我國高速鐵路噪聲控制技術(shù)創(chuàng)新成效與展望

曲云騰，伍向陽，劉蘭華

（1. 中國國家鐵路集團有限公司 科技和信息化部，北京 100844；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

截至2021 年底，我國高速鐵路營業(yè)里程已超過4 萬km[1]，高速鐵路發(fā)展促進了國民經(jīng)濟的發(fā)展，提升了旅客出行的便捷性，但由于其運行速度快，輪軌激勵和氣動激擾加劇，產(chǎn)生的噪聲強度增加，成為影響旅客舒適性和沿線聲環(huán)境的重要因素。為此，通過對國外高速鐵路噪聲控制技術(shù)研究現(xiàn)狀進行分析，重點總結(jié)我國近年來在高速鐵路噪聲控制方面開展的研究工作，分析我國高速鐵路噪聲控制成效，為后續(xù)高速鐵路噪聲控制技術(shù)發(fā)展提供支撐。

1 國外高速鐵路噪聲控制技術(shù)發(fā)展

高速鐵路噪聲是一種多源耦合、寬頻復(fù)雜運動聲源，為了有效控制高速鐵路噪聲影響，必須充分考慮高速鐵路多激勵源、多約束耦合條件下發(fā)聲特征，需要實現(xiàn)高速車輛動力學(xué)、軌道動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、列車空氣動力學(xué)、聲學(xué)等多學(xué)科專業(yè)的有機融合。在高速鐵路噪聲控制方面，國內(nèi)外達成普遍共識的是優(yōu)先采取噪聲源控制措施。德國、法國、日本高速鐵路噪聲控制技術(shù)發(fā)展概況如下。

1.1 德國

德國自20 世紀70 年代開始了高速鐵路噪聲源識別分析及控制技術(shù)的研究。研究成果表明：鐵路噪聲主要由輪軌噪聲、空氣動力噪聲、牽引及設(shè)備噪聲、曲線尖嘯聲及橋梁結(jié)構(gòu)噪聲組成，運行速度低于60 km/h時主要噪聲為牽引及設(shè)備噪聲；運行速度為60~250 km/h 時主要噪聲為輪軌滾動噪聲；運行速度為250 km/h 及以上時主要噪聲為空氣動力噪聲。ICE 系列動車組已經(jīng)發(fā)展為ICE 1、ICE 2、ICE 3、ICE 3M及ICE 4 等車型。針對輪軌滾動噪聲研究采取了降低車輪粗糙度、優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)、增加降噪塊等技術(shù)措施，針對氣動噪聲控制采取了車輛外形氣動優(yōu)化設(shè)計、單臂受電弓及其屏蔽等降低集電系統(tǒng)空氣動力噪聲措施。但是，德國鐵路絕大部分為客貨混跑，白天運行旅客列車，晚上運行貨物列車，德國貨車大部分已經(jīng)使用超過30年，是在歐盟實施TSI(互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范)認證前投入使用的，噪聲影響大；夜間運行時鐵路噪聲對沿線的影響更為敏感。上述原因造成目前公眾對貨物列車運行噪聲反應(yīng)強烈，因而德國鐵路噪聲控制管理主要關(guān)注貨車，對高速鐵路關(guān)注不多[2]。

1.2 法國

法國在高速鐵路發(fā)展中高度重視噪聲源控制技術(shù)，并開展了系列噪聲源識別、動車組及基礎(chǔ)設(shè)施噪聲控制技術(shù)的研究。TGV 高速列車相繼發(fā)展了4 代，相較于國際上廣泛采用的動力分散技術(shù)，TGV列車采用動力集中方式，具有維護成本低、車廂內(nèi)振動噪聲較小的優(yōu)勢[3]。為了降低整車噪聲影響，法國在優(yōu)化氣動阻力、降低輪軌振動激勵等方面開展了大量研究，最新的Avelia 高速列車平臺[4-5]繼承和發(fā)展了TGV、AGV 等車型結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，噪聲水平呈下降趨勢。

