伍向陽(yáng)

（中國(guó)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(guó)《鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)噪聲振動(dòng)源強(qiáng)取值和治理原則指導(dǎo)意見(jiàn)》(鐵計(jì)[2010] 44號(hào)文)[1]中規(guī)定了鐵路噪聲環(huán)境影響預(yù)測(cè)計(jì)算方法，對(duì)大量的鐵路建設(shè)項(xiàng)目噪聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)給予指導(dǎo)，但該方法主要是基于以輪軌滾動(dòng)噪聲為主的線路評(píng)價(jià)對(duì)象而提出，部分關(guān)鍵預(yù)測(cè)參數(shù)直接采用國(guó)外的研究成果，用于預(yù)測(cè)我國(guó)鐵路環(huán)境噪聲影響時(shí)部分參數(shù)存在一定誤差。目前我國(guó)高速鐵路迅速發(fā)展，截至2017年底高速鐵路已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)2.5萬(wàn)km以上，國(guó)內(nèi)外研究均已表明列車運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的輪軌噪聲近似正比于運(yùn)行速率的2 ～ 3次方，而空氣動(dòng)力噪聲近似正比于運(yùn)行速率的6 ～ 8次方[2]，高速鐵路噪聲源的組成和特性相對(duì)于普速鐵路均已發(fā)生明顯改變[3]，傳統(tǒng)基于輪軌滾動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法已不再適用。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鐵路噪聲，日本、德國(guó)等國(guó)家針對(duì)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(cè)方法[4-5]。日本在建設(shè)北陸新干線時(shí)，構(gòu)建了多聲源預(yù)測(cè)模型[6]，德國(guó)2015年1月1日正式實(shí)施的《聯(lián)邦排放保護(hù)法》-16規(guī)章，也將高速鐵路噪聲源劃分為3個(gè)不同的聲源高度。因此，在分析我國(guó)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(cè)方法。

動(dòng)車組以不同速度通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí)輪軌區(qū)域噪聲測(cè)試結(jié)果如圖1所示。測(cè)試結(jié)果表明，我國(guó)高速動(dòng)車組在運(yùn)行速度低于200 km/h時(shí)，鐵路噪聲以輪軌滾動(dòng)噪聲為主，輪軌區(qū)域噪聲隨運(yùn)行速度呈16.9 lg常用對(duì)數(shù)變化；動(dòng)車組運(yùn)行速度高于200 km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲增幅極為顯著，受電弓等部位氣動(dòng)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(yùn)行速度低于200 km/h的鐵路項(xiàng)目按照普速鐵路噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)，大于等于200 km/h按照高速鐵路噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)方法分析

圖1 動(dòng)車組以不同速度通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí)輪軌區(qū)域噪聲測(cè)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(yùn)行速度為200 km/h及以上時(shí)，集電系統(tǒng)等部位氣動(dòng)噪聲增幅最為顯著，隨著運(yùn)行速度的提高，逐漸成為聲級(jí)最高的噪聲源，多聲源特征顯著。因此，基于我國(guó)鐵路噪聲特性，針對(duì)普速鐵路進(jìn)一步完善其預(yù)測(cè)參數(shù)；針對(duì)新建及改建高速鐵路(時(shí)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(cè)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(yùn)動(dòng)偶極子聲源，車輛上部空氣動(dòng)力噪聲視為軌面以上2.5 m高無(wú)指向性的有限長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)[2010] 44號(hào)文的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)鐵路輪軌滾動(dòng)噪聲特性，進(jìn)一步完善了有限長(zhǎng)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(jì)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(qiáng)點(diǎn)至聲源的直線距離，m；d 為預(yù)測(cè)點(diǎn)至聲源的直線距離，m；l為列車長(zhǎng)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(jì)算公式。

圖2 高速鐵路噪聲預(yù)測(cè)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(jì)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(diǎn)至集電系統(tǒng)的距離，m；v為列車通過(guò)預(yù)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行速度，km/h；l為列車長(zhǎng)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(jì)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(diǎn)至聲源的直線距離，m。

輪軌區(qū)域噪聲幾何發(fā)散計(jì)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(diǎn)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(yùn)行噪聲以輪軌滾動(dòng)噪聲為主。國(guó)內(nèi)外研究成果表明：輪軌滾動(dòng)噪聲與列車運(yùn)行速度的2 ～ 3次方成正比，以路基有砟軌道線路為研究對(duì)象時(shí)，聲級(jí)與運(yùn)行速度的關(guān)系一般呈30 lg (v2/ v1)的變化規(guī)律。近年來(lái)大量的鐵路噪聲試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在我國(guó)橋梁線路條件下，列車運(yùn)行輪軌噪聲一般與列車運(yùn)行速度的2次方成正比，即聲級(jí)隨運(yùn)行速度呈約20 lg (v2/ v1)的變化規(guī)律；路基線路與國(guó)外研究結(jié)果基本相同，輪軌滾動(dòng)噪聲一般與列車運(yùn)行速度的3次方成正比，即聲級(jí)隨運(yùn)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(yùn)行速度1次方成正比。

