劉蘭華（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京　100081）

我國(guó)高速鐵路噪聲源強(qiáng)特性變化試驗(yàn)研究

劉蘭華
（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京100081）

隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，其噪聲影響也日益引起社會(huì)的關(guān)注。掌握高速鐵路輻射噪聲水平及其特性是開(kāi)展噪聲影響控制的理論基礎(chǔ)。在大量高速鐵路輻射噪聲現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，獲得了我國(guó)高速鐵路橋梁線(xiàn)路和路基線(xiàn)路分別在200～300 km/h及300～350 km/h速度區(qū)間下的噪聲源強(qiáng)特性變化規(guī)律，探討了不同速度區(qū)間噪聲源強(qiáng)與速度的變化機(jī)理。比較分析了中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組、CRH380、CRH2C動(dòng)車(chē)組等不同車(chē)型動(dòng)車(chē)組噪聲源強(qiáng)特性的變化，并對(duì)高速鐵路噪聲輻射特性與普速鐵路噪聲輻射特性及法國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家高速鐵路輻射噪聲特性加以對(duì)比分析，指出我國(guó)高速鐵路輻射噪聲水平略高于法國(guó)、德國(guó)等。

高速鐵路；噪聲源強(qiáng)；輻射噪聲

高速鐵路已經(jīng)成為現(xiàn)代化交通體系的主干。但高速鐵路噪聲的影響已成為制約其發(fā)展的一個(gè)重要因素，必須根據(jù)國(guó)家有關(guān)噪聲防治要求對(duì)其進(jìn)行有效控制。在噪聲控制工程中，研究高速鐵路噪聲源強(qiáng)及其特性、掌握動(dòng)車(chē)組類(lèi)型及不同線(xiàn)路條件下輻射噪聲水平及其變化是重要的基礎(chǔ)工作。

國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路噪聲源強(qiáng)特性及其變化規(guī)律進(jìn)行了大量理論研究。日本從20世紀(jì)60年代、法國(guó)與德國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始結(jié)合各自國(guó)家高速鐵路建設(shè)及高速列車(chē)研制對(duì)高速鐵路噪聲源強(qiáng)特性開(kāi)展了試驗(yàn)研究，得到了高速列車(chē)在不同速度下的噪聲源強(qiáng)。我國(guó)從20世紀(jì)末期開(kāi)始高速鐵路噪聲領(lǐng)域的有關(guān)研究，目前在高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及高速鐵路綜合試驗(yàn)中開(kāi)展了大量試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容涉及噪聲源組成、噪聲源強(qiáng)特性、聲場(chǎng)分布、傳播規(guī)律、主要降噪措施效果等，也對(duì)不同類(lèi)型動(dòng)車(chē)組及線(xiàn)路條件變化所引起的高速鐵路噪聲源強(qiáng)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究［1-6］。試驗(yàn)方法依據(jù)《Acoustics-RailwayApplications-MeasurementofNoise Emitted by Railbound Vehicles》（ISO-3095）及《聲學(xué)鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛輻射噪聲測(cè)量》（GB/T 5111—2011）。本次試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)來(lái)源于我國(guó)時(shí)速300 km/h及以上等級(jí)的高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及綜合試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)列車(chē)包括我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)中的主型動(dòng)車(chē)組CRH380及CRH2C。同時(shí)，根據(jù)最新試驗(yàn)研究成果，對(duì)比分析了與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組輻射噪聲水平的差異。

1　試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.1噪聲源強(qiáng)

對(duì)我國(guó)近30條高速鐵路40余個(gè)試驗(yàn)區(qū)段的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到我國(guó)高速鐵路橋梁與路基線(xiàn)路輻射噪聲與速度的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。

圖1　輻射噪聲與速度的關(guān)系曲線(xiàn)

各試驗(yàn)區(qū)段橋梁線(xiàn)路試驗(yàn)工點(diǎn)輻射噪聲與速度的關(guān)系測(cè)試數(shù)據(jù)分布見(jiàn)圖2。橋梁線(xiàn)路輻射噪聲源強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)極差為3.4 dB（A）、方差為0.85、標(biāo)準(zhǔn)差為0.92 dB（A）。

