王翰儒，劉謀凱，韓健，肖新標(biāo)，李映輝

高速列車(chē)120 km/h快速過(guò)站時(shí)站臺(tái)及候車(chē)廳噪聲特性預(yù)測(cè)分析

王翰儒1,2，劉謀凱2，韓健*,3，肖新標(biāo)2，李映輝1

（1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

針對(duì)高速列車(chē)過(guò)站不停的問(wèn)題，基于幾何聲線法，建立了某綜合交通樞紐聲場(chǎng)特性預(yù)測(cè)模型，分析了高速列車(chē)以120 km/h快速通過(guò)該綜合交通樞紐時(shí)站臺(tái)和候車(chē)廳區(qū)域的噪聲水平及分布規(guī)律，并從傳播路徑的角度提出降噪措施，結(jié)合統(tǒng)計(jì)能量方法，分析其降噪效果。得出以下結(jié)論：站臺(tái)區(qū)域距離列車(chē)最近場(chǎng)點(diǎn)的噪聲最為顯著，其聲壓級(jí)為96.2 dBA，候車(chē)廳區(qū)域距離列車(chē)橫向距離最近，且最靠近站臺(tái)區(qū)域和候車(chē)廳區(qū)域相通的邊緣場(chǎng)點(diǎn)噪聲最為顯著，其聲壓級(jí)為80.4 dBA，在不采取任何措施情況下，噪聲最大值超出了現(xiàn)有的參考標(biāo)準(zhǔn)限值。從傳播路徑的角度采用四周封閉式雙層中空玻璃隔聲罩進(jìn)行了降噪分析，采用優(yōu)化后隔聲罩的站臺(tái)區(qū)域噪聲最大場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)降低了18 dBA；候車(chē)廳區(qū)域噪聲最大場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)降低了21.2 dBA。

過(guò)站噪聲；高速列車(chē)；站臺(tái)噪聲；候車(chē)廳噪聲；幾何聲線法

隨著我國(guó)鐵路發(fā)展進(jìn)程不斷加快，城市人口規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施加快建設(shè)，綜合交通樞紐成為城市內(nèi)外交通銜接的主要節(jié)點(diǎn)，是現(xiàn)代化交通的重要組成部分，且在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用越來(lái)越多[1]。高速列車(chē)為了確保高效性，縮短列車(chē)的旅行時(shí)間，存在列車(chē)以較快速度通過(guò)站臺(tái)的情況，導(dǎo)致站臺(tái)和候車(chē)廳噪聲十分顯著，嚴(yán)重影響了候車(chē)旅客及工作人員。因此研究高速列車(chē)快速過(guò)站不停情況下站臺(tái)及候車(chē)廳區(qū)域的噪聲問(wèn)題具有非常重要的意義。

劉茜等[2]對(duì)我國(guó)城市軌道交通3座典型高架車(chē)站、8座典型地下車(chē)站站臺(tái)進(jìn)行噪聲測(cè)試，其結(jié)果表明在高架站臺(tái)列車(chē)進(jìn)、出站噪聲影響分別為78 dBA和79 dBA，在地下車(chē)站列車(chē)進(jìn)、出站噪聲影響分別為69～78 dBA和68～79 dBA；黃旭煒等[3]以某城市軌道交通車(chē)站為研究對(duì)象進(jìn)行聲場(chǎng)預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明屏蔽門(mén)玻璃貼覆吸音膜降噪措施，降噪主要針對(duì)1000 Hz以下的低頻噪聲，在250～1000 Hz頻段內(nèi)，可降低站臺(tái)測(cè)點(diǎn)噪聲1.8～2.4 dBA；李杰等[4]測(cè)試了北京地鐵2號(hào)線和5號(hào)線的10個(gè)島式站臺(tái)噪聲，發(fā)現(xiàn)10個(gè)站臺(tái)噪聲最大值均超過(guò)80 dBA；羅錕等[5]通過(guò)泰國(guó)機(jī)場(chǎng)連接線項(xiàng)目噪聲預(yù)測(cè)實(shí)例，認(rèn)為將城市軌道交通按線聲源來(lái)考慮，并將噪聲分解為牽引噪聲和輪軌噪聲等子噪聲源來(lái)預(yù)測(cè)城市軌道交通引起噪聲的方法是可行的；辜小安等[6]對(duì)高速鐵路客運(yùn)車(chē)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)噪聲測(cè)試，試驗(yàn)表明候車(chē)廳內(nèi)的頻率特性與站房結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，對(duì)于高架站房及地下站房，其候車(chē)廳內(nèi)在31.5 Hz處均出現(xiàn)峰值，該峰值頻率對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)向架特征頻率，主要源于車(chē)輛和軌道系統(tǒng)的耦合振動(dòng)傳遞到候車(chē)廳內(nèi)的地面、墻體、梁柱等引起的低頻噪聲特性。

