李志強，劉蘭華，李耀增，李晏良

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

0 引言

截至2020年底，我國高速鐵路運營里程已達3.8萬km[1]，最高運營速度達到350 km/h。隨著高速鐵路的迅猛發(fā)展，隨之而來的噪聲問題也更為突出，是環(huán)境主管部門、鐵路運營單位及沿線民眾最為關(guān)注的環(huán)境問題之一。為確保我國新建高速鐵路噪聲符合相關(guān)環(huán)境噪聲法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)要求，提高環(huán)保驗收通過率，降低運營后因噪聲超標(biāo)而需額外增加噪聲整治投資的風(fēng)險，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間即開展噪聲測試，并對噪聲較高線路開展針對性降噪整治，具有重要的社會和經(jīng)濟效益。

鋼軌打磨是提高鋼軌平順度、整治鋼軌表面缺陷和損傷、優(yōu)化鋼軌廓形與車輪匹配度的關(guān)鍵技術(shù)[2]，主要用于降低列車高速運行時的振動和沖擊力問題，通過消除鋼軌表面不良痕跡防止缺陷進一步發(fā)展和惡化。當(dāng)前我國高速鐵路鋼軌打磨尚未考慮降噪有關(guān)的技術(shù)設(shè)計，但隨著聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲試驗數(shù)據(jù)的積累，越來越多的測試結(jié)果表明新建線路的鋼軌預(yù)打磨對降低車外噪聲有一定幫助，目前鋼軌短波不平順度測試已成為聯(lián)調(diào)聯(lián)試中噪聲測試的重要輔助測試內(nèi)容[3-4]，通過噪聲測試期間同步測試相應(yīng)區(qū)段的鋼軌短波不平順度（聲學(xué)粗糙度），可為分析噪聲特性、提出鋼軌打磨建議提供數(shù)據(jù)支撐。

以我國某高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間鋼軌預(yù)打磨前后的鋼軌短波不平順度波譜特性及噪聲變化時頻特性為研究對象，分析鋼軌預(yù)打磨對車外噪聲的影響規(guī)律，并針對鋼軌打磨痕跡帶來的聲學(xué)問題提出相應(yīng)完善建議。

1 聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲試驗參考標(biāo)準(zhǔn)

在高速鐵路動態(tài)檢測中，由于線路尚未實際運營，無法直接測得沿線鐵路噪聲排放量，因此主要依據(jù)試驗動車組輻射噪聲源強及車流量按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法開展噪聲預(yù)測，預(yù)測結(jié)果是聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間判斷新建鐵路噪聲排放是否超標(biāo)及是否需要開展噪聲整治的主要依據(jù)。HJ 2.4—2009《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境》指出噪聲源強取值可參照國家相關(guān)部門的規(guī)定確定或通過類比監(jiān)測確定。為統(tǒng)一鐵路建設(shè)項目的噪聲源強取值和治理原則，2010年原鐵道部發(fā)布了《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），給出環(huán)境影響評價中不同速度級高速鐵路噪聲源強，并明確我國動車組噪聲源強參考測點位于距列車運行線路中心25 m、軌面以上3.5 m處。該測點位置與歐盟國家采用的ISO 3095—2013《Acoustics-Railway Applications-Measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles》及我國GB/T 5111—2011《聲學(xué)軌道機車車輛發(fā)射噪聲測量》中的規(guī)定一致。

《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》給出的噪聲源強取值是在2010年前聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計平均及與國外高速鐵路噪聲源強對比的基礎(chǔ)上確定的，適用于鐵路項目建設(shè)前的環(huán)境噪聲預(yù)測，但隨著動車組及高鐵基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的提升，原有不同速度等級高速鐵路噪聲源強的代表性減弱，相同速度等級、不同施工工藝的噪聲也有一定差異，采用聯(lián)調(diào)聯(lián)試實測噪聲源強的環(huán)境噪聲預(yù)測結(jié)果更能準(zhǔn)確反映線路開通初期的實際噪聲影響水平。鋼軌狀態(tài)是影響噪聲測試結(jié)果的重要因素，ISO 3095—2013規(guī)定了噪聲測試中鋼軌的不平順度（聲學(xué)粗糙度）限值，認(rèn)為測試區(qū)段的鋼軌不平順度不宜超過相關(guān)限值要求。受鋼軌加工工藝、安裝及自然環(huán)境等各種因素影響，新建高速鐵路鋼軌往往存在初始不平順現(xiàn)象[5-7]，對高速鐵路輪軌滾動噪聲產(chǎn)生不可預(yù)估的影響，因此有必要在聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲測試中同步開展鋼軌不平順度測試，用于分析鋼軌狀態(tài)對車外噪聲的影響水平，并判斷從鋼軌不平順度角度開展噪聲整治的必要性。

