跨座式單軌列車運行噪聲的預(yù)測與分析

劉蘭華，李晏良，伍向陽，何財松

（中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081）

跨座式單軌列車運行噪聲的預(yù)測與分析

劉蘭華，李晏良，伍向陽，何財松

（中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081）

城市軌道交通環(huán)評技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定了城市軌道交通噪聲預(yù)測的方法和參數(shù)修正原則，但跨座式單軌噪聲預(yù)測只是參照執(zhí)行，且其適用性也未經(jīng)過驗證。為此，根據(jù)跨座式單軌列車輻射噪聲源強特性、垂向分布、傳播衰減、速度特性等現(xiàn)場試驗結(jié)果，論述了技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定的預(yù)測模式中有關(guān)參數(shù)修正原則與跨座式單軌列車運行噪聲預(yù)測的適用性，確定了跨座式單軌列車運行噪聲預(yù)測中主要參數(shù)修正方法，并與實際監(jiān)測結(jié)果進行驗證，據(jù)此可以判斷技術(shù)導(dǎo)則中預(yù)測方法及主要預(yù)測參數(shù)修正的合理性和有效性。

聲學(xué)；城市軌道交通；跨座式單軌列車；噪聲預(yù)測

近年來我國城市軌道交通發(fā)展迅猛，但由此引發(fā)的環(huán)境噪聲問題也成為公眾關(guān)注的焦點之一。降低軌道交通噪聲影響預(yù)測誤差是有效控制軌道交通噪聲的技術(shù)基礎(chǔ)。但跨座式單軌交通系統(tǒng)在我國的應(yīng)用尚處于初級階段，《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》（HJ 453-2008）中指出單軌交通噪聲預(yù)測參照執(zhí)行，但其編制說明中并未給出使用后的驗證結(jié)果。因此，其預(yù)測方法及參數(shù)修正是否適用于跨座式單軌還有待研究。

1 概述

環(huán)境保護部2009年4月1日實施的《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》（HJ 453-2008）規(guī)定了城市軌道交通建設(shè)項目環(huán)境影響評價的原則、內(nèi)容、方法和要求，明確了其適用范圍[1]。噪聲影響預(yù)測與評價中明確了預(yù)測內(nèi)容、預(yù)測方法選擇、預(yù)測范圍與預(yù)測時段、預(yù)測量與評價量。列車及設(shè)備噪聲預(yù)測應(yīng)選用附錄B推薦的預(yù)測模式（見式1.1），式1.1是建立在聲傳播規(guī)律基礎(chǔ)之上，預(yù)測值為預(yù)測時段內(nèi)的等效連續(xù)A聲級。

式中除與列車最大垂向指向性輻射噪聲源強（Lp0,i）密切有關(guān)外，還涉及的噪聲修正項有：速度修正（Cv）、線路與軌道結(jié)構(gòu)修正（Ct）、幾何發(fā)散衰減（Cd）、空氣吸收衰減（Ca）、地面效應(yīng)引起的衰減（Cg）、屏障插入損失（Cb）、垂向指向性修正（Cθ）、頻率計權(quán)修正（Cf,i）。

根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》編制說明，該標(biāo)準(zhǔn)編制過程中進行了列車運行噪聲修正量的驗證測試，也開展了聲環(huán)境影響預(yù)測的驗證工作，模式計算得出的預(yù)測值誤差在1.6 dBA以內(nèi)[2]。但上述噪聲預(yù)測驗證工作中，對列車噪聲影響的實測數(shù)據(jù)來自于北京城鐵和廣州地鐵一號線，均為鋼輪鋼軌導(dǎo)向系統(tǒng)，缺乏單軌交通噪聲影響驗證內(nèi)容。

2 跨座式單軌交通特點

單軌交通的歷史較為悠久，19世紀(jì)20年代建設(shè)了世界上第一條單軌交通[3]。隨后在日本、美國等地得到運用并逐步發(fā)展成熟[4]。目前，國內(nèi)僅有重慶市軌道交通二號線、三號線工程采用了該種技術(shù)。跨座式單軌交通是一種全封閉的交通運輸系統(tǒng)，采用直流電牽引，單軌車輛騎在軌道梁上運行，其軌道梁既是承重結(jié)構(gòu)又是軌道結(jié)構(gòu)；其車輪采用高壓充氣橡膠輪胎。具有運量適中、占地面積小、建設(shè)投資費用低、爬坡能力強（最大坡度可達60‰）、轉(zhuǎn)彎半徑?。ㄗ钚】蛇_100 m）、選線靈活、噪聲及各種污染低等優(yōu)點[5]?？缱絾诬壾圀w寬度和高度與地鐵A型車相當(dāng)，6節(jié)編組列車長89.4 m，軸重小于11 t，最高速度80 km/h，供電電壓DC 1 500 V。軌道梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，它是列車的運行軌道，起承載、導(dǎo)向、穩(wěn)定車輛的作用。由于跨座式單軌與地鐵、輕軌等鋼輪鋼軌導(dǎo)向系統(tǒng)的軌道交通在工程技術(shù)條件上有較大的差別，其噪聲源強及速度修正、傳播衰減等影響特征也將有所不同。