綜上可見(jiàn)，通過(guò)試驗(yàn)與仿真分析，主要研究了站臺(tái)的背景、進(jìn)出站以及低速通過(guò)噪聲問(wèn)題，目前還較缺少針對(duì)高速列車(chē)開(kāi)展快速過(guò)站情況下的站臺(tái)及候車(chē)廳噪聲預(yù)測(cè)分析。

本文針對(duì)高速列車(chē)快速通過(guò)站臺(tái)情況，計(jì)算和分析具有復(fù)雜聲學(xué)幾何邊界條件的站臺(tái)及候車(chē)廳的聲場(chǎng)特性及其分布規(guī)律，并從傳播路徑角度提出相應(yīng)的降噪控制措施建議。

1 站臺(tái)及候車(chē)廳噪聲建模

為了研究高速列車(chē)快速過(guò)站的噪聲問(wèn)題，需要分別從高速列車(chē)聲源建模、站臺(tái)及候車(chē)廳聲場(chǎng)建模兩方面進(jìn)行介紹。

1.1 列車(chē)模型

以復(fù)興號(hào)高速列車(chē)為例進(jìn)行建模。車(chē)輛為8節(jié)編組，根據(jù)聲源實(shí)際分布情況，將列車(chē)聲源進(jìn)行區(qū)域劃分，如圖1所示，包括輪軌噪聲、牽引電機(jī)及齒輪箱噪聲、空調(diào)噪聲、牽引設(shè)備噪聲等。列車(chē)所施加的噪聲源頻譜均為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖1 列車(chē)聲源區(qū)域劃分

1.2 站臺(tái)及候車(chē)區(qū)聲場(chǎng)模型

該綜合交通樞紐共分為三層，B1層為最頂層的商業(yè)區(qū)，B2層為中間層候車(chē)區(qū)，B3層為最底層站臺(tái)區(qū)，本文重點(diǎn)分析B2和B3層的聲場(chǎng)特性。其中站臺(tái)層一共7個(gè)站臺(tái)、13個(gè)車(chē)道，車(chē)道和站臺(tái)長(zhǎng)450 m，站臺(tái)層橫截面如圖3（a）所示。候車(chē)層位于站臺(tái)層上方，劃分為候車(chē)廳區(qū)域以及鏤空區(qū)域，鏤空區(qū)域與站臺(tái)層相通用框標(biāo)出，候車(chē)廳橫截面如圖3（b）所示。根據(jù)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)，建立了綜合交通樞紐的聲學(xué)幾何邊界，如圖4所示。

圖2 120 km/h列車(chē)聲源頻譜圖

圖3 站臺(tái)及候車(chē)廳橫斷面

基于幾何聲線法對(duì)列車(chē)快速過(guò)站的站臺(tái)及候車(chē)廳區(qū)域聲場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)移動(dòng)車(chē)輛固定場(chǎng)點(diǎn)的方法，獲取列車(chē)通過(guò)站臺(tái)任意時(shí)刻的站臺(tái)及候車(chē)區(qū)聲場(chǎng)分布規(guī)律及其頻譜特性。計(jì)算模型中，聲線數(shù)量為4000，聲線的最大反射階數(shù)為20次，計(jì)算頻率范圍為100～4000 Hz。

2 列車(chē)快速過(guò)站聲場(chǎng)特性分析

2.1 站臺(tái)區(qū)域聲場(chǎng)響應(yīng)

圖5給出了當(dāng)列車(chē)以120 km/h快速通過(guò)過(guò)站不停車(chē)道時(shí)B3層整個(gè)站臺(tái)區(qū)域的聲場(chǎng)云圖。