2 與噪聲相關(guān)的鋼軌不平順波長范圍

某時速300 km高速鐵路噪聲源強無計權(quán)[8]及采用A計權(quán)后的頻譜特性見圖1。在無計權(quán)時，高速鐵路噪聲源強呈寬頻帶特性，其中200 Hz以下頻帶以空氣動力噪聲為主，200 Hz以上頻段以輪軌作用噪聲為主。在大于5 000 Hz的高頻段噪聲衰減較快，小于200 Hz的低頻段采用A計權(quán)修正后噪聲顯著減小，高頻和低頻噪聲對A計權(quán)聲壓級的貢獻均較小，因此100～8 000 Hz的噪聲頻率分析范圍可涵蓋輪軌作用噪聲的主要頻率成分。

圖1 某時速300 km高速鐵路噪聲源強頻譜特性

當(dāng)動車組運行速度為v時，由于鋼軌不平順引起的噪聲頻率f與鋼軌不平順波長λ的關(guān)系為：

當(dāng)動車組運行速度為300 km/h時，噪聲頻率為100～8 000 Hz時對應(yīng)的鋼軌不平順波長為10～830 mm，因此引起輪軌噪聲的鋼軌不平順主要為短波不平順。

3 試驗研究

在我國某新建高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試前期，尚未對鋼軌進行預(yù)打磨處理，試驗動車組速度低于300 km/h時，檢測軌道無Ⅲ、Ⅳ級偏差，動車組動力學(xué)響應(yīng)無超限現(xiàn)象。隨著試驗動車組速度逐漸提高至300 km/h，典型橋梁、路基區(qū)段噪聲源強試驗結(jié)果顯著增大，根據(jù)該高速鐵路設(shè)計近期車流量預(yù)測，部分區(qū)段可能存在噪聲排放超標(biāo)現(xiàn)象。為分析噪聲源強增大的原因并研究降噪技術(shù)方案，測試了噪聲測點左右兩側(cè)各60 m范圍內(nèi)的鋼軌短波不平順度，發(fā)現(xiàn)鋼軌不平順度較高，據(jù)此向工務(wù)部門提出鋼軌打磨建議，并對鋼軌打磨后噪聲影響進行復(fù)測。

3.1 鋼軌預(yù)打磨后短波不平順變化

某高速鐵路橋梁噪聲測點附近預(yù)打磨前鋼軌短波不平順測試結(jié)果見圖2，可以看出，鋼軌表面起伏最大峰值約為±30 μm，對該段數(shù)據(jù)進行周期為20 mm的移動平均得到的趨勢線顯示，該段鋼軌短波不平順沒有顯著的周期性特征，屬于無規(guī)則短波不平順。為獲得不同波長的鋼軌短波不平順度大小，對鋼軌預(yù)打磨前短波不平順測試數(shù)據(jù)進行空間傅里葉變換，得到短波不平順波譜特征（見圖3），對比ISO 3095—2013中的鋼軌不平順度限值，測試區(qū)段內(nèi)鋼軌不平順度較高，是噪聲較大的主要原因之一。

圖2 預(yù)打磨前鋼軌短波不平順測試結(jié)果

圖3 預(yù)打磨前鋼軌短波不平順波譜特征

預(yù)打磨后的鋼軌短波不平順測試結(jié)果見圖4，可以看出，鋼軌表面起伏峰值不超過20 μm，以10 μm左右為主，打磨后鋼軌表面不平順度有明顯改善。此外，預(yù)打磨后鋼軌不平順度的移動平均趨勢線呈明顯周期性起伏變化特征，波長約為80 mm。對預(yù)打磨后短波不平順測試數(shù)據(jù)做空間傅里葉變換，得到短波不平順波譜特征（見圖5）。根據(jù)不同波段的對比結(jié)果，鋼軌預(yù)打磨后，大部分波長的鋼軌短波不平順度大幅降低，特別是在波長大于100 mm的波段，鋼軌不平順度降低5 dB以上；但在波長為80 mm波段鋼軌不平順度卻明顯增大，并超過了打磨前的不平順度4 dB；在波長小于50 mm的波段，預(yù)打磨后鋼軌不平順度雖有下降，但仍高于ISO 3095—2013限值。

