李晏良，邵 琳，何財松

LI Yan-liang1，SHAO Lin2，HE CAI-song2

（1.中國鐵道科學研究院?研究生部,?北京?100081；2.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）

(1.Postgraduate Department， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China； 2.Energy Saving ＆Environmental Protection＆Occoupational Safety and Health Research Institute， China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081， China)

1 概述

隨著“四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)的建成，加快推進了“八縱八橫”主通道的建設，我國高速鐵路將逐步擴展成網(wǎng)[1]，相應地高速鐵路噪聲影響日益引起人們的關(guān)注。高速鐵路列車運行輻射噪聲與運行速度關(guān)系的研究，不僅是高速鐵路噪聲機理研究的重要內(nèi)容之一，也是高速鐵路環(huán)境噪聲預測方法研究中的重要基礎(chǔ)問題。通過高速鐵路綜合試驗和聯(lián)調(diào)聯(lián)試[2]列車運行輻射噪聲測試數(shù)據(jù)，積極探索適用于我國高速鐵路列車運行輻射噪聲與運行速度的關(guān)系模型，確定其關(guān)鍵系數(shù)。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果，列車運行輻射噪聲隨列車速度增加而增大，兩者一般呈對數(shù)關(guān)系，關(guān)系計算公式為

式中：K為關(guān)鍵系數(shù)，也稱速度指數(shù)，主要與列車速度相關(guān)；V為列車速度；V0為參考速度；L0為參考速度下的等效 A 聲級。歐洲相關(guān)研究機構(gòu)通過對法國 TGV 和德國 ICE 等高速列車開展現(xiàn)場噪聲試驗，經(jīng)線性回歸確定速度指數(shù)[3]，但由于試驗數(shù)據(jù)樣本數(shù)偏少，而且試驗速度較低，適用范圍存在局限性。目前我國在《環(huán)境影響評價技術(shù)導則 聲環(huán)境》(HJ2.4—2009) 中采用的速度修正模型，主要適用于低速條件下的以輪軌滾動噪聲為主的城市軌道交通線路噪聲預測[4]，對于高速鐵路尚未確立關(guān)鍵系數(shù)。軌道交通噪聲預測的速度修正模型如表 1 所示。

另外，列車運行輻射噪聲大小與測試線路的邊界條件、車輛類型、輪軌表面狀態(tài)和列車速度等諸多因素有關(guān)[5]，主要采用京滬高速鐵路 (北京南—上海虹橋)、長昆客運專線 (長沙南—昆明南)、大西客運專線 (大同—西安) 等 40 余條有代表性的高速鐵路噪聲試驗數(shù)據(jù)，測試動車組車型包括 CRH2A、CRH2C、CRH3、CRH380A(L)、CRH380B(L)、CR400AF、CR400BF 等，最高試驗速度為 420 km/h。測試期間車輪、軌道表面狀態(tài)良好，測試方法根據(jù)《Acoustics-railway Applications-measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles》(ISO 3095—2013) 中相關(guān)規(guī)定，測點位置位于距外側(cè)軌道中心線 25 m、軌面以上 3.5 m 高處。高速鐵路噪聲測試線路邊界條件如表 2 所示。

由表 2 可知，線路邊界條件涵蓋高速鐵路所有軌道類型、無砟軌道軌道板型式、設計行車速度，同時測試車型基本為目前主要運營動車組，因而研究結(jié)果具有普遍性。此外，高速鐵路噪聲最顯著的特點是隨著高速鐵路列車速度的提高，氣動噪聲顯著增強，而且氣動噪聲與輪軌噪聲兩者隨速度的增長趨勢不同。因此，研究高速鐵路噪聲與速度的關(guān)鍵系數(shù)，首先需要識別氣動噪聲與滾動噪聲分別占主導時的列車速度，即聲學轉(zhuǎn)換速度。因此，應針對高速鐵路列車運行輻射噪聲與運行速度關(guān)系的聲學轉(zhuǎn)換速度和關(guān)鍵系數(shù)開展系統(tǒng)性研究。

表 1 軌道交通噪聲預測的速度修正模型Tab.1 The modified model of noise prediction of rail transport