圖4 某綜合交通樞紐聲學(xué)幾何邊界模型圖

圖5 B3層站臺(tái)區(qū)域噪聲響應(yīng)特性

由圖5（a）可知，距離列車(chē)過(guò)站不停車(chē)道越近的站臺(tái)，其聲壓級(jí)越大，因此選取距離列車(chē)所在車(chē)道最近的站臺(tái)進(jìn)行分析，圖5（b）給出了距離列車(chē)最近站臺(tái)，沿著列車(chē)縱向前進(jìn)方向的聲場(chǎng)分布規(guī)律。在距離過(guò)站不停車(chē)道最近的站臺(tái)上，聲壓級(jí)最大為96.2 dBA，在第8個(gè)場(chǎng)點(diǎn)后所有的聲壓級(jí)均有下降趨勢(shì)，其主要原因?yàn)閺牡?個(gè)場(chǎng)點(diǎn)開(kāi)始上空沒(méi)有吊頂，為鏤空區(qū)域，列車(chē)產(chǎn)生的噪聲在該區(qū)域直接傳至上空與之相通的B2層候車(chē)廳區(qū)域。

根據(jù)GB 50157－2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，地鐵過(guò)站不停時(shí)，其站臺(tái)噪聲限值為80 dBA，盡管目前沒(méi)有適用于高速列車(chē)通過(guò)綜合交通樞紐過(guò)站不停的限值，但可以將已有地鐵過(guò)站不停的標(biāo)準(zhǔn)作為參考，該站臺(tái)多數(shù)場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)均超過(guò)參考噪聲限值。

為分析圖5（b）中站臺(tái)區(qū)域噪聲顯著的原因，圖6給出噪聲最大場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)頻譜特性，并與列車(chē)最顯著的噪聲源輪軌噪聲進(jìn)行對(duì)比。

圖6 站臺(tái)場(chǎng)點(diǎn)頻譜圖

由圖6可知，站臺(tái)噪聲最顯著的頻段為中心頻率為630 Hz的頻帶，其聲壓級(jí)大小為86.0 dBA，將該最大值下降10 dBA，作為噪聲顯著的頻率區(qū)段，主要集中在400～1600 Hz，且由圖6中輪軌噪聲頻譜可知，該頻段內(nèi)站臺(tái)噪聲主要受輪軌噪聲影響，由此可見(jiàn)，有效控制輪軌噪聲及其傳播可有效控制站臺(tái)噪聲

2.2 候車(chē)廳區(qū)域聲場(chǎng)響應(yīng)

圖7給出了當(dāng)列車(chē)以120 km/h速度快速通過(guò)過(guò)站不停車(chē)道時(shí)B2層整個(gè)候車(chē)廳區(qū)域的聲場(chǎng)云圖。由圖7（a）可知，在候車(chē)廳內(nèi)與列車(chē)過(guò)站不停車(chē)道橫向距離越近，其聲壓級(jí)越大，并且在候車(chē)廳內(nèi)沿列車(chē)方向的聲壓級(jí)相比，與鏤空區(qū)域距離越近，其聲壓級(jí)越大。因此選取距離列車(chē)所在車(chē)道橫向距離最近的候車(chē)廳場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行分析，圖7（b）給出了距離列車(chē)最近候車(chē)廳，沿著列車(chē)縱向前進(jìn)方向的聲場(chǎng)分布規(guī)律。候車(chē)廳區(qū)域聲壓級(jí)距離鏤空區(qū)域越近噪聲越大，最大聲壓級(jí)為80.4 dBA；當(dāng)遠(yuǎn)離B3層相通的區(qū)域，該場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)越小，噪聲最小場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)為68.8 dBA，原因?yàn)楫?dāng)列車(chē)在B3層產(chǎn)生噪聲時(shí)，噪聲通過(guò)上空與B2層鏤空部分傳到候車(chē)廳區(qū)域，使在B2層候車(chē)廳區(qū)域最接近鏤空部分接收到的噪聲最大，越往靠近里面區(qū)域傳播噪聲越小。

現(xiàn)階段藥品批發(fā)企業(yè)的上游來(lái)貨尚未全部做到發(fā)票隨貨同行，對(duì)于上游發(fā)票未到的藥品，批發(fā)企業(yè)暫時(shí)無(wú)法向公立醫(yī)療機(jī)構(gòu)銷(xiāo)售，有可能會(huì)影響部分藥品適時(shí)到貨，特別是臨床短缺藥品的使用。