圖4 預(yù)打磨后的鋼軌短波不平順測試結(jié)果

圖5 預(yù)打磨前后鋼軌短波不平順波譜特征對比

鋼軌預(yù)打磨后80 mm波段的不平順度顯著增大，與圖4中移動平均趨勢線的周期性起伏變化規(guī)律吻合。對現(xiàn)場鋼軌打磨痕跡（見圖6）進行觀察發(fā)現(xiàn)，光帶內(nèi)可見沿鋼軌長度方向約80 mm的周期性打磨痕跡（圖中畫圈處為磨痕較深的標(biāo)志性位置，間距80 mm），證實了波長為80 mm的鋼軌短波不平順度增大是由周期性打磨痕跡造成。此外，剛打磨完后的砂粒打磨痕跡還清晰可見，鋼軌踏面光帶尚未形成光滑面，因此小波長范圍內(nèi)的不平順度仍較高。

圖6 鋼軌預(yù)打磨后照片

3.2 鋼軌預(yù)打磨后噪聲變化

在距離外側(cè)軌道中心線25 m、高度在軌面以上3.5 m位置布設(shè)傳聲器，記錄試驗動車組高速通過時的噪聲時間特性。動車組分別在鋼軌預(yù)打磨前后以300 km/h速度通過測點時的噪聲時域曲線對比見圖7，可以看出，預(yù)打磨后試驗動車組通過時段噪聲減小，輻射噪聲源強降低約1.4 dB（A）。

圖7 鋼軌預(yù)打磨前后噪聲時域曲線對比

鋼軌預(yù)打磨前后噪聲源強的1/3倍頻程譜對比結(jié)果（見圖8）表明，鋼軌預(yù)打磨后，在100 Hz～10 kHz的大部分頻段內(nèi)噪聲均明顯降低，但在頻率1 000 Hz處噪聲增大。利用式（1）計算得到短波不平順度波長為80 mm時相應(yīng)的噪聲頻率為1 041 Hz，恰好位于中心頻率為1 000 Hz的1/3倍頻帶內(nèi)，因此該頻段噪聲升高與鋼軌預(yù)打磨后產(chǎn)生的80 mm周期性痕跡直接相關(guān)。

圖8 鋼軌預(yù)打磨前后噪聲源強的1/3倍頻程譜對比

假定該高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間鋼軌預(yù)打磨未造成波長80 mm的短波不平順度增大，打磨后噪聲在中心頻率1 000 Hz處與打磨前一致，利用圖8中1/3倍頻程譜數(shù)據(jù)計算得到打磨后噪聲源強可進一步降低0.2 dB（A），鋼軌預(yù)打磨的綜合降噪效果能達到1.6 dB（A）。鋼軌預(yù)打磨產(chǎn)生的周期性打磨痕跡會削弱鋼軌預(yù)打磨降噪效果，因此有必要探究鋼軌打磨產(chǎn)生周期性痕跡的原因并研究相應(yīng)的鋼軌打磨優(yōu)化方案。此外，既有鋼軌打磨技術(shù)無拋光功能，對小波長不平順度的治理效果不理想，對應(yīng)高頻段噪聲降低不顯著。

4 結(jié)論

鋼軌預(yù)打磨的降噪效果與鋼軌初始狀態(tài)、打磨質(zhì)量、列車速度等均有一定關(guān)系，高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間鋼軌預(yù)打磨前后的短波不平順度及噪聲測試結(jié)果表明，鋼軌預(yù)打磨后試驗動車組以300 km/h速度運行時噪聲源強可降低1.4 dB（A）；鋼軌不平順度降低的波段對應(yīng)頻率處噪聲均減??；鋼軌預(yù)打磨對小波長不平順度的治理效果較差，相應(yīng)對高頻段的降噪效果也不明顯；鋼軌預(yù)打磨在改善鋼軌初始短波不平順的同時，也會產(chǎn)生周期性打磨痕跡，加重部分波長的不平順度，導(dǎo)致對應(yīng)頻段內(nèi)噪聲增大。

為使鋼軌預(yù)打磨取得更好的降噪效果，需研究提升小波長打磨效果的方法，分析周期性打磨痕跡的產(chǎn)生原因，進行相應(yīng)鋼軌打磨技術(shù)的聲學(xué)優(yōu)化。通過鋼軌預(yù)打磨降低輻射噪聲是聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間最有效的降噪整治措施之一，考慮高速鐵路輪軌噪聲特性的鋼軌預(yù)打磨技術(shù)對新建高速鐵路噪聲控制具有重要意義，也可作為運營期內(nèi)的關(guān)鍵噪聲控制措施，具有較高的應(yīng)用價值。