趙嘉琛

摘 要：高速鐵路給人們帶來(lái)便捷、快速通行的同時(shí)，也會(huì)對(duì)鐵路沿線居民及列車本體帶來(lái)影響，通過(guò)查閱資料，調(diào)查噪聲的來(lái)源，研究隔音屏聲波反射，致力于將噪聲反射回來(lái)影響到列車本體的聲波能量降到比較低的水平，并提出相關(guān)模型的建設(shè)建議。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；噪聲；隔音屏；反射

中圖分類號(hào)：U238 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）11-0047-04

0 引言

利用隔音屏屏蔽高速鐵路噪聲的原理在于，在噪聲的傳播過(guò)程中阻斷噪聲的傳播，現(xiàn)如今在保證客運(yùn)專線的運(yùn)營(yíng)速度的基礎(chǔ)上，運(yùn)用隔音屏，控制噪聲，使其既做到不影響沿線居民生活，又做到不影響列車運(yùn)行，便成了目前有待解決的問(wèn)題之一。

1 高鐵噪聲的來(lái)源及其原理（表1）[1]

1.1 輪軌間噪聲

其為噪聲的主要來(lái)源，運(yùn)行時(shí)不可避免地產(chǎn)生沖擊聲，高速鐵路雖然采用的是無(wú)縫鋼軌，但經(jīng)過(guò)不同車輛的碾軋和外部環(huán)境的作用后，雖罕有斷裂的情況出現(xiàn)，但其形態(tài)上會(huì)發(fā)生一定的改變，這樣的改變形成了五種不平順接觸，如圖1所示。在這五種沖擊情況中，高跨是最為不利的，不同于其它四種情況，其速度越高，產(chǎn)生的沖擊聲就越大，可見(jiàn)應(yīng)盡力避免此類情況。

1.2 集電系統(tǒng)的高速接觸摩擦

日本的研究表明，集電系統(tǒng)的噪聲僅次于輪軌噪聲，其主要在于受電弓和接觸網(wǎng)的高頻振動(dòng)發(fā)出的噪聲，其中，滑動(dòng)聲是隨著滑板導(dǎo)線間的滑動(dòng)因弓網(wǎng)的高頻波振動(dòng)而產(chǎn)生的：電弧噪聲是列車在高速運(yùn)行時(shí)受電弓和容易發(fā)生脫離而產(chǎn)生的；而受電弓的氣動(dòng)噪聲是由于受電弓突出在車頂上，幾乎受到與列車速度相同的風(fēng)速作用而產(chǎn)生摩擦從而引發(fā)的。

1.3 空氣動(dòng)力性噪聲（氣動(dòng)噪聲）

由氣流直接產(chǎn)生的振幅和頻率雜亂、統(tǒng)計(jì)上無(wú)規(guī)則的聲音叫做空氣動(dòng)力性噪聲，簡(jiǎn)稱氣動(dòng)噪聲。列車高速運(yùn)行時(shí)來(lái)自各方向的氣流與車體摩擦產(chǎn)生的聲音就是一種氣動(dòng)噪聲。

1.4 橋梁構(gòu)筑物噪聲

高速鐵路在通過(guò)城市區(qū)域時(shí)，由于與河流，公路和鐵路的交叉，需要建造多各種結(jié)構(gòu)的橋梁，當(dāng)高速列車通過(guò)這些高架結(jié)構(gòu)時(shí)，由于引起橋梁上各種構(gòu)件的振動(dòng)而向外輻射噪聲，稱之為高速鐵路橋梁構(gòu)筑物噪聲。

2 隔音屏障的調(diào)整

高鐵列車運(yùn)營(yíng)期間會(huì)產(chǎn)生噪音，其中離鐵軌外軌中心線30米左右，噪音在62-72分貝；震動(dòng)干擾，離鐵軌外軌中心線30米左右在76-85分貝之間，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3[2]。

我們從一方面來(lái)分析，如果將此運(yùn)行區(qū)間全部包圍起來(lái)，那么聲波積聚的能量將會(huì)直接作用與列車之上，隨著列車速度的不斷提高，來(lái)自車體各部分的大量聲波聚集的能量，在某些情況下是會(huì)干擾列車運(yùn)行的。目前的研究多是集中研究噪聲對(duì)外界的影響及防治工作，還很少涉及到聲波反射對(duì)列車的影響，由此我考慮到“怎樣去調(diào)整隔音屏，可以將反射回來(lái)影響到列車本體的聲波能量降到比較低的水平”，對(duì)此我展開(kāi)了探究。