圖7 B2層候車(chē)廳區(qū)域噪聲響應(yīng)特性

仍然參考GB 50157－2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)候車(chē)廳噪聲限值的規(guī)定，候車(chē)廳區(qū)域多數(shù)場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)超過(guò)了參考噪聲限值。

同理，為分析圖7（b）中候車(chē)廳區(qū)域噪聲顯著的原因，圖8進(jìn)一步給出了噪聲最大場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)頻譜特性，并與站臺(tái)區(qū)噪聲進(jìn)行對(duì)比。

由圖8可知，站臺(tái)區(qū)頻譜特性與候車(chē)廳頻譜特性基本一致，主要體現(xiàn)在幅值差異上，可見(jiàn)候車(chē)廳區(qū)域聲場(chǎng)大小主要由站臺(tái)區(qū)噪聲通過(guò)鏤空區(qū)域傳播所導(dǎo)致，控制候車(chē)廳區(qū)域噪聲應(yīng)該優(yōu)先從控制源頭著手。

圖8 站臺(tái)與候車(chē)廳最大響應(yīng)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)比

3 降噪措施

綜合第2節(jié)站臺(tái)及候車(chē)區(qū)噪聲大小及其分布規(guī)律可知，對(duì)輪軌噪聲和列車(chē)所在區(qū)域噪聲控制，是一種有效的降噪手段。本文從控制傳播路徑的角度出發(fā)，采用在車(chē)道兩旁修建隔聲罩的方式對(duì)列車(chē)噪聲進(jìn)行隔離控制，列車(chē)隔聲罩采用四周封閉式，頂板材料為120 mm混凝土外加3 mm不銹鋼板，兩側(cè)材料為雙層中空玻璃，玻璃厚度為5 mm，空氣層厚度為2 mm，并且一個(gè)隔聲罩覆蓋兩條車(chē)道。

由于基于幾何聲線法的聲線無(wú)法穿過(guò)隔聲罩進(jìn)行外部的聲場(chǎng)預(yù)測(cè)，因此需基于統(tǒng)計(jì)能量法首先進(jìn)行隔聲罩插入損失特性預(yù)測(cè)[8]，進(jìn)而代入原模型進(jìn)一步預(yù)測(cè)聲場(chǎng)。首先在隔聲罩內(nèi)表面進(jìn)行面積劃分，隔聲罩兩側(cè)以1 m×3 m、頂部以2 m×3 m為單元面積；其次通過(guò)幾何聲線法求得列車(chē)產(chǎn)生的噪聲傳播至隔聲罩內(nèi)單元面積上的聲功率，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量法求得頂板與側(cè)板的插入損失，由于隔聲罩為封閉狀態(tài)，因此隔聲罩外側(cè)接收點(diǎn)聲功率等于內(nèi)表面聲功率與隔聲罩插入損失相減[9-10]，如圖9所示。

圖9 隔聲罩引起聲功率改變示意圖

得出的隔聲罩外表面聲功率作為聲源，同理，列車(chē)每移動(dòng)10 m建立靜態(tài)模型進(jìn)行分析，從而得到列車(chē)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)綜合交通樞紐的噪聲影響水平。安裝隔聲罩后站臺(tái)區(qū)域聲壓級(jí)云圖如圖10所示。

圖10 隔聲罩對(duì)站臺(tái)區(qū)域噪聲影響

由圖10（a）可知，采用隔聲罩后，對(duì)于站臺(tái)區(qū)域降噪效果明顯，但整體聲場(chǎng)分布規(guī)律與無(wú)隔聲罩規(guī)律相近。選取距離列車(chē)所在車(chē)道橫向最近的站臺(tái)場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行分析，圖10（b）給出了該站臺(tái)沿列車(chē)前進(jìn)方向場(chǎng)點(diǎn)分布，站臺(tái)區(qū)域噪聲有明顯下降，其中離過(guò)站不停車(chē)道最近的站臺(tái)噪聲聲壓級(jí)最大為78.2 dBA，比無(wú)隔聲罩工況下噪聲降低了18 dBA。滿足站臺(tái)參考噪聲限值的要求，通過(guò)施加優(yōu)化后的隔聲罩，該區(qū)域最大聲壓級(jí)比參考噪聲限值小1.8 dBA，滿足參考限值的要求，也沒(méi)有造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