1.3 日本

與德國等歐盟國家不同，日本新干線穿越密集居住區(qū)，投訴較多。為了降低新干線噪聲影響，日本于1973年左右對車輪踏面狀態(tài)進行改善，采用了樹脂閘瓦，后續(xù)通過采取鋼軌表面打磨等措施有效降低了輪軌噪聲，結(jié)合聲屏障技術(shù)大幅降低沿線噪聲水平。同時，日本通過從車體平順化、低噪聲受電弓、聲屏障結(jié)構(gòu)形式等方面研發(fā)低噪聲車輛及配套噪聲控制技術(shù)，進一步降低噪聲水平。新干線列車從0 系發(fā)展至500系，采取的車輛和線路噪聲控制技術(shù)如表1所示[6]。從700 系列車開始，新干線列車車頭形狀、車身平滑化進一步提升，并采取單臂式受電弓及受電弓罩進一步降低集電系統(tǒng)氣動噪聲[7-9]。

表1 新干線(0~500系)噪聲主要控制技術(shù)

2 我國高速鐵路噪聲控制技術(shù)的主要研究工作

為進一步降低我國高速鐵路噪聲影響、提升乘坐舒適性，近年來中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)組織國內(nèi)相關(guān)科研院所、高校、動車組生產(chǎn)企業(yè)，持續(xù)開展高速鐵路噪聲控制技術(shù)研究，以完善噪聲防治措施。

2.1 組建產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合研究團隊

我國高速鐵路早期研究過程中各學(xué)科專業(yè)較分散，未考慮采取措施后線路和車輛的整體降噪效果。在國鐵集團組織下，凝聚國內(nèi)高速鐵路噪聲控制高水平創(chuàng)新團隊和人才，打破了各單位、各專業(yè)間研究壁壘，實現(xiàn)了高速鐵路車輛動力學(xué)、軌道動力學(xué)、列車空氣動力學(xué)、聲學(xué)等專業(yè)的融合，進行了頂層設(shè)計，逐步形成我國高速鐵路噪聲控制研究團隊。

2.2 開展高速鐵路噪聲基礎(chǔ)理論研究

為了深化高速鐵路噪聲源發(fā)聲機理，掌握高速鐵路主要噪聲源及分布特性，指導(dǎo)低噪聲動車組和固定設(shè)施噪聲控制研究，國鐵集團組織開展高速鐵路總體噪聲控制指標(biāo)分解、聲學(xué)設(shè)計優(yōu)化策略及系統(tǒng)評價研究，從高速鐵路車外噪聲機理與傳播規(guī)律、高速鐵路車內(nèi)噪聲機理與傳播規(guī)律、高速鐵路輪軌粗糙度噪聲影響特性、高速鐵路噪聲指標(biāo)分解及優(yōu)化策略、典型服役動車組噪聲演變規(guī)律及解決對策等方面開展深入基礎(chǔ)研究。

2.3 開展噪聲控制關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

基于高速鐵路噪聲源分布及貢獻，從動車組和固定設(shè)施2 個方面開展噪聲控制技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)研究。動車組噪聲控制方面，結(jié)合高速動車組主要噪聲源分布、環(huán)境噪聲控制及旅客舒適性要求，組織開展受電弓區(qū)域噪聲控制、轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲控制、約束阻尼車輪、車體氣動噪聲控制、車內(nèi)噪聲控制與聲品質(zhì)提升、設(shè)備噪聲控制、高速臥鋪動車組噪聲控制等動車組降噪技術(shù)研究。固定設(shè)施噪聲控制方面，結(jié)合高速鐵路噪聲源定量化分析及指標(biāo)分配結(jié)果，組織開展聲屏障、矮屏障、吸聲軌道、阻尼鋼軌及地下區(qū)段振動噪聲特性等基礎(chǔ)設(shè)施降噪技術(shù)深化研究。