3 跨座式單軌列車噪聲影響特征試驗

3.1 試驗方案

本次試驗?zāi)康氖菫榭缱絾诬壴肼曈绊戭A(yù)測提供數(shù)據(jù)依據(jù)，并據(jù)此提出有關(guān)預(yù)測參數(shù)的修正方法，以便能準(zhǔn)確的預(yù)測跨座式單軌列車運行時的噪聲影響。試驗內(nèi)容主要包括：垂向分布特性、源強特性、速度特性、傳播衰減特性等。試驗地點選擇在重慶軌道交通3號線童家院子至金渝區(qū)間，位于上行線一側(cè)；高架線路，坡度12‰，軌面距地面10.7 m，線間距3.7 m。數(shù)據(jù)采集點設(shè)置在距線路中心線7.5 m，分別高于軌面0 m、高于軌面1.5 m、軌面以下1.5 m、軌面以下2.5 m處測點。距線路中心線15 m、30 m、60 m、90 m、120 m高于軌面1.5 m處。距線路中心線7.5 m、22.5 m、52.5 m、82.5 m、112.5 m、142.5 m高于地面4.0 m（軌面以下6.7 m）處。此外，在該處車輛段試車線進行了不同速度下列車運行噪聲影響測試，數(shù)據(jù)采集點設(shè)置在距線路中心線7.5 m、15 m、30 m和60 m，高于軌面1.5 m處。

測試期間氣象條件為多云轉(zhuǎn)陰，微風(fēng)，溫度5°C～10°C。期間無劇烈的溫度梯度變化、強電磁場、強風(fēng)引起的干擾；測點距反射物距離不小于1 m，采用多通道噪聲數(shù)據(jù)實時采集分析系統(tǒng)（Bruel &Kjaer Model LANXI）記錄測點處每列車通過時的噪聲時域信號，測試列車通過時段的Leq值及Lmax值[6]；每個速度檔采集的數(shù)據(jù)均大于10組。

3.2 試驗結(jié)果與分析

（1）垂向分布特性

跨座式單軌列車以速度75 km/h運行時，距線路7.5 m、軌面不同高度處列車運行噪聲試驗結(jié)果如表3.1。

表3.1 噪聲垂向分布試驗結(jié)果/dBA

由上表可知，跨座式單軌列車輻射噪聲最大值出現(xiàn)在軌面以下1.5 m處，這與跨座式單軌列車和軌道梁結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。單軌列車導(dǎo)向輪兩側(cè)有護板，護板下緣與軌道梁下緣平齊，均處在軌面以下1.5 m處，輪軌噪聲向軌道兩側(cè)空間發(fā)散過程中受到一定的遮擋。同時軌道梁為通透式，輪軌接觸摩擦等噪聲由于護板遮擋作用，集中到護板和軌道梁下緣位置處向外發(fā)散，從而造成該位置處輻射噪聲水平最高。而地鐵、輕軌等鋼輪鋼軌導(dǎo)向的軌道交通，由于橋梁下部均為封閉式，噪聲是向上折射發(fā)散的，其輻射噪聲水平最高的位置處一般在軌面以上1.5 m處。

（2）源強特性

試驗結(jié)果表明：跨座式單軌列車以速度75 km/h通過距線路中心線7.5 m、軌面以上1.5 m處和軌面以下1.5 m處列車通過等效聲級（Leq）分別為77.8 dBA和81.3 dBA。其頻譜分析結(jié)果如圖3.1所示，產(chǎn)生的聲能量主要集中在500 Hz～3 150 Hz頻段內(nèi)。

