連線與水平面之間的夾角見表1。

表1 各預(yù)測點與聲源之間的夾角

由表1可以看出夾角都小于-10°，故各預(yù)測點都按照-10°進行修正，根據(jù)式(3)、式(4)計算出各預(yù)測點噪聲修正值，見表2。

表2 列車運行噪聲修正值

再將各個修正項計算值代入式(1)、式(2)計算得出通過時段內(nèi)各預(yù)測點處等效連續(xù)A聲級，然后將對應(yīng)的預(yù)測值與實測值進行對比，見表3。

表3 列車以130 km/h通過時的等效A聲級

由表3可知，在7.5 m和15 m處的預(yù)測值與實測值相差較大，主要是由于測點處于橋梁聲影區(qū)，橋梁梁體和擋板對噪聲的遮蔽作用，導(dǎo)致實測值與預(yù)測值差值較大，而遠(yuǎn)場30 m、45 m、60 m處各測點實測值與預(yù)測值相差在2 dB內(nèi)，說明在30～60 m范圍內(nèi)該預(yù)測方法的準(zhǔn)確性較高。

4 結(jié)論

通過對成都軌道交通18號線噪聲現(xiàn)場測試結(jié)果進行源強和水平向噪聲A聲級與頻譜分析，得到以下結(jié)論：

(1)列車以130 km/h左右速度運行時噪聲源強約93.1 dB，95%置信區(qū)間為(92.9 dB，93.2 dB)，源強的主頻區(qū)域為250～5 000 Hz。

(2)水平向噪聲隨著水平距離的增加呈現(xiàn)衰減的趨勢，且在30 m范圍內(nèi)衰減較快，30 m后衰減較慢，衰減的頻段主要是80～400 Hz范圍內(nèi)。車頭到達與車尾離開測點時的A聲級隨時間的變化率隨著水平距離的增加呈衰減趨勢。

(3)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》(HJ 453—2018)中的預(yù)測公式在距橋梁30～60 m范圍內(nèi)預(yù)測準(zhǔn)確性較高，可用于后續(xù)新建市域快線的噪聲預(yù)測。