圖2　輻射噪聲與速度的關(guān)系測(cè)試數(shù)據(jù)分布

對(duì)圖1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到我國(guó)高速鐵路動(dòng)車(chē)組以300～350 km/h運(yùn)行時(shí)輻射噪聲與速度的變化關(guān)系。對(duì)橋梁線(xiàn)路，TEL=（39～43）lg（V/V0）+c1；對(duì)路基線(xiàn)路，TEL=（36～40）lg（V/V0）+c2。其中V為車(chē)速，參考速度 V0=300 km/h，c1，c2為初始常數(shù)。

同理可得我國(guó)高速鐵路動(dòng)車(chē)組以200～300 km/h運(yùn)行時(shí)輻射噪聲與速度的變化關(guān)系。對(duì)橋梁線(xiàn)路，TEL=（27～30）lg（V/V0）+c1；對(duì)路基線(xiàn)路，TEL=（26 ～29）lg（V/V0）+c2。其中參考速度 V0=200 km/h。可知，動(dòng)車(chē)組輻射噪聲聲級(jí)水平隨列車(chē)運(yùn)行速度的提高總體上呈增大的趨勢(shì)。但在不同速度區(qū)間，試驗(yàn)動(dòng)車(chē)組輻射噪聲聲級(jí)水平隨速度提高增長(zhǎng)的速率不盡相同，200～300 km/h時(shí)輻射噪聲與速度級(jí)的增長(zhǎng)系數(shù)為26～30；300～350 km/h時(shí)輻射噪聲與速度級(jí)的增長(zhǎng)系數(shù)為36～43。

不同速度區(qū)間輻射噪聲隨速度增長(zhǎng)系數(shù)差異主要是由不同速度下輻射噪聲源組成差異造成的。理論分析結(jié)果表明：在以輪軌噪聲為主的速度區(qū)段運(yùn)行時(shí)，速度與聲級(jí)的變化關(guān)系式為30lg（V/V0）；當(dāng)列車(chē)以空氣動(dòng)力噪聲為主的高速區(qū)段運(yùn)行時(shí)，速度與聲級(jí)的變化關(guān)系式為70lg（V/V0）。

據(jù)此說(shuō)明，200～300 km/h時(shí)噪聲源仍以輪軌噪聲為主，時(shí)速達(dá)到300 km/h及以上時(shí)，噪聲源中空氣動(dòng)力噪聲、弓網(wǎng)集電系統(tǒng)噪聲等逐步增加，而空氣動(dòng)力噪聲對(duì)列車(chē)運(yùn)行速度更為敏感。《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(jiàn)》（鐵計(jì)［2010］44號(hào)文）中推薦的噪聲預(yù)測(cè)模式，其輻射噪聲隨速度增長(zhǎng)系數(shù)為30，與200～300 km/h的試驗(yàn)結(jié)果吻合，但與300～350 km/h試驗(yàn)結(jié)果存在差異。這說(shuō)明鐵計(jì)［2010］44號(hào)文中推薦的噪聲預(yù)測(cè)模式及有關(guān)參數(shù)修正主要適用于以輪軌噪聲為主的鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)。

1.2輻射噪聲時(shí)域和頻域特性

高速動(dòng)車(chē)組以350 km/h通過(guò)橋梁線(xiàn)路試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)時(shí)輻射噪聲的時(shí)域、頻域特性見(jiàn)圖3、圖4，CRH380動(dòng)車(chē)組以300，350 km/h速度運(yùn)行時(shí)輻射噪聲頻譜對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖3　列車(chē)輻射噪聲時(shí)域與頻譜分析結(jié)果

圖4　列車(chē)輻射噪聲時(shí)頻域變化結(jié)果

圖5　典型速度時(shí)列車(chē)輻射噪聲頻譜對(duì)比

由圖3—圖5可知：

1）動(dòng)車(chē)組通過(guò)受聲點(diǎn)時(shí)，瞬時(shí)聲壓級(jí)變化劇烈，最大聲壓級(jí)變化率在8 dB（A）/s以上，且隨著車(chē)速的提高，聲壓級(jí)變化率也逐步增大，瞬時(shí)聲壓級(jí)水平高于背景噪聲40 dB（A）以上。聲壓級(jí)變化率加大會(huì)加大人的煩惱度。

2）高速鐵路噪聲頻譜呈寬頻特性，最大聲壓級(jí)集中在31.5～125 Hz的低頻段，4 000 Hz以上高頻迅速減??；A計(jì)權(quán)噪聲能量分布在500～5000 Hz頻帶，其中1 000～4 000 Hz更為突出。

