李晏良，邵 琳，何財(cái)松

LI Yan-liang1，SHAO Lin2，HE CAI-song2

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院?研究生部,?北京?100081；2.中國(guó)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）

(1.Postgraduate Department， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China； 2.Energy Saving ＆Environmental Protection＆Occoupational Safety and Health Research Institute， China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081， China)

1 概述

隨著“四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)的建成，加快推進(jìn)了“八縱八橫”主通道的建設(shè)，我國(guó)高速鐵路將逐步擴(kuò)展成網(wǎng)[1]，相應(yīng)地高速鐵路噪聲影響日益引起人們的關(guān)注。高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲與運(yùn)行速度關(guān)系的研究，不僅是高速鐵路噪聲機(jī)理研究的重要內(nèi)容之一，也是高速鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)方法研究中的重要基礎(chǔ)問(wèn)題。通過(guò)高速鐵路綜合試驗(yàn)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試[2]列車運(yùn)行輻射噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)，積極探索適用于我國(guó)高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲與運(yùn)行速度的關(guān)系模型，確定其關(guān)鍵系數(shù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果，列車運(yùn)行輻射噪聲隨列車速度增加而增大，兩者一般呈對(duì)數(shù)關(guān)系，關(guān)系計(jì)算公式為

式中：K為關(guān)鍵系數(shù)，也稱速度指數(shù)，主要與列車速度相關(guān)；V為列車速度；V0為參考速度；L0為參考速度下的等效 A 聲級(jí)。歐洲相關(guān)研究機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)法國(guó) TGV 和德國(guó) ICE 等高速列車開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)噪聲試驗(yàn)，經(jīng)線性回歸確定速度指數(shù)[3]，但由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本數(shù)偏少，而且試驗(yàn)速度較低，適用范圍存在局限性。目前我國(guó)在《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境》(HJ2.4—2009) 中采用的速度修正模型，主要適用于低速條件下的以輪軌滾動(dòng)噪聲為主的城市軌道交通線路噪聲預(yù)測(cè)[4]，對(duì)于高速鐵路尚未確立關(guān)鍵系數(shù)。軌道交通噪聲預(yù)測(cè)的速度修正模型如表 1 所示。

另外，列車運(yùn)行輻射噪聲大小與測(cè)試線路的邊界條件、車輛類型、輪軌表面狀態(tài)和列車速度等諸多因素有關(guān)[5]，主要采用京滬高速鐵路 (北京南—上海虹橋)、長(zhǎng)昆客運(yùn)專線 (長(zhǎng)沙南—昆明南)、大西客運(yùn)專線 (大同—西安) 等 40 余條有代表性的高速鐵路噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)試動(dòng)車組車型包括 CRH2A、CRH2C、CRH3、CRH380A(L)、CRH380B(L)、CR400AF、CR400BF 等，最高試驗(yàn)速度為 420 km/h。測(cè)試期間車輪、軌道表面狀態(tài)良好，測(cè)試方法根據(jù)《Acoustics-railway Applications-measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles》(ISO 3095—2013) 中相關(guān)規(guī)定，測(cè)點(diǎn)位置位于距外側(cè)軌道中心線 25 m、軌面以上 3.5 m 高處。高速鐵路噪聲測(cè)試線路邊界條件如表 2 所示。

由表 2 可知，線路邊界條件涵蓋高速鐵路所有軌道類型、無(wú)砟軌道軌道板型式、設(shè)計(jì)行車速度，同時(shí)測(cè)試車型基本為目前主要運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組，因而研究結(jié)果具有普遍性。此外，高速鐵路噪聲最顯著的特點(diǎn)是隨著高速鐵路列車速度的提高，氣動(dòng)噪聲顯著增強(qiáng)，而且氣動(dòng)噪聲與輪軌噪聲兩者隨速度的增長(zhǎng)趨勢(shì)不同。因此，研究高速鐵路噪聲與速度的關(guān)鍵系數(shù)，首先需要識(shí)別氣動(dòng)噪聲與滾動(dòng)噪聲分別占主導(dǎo)時(shí)的列車速度，即聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度。因此，應(yīng)針對(duì)高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲與運(yùn)行速度關(guān)系的聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度和關(guān)鍵系數(shù)開(kāi)展系統(tǒng)性研究。

表 1 軌道交通噪聲預(yù)測(cè)的速度修正模型Tab.1 The modified model of noise prediction of rail transport