圖3.1 單軌列車不同測點輻射噪聲頻譜圖

同等邊界條件下，跨座式單軌列車與鋼輪鋼軌列車（北京地鐵13號線）運行噪聲頻譜分布差異性對比如圖3.2所示。單軌列車運行聲級水平明顯低于輕軌列車；跨座式單軌的峰值頻率為1 250 Hz，普通輕軌峰值頻率為1 000 Hz，且其1 000 Hz以下低頻部分聲能量比重大于單軌，這與單軌采用橡膠車輪及混凝土軌道梁有關(guān)，橡膠車輪及混凝土軌道梁有效降低了輪軌振動輻射的低頻噪聲[7]。

圖3.2 單軌與輕軌列車輻射噪聲頻譜對比圖

（3）速度特性

列車輻射噪聲隨速度變化的特性試驗選擇在童家院子車輛段試車線上進行，試車線允許最高運行速度為50 km/h，試驗中速度分別為30 km/h、40 km/ h和50 km/h。試車線軌面距地面2.5 m，平直線路。試驗結(jié)果如表3.2所示。

表3.2 輻射噪聲（dBA）隨速度變化試驗結(jié)果匯總表

（4）傳播衰減特性

高架線路列車輻射噪聲隨距離傳播衰減特性數(shù)據(jù)如表3.3所示，距線路中心線150 m范圍內(nèi)，軌面以下輻射噪聲水平都大于軌面以上。

（5）空間分布特點

根據(jù)上述試驗結(jié)果，采用Kriging（克里金）精確插值方法，利用不同的變差函數(shù)，得出單軌列車輻射噪聲等聲級曲線，如圖3.3所示。

圖3.3 單軌交通系統(tǒng)等聲級曲線

由圖可知，單軌列車輻射噪聲聲級水平分布具有明顯的層次，以軌面為界，軌面以下輻射噪聲水平明顯大于軌面以上；同時，軌面以上垂向范圍內(nèi)輻射噪聲衰減較快，軌面以下聲級變化不明顯。

4 單軌列車噪聲預(yù)測參數(shù)的合理確定

4.1 源強選擇

《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》中要求噪聲預(yù)測源強盡量采用類比測量法，同時也明確了噪聲源強應(yīng)為列車最大垂向指向性方向輻射的列車通過等效噪聲級。目前國內(nèi)建成運營的單軌交通只有重慶市的2號線和3號線，噪聲源強數(shù)據(jù)積累很少，沒有標(biāo)準(zhǔn)的源強數(shù)據(jù)。為此，單軌列車運行噪聲預(yù)測中噪聲源強應(yīng)采用類比測量方法，且測量點位不應(yīng)僅局限于《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》中規(guī)定的距線路中心線7.5 m、軌面以上1.5 m處，應(yīng)根據(jù)單軌列車、軌道梁結(jié)構(gòu)及車線耦合的自身特點[8-10]，同時測量軌面以下1.5 m處輻射噪聲水平，以確保獲得的源強數(shù)據(jù)為列車最大垂向指向性方向輻射的聲級。

4.2 速度修正

根據(jù)單軌列車輻射噪聲速度特性試驗結(jié)果，可得出列車輻射噪聲水平隨速度變化曲線，如圖3.4所示。由圖可知，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合的速度曲線和修正量與《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》中給出的速度修正公式基本吻合，可以直接采用上述導(dǎo)則中給出的公式進行計算

式中v：列車通過預(yù)測點的運行速度，km/h；

v0：源強的參考速度，km/h。

4.3 幾何發(fā)散衰減

根據(jù)表3.3單軌列車輻射噪聲隨距離傳播衰減特性試驗結(jié)果，可得出列車輻射噪聲水平隨距離的變化曲線，如圖3.5所示。

表3.3 輻射噪聲/（dBA）傳播衰減特性試驗結(jié)果匯總表 (運行速度75 km/h)

圖3.4 單軌列車輻射噪聲隨速度變化曲線圖

圖3.5 單軌列車輻射噪聲隨距離變化曲線圖

▲ 地面以上4 m/軌面以下6.7 m

y=-7.4 Ln(x)+98.05；R2=0.981

■ 軌面以上1.5 m

y=-7.613 6 Ln(x)+93.1；R2=0.998 1

● 軌面以下1.5 mm

y=-7.27 Ln(x)+96.61； R2=0.982 9

由圖可知：

（1）單軌列車輻射噪聲聲級水平隨距離增加而降低；

（2）由于單軌交通車輛及軌道結(jié)構(gòu)型式的特殊性，在一定空間范圍內(nèi)，最大聲級出現(xiàn)在軌面以下，且噪聲空間分布均為軌面以下大于軌面以上；這與地鐵、輕軌等輪軌導(dǎo)向的軌道交通系統(tǒng)的噪聲分布及傳播規(guī)律不同。