2.4 組織高速鐵路噪聲綜合專項試驗

為了系統(tǒng)驗證動車組噪聲特性，2016 年7 月，國鐵集團(原中國鐵路總公司)組織開展鄭徐客運專線綜合試驗，針對200~420 km/h 運行時車內(nèi)噪聲傳遞路徑、車外噪聲源識別及車內(nèi)外噪聲變化規(guī)律開展了試驗研究。2017 年1—5 月，組織開展大西客運專線噪聲專項試驗，進一步研究復(fù)興號動車組以45~350 km/h運行時車內(nèi)外噪聲特性及主要噪聲源分布。

2.5 開展既有服役動車組長期跟蹤

為了系統(tǒng)掌握服役動車組噪聲影響，在系統(tǒng)分析高速鐵路運營期噪聲影響因素的基礎(chǔ)上，組織開展服役動車組噪聲專項試驗研究，自2016年開始，針對京滬、京廣、蘭新、丹大、鄭徐5 條線路，對CRH2、CRH3、CRH5、CRH380 及 CR400 共 5 個系列服役動車組開展了為期3年的噪聲長期跟蹤研究。

3 我國高速鐵路噪聲控制技術(shù)創(chuàng)新成效

3.1 系統(tǒng)掌握我國高速動車組噪聲主要特性

（1）掌握復(fù)興號動車組200~420 km/h運行時車內(nèi)外噪聲特性，得出不同線路型式(橋梁、路基)、不同車廂噪聲值與速度關(guān)系曲線。其中，車內(nèi)噪聲隨速度變化：頭車觀光區(qū)LAeq=(55-56)×log(V)、客室LAeq=(40-50)×log(V)。車外噪聲隨速度變化：200~300 km/h時，LAeq=(20-25)×log(V)，300~400 km/h 時，LAeq=(40-50)×log(V)。

（2）掌握了復(fù)興號動車組車內(nèi)噪聲源分布特征、貢獻量及傳遞路徑。測試結(jié)果表明：時速200 km 以下，以結(jié)構(gòu)噪聲為主；時速200~250 km，結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲相當(dāng)；時速300 km以上，以空氣噪聲為主。

（3）掌握了復(fù)興號動車組車外噪聲源分布和貢獻量。受電弓區(qū)域氣動噪聲、車體表面氣動噪聲、列車下部區(qū)域噪聲(含氣動噪聲和輪軌滾動噪聲)為主要噪聲源。速度不同，各噪聲源占比不同。例如，在80~200 km/h時，列車下部區(qū)域噪聲占比在80%~90%，輪軌噪聲為最主要噪聲源；200~300 km/h時，列車下部區(qū)域噪聲占比在65%~80%；350 km/h時，列車下部區(qū)域噪聲占比在60%~70%左右。同時，區(qū)段不同，輻射噪聲值不同，試驗結(jié)果表明：路基斷面處列車運行輻射噪聲實測值高于橋梁區(qū)段3 dB(A)左右。

（4）高速鐵路噪聲長期跟蹤表明：輪軌表面短波不平順狀態(tài)是影響高速鐵路服役期噪聲的主要因素，受輪軌表面狀態(tài)影響，運營期噪聲可能出現(xiàn)較大的波動，車輪出現(xiàn)高階多邊形、鋼軌出現(xiàn)異常波磨均對車內(nèi)外噪聲造成較大影響。對出現(xiàn)車輪多邊形或鋼軌波磨的運營線路進行車輪鏇修/更換或鋼軌打磨，可有效降低噪聲影響。