2 高速鐵路噪聲聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度識(shí)別分析

高速鐵路噪聲主要由輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲和牽引噪聲組成。我國(guó)高速鐵路由于采用無(wú)縫線路，輪軌噪聲主要體現(xiàn)為輪軌滾動(dòng)噪聲，是列車輪軌相互作用時(shí)車輪和鋼軌表面粗糙不平順造成列車垂向振動(dòng)引起的。氣動(dòng)噪聲主要分布在車體表面、車頭、車尾、受電弓、車輛連接處和轉(zhuǎn)向架車輛通風(fēng)處，是列車在高速行駛中與空氣發(fā)生相互作用產(chǎn)生的，而且隨著列車運(yùn)行速度的提高急劇增加。牽引噪聲主要是牽引變流器、牽引變壓器、牽引電機(jī)、輔助供電設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備等列車牽引轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的噪聲[6-9]。

按照上述 3 種噪聲源占主導(dǎo)時(shí)所對(duì)應(yīng)的列車速度范圍，可以將運(yùn)行速度分成 3 個(gè)區(qū)段，主導(dǎo)噪聲源轉(zhuǎn)變時(shí)的列車速度稱為聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度，高速鐵路聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度示意圖如圖 1 所示。聲學(xué)轉(zhuǎn)變速度不是固定不變的，它是某個(gè)速度范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)值，與線路條件、軌道類型、運(yùn)行車輛等情況相關(guān)。通過(guò)識(shí)別高速鐵路噪聲聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度，特別是輪軌滾動(dòng)噪聲和氣動(dòng)噪聲的轉(zhuǎn)換速度，可以建立我國(guó)高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型。此外，根據(jù)聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度，能夠確定列車在不同速度范圍的主導(dǎo)噪聲，進(jìn)而對(duì)不同設(shè)計(jì)行車速度的高速鐵路有針對(duì)性的開(kāi)展噪聲控制技術(shù)研究。

2.1 通過(guò)確定性系數(shù) R2 識(shí)別聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度

圖 1 高速鐵路聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度示意圖Fig.1 The acoustic conversion speed of high-speed railway

確定性系數(shù)是反映回歸模式說(shuō)明因變量變化可靠程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，確定性系數(shù)的大小決定了相關(guān)的密切程度。2 種車型動(dòng)車組輻射噪聲與運(yùn)行速度的變化關(guān)系曲線如圖 2 所示。由圖 2 可以看出，在相同測(cè)試工況條件下，2 種不同型號(hào)動(dòng)車組列車在某高速鐵路行駛中輻射噪聲隨速度變化的關(guān)系曲線主要發(fā)展趨勢(shì)相同。對(duì)關(guān)系曲線設(shè)定不同的轉(zhuǎn)換速度，可以得到曲線不同的確定性系數(shù)R2值 (每個(gè)轉(zhuǎn)換速度可以得到 4 個(gè)R2值)。當(dāng)R2值最高時(shí)，可以初步判定該速度為聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度。圖 2中聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度為 300 km/h。此外，由圖 2 還可以看出，2 種車型動(dòng)車組列車在低速時(shí)輻射噪聲水平相當(dāng)，但隨著速度增加，B 型車的聲級(jí)水平增長(zhǎng)更快，說(shuō)明列車外型對(duì)高速鐵路噪聲特別是氣動(dòng)噪聲影響較大。

圖 2 2 種車型動(dòng)車組輻射噪聲與運(yùn)行速度的變化關(guān)系曲線Fig.2 The noise and speed changing relation curve in two types EMU

2.2 通過(guò)高速鐵路噪聲頻率特性識(shí)別聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度

由于牽引噪聲在車速較高的情況下所占總聲能比例極低，因而只對(duì)輪軌滾動(dòng)噪聲和氣動(dòng)噪聲頻率特性進(jìn)行分析。一方面，與輪軌滾動(dòng)噪聲有關(guān)的輪軌粗糙度波長(zhǎng)主要在 5～500 mm 范圍內(nèi)，具有寬頻特性，隨著速度的增加，高頻成分會(huì)逐漸顯現(xiàn)；另一方面，列車氣動(dòng)噪聲主要聲能集中在中低頻段，特別是輪軌區(qū)域氣動(dòng)噪聲主要集中在低頻段[10]。通過(guò)對(duì)高速鐵路噪聲頻率特性進(jìn)行分析，可以定性地識(shí)別出輪軌滾動(dòng)噪聲和氣動(dòng)噪聲的轉(zhuǎn)換速度。

