龔 凱 劉林芽

（華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，330013，南昌／／第一作者，碩士研究生）

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，軌道交通作為一種重要的城市交通工具也得到了快速的發(fā)展。但是，軌道交通尤其是高架形式的軌道交通噪聲帶來(lái)的城市環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)重，影響著軌道交通沿線兩側(cè)居民的正常工作和生活。因此，為避免工程項(xiàng)目建成后由噪聲問(wèn)題帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)以及采取有效的降噪措施是十分必要的。通過(guò)對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段軌道交通噪聲預(yù)測(cè)模式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)我國(guó)的模式仍然存在著不足。本文將從參考點(diǎn)噪聲輻射源強(qiáng)，聲屏障衰減模型和聲屏障等效頻率計(jì)算等三個(gè)方面對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段的噪聲預(yù)測(cè)模式進(jìn)行修正，以期能使我國(guó)的軌道交通噪聲預(yù)測(cè)模式更加完善，計(jì)算更加簡(jiǎn)便、精確。

1 城市軌道交通聲環(huán)境影響預(yù)測(cè)計(jì)算公式簡(jiǎn)介

隨著我國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，以軌道噪聲為主的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)課題的研究，獲得了一些研究成果，并逐步指導(dǎo)著工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施。目前，我國(guó)采用的軌道交通噪聲預(yù)測(cè)模式是2008年12月發(fā)布的“環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則－城市軌道交通”（Technical guidelines for Enviroment Impact Assessment of Urban Rail Transit）中提出的[1]，該模式將列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生噪聲源視為不相干的有限長(zhǎng)偶極子線聲源，并認(rèn)為輪軌噪聲為列車運(yùn)行時(shí)的主要噪聲源。同時(shí)該模式既可以采用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)表示列車通過(guò)預(yù)測(cè)點(diǎn)的等效聲級(jí)，也可以采用頻帶聲壓級(jí)表示，單一類型的列車通過(guò)預(yù)測(cè)點(diǎn)的等效聲級(jí)如式（1）所示：

式中：

Lp0，i——列車最大垂向指向性方向上的噪聲輻射源強(qiáng)，列車通過(guò)時(shí)段的參考點(diǎn)等效聲級(jí)，dB；

m——列車通過(guò)的列數(shù)（一般取5～10列），列；

C——噪聲修正項(xiàng)，C＝Cv＋Ct＋Cθ＋Cd＋Ca＋Cg＋Cb；

Cv——速度修正；

Ct——線路和軌道結(jié)構(gòu)的修正；

Cd——幾何發(fā)散衰減；

Ca——空氣吸收衰減；

Cg——地面效應(yīng)引起的衰減；

Cb——屏障插入損失；

Cθ——垂向指向性修正。

經(jīng)研究表明，該方法可分為兩部分的計(jì)算：前一部分為列車通過(guò)時(shí)段的參考點(diǎn)等效聲級(jí)計(jì)算；后一部分為噪聲修正項(xiàng)計(jì)算。列車最大垂向指向性方向上的噪聲輻射源強(qiáng)是計(jì)算列車通過(guò)時(shí)段的參考點(diǎn)等效聲級(jí)前提條件，但我國(guó)現(xiàn)階段的預(yù)測(cè)模式中仍然沒(méi)有制定出一套較完善的參考點(diǎn)噪聲輻射源強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，這將給噪聲預(yù)測(cè)工作帶來(lái)許多的不便，常常只能通過(guò)參照類似工況下已測(cè)出參考點(diǎn)噪聲輻射源強(qiáng)進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。而在噪聲修正計(jì)算中，聲屏障插入損失計(jì)算仍然存在著不足，如采用頻譜計(jì)算法進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算，聲屏障的插入損失計(jì)算量比較大，同時(shí)我國(guó)模式將聲屏障模型假設(shè)為無(wú)限長(zhǎng)聲屏障，將列車運(yùn)行時(shí)的線聲源假設(shè)為無(wú)線長(zhǎng)線聲源，這與實(shí)際情況是不符合的，預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)有誤差。

2 參考點(diǎn)噪聲源強(qiáng)修正

由我國(guó)預(yù)測(cè)模式原理表明，在對(duì)受聲點(diǎn)聲能量預(yù)測(cè)的整個(gè)過(guò)程中，確定聲源處的噪聲輻射源強(qiáng)是預(yù)測(cè)工作的前提條件，現(xiàn)有模式在對(duì)線路兩側(cè)聲環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，一般采用的是噪聲輻射源強(qiáng)即距軌道中心線一定距離的參考點(diǎn)處的聲能量值。但我國(guó)現(xiàn)階段仍然沒(méi)有制定出一套可行的參考點(diǎn)噪聲輻射源強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)是通過(guò)參考部分實(shí)地監(jiān)測(cè)而得到源強(qiáng)值，國(guó)際上的一些發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)對(duì)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，已經(jīng)制定出了一些可行的參考點(diǎn)噪聲輻射源強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，如：美國(guó)軌道交通噪聲預(yù)測(cè)模式中15m處的參考暴露聲級(jí)[2]（見(jiàn)表1）。

