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        鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測方法研究

        2018-12-19 12:53:18伍向陽
        鐵道運輸與經(jīng)濟 2018年12期
        關(guān)鍵詞:噪聲源聲源輪軌

        伍向陽

        (中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部,北京 100081)

        1 鐵路噪聲源特性分析

        我國《鐵路建設(shè)項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導(dǎo)意見》(鐵計[2010] 44號文)[1]中規(guī)定了鐵路噪聲環(huán)境影響預(yù)測計算方法,對大量的鐵路建設(shè)項目噪聲環(huán)境影響評價給予指導(dǎo),但該方法主要是基于以輪軌滾動噪聲為主的線路評價對象而提出,部分關(guān)鍵預(yù)測參數(shù)直接采用國外的研究成果,用于預(yù)測我國鐵路環(huán)境噪聲影響時部分參數(shù)存在一定誤差。目前我國高速鐵路迅速發(fā)展,截至2017年底高速鐵路已開通運營2.5萬km以上,國內(nèi)外研究均已表明列車運行過程產(chǎn)生的輪軌噪聲近似正比于運行速率的2 ~ 3次方,而空氣動力噪聲近似正比于運行速率的6 ~ 8次方[2],高速鐵路噪聲源的組成和特性相對于普速鐵路均已發(fā)生明顯改變[3],傳統(tǒng)基于輪軌滾動噪聲的預(yù)測方法已不再適用。為了準(zhǔn)確預(yù)測鐵路噪聲,日本、德國等國家針對普速鐵路和高速鐵路噪聲源特性分別提出了相應(yīng)的預(yù)測方法[4-5]。日本在建設(shè)北陸新干線時,構(gòu)建了多聲源預(yù)測模型[6],德國2015年1月1日正式實施的《聯(lián)邦排放保護法》-16規(guī)章,也將高速鐵路噪聲源劃分為3個不同的聲源高度。因此,在分析我國鐵路噪聲源特性的基礎(chǔ)上,結(jié)合理論分析,分類提出普速鐵路和高速鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測方法。

        動車組以不同速度通過橋梁區(qū)段時輪軌區(qū)域噪聲測試結(jié)果如圖1所示。測試結(jié)果表明,我國高速動車組在運行速度低于200 km/h時,鐵路噪聲以輪軌滾動噪聲為主,輪軌區(qū)域噪聲隨運行速度呈16.9 lg常用對數(shù)變化;動車組運行速度高于200 km/h時,氣動噪聲增幅極為顯著,受電弓等部位氣動噪聲逐步成為重要噪聲源。因此,建議以200 km/h作為界限,列車運行速度低于200 km/h的鐵路項目按照普速鐵路噪聲進行評價,大于等于200 km/h按照高速鐵路噪聲進行評價。

        2 鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測方法分析

        圖1 動車組以不同速度通過橋梁區(qū)段時輪軌區(qū)域噪聲測試結(jié)果Fig.1 Test results of the wheel-rail area noise when the EMU passes the bridge section at different speeds

        與普速鐵路相比,高速鐵路噪聲源特性已經(jīng)發(fā)生明顯改變[7],列車運行速度為200 km/h及以上時,集電系統(tǒng)等部位氣動噪聲增幅最為顯著,隨著運行速度的提高,逐漸成為聲級最高的噪聲源,多聲源特征顯著。因此,基于我國鐵路噪聲特性,針對普速鐵路進一步完善其預(yù)測參數(shù);針對新建及改建高速鐵路(時速為200 km/h及以上)研究構(gòu)建多聲源等效模型,高速鐵路噪聲預(yù)測聲源模型示意圖如圖2所示。采用聲功率表示聲源大小,將集電系統(tǒng)噪聲視為軌面以上5.3 m左右高的運動偶極子聲源,車輛上部空氣動力噪聲視為軌面以上2.5 m高無指向性的有限長不相干線聲源,將以輪軌噪聲為主的車輛下部噪聲視為軌面以上高0.5 m有限長不相干偶極子線聲源。

