李志強(qiáng)，劉蘭華，李耀增，李晏良

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(yùn)營里程已達(dá)3.8萬km[1]，最高運(yùn)營速度達(dá)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(yùn)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(yàn)收通過率，降低運(yùn)營后因噪聲超標(biāo)而需額外增加噪聲整治投資的風(fēng)險(xiǎn)，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間即開展噪聲測(cè)試，并對(duì)噪聲較高線路開展針對(duì)性降噪整治，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和沖擊力問題，通過消除鋼軌表面不良痕跡防止缺陷進(jìn)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(jì)，但隨著聯(lián)調(diào)聯(lián)試噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，越來越多的測(cè)試結(jié)果表明新建線路的鋼軌預(yù)打磨對(duì)降低車外噪聲有一定幫助，目前鋼軌短波不平順度測(cè)試已成為聯(lián)調(diào)聯(lián)試中噪聲測(cè)試的重要輔助測(cè)試內(nèi)容[3-4]，通過噪聲測(cè)試期間同步測(cè)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(shí)頻特性為研究對(duì)象，分析鋼軌預(yù)打磨對(duì)車外噪聲的影響規(guī)律，并針對(duì)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(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)

在高速鐵路動(dòng)態(tài)檢測(cè)中，由于線路尚未實(shí)際運(yùn)營，無法直接測(cè)得沿線鐵路噪聲排放量，因此主要依據(jù)試驗(yàn)動(dòng)車組輻射噪聲源強(qiáng)及車流量按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法開展噪聲預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)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(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境》指出噪聲源強(qiáng)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(cè)確定。為統(tǒng)一鐵路建設(shè)項(xiàng)目的噪聲源強(qiáng)取值和治理原則，2010年原鐵道部發(fā)布了《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》（鐵計(jì)〔2010〕44號(hào)），給出環(huán)境影響評(píng)價(jià)中不同速度級(jí)高速鐵路噪聲源強(qiáng)，并明確我國動(dòng)車組噪聲源強(qiáng)參考測(cè)點(diǎn)位于距列車運(yùn)行線路中心25 m、軌面以上3.5 m處。該測(cè)點(diǎn)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(jī)車車輛發(fā)射噪聲測(cè)量》中的規(guī)定一致。

《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》給出的噪聲源強(qiáng)取值是在2010年前聯(lián)調(diào)聯(lián)試測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均及與國外高速鐵路噪聲源強(qiáng)對(duì)比的基礎(chǔ)上確定的，適用于鐵路項(xiàng)目建設(shè)前的環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)，但隨著動(dòng)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(jí)高速鐵路噪聲源強(qiáng)的代表性減弱，相同速度等級(jí)、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(shí)測(cè)噪聲源強(qiáng)的環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果更能準(zhǔn)確反映線路開通初期的實(shí)際噪聲影響水平。鋼軌狀態(tài)是影響噪聲測(cè)試結(jié)果的重要因素，ISO 3095—2013規(guī)定了噪聲測(cè)試中鋼軌的不平順度（聲學(xué)粗糙度）限值，認(rèn)為測(cè)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(duì)高速鐵路輪軌滾動(dòng)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(cè)試中同步開展鋼軌不平順度測(cè)試，用于分析鋼軌狀態(tài)對(duì)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(shí)速300 km高速鐵路噪聲源強(qiáng)無計(jì)權(quán)[8]及采用A計(jì)權(quán)后的頻譜特性見圖1。在無計(jì)權(quán)時(shí)，高速鐵路噪聲源強(qiáng)呈寬頻帶特性，其中200 Hz以下頻帶以空氣動(dòng)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(jì)權(quán)修正后噪聲顯著減小，高頻和低頻噪聲對(duì)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的貢獻(xiàn)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(shí)速300 km高速鐵路噪聲源強(qiáng)頻譜特性

當(dāng)動(dòng)車組運(yùn)行速度為v時(shí)，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(dòng)車組運(yùn)行速度為300 km/h時(shí)，噪聲頻率為100～8 000 Hz時(shí)對(duì)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(yàn)研究

在我國某新建高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試前期，尚未對(duì)鋼軌進(jìn)行預(yù)打磨處理，試驗(yàn)動(dòng)車組速度低于300 km/h時(shí)，檢測(cè)軌道無Ⅲ、Ⅳ級(jí)偏差，動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)響應(yīng)無超限現(xiàn)象。隨著試驗(yàn)動(dòng)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(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果顯著增大，根據(jù)該高速鐵路設(shè)計(jì)近期車流量預(yù)測(cè)，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(qiáng)增大的原因并研究降噪技術(shù)方案，測(cè)試了噪聲測(cè)點(diǎn)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(duì)鋼軌打磨后噪聲影響進(jìn)行復(fù)測(cè)。

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(cè)點(diǎn)附近預(yù)打磨前鋼軌短波不平順測(cè)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(duì)該段數(shù)據(jù)進(jìn)行周期為20 mm的移動(dòng)平均得到的趨勢(shì)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(duì)鋼軌預(yù)打磨前短波不平順測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行空間傅里葉變換，得到短波不平順波譜特征（見圖3），對(duì)比ISO 3095—2013中的鋼軌不平順度限值，測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)平均趨勢(shì)線呈明顯周期性起伏變化特征，波長約為80 mm。對(duì)預(yù)打磨后短波不平順測(cè)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(duì)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(cè)試結(jié)果

圖5 預(yù)打磨前后鋼軌短波不平順波譜特征對(duì)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(dòng)平均趨勢(shì)線的周期性起伏變化規(guī)律吻合。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨痕跡（見圖6）進(jìn)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(shí)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(yàn)動(dòng)車組高速通過時(shí)的噪聲時(shí)間特性。動(dòng)車組分別在鋼軌預(yù)打磨前后以300 km/h速度通過測(cè)點(diǎn)時(shí)的噪聲時(shí)域曲線對(duì)比見圖7，可以看出，預(yù)打磨后試驗(yàn)動(dòng)車組通過時(shí)段噪聲減小，輻射噪聲源強(qiáng)降低約1.4 dB（A）。

圖7 鋼軌預(yù)打磨前后噪聲時(shí)域曲線對(duì)比

鋼軌預(yù)打磨前后噪聲源強(qiáng)的1/3倍頻程譜對(duì)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(jì)算得到短波不平順度波長為80 mm時(shí)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(qiáng)的1/3倍頻程譜對(duì)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(jì)算得到打磨后噪聲源強(qiáng)可進(jìn)一步降低0.2 dB（A），鋼軌預(yù)打磨的綜合降噪效果能達(dá)到1.6 dB（A）。鋼軌預(yù)打磨產(chǎn)生的周期性打磨痕跡會(huì)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(duì)小波長不平順度的治理效果不理想，對(duì)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(cè)試結(jié)果表明，鋼軌預(yù)打磨后試驗(yàn)動(dòng)車組以300 km/h速度運(yùn)行時(shí)噪聲源強(qiáng)可降低1.4 dB（A）；鋼軌不平順度降低的波段對(duì)應(yīng)頻率處噪聲均減?。讳撥夘A(yù)打磨對(duì)小波長不平順度的治理效果較差，相應(yīng)對(duì)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(shí)，也會(huì)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(duì)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(jìn)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(duì)新建高速鐵路噪聲控制具有重要意義，也可作為運(yùn)營期內(nèi)的關(guān)鍵噪聲控制措施，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。