2 高速鐵路噪聲聲學轉(zhuǎn)換速度識別分析

高速鐵路噪聲主要由輪軌噪聲、氣動噪聲和牽引噪聲組成。我國高速鐵路由于采用無縫線路，輪軌噪聲主要體現(xiàn)為輪軌滾動噪聲，是列車輪軌相互作用時車輪和鋼軌表面粗糙不平順造成列車垂向振動引起的。氣動噪聲主要分布在車體表面、車頭、車尾、受電弓、車輛連接處和轉(zhuǎn)向架車輛通風處，是列車在高速行駛中與空氣發(fā)生相互作用產(chǎn)生的，而且隨著列車運行速度的提高急劇增加。牽引噪聲主要是牽引變流器、牽引變壓器、牽引電機、輔助供電設備和通風設備等列車牽引轉(zhuǎn)動設備產(chǎn)生的噪聲[6-9]。

按照上述 3 種噪聲源占主導時所對應的列車速度范圍，可以將運行速度分成 3 個區(qū)段，主導噪聲源轉(zhuǎn)變時的列車速度稱為聲學轉(zhuǎn)換速度，高速鐵路聲學轉(zhuǎn)換速度示意圖如圖 1 所示。聲學轉(zhuǎn)變速度不是固定不變的，它是某個速度范圍內(nèi)的動態(tài)值，與線路條件、軌道類型、運行車輛等情況相關(guān)。通過識別高速鐵路噪聲聲學轉(zhuǎn)換速度，特別是輪軌滾動噪聲和氣動噪聲的轉(zhuǎn)換速度，可以建立我國高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型。此外，根據(jù)聲學轉(zhuǎn)換速度，能夠確定列車在不同速度范圍的主導噪聲，進而對不同設計行車速度的高速鐵路有針對性的開展噪聲控制技術(shù)研究。

2.1 通過確定性系數(shù) R2 識別聲學轉(zhuǎn)換速度

圖 1 高速鐵路聲學轉(zhuǎn)換速度示意圖Fig.1 The acoustic conversion speed of high-speed railway

確定性系數(shù)是反映回歸模式說明因變量變化可靠程度的一個統(tǒng)計指標，確定性系數(shù)的大小決定了相關(guān)的密切程度。2 種車型動車組輻射噪聲與運行速度的變化關(guān)系曲線如圖 2 所示。由圖 2 可以看出，在相同測試工況條件下，2 種不同型號動車組列車在某高速鐵路行駛中輻射噪聲隨速度變化的關(guān)系曲線主要發(fā)展趨勢相同。對關(guān)系曲線設定不同的轉(zhuǎn)換速度，可以得到曲線不同的確定性系數(shù)R2值 (每個轉(zhuǎn)換速度可以得到 4 個R2值)。當R2值最高時，可以初步判定該速度為聲學轉(zhuǎn)換速度。圖 2中聲學轉(zhuǎn)換速度為 300 km/h。此外，由圖 2 還可以看出，2 種車型動車組列車在低速時輻射噪聲水平相當，但隨著速度增加，B 型車的聲級水平增長更快，說明列車外型對高速鐵路噪聲特別是氣動噪聲影響較大。

圖 2 2 種車型動車組輻射噪聲與運行速度的變化關(guān)系曲線Fig.2 The noise and speed changing relation curve in two types EMU

2.2 通過高速鐵路噪聲頻率特性識別聲學轉(zhuǎn)換速度

由于牽引噪聲在車速較高的情況下所占總聲能比例極低，因而只對輪軌滾動噪聲和氣動噪聲頻率特性進行分析。一方面，與輪軌滾動噪聲有關(guān)的輪軌粗糙度波長主要在 5～500 mm 范圍內(nèi)，具有寬頻特性，隨著速度的增加，高頻成分會逐漸顯現(xiàn)；另一方面，列車氣動噪聲主要聲能集中在中低頻段，特別是輪軌區(qū)域氣動噪聲主要集中在低頻段[10]。通過對高速鐵路噪聲頻率特性進行分析，可以定性地識別出輪軌滾動噪聲和氣動噪聲的轉(zhuǎn)換速度。