表1 距軌道中心線15m處參考暴露聲級(jí)

由于參考點(diǎn)輻射源強(qiáng)受多種因素的影響，如：車輛的類型、車輛轉(zhuǎn)向架的類型、線路條件及運(yùn)行時(shí)速等，不同條件下所得的噪聲輻射源強(qiáng)是不同的，需要假定一個(gè)比較合理的條件。本文認(rèn)為線路、氣象和環(huán)境條件須具備以下幾點(diǎn)：①高路堤、焊接長(zhǎng)鋼軌、混凝土軌枕、碎石渣道床、線路平直和軌面良好等；②天氣晴朗、氣溫適宜、風(fēng)速小于5m／s且測(cè)點(diǎn)周圍1km內(nèi)無(wú)高大建筑物和樹(shù)木等。同時(shí)參考點(diǎn)的位置選取也是影響噪聲輻射源強(qiáng)的重要因素之一。經(jīng)過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)并參考相關(guān)資料表明，當(dāng)參考點(diǎn)距聲源很近時(shí)，參考值將受到列車運(yùn)行氣流的影響；當(dāng)參考點(diǎn)距聲源較遠(yuǎn)時(shí)，聲波的衰減逾量對(duì)參考點(diǎn)處噪聲輻射源強(qiáng)影響較大且易產(chǎn)生誤差。因此，本文認(rèn)為參考點(diǎn)位置宜選擇在距外側(cè)軌道15m處且與軌面位置同高。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算后，得到列車時(shí)速客貨均為V＝70km／h且參考點(diǎn)距軌道外側(cè)15m處各頻帶的噪聲輻射源強(qiáng)，并認(rèn)為在噪 聲預(yù)測(cè)中可以使用如表2所示數(shù)據(jù)。

表2 距軌道外側(cè)15m處噪聲輻射源強(qiáng)Lp0／dB

3 聲屏障衰減模型修正

近年來(lái)，隨著軌道交通大量的貫穿城市，其產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重影響著線路兩側(cè)居民的正常工作和生活，若使線路兩側(cè)居民遠(yuǎn)離軌道線路，將必定導(dǎo)致大量的土地浪費(fèi)和帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在軌道交通的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置聲屏障成為了現(xiàn)階段最為有效的降噪措施之一。

聲屏障的設(shè)計(jì)受到多種因素的影響，其中聲屏障的插入損失是聲屏障設(shè)計(jì)的核心參數(shù)之一。經(jīng)研究表明，在我國(guó)現(xiàn)階段的軌道交通預(yù)測(cè)模式中，其聲屏障插入損失的計(jì)算是以假定聲屏障和聲源均為無(wú)限長(zhǎng)條件下推導(dǎo)出來(lái)的計(jì)算式，其聲波傳播路徑和插入損失計(jì)算式如圖1、式（2）、（3）所示。

圖1 聲波傳播路徑

式中：

fi——聲波頻譜中第i個(gè)中心頻率值，Hz；

c——聲波在空氣中的傳播速度，m／s；

δ——A＋B－C為聲程差，m。

由實(shí)地調(diào)查表明，聲屏障的長(zhǎng)度是有限長(zhǎng)的。聲屏障一般設(shè)置在敏感建筑物的區(qū)域，若采用我國(guó)現(xiàn)階段預(yù)測(cè)模式中聲屏障插入損失計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，將降低預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠度，同時(shí)也加大了聲屏障的設(shè)置數(shù)量，帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此，當(dāng)線聲源為無(wú)限長(zhǎng)且聲屏障為有限長(zhǎng)時(shí)，可根據(jù)圖2進(jìn)行修正，如圖2所示[3]。