3）隨著車(chē)速的提高，各頻帶聲壓級(jí)逐漸升高，高頻分量升高較慢，低頻分量升高較快。這與二者的噪聲主要來(lái)源及其對(duì)速度的敏感性有關(guān)，與高頻分量相比，低頻分量主要來(lái)源于空氣動(dòng)力噪聲，其對(duì)速度的敏感性更高。

4）高頻噪聲與低頻噪聲對(duì)受聲點(diǎn)的作用時(shí)間有所差異，主要是與不同頻段噪聲的衰減速率有關(guān)，與高頻噪聲相比，低頻噪聲衰減較慢，對(duì)受聲點(diǎn)的作用時(shí)間較長(zhǎng)。

1.3不同等級(jí)線(xiàn)路的輻射噪聲頻譜比較

普速鐵路與高速鐵路橋梁線(xiàn)路典型速度輻射噪聲頻譜分布情況對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6　普速鐵路與高速鐵路橋梁線(xiàn)路典型速度頻譜對(duì)比

由圖6可知：無(wú)論是普速鐵路還是高速鐵路，典型速度下峰值頻率都集中在低頻段。這主要是由線(xiàn)路扣件間距及轉(zhuǎn)向架定距等特征頻率引起的。但普速鐵路與高速鐵路頻譜也存在顯著差異，普速鐵路在31.5～125 Hz左右的低頻段能量更為集中，高速鐵路則呈寬頻帶分布，其A計(jì)權(quán)噪聲能量在1 000～4 000 Hz更為突出。這主要是由于高速鐵路列車(chē)時(shí)速達(dá)到300 km/h及以上時(shí)輻射噪聲中弓網(wǎng)集電系統(tǒng)噪聲、空氣動(dòng)力噪聲等明顯增加所致。

1.4不同動(dòng)車(chē)組類(lèi)型引起的輻射噪聲比較

根據(jù)最新試驗(yàn)結(jié)果，本文對(duì)比分析了中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組、CRH380及 CRH2C等相關(guān)動(dòng)車(chē)組以 300～350 km/h速度運(yùn)行時(shí)輻射噪聲試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖7。

圖7　橋梁區(qū)段主要類(lèi)型動(dòng)車(chē)組典型速度輻射噪聲對(duì)比

由圖 7可知，CRH2C動(dòng)車(chē)組的輻射噪聲最大，CRH380動(dòng)車(chē)組次之，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組最小。但中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組與 CRH380動(dòng)車(chē)組輻射噪聲相差不大，差值在1.0 dB（A）內(nèi)。根據(jù)上述3種類(lèi)型動(dòng)車(chē)組的制造時(shí)間，可以看出我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組輻射噪聲逐漸降低，經(jīng)歷了由高變低的過(guò)程，在此過(guò)程中輻射噪聲總體降低了1～2 dB（A）。主要原因是在后續(xù)動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)中，采用了相應(yīng)的噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，如 CRH380系列動(dòng)車(chē)組增加了車(chē)頭的長(zhǎng)細(xì)比，優(yōu)化了動(dòng)車(chē)組頭型，對(duì)車(chē)體表面作了平順化處理。上述優(yōu)化措施可減少空氣阻力10% ～15%，使得車(chē)體表面氣動(dòng)噪聲影響降低7%［6-7］。再如采用DSA350型高速受電弓，在受電弓兩側(cè)設(shè)擋板，強(qiáng)化受電弓安裝座區(qū)域流場(chǎng)及導(dǎo)流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低了集電系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲影響。

2　與國(guó)外試驗(yàn)結(jié)果的比較

2.1國(guó)內(nèi)外高速列車(chē)輻射噪聲與速度的關(guān)系比較

日本、法國(guó)、德國(guó)等多年來(lái)對(duì)高速鐵路噪聲源強(qiáng)特性進(jìn)行了研究，在2000年之前先后獲得了相應(yīng)條件下橋梁線(xiàn)路高速鐵路列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲與速度的關(guān)系，見(jiàn)表1［8-9］?？梢?jiàn)，我國(guó)高速鐵路列車(chē)輻射噪聲隨速度提高的增長(zhǎng)系數(shù)均小于法國(guó)、德國(guó)及日本的試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明我國(guó)高速列車(chē)流線(xiàn)型等噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)于試驗(yàn)當(dāng)時(shí)的德國(guó)、法國(guó)及日本高速列車(chē)。