采用隔聲罩后，B2層候車(chē)廳區(qū)域聲壓級(jí)云圖如圖11所示。

圖11 隔聲罩對(duì)候車(chē)廳區(qū)域噪聲影響

由圖11（a）可知，采用隔聲罩后，對(duì)于候車(chē)廳區(qū)域降噪效果明顯，但整體聲場(chǎng)分布規(guī)律與無(wú)隔聲罩規(guī)律相近。選取候車(chē)廳區(qū)域與列車(chē)所在車(chē)道橫向距離最近的場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行分析，根據(jù)候車(chē)廳區(qū)域沿列車(chē)前進(jìn)方向場(chǎng)點(diǎn)分布，得出候車(chē)廳區(qū)域聲壓級(jí)，如圖11（b）所示。B2層候車(chē)廳區(qū)域噪聲最大值在B3層與B2層相通的邊緣處，該聲壓級(jí)為59.2 dBA，比無(wú)隔聲罩噪聲最大值降低了21.2 dBA，增加隔聲罩之后，候車(chē)廳區(qū)域所有場(chǎng)點(diǎn)噪聲均滿足噪聲限值要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)幾何聲線法對(duì)某綜合交通樞紐的站臺(tái)區(qū)域和候車(chē)廳區(qū)域進(jìn)行聲場(chǎng)預(yù)測(cè)，當(dāng)列車(chē)以120 km/h快速通過(guò)站臺(tái)區(qū)域時(shí)，最大聲壓級(jí)位置為最靠近過(guò)站不停車(chē)道的場(chǎng)點(diǎn)，其大小為96.2 dBA，在上空為鏤空沒(méi)有吊頂?shù)膮^(qū)域，站臺(tái)區(qū)噪聲相對(duì)較?。缓蜍?chē)廳區(qū)域最大聲壓級(jí)位置為B3層與B2層相通的邊緣位置，其大小為80.4 dBA。站臺(tái)區(qū)域和候車(chē)廳區(qū)域大部分場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)超過(guò)規(guī)定的限值。

從傳播路徑的角度提出列車(chē)隔聲罩作為降噪措施，當(dāng)列車(chē)以120 km/h快速通過(guò)站臺(tái)區(qū)域時(shí)，最大聲壓級(jí)降低了18 dBA；候車(chē)廳區(qū)域最大聲壓級(jí)降低了21.2 dBA。

[1]國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì). 國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十個(gè)五年計(jì)劃綜合交通體系發(fā)展重點(diǎn)專項(xiàng)規(guī)劃[J]. 交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2001（4）：276-287，315.

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Forecast Analysis of Noise Characteristics of Platform and Waiting Hall When High-Speed Train Passing Through at 120 km/h

WANG Hanru1,2，LIU Moukai2，HAN Jian3，XIAO Xinbiao2，LI Yinghui1

(1.School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

Based on the ray tracing method, a comprehensive sound field characteristic prediction model of a transportation hub is established and analyzed while the high-speed train pass through the integrated transportation hub station and waiting hall at 120 km/h, and noise control measures are proposed from the perspective of transmission path. The noise reduction effect is then analyzed based on the statistical energy analysis (SEA) method. The research finds that platform area is the nearest to the trains and the noise is the most significant with sound pressure level 96.2 dBA. The lateral distance between waiting hall and the train is closest, and noise is most significant in interlinked platform sites, with sound pressure level 80.4 dBA. The maximum noise predicted exceeds the reference standard. The noise reduction analysis was carried out with double-layer insulating glass enclosure. After the optimized enclosure was adopted the maximum sound pressure level of noise in the platform area reduced by 18 dBA, and the maximum sound pressure level of noise in the waiting hall area was reduced by 21.2 dBA.

train pass-by noise；high-speed train；platform noise；waiting hall noise；ray tracing method

X827.6；TB533+.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.12.003

1006－0316 (2020) 12－0016－06

2020－05－13

國(guó)家自然科學(xué)基金（U1934203/U1834201）；中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（N2019G037）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃戰(zhàn)略性國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)（2016YFE0205200）；四川省國(guó)際科技創(chuàng)新合作/港澳臺(tái)科技創(chuàng)新合作項(xiàng)目（2019YFH0131）

王翰儒（1992－），男，北京人，碩士，主要研究方向?yàn)楦咚倭熊?chē)減振降噪。*通訊作者：韓?。?987－），男，遼寧葫蘆島人，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)檐壍澜煌p振降噪，E-mail：super_han@126.com。