3.2 高速鐵路噪聲基礎(chǔ)理論取得新突破

（1）在高速鐵路噪聲源定量化分析的基礎(chǔ)上，深入分析高速鐵路噪聲源特性，基于聲學(xué)波動理論、運動聲源理論及聲源指向性研究成果，構(gòu)建了高速鐵路多聲源等效理論模型及基于一次反射效應(yīng)的聲屏障插入損失計算模型。經(jīng)現(xiàn)場試驗證實，測值與理論計算值最大差異為1 dB以內(nèi)，為高速鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測及控制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）針對車內(nèi)寬頻噪聲特征，研究獲得整車全局振動模態(tài)和局部振動模態(tài)頻率界限，系統(tǒng)解決了從激勵源—傳遞路徑—車內(nèi)聲腔完整傳播途徑預(yù)測真實運行工況下的車內(nèi)聲壓響應(yīng)問題，構(gòu)建了整車車內(nèi)寬頻帶混合聲學(xué)預(yù)測模型，實現(xiàn)了低頻和高頻聯(lián)合求解。根據(jù)高速鐵路振動噪聲測試獲取的激勵源等計算車廂內(nèi)部聲場分布，計算結(jié)果與測試結(jié)果保持較好的一致性，滿足高速鐵路車內(nèi)噪聲預(yù)測分析需求。

（3）基于車外噪聲源識別和車內(nèi)傳遞路徑分析，研究基于層次分析法的高速鐵路噪聲控制指標(biāo)分解方法。在高速列車噪聲控制的總目標(biāo)框架下，開展了快速、魯棒的噪聲指標(biāo)合理分解研究，使高速列車各部分噪聲控制指標(biāo)有據(jù)可依，并形成一種指導(dǎo)高速鐵路減振降噪合理指標(biāo)分解的方法和工具，有序指導(dǎo)高速鐵路動車組噪聲控制和固定設(shè)施噪聲控制技術(shù)研究工作。

3.3 顯著提升高速鐵路噪聲控制技術(shù)水平

（1）提升低噪聲動車組控制技術(shù)。一是在降低輪軌滾動噪聲方面，通過減小轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量和優(yōu)化懸掛參數(shù)，優(yōu)化輪軌匹配關(guān)系，組織研制新型高速列車約束阻尼降噪車輪，進而降低輪軌噪聲。二是從集電系統(tǒng)、車體平順化、頭型優(yōu)化等方面對高速鐵路氣動噪聲開展研究，提升了動車組氣動噪聲控制水平[10]。在集電系統(tǒng)噪聲控制技術(shù)方面，通過開展受電弓本體結(jié)構(gòu)外形及安裝座區(qū)域流場及導(dǎo)流結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少受電弓桿件數(shù)量，對受電弓弓頭、支座、基座等結(jié)構(gòu)采用流線型設(shè)計；通過擾流和溝槽等流動控制技術(shù)，優(yōu)化動車組表面流場，減少氣動阻力；優(yōu)化受電弓安裝和導(dǎo)流，采取下沉式安裝槽優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化流線型頭型導(dǎo)流設(shè)計，改善綜合氣動性能。開展車體表面平順化設(shè)計，優(yōu)化車間風(fēng)擋連接，采用包覆方案設(shè)計，針對車門、車頂空調(diào)、車頂天線等進行平順處理，避免結(jié)構(gòu)突變。通過全面開展低噪聲動車組控制技術(shù)研究，我國不同時期研制的高速動車組運行輻射噪聲呈下降趨勢。

（2）固定設(shè)施噪聲控制技術(shù)方面?；诟咚勹F路噪聲源定量化分析及指標(biāo)分配結(jié)果，一是從聲屏障高度、聲屏障截面形式及寬頻復(fù)合吸聲等角度提出聲屏障降噪優(yōu)化方案[11]，基于阻尼緩沖技術(shù)和頂端干涉技術(shù)研發(fā)新型聲屏障，動車組高速通過時立柱應(yīng)力下降為普通金屬聲屏障的1/3~1/4，插入損失值比普通金屬聲屏障高約2 dB(A)，提高了聲屏障的降噪性能，降低了脈動荷載對聲屏障的影響。二是在高速氣動荷載條件下研發(fā)了聚合微粒吸聲板和泡沫鋁吸聲板2 種吸聲軌道產(chǎn)品[12-13]。三是組織研發(fā)了高速鐵路新型調(diào)頻阻尼鋼軌[14]，確定調(diào)頻阻尼鋼軌的關(guān)鍵參數(shù)，研究阻尼材料的制備工藝和配方，通過振動臺試驗、彈簧夾具試驗、材料的耐久性試驗、室內(nèi)靜彎試驗、疲勞試驗后，開展了現(xiàn)場適用及試驗驗證，取得了較好的降噪效果。四是組織研發(fā)微孔巖矮屏障和泡沫鋁矮屏障2 種新型高速鐵路矮屏障，通過研究列車風(fēng)壓產(chǎn)生的瞬間推力和吸力對矮屏障的影響，確定了吸聲板的結(jié)構(gòu)強度、立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝方式，并開展了現(xiàn)場試用及試驗驗證。上述工作為高速鐵路提供了進一步的噪聲控制手段。