圖 3 某型動(dòng)車組以不同速度通過(guò)某線路區(qū)段時(shí)的 1/3 倍頻程頻譜圖Fig.3 A EMU passing one section by different speed

某型動(dòng)車組以不同速度通過(guò)某線路區(qū)段時(shí)的 1/3 倍頻程頻譜圖如圖 3 所示。在圖 3 中，某型動(dòng)車組分別以 200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h速度通過(guò)某線路區(qū)段。從圖 3 可以看出，高速鐵路噪聲呈寬頻特性；200 km/h 速度時(shí)聲能主要集中在 500～2 000 Hz，說(shuō)明輪軌滾動(dòng)噪聲占據(jù)主導(dǎo)地位，此時(shí)噪聲主頻為 800 Hz，該特征頻率與軌道系統(tǒng)本身的固有特性有關(guān) (包括鋼軌、扣件、軌道板等)；隨著速度提高，200 Hz以下的低頻段噪聲開(kāi)始體現(xiàn)，說(shuō)明氣動(dòng)噪聲逐漸增大；當(dāng)速度為 300 km/h 時(shí)，低頻段噪聲峰值開(kāi)始超過(guò)中高頻噪聲；當(dāng)速度為 350 km/h 和 400 km/h 時(shí)，氣動(dòng)噪聲已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。

通過(guò)對(duì)噪聲頻率特性和噪聲與列車運(yùn)行速度關(guān)系曲線的定性分析，可以初步識(shí)別出我國(guó)高速鐵路輪軌滾動(dòng)噪聲和氣動(dòng)噪聲的聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度在300 km/h 左右的一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。

3 高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型關(guān)鍵系數(shù)研究

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果[7]，輪軌噪聲與列車速度V的關(guān)系正比于V2～V4，氣動(dòng)噪聲為V6～V8。需要特別指出的是，上述研究結(jié)果中氣動(dòng)噪聲與速度的 6～8 次方關(guān)系是在噪聲未計(jì)權(quán)的條件下取得的，而L(V) 和L0都為 A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，A 計(jì)權(quán)對(duì)于200 Hz 以下的低頻噪聲有較大的修正量，根據(jù) 2.2節(jié)所述氣動(dòng)噪聲主要聲能集中在中低頻段，因而即使列車氣動(dòng)噪聲在 300～400 km/h 速度范圍內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，一般情況下總的 A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與列車速度V的關(guān)系不會(huì)超過(guò) 6 次方，即 10 ＜K＜ 60。依據(jù) 40余條高速鐵路線路噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以 300 km/h 為聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度，得到我國(guó) 3 種設(shè)計(jì)行車速度高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型K值表如表 3 所示。

由表 3 可知，160～300 km/h 速度范圍內(nèi)，3 種設(shè)計(jì)行車速度的高速鐵路K值平均值為 25～30，符合輪軌噪聲隨速度變化關(guān)系；300～400 km/h 速度范圍內(nèi)K值平均值為38～40。對(duì)于相同的設(shè)計(jì)行車速度高速鐵路，線路類型 (橋梁和路堤) 對(duì)K值影響不大。此外，對(duì)于 350 km/h、300 km/h、250 km/h 3 種設(shè)計(jì)行車速度高速鐵路，在相同的速度范圍內(nèi)，線路設(shè)計(jì)行車速度越高，K值越低；對(duì)于 250 km/h 設(shè)計(jì)行車速度線路，無(wú)砟軌道的K值低于有砟軌道 (不再詳細(xì)列出)。上述規(guī)律說(shuō)明相同速度范圍內(nèi)，線路設(shè)計(jì)等級(jí)越高、軌道系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)要求越嚴(yán)格，線路平順度越高，噪聲增長(zhǎng)越慢。

表 3 我國(guó) 3 種設(shè)計(jì)行車速度高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型關(guān)鍵系數(shù) K 值表Tab.3 Relation model between noise and speed of three types speed high-speed railway

根據(jù)相關(guān)研究，國(guó)外高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型K值表如表 4 所示[10-11]。由表 4 可以看出，在相同的測(cè)試條件和速度范圍內(nèi)，國(guó)外高速鐵路系數(shù)K值均高于我國(guó)，說(shuō)明我國(guó)高速鐵路線路平順度和相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)于國(guó)外線路，動(dòng)車組表面平順性設(shè)計(jì)方面亦優(yōu)于國(guó)外當(dāng)時(shí)開(kāi)展試驗(yàn)的動(dòng)車組列車。