        2.1 聲源幾何發(fā)散

        2.1.1 普速鐵路幾何發(fā)散

        在鐵計[2010] 44號文的基礎(chǔ)上,根據(jù)我國鐵路輪軌滾動噪聲特性,進一步完善了有限長不相干偶極子線聲源衰減公式,完善后的聲源幾何發(fā)散計算公式為

        式中:Cd為普速鐵路聲源幾何發(fā)散衰減,dB;d0為源強點至聲源的直線距離,m;d 為預(yù)測點至聲源的直線距離,m;l為列車長度,m。

        2.1.2 高速鐵路幾何發(fā)散

        由于高速鐵路多聲源特征顯著,根據(jù)所建立的高速鐵路多聲源模型,分別給出集電系統(tǒng)、車體區(qū)域、輪軌區(qū)域幾何發(fā)散計算公式。

        圖2 高速鐵路噪聲預(yù)測聲源模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of sound source model for high-speed railway noise prediction

        集電系統(tǒng)噪聲幾何發(fā)散計算公式為

        式中:Cdiv,P為集電系統(tǒng)聲源幾何發(fā)散;d為受聲點至集電系統(tǒng)的距離,m;v為列車通過預(yù)測點的運行速度,km/h;l為列車長度,m;l1為列車車頭距集電系統(tǒng)的距離,m。

        車體區(qū)域噪聲幾何發(fā)散計算公式為

        式中:Cdiv,A為車體區(qū)域噪聲幾何發(fā)散;d為受聲點至聲源的直線距離,m。

        輪軌區(qū)域噪聲幾何發(fā)散計算公式為

        式中:Cdiv,R為輪軌區(qū)域噪聲幾何發(fā)散;d為受聲點至聲源的直線距離,m。

        2.2 速度修正

        2.2.1 普速鐵路噪聲速度修正

        普速鐵路列車運行噪聲以輪軌滾動噪聲為主。國內(nèi)外研究成果表明:輪軌滾動噪聲與列車運行速度的2 ~ 3次方成正比,以路基有砟軌道線路為研究對象時,聲級與運行速度的關(guān)系一般呈30 lg (v2/ v1)的變化規(guī)律。近年來大量的鐵路噪聲試驗研究結(jié)果表明,在我國橋梁線路條件下,列車運行輪軌噪聲一般與列車運行速度的2次方成正比,即聲級隨運行速度呈約20 lg (v2/ v1)的變化規(guī)律;路基線路與國外研究結(jié)果基本相同,輪軌滾動噪聲一般與列車運行速度的3次方成正比,即聲級隨運行速度呈約30 lg (v2/ v1)的變化規(guī)律。在低速條件下,列車牽引及設(shè)備噪聲起主導(dǎo)作用,與運行速度1次方成正比。

        因此,基于近年來我國大量的鐵路環(huán)境噪聲現(xiàn)場試驗研究結(jié)果,得到不同線路條件下普速鐵路噪聲速度修正計算公式如表1所示。

        表1 不同線路條件下普速鐵路噪聲速度修正計算公式Tab.1 Correction formula for noise speed of general speed railway under different track conditions

        2.2.2 高速鐵路噪聲速度修正

        基于我國高速鐵路噪聲源定量化識別分析結(jié)果,我國高速鐵路噪聲源主要由輪軌滾動噪聲和氣動噪聲組成,其中輪軌滾動噪聲呈現(xiàn)偶極子指向特性,與運行速度的2 ~ 3次方成正比,集電系統(tǒng)氣動噪聲和輪軌區(qū)域氣動噪聲主要由氣動偶極子源組成,與運行速度的6次方成正比,車體區(qū)域聲源向外傳播過程呈現(xiàn)單極子源特征,與運行速度的4次方成正比。高速鐵路噪聲速度修正如表2所示,基于高速鐵路聲源組成及其變化特征,高速鐵路噪聲速度修正建議按表2執(zhí)行。