《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》中給出的幾何發(fā)散衰減公式如式4.2所示

式中l(wèi)：列車長度，m；

d0：源強的參考距離/m（為7.5 m）；

d：預(yù)測點至外軌中心線的水平距離/m。

根據(jù)圖3.5，跨座式單軌列車輻射噪聲幾何發(fā)散衰減可近似采用公式4.3

h：聲源點至預(yù)測點的垂向高度，m。

4.4 其他

（1）空氣吸收衰減

列車噪聲輻射幾何發(fā)散衰減公式數(shù)據(jù)來源為現(xiàn)場實際測試數(shù)據(jù)，已經(jīng)涵蓋了空氣吸收衰減因素，因此在采用式4.3時空氣吸收衰減可不予修正。

（2）垂向指向性修正

軌道交通環(huán)評技術(shù)導(dǎo)則中列車運行輻射噪聲垂向指向性修正量Cθ按下式計算

當(dāng)-10°≤θ＜24°時

當(dāng)24°≤θ＜50°時

式中θ——聲源到預(yù)測點方向與水平面的夾角，度。

根據(jù)式4.5及4.6的計算公式，對距線路中心線7.5 m不同高度位置處垂向指向性修正值進行了計算，并與實測結(jié)果進行了比較，結(jié)果如表4.1。

表4.1 單軌列車運行噪聲垂向指向性修正值對比表/dBA

由上表可知，受單軌列車及軌道梁結(jié)構(gòu)特點影響，聲源點以上位置處實測值與采用軌道交通環(huán)評技術(shù)導(dǎo)則中列車運行輻射噪聲垂向指向性修正量計算值差異顯著，而聲源點以下區(qū)域，差異不明顯。為了規(guī)避上述問題，根據(jù)跨座式單軌列車輻射噪聲空間分布試驗結(jié)果及圖3.3，跨座式單軌輻射噪聲垂向分布以軌面為界分為上下兩層，軌面以上和軌面以下區(qū)域采用不同的實測噪聲源強，同時在式4.4中考慮垂向高度的影響，所以在實際預(yù)測中不再考慮垂向指向性修正。

（3）地面吸收衰減

采用軌道交通環(huán)評技術(shù)導(dǎo)則中規(guī)定的修正原則。

4.5 預(yù)測結(jié)果驗證

本次驗證數(shù)據(jù)來源于“重慶市快速軌道交通較場口—新山村線路工程竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告”。重慶單軌2號線起自渝中區(qū)的較場口，止于大渡口區(qū)的新山村，全長19.15 km；驗收調(diào)查期間開行列車130～139對/日，高峰小時開行列車10對。重慶市環(huán)境監(jiān)測中心站對龍家灣住宅樓、西郊路35號住宅樓等敏感點進行了現(xiàn)場實測。實測數(shù)據(jù)與相關(guān)預(yù)測結(jié)果的對比如表4.3所示。

“本文修正原則預(yù)測值”是根據(jù)單軌列車聲源分布特性及導(dǎo)則中預(yù)測模式，采用本次試驗實測源強進行分層預(yù)測，主要預(yù)測參數(shù)依據(jù)本次試驗結(jié)果而獲得的預(yù)測值；“根據(jù)導(dǎo)則公式預(yù)測值”是依據(jù)軌道交通環(huán)評技術(shù)導(dǎo)則中的預(yù)測模式、有關(guān)參數(shù)修正方法、規(guī)定的源強點及對應(yīng)的實測源強獲得的預(yù)測值?！败壍澜煌ㄘ暙I值”是根據(jù)實測總聲級與背景值計算獲取的。

由上表可知，采用本次試驗研究結(jié)果確定的主要參數(shù)修正原則獲得的預(yù)測值與實測值的誤差為0 dBA～1.7 dBA，而采用軌道交通環(huán)評技術(shù)導(dǎo)則中有關(guān)修正原則獲得的預(yù)測值與實測值的誤差為2.0 dBA～4.6 dBA，因此，采用本次試驗實測源強及本文確定主要預(yù)測參數(shù)修正方法獲得的預(yù)測值更接近實測值，說明本次試驗研究結(jié)果確定的有關(guān)預(yù)測方法、主要預(yù)測參數(shù)修正原則是可行的。