圖 3 某型動車組以不同速度通過某線路區(qū)段時的 1/3 倍頻程頻譜圖Fig.3 A EMU passing one section by different speed

某型動車組以不同速度通過某線路區(qū)段時的 1/3 倍頻程頻譜圖如圖 3 所示。在圖 3 中，某型動車組分別以 200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h速度通過某線路區(qū)段。從圖 3 可以看出，高速鐵路噪聲呈寬頻特性；200 km/h 速度時聲能主要集中在 500～2 000 Hz，說明輪軌滾動噪聲占據(jù)主導地位，此時噪聲主頻為 800 Hz，該特征頻率與軌道系統(tǒng)本身的固有特性有關(guān) (包括鋼軌、扣件、軌道板等)；隨著速度提高，200 Hz以下的低頻段噪聲開始體現(xiàn)，說明氣動噪聲逐漸增大；當速度為 300 km/h 時，低頻段噪聲峰值開始超過中高頻噪聲；當速度為 350 km/h 和 400 km/h 時，氣動噪聲已經(jīng)占據(jù)主導地位。

通過對噪聲頻率特性和噪聲與列車運行速度關(guān)系曲線的定性分析，可以初步識別出我國高速鐵路輪軌滾動噪聲和氣動噪聲的聲學轉(zhuǎn)換速度在300 km/h 左右的一個動態(tài)范圍內(nèi)。

3 高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型關(guān)鍵系數(shù)研究

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果[7]，輪軌噪聲與列車速度V的關(guān)系正比于V2～V4，氣動噪聲為V6～V8。需要特別指出的是，上述研究結(jié)果中氣動噪聲與速度的 6～8 次方關(guān)系是在噪聲未計權(quán)的條件下取得的，而L(V) 和L0都為 A 計權(quán)聲壓級，A 計權(quán)對于200 Hz 以下的低頻噪聲有較大的修正量，根據(jù) 2.2節(jié)所述氣動噪聲主要聲能集中在中低頻段，因而即使列車氣動噪聲在 300～400 km/h 速度范圍內(nèi)占據(jù)主導地位，一般情況下總的 A 計權(quán)聲壓級與列車速度V的關(guān)系不會超過 6 次方，即 10 ＜K＜ 60。依據(jù) 40余條高速鐵路線路噪聲試驗數(shù)據(jù)，以 300 km/h 為聲學轉(zhuǎn)換速度，得到我國 3 種設計行車速度高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型K值表如表 3 所示。

由表 3 可知，160～300 km/h 速度范圍內(nèi)，3 種設計行車速度的高速鐵路K值平均值為 25～30，符合輪軌噪聲隨速度變化關(guān)系；300～400 km/h 速度范圍內(nèi)K值平均值為38～40。對于相同的設計行車速度高速鐵路，線路類型 (橋梁和路堤) 對K值影響不大。此外，對于 350 km/h、300 km/h、250 km/h 3 種設計行車速度高速鐵路，在相同的速度范圍內(nèi)，線路設計行車速度越高，K值越低；對于 250 km/h 設計行車速度線路，無砟軌道的K值低于有砟軌道 (不再詳細列出)。上述規(guī)律說明相同速度范圍內(nèi)，線路設計等級越高、軌道系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)要求越嚴格，線路平順度越高，噪聲增長越慢。

表 3 我國 3 種設計行車速度高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型關(guān)鍵系數(shù) K 值表Tab.3 Relation model between noise and speed of three types speed high-speed railway

根據(jù)相關(guān)研究，國外高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型K值表如表 4 所示[10-11]。由表 4 可以看出，在相同的測試條件和速度范圍內(nèi)，國外高速鐵路系數(shù)K值均高于我國，說明我國高速鐵路線路平順度和相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)設計優(yōu)于國外線路，動車組表面平順性設計方面亦優(yōu)于國外當時開展試驗的動車組列車。

根據(jù)上述研究成果，建議 160～300 km/h 速度范圍內(nèi)，K取 30；300～400 km/h 速度范圍內(nèi)，K取40，由此獲得我國高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型如表 5 所示。