表1　部分國(guó)家高速鐵路列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲與速度的關(guān)系

2.2國(guó)內(nèi)外高速列車(chē)輻射噪聲水平比較

國(guó)外高速鐵路噪聲影響狀況均經(jīng)歷了由高到低的變化歷程，表2為日、法、德3國(guó)高速鐵路在不同年代的列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲水平。可見(jiàn)隨著高速鐵路技術(shù)不斷進(jìn)步，以及各種降噪措施的實(shí)施，其輻射噪聲逐步下降。

表2　國(guó)外高速鐵路輻射噪聲

我國(guó)與國(guó)外高速鐵路列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲對(duì)比見(jiàn)圖8。由圖8可知，時(shí)速300～350 km/h我國(guó)高速鐵路列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲略高于法國(guó)、德國(guó)高速列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲水平，差值在1 dB（A）內(nèi)。

圖8　高速鐵路輻射噪聲對(duì)比

3　結(jié)論

1）時(shí)速300～350 km/h時(shí)動(dòng)車(chē)組輻射噪聲聲壓級(jí)隨速度提高系數(shù)為36～43；高速動(dòng)車(chē)組經(jīng)過(guò)受聲點(diǎn)時(shí)瞬時(shí)聲壓級(jí)變化率大，瞬時(shí)聲壓級(jí)水平遠(yuǎn)高于背景噪聲；隨著車(chē)速的提高，各頻帶聲壓級(jí)逐步增加，由于噪聲源組成的變化，高頻分量增長(zhǎng)慢，低頻分量增長(zhǎng)快。

2）無(wú)論是普速鐵路還是高速鐵路，其輻射噪聲峰值頻率均在低頻段，但高速鐵路輻射噪聲呈寬頻特性，普速鐵路輻射噪聲能量主要集中在低頻段。

3）隨著動(dòng)車(chē)組噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展，我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組輻射噪聲經(jīng)歷了由高到低的變化過(guò)程，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組輻射噪聲相對(duì)最低。近年來(lái)我國(guó)動(dòng)車(chē)組輻射噪聲總體降低了1～2 dB（A），已與法國(guó)、德國(guó)高速動(dòng)車(chē)組輻射噪聲水平比較接近。

［1］鄧俊.京津城際鐵路環(huán)境噪聲特性研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010.

［2］趙航海.高速鐵路與傳統(tǒng)鐵路噪聲對(duì)比研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011.

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［4］俞悟周，王晨，毛東興，等.高速鐵路動(dòng)車(chē)組列車(chē)的噪聲特性［J］.環(huán)境污染與防治，2009，31（1）：74-77.

［5］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.京津城際無(wú)砟軌道線(xiàn)路噪聲、振動(dòng)特性及控制措施的研究［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2008.

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［8］尹皓，李耀增，辜小安.高速鐵路列車(chē)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.

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（責(zé)任審編李付軍）

Experimental Study on Noise Source Characteristics of High Speed Railway

LIU Lanhua
（China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

W ith the development of high speed railway in China，the influence of noise has aroused more and more social attention and understanding the radiation noise level and its characteristics of high speed railway is the theoretical basis of noise influence and control.Based on a large number of radiation noise field experiments in China high speed railway，the change rules of noise source intensity characteristics were concluded for high speed railway bridge circuit and subgrade circuit with speed of 200～300 km/h and 300～350 km/h respectively，the change mechanism between noise source intensity and velocity in different speed range was discussed，noise source intensity characteristics change of different EM U（Electric M utiple Unit）models including Chinese standard EM U，CRH380and CRH2Cwas analyzed，the noise radiation characteristics for both high speed railway and common speed railway were compared and radiation noise characteristics of high speed railway in France，Germany and Japan were discussed，which indicated that the radiation noise level of high speed railway in China is slightly higher than that of France and Germany.

High speed railway；Noise source intensity；Radiation noise

U211.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.40

1003-1995（2016）08-0160-04

2016-03-22；

2016-04-26

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃（2014Z003-A，2015Z003-A）

劉蘭華（1977— ），男，副研究員。