根據(jù)上述研究成果，建議 160～300 km/h 速度范圍內(nèi)，K取 30；300～400 km/h 速度范圍內(nèi)，K取40，由此獲得我國(guó)高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型如表 5 所示。

表 4 國(guó)外高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型 K 值表Tab.4 Relation model between noise and speed of high-speed railway abroad

表 5 我國(guó)高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型Tab.5 Relation model between noise and speed of high-speed railway in China

根據(jù)高速鐵路噪聲與列車速度關(guān)系模型可知，在 160～400 km/h 的列車速度范圍內(nèi)，速度增加1 倍，列車輻射噪聲值將增大 9～12 dB (A)。

4 結(jié)束語(yǔ)

高速鐵路噪聲控制技術(shù)的系統(tǒng)研究，是有效防治鐵路沿線噪聲、推動(dòng)鐵路綠色發(fā)展、強(qiáng)化鐵路生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念的切實(shí)要求?！吨袊?guó)鐵路總公司科技創(chuàng)新規(guī)劃 (2018—2020 年)》明確提出要深化減振降噪基礎(chǔ)理論研究，通過(guò)研究確定我國(guó)高速鐵路列車運(yùn)行輻射噪聲與列車運(yùn)行速度關(guān)鍵系數(shù)，可以為高速鐵路輪軌噪聲產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)而從源頭控制高速鐵路噪聲提供研究支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部，國(guó)家鐵路局，等. 鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃[A/OL]. (2017-11-20)[2018-02-07]. http∶//www.ndrc.gov.cn/gzdt/201711/t20171124_867822.html.

[2]魏亞輝，魏 然，戎亞萍，等. 高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試組織管理標(biāo)準(zhǔn)化研究[J]. 鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2018，40(2)：55-59.WEI Ya-hui，WEI Ran，RONG Ya-ping，et al. A Study on Standardized Management of Commissioning and Integrated Testing in High-speed Railway Projects[J]. Railway Transport and Economy，2018，40(2)：55-59.

[3]THOMPSON D. 鐵路噪聲與振動(dòng)-機(jī)理、模型和控制方法[M]. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，譯. 北京：科學(xué)出版社，2013.

[4]劉蘭華. 我國(guó)高速鐵路噪聲源強(qiáng)特性變化試驗(yàn)研究[J]. 鐵道建筑，2016(8)：160-163.LIU Lan-hua. Experimental Study on Noise Source Characteristics of High-speed Railway[J]. Railway Engineering，2016(8)：160-163.

[5]韓富強(qiáng)，賈永剛，王宇嘉. 提高鐵路線路通過(guò)能力利用質(zhì)量的探討[J]. 鐵道貨運(yùn)，2016，34(3)：26-30.HAN Fu-qiang，JIA Yong-gang，WANG Yu-jia. Discussion on Increasing the Use Quality of Railway Carrying Capacity[J]. Railway Freight Transport，2016，34(3)：26-30.

[6]THOMPSON D J，GAUTIER P E. Review of Research into Wheel/Rail Rolling Noise Reduction[J]. Journal of Rail and Rapid Transit：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F，2006，220(3)：385-408.

[7]KITAGAWA T，NAGAKURA K. Aerodynamic Noise Generated by Shinkansen Cars[J]. Journal of Sound and Vibration，2000，231(3)：913-924.

[8]POISSON F，GAUTIER P E，LETOURNEAUX F. Noise Sources for High Speed Trains：a Review of Results in the TGV Case[C]//WERNING B S，THOMPSON D J，GAUTIER Pierre Etienne，et al. Proceeding of the 9th International Workshop on Railway Noise. Munich：Springer，2007：71-77.

[9]TALOTTE C，GAUTIER P E，THOMPSON D J，et al.Identification，Modeling and Reduction Potential of Railway Noise Sources：a Critical Survey[J]. Journal of Sound and Vibration，2003，267(2)： 447-468.

[10]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院. 大西高速綜合試驗(yàn)噪聲專項(xiàng)試驗(yàn)報(bào)告[R]. 北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2017.

[11]尹 皓，李耀增，辜小安. 高速鐵路列車運(yùn)行噪聲特性研究[J]. 鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保，2009， 36(5)：221-223.YIN Hao，LI Yao-zeng，GU Xiao-an. Study of the Noise Characteristic of Running Trains of High-speed Railroad[J].Railway Occupational Safety Health & Environmental Protection，2009，36(5)：221-223.