表 4 國外高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型 K 值表Tab.4 Relation model between noise and speed of high-speed railway abroad

表 5 我國高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型Tab.5 Relation model between noise and speed of high-speed railway in China

根據(jù)高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型可知，在 160～400 km/h 的列車速度范圍內(nèi)，速度增加1 倍，列車輻射噪聲值將增大 9～12 dB (A)。

4 結(jié)束語

高速鐵路噪聲控制技術(shù)的系統(tǒng)研究，是有效防治鐵路沿線噪聲、推動鐵路綠色發(fā)展、強化鐵路生態(tài)環(huán)境保護理念的切實要求。《中國鐵路總公司科技創(chuàng)新規(guī)劃 (2018—2020 年)》明確提出要深化減振降噪基礎(chǔ)理論研究，通過研究確定我國高速鐵路列車運行輻射噪聲與列車運行速度關(guān)鍵系數(shù)，可以為高速鐵路輪軌噪聲產(chǎn)生機理，進而從源頭控制高速鐵路噪聲提供研究支撐。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會，中華人民共和國交通運輸部，國家鐵路局，等. 鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃[A/OL]. (2017-11-20)[2018-02-07]. http∶//www.ndrc.gov.cn/gzdt/201711/t20171124_867822.html.

[2]魏亞輝，魏 然，戎亞萍，等. 高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試組織管理標準化研究[J]. 鐵道運輸與經(jīng)濟，2018，40(2)：55-59.WEI Ya-hui，WEI Ran，RONG Ya-ping，et al. A Study on Standardized Management of Commissioning and Integrated Testing in High-speed Railway Projects[J]. Railway Transport and Economy，2018，40(2)：55-59.

[3]THOMPSON D. 鐵路噪聲與振動-機理、模型和控制方法[M]. 中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，譯. 北京：科學出版社，2013.

[4]劉蘭華. 我國高速鐵路噪聲源強特性變化試驗研究[J]. 鐵道建筑，2016(8)：160-163.LIU Lan-hua. Experimental Study on Noise Source Characteristics of High-speed Railway[J]. Railway Engineering，2016(8)：160-163.

[5]韓富強，賈永剛，王宇嘉. 提高鐵路線路通過能力利用質(zhì)量的探討[J]. 鐵道貨運，2016，34(3)：26-30.HAN Fu-qiang，JIA Yong-gang，WANG Yu-jia. Discussion on Increasing the Use Quality of Railway Carrying Capacity[J]. Railway Freight Transport，2016，34(3)：26-30.

[6]THOMPSON D J，GAUTIER P E. Review of Research into Wheel/Rail Rolling Noise Reduction[J]. Journal of Rail and Rapid Transit：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F，2006，220(3)：385-408.

[7]KITAGAWA T，NAGAKURA K. Aerodynamic Noise Generated by Shinkansen Cars[J]. Journal of Sound and Vibration，2000，231(3)：913-924.

[8]POISSON F，GAUTIER P E，LETOURNEAUX F. Noise Sources for High Speed Trains：a Review of Results in the TGV Case[C]//WERNING B S，THOMPSON D J，GAUTIER Pierre Etienne，et al. Proceeding of the 9th International Workshop on Railway Noise. Munich：Springer，2007：71-77.

[9]TALOTTE C，GAUTIER P E，THOMPSON D J，et al.Identification，Modeling and Reduction Potential of Railway Noise Sources：a Critical Survey[J]. Journal of Sound and Vibration，2003，267(2)： 447-468.

[10]中國鐵道科學研究院. 大西高速綜合試驗噪聲專項試驗報告[R]. 北京：中國鐵道科學研究院，2017.

[11]尹 皓，李耀增，辜小安. 高速鐵路列車運行噪聲特性研究[J]. 鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2009， 36(5)：221-223.YIN Hao，LI Yao-zeng，GU Xiao-an. Study of the Noise Characteristic of Running Trains of High-speed Railroad[J].Railway Occupational Safety Health & Environmental Protection，2009，36(5)：221-223.