因此，基于近年來(lái)我國(guó)大量的鐵路環(huán)境噪聲現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jì)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(jì)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(guó)高速鐵路噪聲源定量化識(shí)別分析結(jié)果，我國(guó)高速鐵路噪聲源主要由輪軌滾動(dòng)噪聲和氣動(dòng)噪聲組成，其中輪軌滾動(dòng)噪聲呈現(xiàn)偶極子指向特性，與運(yùn)行速度的2 ～ 3次方成正比，集電系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲和輪軌區(qū)域氣動(dòng)噪聲主要由氣動(dòng)偶極子源組成，與運(yùn)行速度的6次方成正比，車體區(qū)域聲源向外傳播過(guò)程呈現(xiàn)單極子源特征，與運(yùn)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(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)噪聲振動(dòng)源強(qiáng)取值和治理原則指導(dǎo)意見(jiàn)》 (鐵計(jì)[2010] 44號(hào)文)中關(guān)于垂直指向性修正，直接引用國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)試驗(yàn)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(jìn)行修正。根據(jù)我國(guó)鐵路運(yùn)行噪聲垂直指向性大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(guó)鐵路噪聲垂直指向性與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如圖3所示。根據(jù)我國(guó)各種邊界條件下普速鐵路垂直分布噪聲測(cè)試結(jié)果，并進(jìn)行插值擬合，得出我國(guó)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(guó)鐵路噪聲垂直指向性與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Tab.3 Comparison of vertical directionality of railway noise and current standard in China

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

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

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

當(dāng) θ＜ -10°時(shí)，按照 -10°進(jìn)行修正；當(dāng) θ＞ 50°時(shí)，按照50°進(jìn)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(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)噪聲振動(dòng)源強(qiáng)取值和治理原則指導(dǎo)意見(jiàn)》 (鐵計(jì)2010_44號(hào)文)中聲屏障插入損失按照《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)量規(guī)范》(HJ/T90)[8]進(jìn)行計(jì)算。列車運(yùn)行噪聲按線聲源處理，根據(jù)HJ/T 90中規(guī)定的計(jì)算方法，對(duì)于聲源和聲屏障假定為無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，聲屏障頂端繞射衰減按公式 ⑺ 計(jì)算，當(dāng)聲屏障為有限長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)HJ/T 90中規(guī)定的計(jì)算方法進(jìn)行修正。但該計(jì)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，聲屏障插入損失計(jì)算效果優(yōu)于實(shí)測(cè)效果，因此，提出在進(jìn)行聲屏障插入損失計(jì)算時(shí)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(jì)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(jì)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(diǎn)處聲壓級(jí)，dB；Lr0為未安裝聲屏障時(shí)，受聲點(diǎn)處聲壓級(jí)，dB；NRC為聲屏障的降噪系數(shù)；為安裝聲屏障后，受聲點(diǎn)處聲源頂端繞射衰減，可參照公式 ⑺ 計(jì)算，dB；為安裝聲屏障后，受聲點(diǎn)處一次反射聲源的頂端繞射衰減，可參照公式 ⑺ 計(jì)算，dB；d0為受聲點(diǎn)至聲源S0直線距離，m；d1為受聲點(diǎn)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(dòng)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(jìn)行計(jì)算。因此，聲屏障插入損失計(jì)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(dòng)車組噪聲源識(shí)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(jì)算公式為

受電弓區(qū)域噪聲插入損失計(jì)算公式為

其中 Cb0，和 Cb1參照公式 ⑺ 進(jìn)行計(jì)算，ΔLd參照公式⑿進(jìn)行計(jì)算。

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

聲屏障插入損失計(jì)算公式為

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

3 鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)方法驗(yàn)證

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)構(gòu)建的主要計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。動(dòng)車組以300 km/h速度通過(guò)時(shí)不同距離處噪聲預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖6所示，動(dòng)車組以250 km/h速度通過(guò)橋梁區(qū)段插板式金屬聲屏障時(shí)降噪效果如表3所示。

對(duì)比分析結(jié)果表明：

（1）距離線路15 m以外，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)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(jì)算公式為

圖6 動(dòng)車組以300 km/h速度通過(guò)時(shí)不同距離處噪聲預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值對(duì)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(dòng)車組以250 km/h速度通過(guò)橋梁區(qū)段插板式金屬聲屏障時(shí)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(cè)值與實(shí)測(cè)值相差0.4 dB。與傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法相比，對(duì)插入損失的預(yù)測(cè)精度可提高2.9 dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

有效、準(zhǔn)確的鐵路噪聲預(yù)測(cè)方法是開(kāi)展鐵路建設(shè)項(xiàng)目聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)的前提，我國(guó)現(xiàn)行鐵路噪聲預(yù)測(cè)方法主要針對(duì)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(guó)外研究成果，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用條件與我國(guó)鐵路線路邊界條件不符。我國(guó)高速鐵路噪聲源識(shí)別分析表明，列車運(yùn)行速度大于等于200 km/h，氣動(dòng)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(cè)方法不能適用。因此，在分析國(guó)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(jìn)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(jì)算方法。基于高速鐵路多聲源模型，提出了噪聲幾何發(fā)散計(jì)算方法以及多聲源作用下的聲屏障插入損失計(jì)算方法，經(jīng)驗(yàn)證該預(yù)測(cè)方法誤差在0.5 dB以內(nèi)，滿足鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)的要求，為我國(guó)鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。