3 模型對(duì)比分析

3.1 建立簡(jiǎn)化模型

以當(dāng)下主流車型和諧號(hào)CRH380B型電力動(dòng)車組為例相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

我們基于列車車廂及其至接觸網(wǎng)的高度為一個(gè)單位長(zhǎng)度，同隔音屏、住宅一同建立一個(gè)簡(jiǎn)化模型，比例為1：2：4，對(duì)于建筑限界，我們從單軌的角度分析，軌道到隔音屏的距離約為2-4米，我們將隔音屏至住宅樓的距離規(guī)定為軌道到隔音屏的距離的2倍，同樣建立一個(gè)簡(jiǎn)化模型，比例為1：2，通過(guò)對(duì)聲波反射的繪圖、測(cè)量、分析、計(jì)算等步驟，來(lái)探究怎樣去調(diào)整隔音屏，可以將反射回來(lái)影響到列車本體的聲波能量降到比較低的水平。

3.2 對(duì)比分析過(guò)程（分析的基礎(chǔ)建立在列車運(yùn)行時(shí)速為300km/h）

至于隔音屏對(duì)房屋的影響，我們將以下圖1模型中的屏高，看作可以完全屏蔽掉對(duì)房屋的噪聲，只分析隔音屏聲波對(duì)車體的影響。第一行線為列車及受電裝備的高度，根據(jù)上文對(duì)噪聲來(lái)源的分析，可以將第一行線劃分為四個(gè)點(diǎn)分成的區(qū)段，第一個(gè)點(diǎn)A——輪軌噪聲和橋梁構(gòu)筑物噪聲；第二個(gè)點(diǎn)B——空氣動(dòng)力性噪聲；第三個(gè)點(diǎn)C——車頂；第四個(gè)點(diǎn)D——集電系統(tǒng)噪聲（受電弓），從不同點(diǎn)出發(fā)的噪聲聲波能量，會(huì)發(fā)散到各個(gè)方向上去，為了確定區(qū)間，計(jì)算反射回來(lái)影響到列車的聲波能量占總噪聲的比重，所以繼續(xù)進(jìn)行分析?，F(xiàn)存的隔音屏形狀大致有兩大種，一類是直面型，另一類是曲面型，曲面型當(dāng)中又分為內(nèi)曲型、外曲型兩種，通過(guò)簡(jiǎn)化模型可以探究輪軌噪聲、空氣動(dòng)力性噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、橋梁構(gòu)筑物噪聲之間的關(guān)系。

如圖2所示，可見(jiàn)，從A點(diǎn)發(fā)出的輪軌噪聲和橋梁構(gòu)筑物噪聲，到達(dá)D點(diǎn)后反射到B點(diǎn)，B點(diǎn)為列車車體的邊緣，以此區(qū)間為臨界區(qū)間，向上反射的聲波便不會(huì)返回到列車車體之上。反過(guò)來(lái)看，在此區(qū)間以內(nèi)的所有聲波便會(huì)返回到車體之上，影響列車的運(yùn)行，在簡(jiǎn)化模型中經(jīng)過(guò)測(cè)量、計(jì)算，可以分析出——對(duì)于直面型噪聲隔音屏，來(lái)自于輪軌摩擦和橋梁構(gòu)筑物振動(dòng)的噪聲反射到車身的部分約為原隔音屏高度的1/6，約為0-1.3m。

如圖3所示，可見(jiàn)在簡(jiǎn)化模型中，從B點(diǎn)發(fā)出的空氣動(dòng)力性噪聲，我們將散發(fā)至各個(gè)方向的聲波，統(tǒng)一看成兩個(gè)主要方向，一部分散發(fā)至車頂方向，另一部分散發(fā)到地面方向。從B點(diǎn)出發(fā)到達(dá)E點(diǎn)反射至A點(diǎn)的空氣動(dòng)力性噪聲，向E的左側(cè)部分傳播的聲音便將會(huì)到達(dá)地面被反射出去或被吸收，因而對(duì)E的左側(cè)部分，便不再多作考慮，E點(diǎn)便成為了一個(gè)邊界，同樣從B點(diǎn)出發(fā)到達(dá)F點(diǎn)反射至C點(diǎn)的空氣動(dòng)力性噪聲，向E的右側(cè)部分為向上反射的聲波，便不會(huì)返回到列車車體之上，因此F點(diǎn)便成為了另一個(gè)邊界，在簡(jiǎn)化模型中經(jīng)過(guò)測(cè)量、計(jì)算，可以分析出——對(duì)于直面型噪聲隔音屏，EF段來(lái)自于列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲反射到車身的部分約占約為原隔音屏高度的1/6，約為0.66-1.99m。