圖2 無(wú)線長(zhǎng)線聲源和有限長(zhǎng)聲屏障修正圖

研究表明，當(dāng)列車通過(guò)或接近敏感點(diǎn)時(shí)，其產(chǎn)生線聲源對(duì)敏感建筑是有影響的；當(dāng)列車遠(yuǎn)離敏感點(diǎn)之后，敏感點(diǎn)附近的線聲源是不存在的。因此，列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的線聲源是有限長(zhǎng)的。假定聲源和聲屏障均為有限長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)聲屏障插入損失計(jì)算模型及大量實(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行研究，我國(guó)預(yù)測(cè)模式中聲屏障插入損失計(jì)算公式可進(jìn)行如式（4）所示修正。

t＝20 N0／3；

N0＝2δ0／λ；

λ——聲波波長(zhǎng)；

δ0——受聲點(diǎn)到聲源距離最近時(shí)的聲程差；

θ1——受聲點(diǎn)到聲屏障的垂直方向與到聲屏障左側(cè)邊緣方向的夾角；

θ2——受聲點(diǎn)到聲屏障的垂直方向與到聲屏障右側(cè)邊緣方向的夾角；

ΔLP——無(wú)限長(zhǎng)線聲源且有限長(zhǎng)聲屏障繞射聲衰減量（計(jì)算方法如圖2所示）。

4 聲屏障計(jì)算頻率修正

由聲屏障插入計(jì)算公式表明，當(dāng)計(jì)算聲屏障插入損失時(shí)，常常需要將頻程范圍內(nèi)（倍頻程或1／3倍頻程）的每一個(gè)中心頻率代入計(jì)算式，計(jì)算對(duì)應(yīng)中心頻率下的聲屏障衰減量，且還需對(duì)其進(jìn)行疊加計(jì)算，才能計(jì)算出總的衰減量，這將大大增加聲屏障插入損失的計(jì)算量，使得整個(gè)計(jì)算過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜而且易產(chǎn)生累積誤差，降低預(yù)測(cè)精度。因此，為使預(yù)測(cè)計(jì)算更加簡(jiǎn)便、精確，可采用一個(gè)等效頻率值代替整個(gè)頻程中各中心頻率進(jìn)行聲屏障插入損失計(jì)算。

等效頻率是指鐵路列車運(yùn)行噪聲中能量最集中的頻率成分，它能夠表征噪聲源的特性。在聲屏障插入損失計(jì)算中，采用等效頻率進(jìn)行計(jì)算，將大大簡(jiǎn)化插入損失的計(jì)算量。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，我國(guó)在等效頻率這一領(lǐng)域的研究較少，并且在我國(guó)現(xiàn)階段的預(yù)測(cè)模式中還沒(méi)有制定出一套可行等效頻率標(biāo)準(zhǔn)。本文主要以等效頻率的計(jì)算原理為基礎(chǔ)，針對(duì)不同機(jī)車情況下客車等效頻率進(jìn)行了測(cè)試計(jì)算，提出了不同機(jī)車類型下的客車等效頻率[4]，如表3所示。

表3 各機(jī)車類型下的客車等效頻率

5 實(shí)例分析

為驗(yàn)證上述修正的可行性，通過(guò)對(duì)秦沈客運(yùn)專線上提速列車（時(shí)速為120km／h～180km／h）運(yùn)行的倍頻程噪聲頻譜進(jìn)行采集[5]，以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)聲屏障在不同高度下、不同空間位置處，聲屏障阻礙聲能量衰減的程度，此處將聲屏障高度劃分為3 m、4m和5m，其距噪聲源的位置為4m和5m。設(shè)置兩處受聲點(diǎn)，受聲點(diǎn)R1距噪聲源30m、相對(duì)噪聲源高8m，受聲點(diǎn)R2距噪聲源30m、相對(duì)噪聲源高17m。經(jīng)計(jì)算可以得到各個(gè)工況下聲屏障衰減量，其采集數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果分別如表4、表5所示。

表4 提速列車運(yùn)行噪聲頻譜

由表5可知，以1 000Hz為等效頻率代入公式進(jìn)行聲屏障衰減計(jì)算，并針對(duì)不同時(shí)速下、采用倍頻程范圍內(nèi)各中心頻率代入公式計(jì)算總聲屏障衰減量，同時(shí)將兩衰減值相減，其差值的絕對(duì)值基本控制在1dB以內(nèi)，僅有列車時(shí)速為145km／h時(shí)的計(jì)算值偏差較大，但控制在1.5dB以內(nèi)，偏差是允許的。因此，通過(guò)以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將等效頻率和各中心頻率代入公式計(jì)算，其差值的絕對(duì)值是可信的，由此可以得出其修正是可信的。

表5 等效頻率衰減情況比較dB（A）

[1]HJ 453—2008環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則——城市軌道交通[S].

[2]U S Department of Transportion. High－speed ground transportion noise and vibration impact assessment[R].U S Department of Transportion，2005.

[3]HJ／T 90—2004聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)量規(guī)范[S].

[4]陳林.鐵路聲屏障插入損失的研究與計(jì)算[D].南昌：華東交通大學(xué)，2009.

[5]GB 12525—90鐵路邊界噪聲限值及其測(cè)量方法[S].