表4.3 重慶2號線單軌列車運行噪聲實測值與有關(guān)預(yù)測值對比表/dBA

5 結(jié)語

（1）通過對國內(nèi)運營的跨座式單軌交通現(xiàn)場試驗結(jié)果的分析，受跨座式單軌列車及軌道梁結(jié)構(gòu)特點影響，其輻射噪聲空間分布具有明顯的層次性，以軌面為界，軌面以下聲級水平明顯大于軌面以上，時速75 km/h時，距線路外軌中心線7.5 m、軌面以下1.5 m處其噪聲源強為81.3 dBA，高于軌面以上1.5 m處3.5 dBA；

（2）試驗結(jié)果表明，與跨座式單軌列車相比，普通地鐵及輕軌列車低頻部分能量比重要大于單軌；

（3）試驗結(jié)果表明，跨座式單軌列車輻射噪聲隨速度變化的關(guān)系與軌道交通環(huán)評技術(shù)導(dǎo)則中給出的速度修正公式基本吻合，但幾何發(fā)散衰減、垂向指向性修正有差異；

（4）以重慶2號線為例，對有關(guān)預(yù)測值進行了驗證分析，結(jié)果表明：采用本次試驗實測源強及本文確定主要預(yù)測參數(shù)修正方法獲得的預(yù)測值與實測值誤差1.7 dBA以內(nèi)，而根據(jù)導(dǎo)則中有關(guān)方法獲得預(yù)測值與實測值誤差在2.0 dBA～4.6 dBA，說明本次次試驗研究結(jié)果確定的有關(guān)預(yù)測方法、主要預(yù)測參數(shù)修正原則是可行的。

綜上述，本文提出如下建議：

①噪聲源強應(yīng)為列車最大垂向指向性方向輻射的列車通過等效噪聲級，跨座式單軌列車輻射噪聲源強測點應(yīng)增加軌面以下1.5 m處的位置；

②由于試驗邊界條件限制，本次試驗中未開展曲線半徑、坡度等線路條件與噪聲預(yù)測中有關(guān)參數(shù)修正的驗證性試驗，上述修正原則還有待深化研究；

③本次驗證僅僅依據(jù)重慶2號線環(huán)保驗收調(diào)查報告中給出的少量數(shù)據(jù)，且實測總聲級中軌道交通貢獻率較小，條件適宜時可選擇多點開展現(xiàn)場實測，進行充分驗證。

[1]環(huán)境保護部.環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通（HJ453-2008）［S］.2008.12.25

[2]北京市地下鐵道設(shè)計研究所.“環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通”編制說明［R］.北京，2007.

[3]肖俊.單軌交通應(yīng)用性分析［J］.電力機車與城軌車輛，2013，36（4）：20-22.

[4]周慶瑞，金鋒.新型城市軌道交通［M］.北京：中國鐵道出版社，2005.

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[10]李曉斌，蒲黔輝，楊永清.跨座式輕軌鋼軌道梁靜動力分析［J］.世界橋梁，2007，（3）：48-50.

[11]國家環(huán)境保護總局環(huán)境工程評估中心，《重慶市快速軌道交通較場口—新山村線路工程竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告》［R］.北京，2006.

Operation-noise Prediction andAnalysis for Straddle-type Monorail Trains

LIU Lan-hua,LI Yan-liang,WU Xiang-yang,HE Cai-song
（ChinaAcademy of Railway Sciences,Beijing 100081,China）

Technical guidelines of EIA has provided the method of noise prediction and the principle of parameters correction for urban rail transit,but noise prediction mode for the straddle type monorail trains can just refer to these guidelines only and their applicability have not been verified yet.In this paper,based on the results of field test of source intensity properties,vertical distribution,propagation attenuation law and speed characteristics of the straddle-type monorail-train radiation noise,the applicability of the relevant parameter correction principles and the noise prediction mode in technical guidelines of EIA to straddle-type monorail-train noise prediction were discussed,the main parameter correction method of straddle type monorail train noise prediction mode was established.The results were validated by the actual monitoring data.The rationality and effectiveness of the technical guidelines of the noise prediction methods and the main parameters correction were verified.

acoustics;urban rail trainsit;straddle type monorail trains;noise prediction

TB132；U238

：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.019

1006-1355(2015)01-0093-06

2014－04－28

北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司及中國鐵道科學(xué)研究院環(huán)保所技術(shù)服務(wù)項目（2014JZ087HB13）

劉蘭華（1977－），男，江西吉安人，副研究員，在職博士，主要研究方向：高速鐵路噪聲振動及其控制、環(huán)境影響評價技術(shù)研究。E-mail:zhypllh@126.com