如圖4所示，可見(jiàn)在簡(jiǎn)化模型中，從D點(diǎn)發(fā)出的集電系統(tǒng)噪聲，將散發(fā)至各個(gè)方向的聲波，統(tǒng)一看成兩個(gè)主要方向，一部分散發(fā)至車頂方向，另一部分散發(fā)到地面方向。從D出發(fā)到達(dá)F點(diǎn)反射至C點(diǎn)的空氣動(dòng)力性噪聲，向F的右側(cè)部分為向上反射的聲波，便不會(huì)返回到列車車體之上，因此F點(diǎn)便成為了一個(gè)邊界。同理E點(diǎn)左側(cè)部分傳播的聲音將會(huì)到達(dá)地面被反射出去或被吸收，因而對(duì)E的左側(cè)部分，便不再多作考慮，E點(diǎn)便成為了另一個(gè)邊界，同樣，在簡(jiǎn)化模型中經(jīng)過(guò)測(cè)量、計(jì)算，可以分析出——對(duì)于直面型噪聲隔音屏，EF段來(lái)自于列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的集電系統(tǒng)噪聲，反射到車身的部分約為原隔音屏高度的1/6，約為1.99-3.32m。

經(jīng)過(guò)上述分析，按比重加權(quán)計(jì)算過(guò)后可得，在直面型隔音屏中，來(lái)自于各部分的噪聲反射到列車上的當(dāng)量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=1×（54+7）+1×16+1×23=100（其中L1/L2/L3指的是每段隔音屏的高度）

如圖5所示，可見(jiàn)，從A點(diǎn)發(fā)出的輪軌噪聲和橋梁構(gòu)筑物噪聲，到達(dá)E點(diǎn)后反射到C點(diǎn)，C點(diǎn)為列車車體的邊緣，以此區(qū)間為臨界區(qū)間，向上反射的聲波便不會(huì)返回到列車車體之上。反過(guò)來(lái)看，在此區(qū)間以內(nèi)，既E點(diǎn)左側(cè)部分，所有聲波便會(huì)返回到車體之上，影響列車的運(yùn)行，在簡(jiǎn)化模型中經(jīng)過(guò)測(cè)量、計(jì)算，可以分析出——對(duì)于曲面型噪聲隔音屏，來(lái)自于輪軌摩擦和橋梁構(gòu)筑物振動(dòng)的噪聲反射到車身的部分約為原隔音屏高度的2/33，約為0-0.37m。

r=10.5cm C=2πr=65.94cm

C大弧=×2πr=×65.94cm≈6.04cm

C小弧=×C大弧≈0.37cm

噪聲反射比率=×100%≈6.1%

（其中a指的是圓心角度數(shù)，b指的是大弧對(duì)應(yīng)圓心角的角度，c指的是小弧對(duì)應(yīng)圓心角的度數(shù)。）

如圖6所示，可見(jiàn)在簡(jiǎn)化模型中，從B點(diǎn)發(fā)出的空氣動(dòng)力性噪聲，同樣我們將散發(fā)至各個(gè)方向的聲波，統(tǒng)一看成兩個(gè)主要方向，一部分散發(fā)至車頂方向，另一部分散發(fā)到地面方向。從B點(diǎn)出發(fā)到達(dá)E點(diǎn)反射至A點(diǎn)的空氣動(dòng)力性噪聲，向E的左側(cè)部分傳播的聲音便將會(huì)到達(dá)地面被反射出去或被吸收，因而對(duì)E的左側(cè)部分，便不再多作考慮，E點(diǎn)便成為了一個(gè)邊界。同樣從B點(diǎn)出發(fā)到達(dá)F點(diǎn)反射至C點(diǎn)的空氣動(dòng)力性噪聲，向F的右側(cè)部分為向上反射的聲波，便不會(huì)返回到列車車體之上，因此F點(diǎn)便成為了另一個(gè)邊界，在簡(jiǎn)化模型中經(jīng)過(guò)測(cè)量、計(jì)算，可以分析出——對(duì)于曲面型噪聲隔音屏，EF段來(lái)自于列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲反射到車身的部分約為原隔音屏高度的7/30，約為0.18-1.46m。