        2.3 垂直指向性修正

        《鐵路建設(shè)項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導(dǎo)意見》 (鐵計[2010] 44號文)中關(guān)于垂直指向性修正,直接引用國際鐵路聯(lián)盟(UIC)試驗研究所(ORE) (現(xiàn)已更名為歐洲鐵道研究所(ERRI))的研究資料,即基于路基有砟軌道線路鐵路輪軌噪聲的垂向指向性進行修正。根據(jù)我國鐵路運行噪聲垂直指向性大量現(xiàn)場測試研究發(fā)現(xiàn),由于工程邊界條件不同,使得垂直指向性存在較大差異,我國鐵路噪聲垂直指向性與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對比如圖3所示。根據(jù)我國各種邊界條件下普速鐵路垂直分布噪聲測試結(jié)果,并進行插值擬合,得出我國鐵路線路工程邊界條件下噪聲垂直指向性修正。

        表2 高速鐵路噪聲速度修正Tab.2 High-Speed railway noise speed correction

        圖3 我國鐵路噪聲垂直指向性與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.3 Comparison of vertical directionality of railway noise and current standard in China

        當(dāng)21.5°≤θ≤50°時,垂向指向性修正Cθ計算公式為

        式中:θ為受聲點與聲源的連線與聲源水平面的夾角,受聲點位置高于聲源面時θ為正。

        當(dāng)-10°≤θ≤21.5°時,垂向指向性修正計算公式為

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

        2.4 聲屏障插入損失修正

        2.4.1 普速鐵路聲屏障插入損失修正

        《鐵路建設(shè)項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導(dǎo)意見》 (鐵計2010_44號文)中聲屏障插入損失按照《聲屏障聲學(xué)設(shè)計和測量規(guī)范》(HJ/T90)[8]進行計算。列車運行噪聲按線聲源處理,根據(jù)HJ/T 90中規(guī)定的計算方法,對于聲源和聲屏障假定為無限長時,聲屏障頂端繞射衰減按公式 ⑺ 計算,當(dāng)聲屏障為有限長時,應(yīng)根據(jù)HJ/T 90中規(guī)定的計算方法進行修正。但該計算方法將聲屏障視為全吸聲,僅考慮頂端繞射衰減。由于列車表面與聲屏障表面之間存在反射聲影響,實際應(yīng)用時,聲屏障插入損失計算效果優(yōu)于實測效果,因此,提出在進行聲屏障插入損失計算時增加考慮一次反射聲影響,且聲源按輻射能量最大的角度入射(21.5°),聲屏障聲傳播路徑如圖4所示。聲屏障頂端繞射衰減的計算公式為

        圖4 聲屏障聲傳播路徑Fig.4 Sound propagation path of sound barrier

        經(jīng)理論推導(dǎo),考慮1次反射聲后的聲屏障插入損失Cb計算公式為

        式中:Cb為聲屏障插入損失,dB;Lr為安裝聲屏障后,受聲點處聲壓級,dB;Lr0為未安裝聲屏障時,受聲點處聲壓級,dB;NRC為聲屏障的降噪系數(shù);為安裝聲屏障后,受聲點處聲源頂端繞射衰減,可參照公式 ⑺ 計算,dB;為安裝聲屏障后,受聲點處一次反射聲源的頂端繞射衰減,可參照公式 ⑺ 計算,dB;d0為受聲點至聲源S0直線距離,m;d1為受聲點至一次反射后聲源S1直線距離,m。

        2.4.2 高速鐵路聲屏障插入損失修正

        高速鐵路噪聲源主要有輪軌噪聲、空氣動力噪聲和集電系統(tǒng)噪聲等,各噪聲源在垂直方向上有明顯的分層分布特征,不能采用傳統(tǒng)單聲源模式進行計算。因此,聲屏障插入損失計算應(yīng)考慮受電弓、車體區(qū)域以及輪軌區(qū)域噪聲源的影響。充分應(yīng)用高速動車組噪聲源識別結(jié)果以及各主要噪聲源特性,在高速鐵路多聲源等效模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建高速鐵路聲屏障聲傳播途徑示意圖如圖5所示。