3.4 創(chuàng)新高速鐵路噪聲測試技術(shù)和數(shù)據(jù)管理

（1）研發(fā)基于去多普勒效應(yīng)和解卷積算法的高速鐵路運動聲源識別成套關(guān)鍵技術(shù)，滿足了高速鐵路噪聲寬頻(200~5 000 Hz)及多運動特性分析的實際需求，空間分辨率提升10倍以上，動態(tài)范圍拓寬至10 dB以上，有效分析頻率下限拓展至200 Hz，涵蓋了高速鐵路所有主要噪聲頻率[15]。

（2）針對高速鐵路車內(nèi)噪聲傳遞路徑分析方法(OTPA)存在的串?dāng)_問題導(dǎo)致分析誤差過大問題，通過研究構(gòu)建運轉(zhuǎn)工況下車內(nèi)噪聲傳遞路徑串?dāng)_消除理論模型，最大分析誤差降低為1 dB左右，為復(fù)興號動車組車內(nèi)噪聲的主要傳遞路徑識別與控制提供了技術(shù)支撐。

（3）針對高速列車速度快、通過時間短、噪聲強度大、噪聲受輪軌狀態(tài)影響大等特點，研發(fā)了列車通過聲信號捕捉能力強、快速精準定位、全壽命周期測量、自動化程度高的集輪軌狀態(tài)和噪聲同步監(jiān)測的多功能實時測試系統(tǒng)，實現(xiàn)長周期、自動化、穩(wěn)定可靠的高速鐵路噪聲遠程連續(xù)跟蹤測試、自動處理，準確捕捉和分析每列車噪聲影響，噪聲自動分析誤差僅為0.3 dB，車速定位誤差為3 km/h。

（4）針對我國高速鐵路噪聲大規(guī)?；A(chǔ)研究數(shù)據(jù)、資料和研究成果，組織研發(fā)高速鐵路噪聲綜合信息共享管理系統(tǒng)，解決了高速鐵路噪聲數(shù)據(jù)快速傳輸、檢索問題，實現(xiàn)了噪聲數(shù)據(jù)與關(guān)鍵影響數(shù)據(jù)的自動關(guān)聯(lián)，推動我國高速鐵路噪聲科研成果統(tǒng)一規(guī)范化管理，促進噪聲研究成果共享和應(yīng)用。

4 展望

（1）結(jié)合CR450科技創(chuàng)新工程，系統(tǒng)研究更高速度鐵路噪聲特性規(guī)律，開展更高速度鐵路噪聲控制技術(shù)研究，持續(xù)提升噪聲控制技術(shù)水平。

（2）持續(xù)加強服役期噪聲跟蹤測試研究，結(jié)合輪軌粗糙度、軌道動力學(xué)、空氣動力學(xué)、轉(zhuǎn)向架動力性能等研究，深入分析引起服役期動車組噪聲性能變化的原因。此外，需加強列車高速通過站臺的噪聲特性及控制研究，提升旅客候車舒適性。

（3）持續(xù)加強噪聲基礎(chǔ)理論研究，深化高速鐵路氣動噪聲和輪軌噪聲源特性、發(fā)聲機理和傳播規(guī)律研究，推進噪聲源頭控制，指導(dǎo)頂層降噪設(shè)計。

（4）研究完善我國高速鐵路噪聲控制標(biāo)準體系，持續(xù)研究完善高速鐵路車內(nèi)外噪聲限值、測量方法及控制措施等技術(shù)標(biāo)準。