同理可得，噪聲反射比率≈23.3%。

如圖7所示，可見(jiàn)在簡(jiǎn)化模型中，從D點(diǎn)發(fā)出的集電系統(tǒng)噪聲，將散發(fā)至各個(gè)方向的聲波，統(tǒng)一看成兩個(gè)主要方向，一部分散發(fā)至車頂方向，另一部分散發(fā)到地面方向。從D出發(fā)到達(dá)F點(diǎn)反射至C點(diǎn)的空氣動(dòng)力性噪聲，向F的右側(cè)部分為向上反射的聲波，便不會(huì)返回到列車車體之上，因此F點(diǎn)便成為了一個(gè)邊界。同理E點(diǎn)左側(cè)部分傳播的聲音將會(huì)到達(dá)地面被反射出去或被吸收，因而對(duì)E的左側(cè)部分，便不再多作考慮，E點(diǎn)便成為了另一個(gè)邊界，同樣，在簡(jiǎn)化模型中經(jīng)過(guò)測(cè)量、計(jì)算，可以分析出——對(duì)于直面型噪聲隔音屏，EF段來(lái)自于列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的集電系統(tǒng)噪聲，反射到車身的部約約為原隔音屏高度的8/31，約為1.1-2.57m。

同理可得，噪聲反射比率≈25.9%。

經(jīng)過(guò)上述分析，按比重加權(quán)計(jì)算過(guò)后可得，在內(nèi)曲型隔音屏中，來(lái)自于各部分的噪聲反射到列車上的當(dāng)量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=1.83×（54+7）+1.28×16+1.47×23=165.92（其中L1/L2/L3指的是每段小弧的高度）。

如圖8所示，同直面型內(nèi)曲型原理，對(duì)于外曲型噪聲隔音屏，來(lái)自于輪軌摩擦和橋梁構(gòu)筑物振動(dòng)的噪聲反射到車身的部分約為原隔音屏高度的10/43，約為0-1.83m。

噪聲反射比率≈23.2%。

如圖9所示，同直面型內(nèi)曲型原理，對(duì)于外曲型噪聲隔音屏，EF段來(lái)自于列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲反射到車身的部分約為原隔音屏高度的5/42，約為1.1-2.02m。

噪聲反射比率≈12.0%。

如圖10所示，同直面型內(nèi)曲型原理，對(duì)于外曲型噪聲隔音屏，EF段來(lái)自于列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的集電系統(tǒng)噪聲，反射到車身的部分約為原隔音屏高度的4/45，約為2.01-2.74m。

噪聲反射比率≈8.9%。

經(jīng)過(guò)上述分析，按比重加權(quán)計(jì)算過(guò)后可得，在外曲型隔音屏中，來(lái)自于各部分的噪聲反射到列車上的當(dāng)量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=1.83×（54+7）+0.92×16+0.73×23=143.14（其中L1/L2/L3指的是每段小弧的高度）。

4 模型優(yōu)化調(diào)整

說(shuō)明：對(duì)于C4弧面，從C點(diǎn)出發(fā)到達(dá)E點(diǎn)反射至D點(diǎn)的噪聲，向E的上部分為向上反射的聲波，便不會(huì)返回到列車車體之上，因此E點(diǎn)便成為了一個(gè)邊界。C4弧面的噪聲便不再多作考慮，便做成如圖所示的形式，這樣及削弱了聲波反射，又降低了高度，節(jié)省了材料。

經(jīng)過(guò)上述分析，按比重加權(quán)計(jì)算過(guò)后可得，來(lái)自于各部分的噪聲反射到列車上的當(dāng)量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=0.18×（54+7）+1.28×16+1.31×23=61.59（其中L1/L2/L3指的是每段小弧的高度）

可見(jiàn)直面型、內(nèi)曲型、外曲型優(yōu)劣共存，同理，經(jīng)過(guò)前面模型的分析，我們通過(guò)同樣的方法，驗(yàn)證了這個(gè)組合型模型，如圖11所示，其相對(duì)于先前的模型設(shè)計(jì)，對(duì)噪聲的反射回車體的當(dāng)量有所削減，可以實(shí)行調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比分析，得出結(jié)論：（1）內(nèi)曲型隔音屏對(duì)噪聲反射回到車體的比率比較高；（2）外曲型隔音屏對(duì)噪聲反射回到車體的比率居第二位；（3）直面型隔音屏對(duì)噪聲反射回到車體的比率較?。唬?）改進(jìn)后的組合型屏障，與直線型的相比，反射到機(jī)車上的當(dāng)量減少了38%。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王光蘆，張新華.降低高速鐵路噪聲措施的探討[J].噪聲與振動(dòng)控制，1999（3）：41-43.