        圖5 高速鐵路聲屏障聲傳播途徑示意圖Fig.5 Schematic diagram of sound transmission path of high-speed railway sound barrier

        車體區(qū)域噪聲插入損失按式計算公式為

        受電弓區(qū)域噪聲插入損失計算公式為

        其中 Cb0,和 Cb1參照公式 ⑺ 進行計算,ΔLd參照公式⑿進行計算。

        式中:N為菲涅爾數(shù),N = 2δ/ λ;λ為聲波波長,m;δ為聲程差,m。

        聲屏障插入損失計算公式為

        式中:LPR為無聲屏障時,輪軌區(qū)域噪聲源傳播至受聲點的聲壓級,dB;LPA為無聲屏障時,車體區(qū)域噪聲源傳播至受聲點的聲壓級,dB;LPP為無聲屏障時,受電弓噪聲源傳播至受聲點的聲壓級,dB。

        3 鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測方法驗證

        通過現(xiàn)場試驗,對構(gòu)建的主要計算模型進行驗證。動車組以300 km/h速度通過時不同距離處噪聲預(yù)測值和實測值對比如圖6所示,動車組以250 km/h速度通過橋梁區(qū)段插板式金屬聲屏障時降噪效果如表3所示。

        對比分析結(jié)果表明:

        (1)距離線路15 m以外,預(yù)測值與實測值最大差異僅為0.4 dB。

        其中輪軌區(qū)域噪聲插入損失按照最大指向角度,考慮一次反射,計算公式為

        圖6 動車組以300 km/h速度通過時不同距離處噪聲預(yù)測值和實測值對比Fig.6 Comparison of predicted and measured values of noise at different distances when the EMU passes at 300 km/h

        表3 動車組以250 km/h速度通過橋梁區(qū)段插板式金屬聲屏障時降噪效果Tab.3 Noise reduction effect when the EMU passed through the bridge with a metal sound barrier at a speed of 250 km/h

        (2)聲屏障插入損失預(yù)測值與實測值相差0.4 dB。與傳統(tǒng)預(yù)測方法相比,對插入損失的預(yù)測精度可提高2.9 dB。

        4 結(jié)束語

        有效、準(zhǔn)確的鐵路噪聲預(yù)測方法是開展鐵路建設(shè)項目聲環(huán)境影響評價的前提,我國現(xiàn)行鐵路噪聲預(yù)測方法主要針對以輪軌噪聲為主的線路,僅適用于普速鐵路,且部分關(guān)鍵參數(shù)直接引用國外研究成果,其對應(yīng)的應(yīng)用條件與我國鐵路線路邊界條件不符。我國高速鐵路噪聲源識別分析表明,列車運行速度大于等于200 km/h,氣動噪聲增幅最為顯著,逐步與輪軌噪聲共同成為主要噪聲源,多聲源特征顯著,傳統(tǒng)單聲源預(yù)測方法不能適用。因此,在分析國內(nèi)外鐵路噪聲源特性的基礎(chǔ)上,深入分析不同速度下鐵路噪聲源特征,結(jié)合理論分析,進一步完善了普速鐵路速度修正、幾何發(fā)散衰減、垂直指向性修正以及聲屏障插入損失等參數(shù)的計算方法?;诟咚勹F路多聲源模型,提出了噪聲幾何發(fā)散計算方法以及多聲源作用下的聲屏障插入損失計算方法,經(jīng)驗證該預(yù)測方法誤差在0.5 dB以內(nèi),滿足鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測的要求,為我國鐵路建設(shè)項目環(huán)境影響評價提供技術(shù)支撐。

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