高速鐵路噪聲源區(qū)劃及各區(qū)域聲源貢獻(xiàn)量分析

胡文林，胡敘洪，齊春雨，王少林

(1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都　610031; 2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司軌道交通勘察設(shè)計(jì)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，天津　300251)

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高速鐵路噪聲源區(qū)劃及各區(qū)域聲源貢獻(xiàn)量分析

胡文林1，2，胡敘洪2，齊春雨2，王少林2

(1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031; 2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司軌道交通勘察設(shè)計(jì)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，天津300251)

摘要:研究高速鐵路噪聲源區(qū)劃方法并分析各區(qū)域聲源貢獻(xiàn)量，對高速鐵路噪聲治理有重要意義。基于高速鐵路噪聲源辨識現(xiàn)場測試，分析得到噪聲源的位置和幅值。將噪聲源按高度劃分為輪軌區(qū)、車體下部、車體上部、集電系統(tǒng)和橋梁結(jié)構(gòu)等5個(gè)區(qū)域，進(jìn)一步將車體上部沿線路方向劃分為車頭區(qū)和非車頭區(qū)，將集電系統(tǒng)區(qū)域沿線路方向劃分為受電弓區(qū)和接觸網(wǎng)區(qū)。根據(jù)聲波能量疊加原理計(jì)算每個(gè)區(qū)域噪聲源輻射功率，研究各個(gè)區(qū)域聲源貢獻(xiàn)量。分析結(jié)果表明，列車以300 km/h運(yùn)行時(shí)，輪軌區(qū)噪聲占48%，車體下部噪聲占25%，合計(jì)占總噪聲的73%，對高速鐵路輻射噪聲起主導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞:高速鐵路;噪聲源辨識;噪聲源區(qū)劃;聲源貢獻(xiàn)

1　概述

噪聲水平是未來衡量高速鐵路先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。根據(jù)聲源的實(shí)際分布將高速鐵路噪聲源合理劃分為不同區(qū)域，并掌握每個(gè)區(qū)域噪聲源的幅值、頻譜和貢獻(xiàn)量，是研究高速鐵路噪聲控制技術(shù)、開展噪聲綜合治理的重要基礎(chǔ)。國內(nèi)外研究表明，高速鐵路噪聲是多種機(jī)理噪聲構(gòu)成的復(fù)合噪聲，主要包括輪軌噪聲、車體噪聲、集電系統(tǒng)噪聲和橋梁結(jié)構(gòu)噪聲等，具體來源可分為輪軌滾動噪聲、沖擊噪聲、曲線嘯叫噪聲等機(jī)械噪聲，列車頭部、轉(zhuǎn)向架、受電弓等部位引起的空氣動力噪聲，弓網(wǎng)摩擦、電弧噪聲，軌道振動傳遞至高架橋各部件引起的結(jié)構(gòu)噪聲等，幅值和頻譜特性與傳統(tǒng)鐵路差別較大［1-5］。為了研究高速鐵路噪聲源特性，采用傳聲器陣列進(jìn)行噪聲源定位和強(qiáng)度分析，是近年來最為流行測試分析手段［6-8］。由于噪聲源特性存在固有差異以及選擇的測試方法、區(qū)劃方法不同，日本、美國、德國、北歐等鐵路運(yùn)輸發(fā)達(dá)的國家或地區(qū)對高速鐵路噪聲源的定義和各區(qū)域聲源貢獻(xiàn)量有較大差別［4，9-11］。近幾年的現(xiàn)場測試分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)高速鐵路噪聲源特性與發(fā)達(dá)國家存在一定差異，國外噪聲源區(qū)劃方式及聲源貢獻(xiàn)量不能作為中國高速鐵路噪聲治理的依據(jù)。為避免因噪聲源認(rèn)識不統(tǒng)一造成治理方向偏差、影響噪聲治理效果，應(yīng)對中國高速鐵路噪聲源統(tǒng)一區(qū)劃并研究確定各區(qū)域聲源貢獻(xiàn)量。

本文基于傳聲器陣列進(jìn)行噪聲源辨識現(xiàn)場測試，采集列車通過時(shí)傳聲器陣列所在位置的噪聲信號，將高速列車及橋梁腹板表面劃分為數(shù)千個(gè)面積相等的網(wǎng)格，利用聲源辨識分析軟件由采集到的聲信號初步求得每個(gè)網(wǎng)格代表的點(diǎn)聲源幅值和頻譜。將高速鐵路噪聲源按高度劃分為輪軌區(qū)、車體下部、車體上部、集電系統(tǒng)和橋梁結(jié)構(gòu)等5個(gè)主要區(qū)域。沿線路方向進(jìn)一步將車體上部劃分為車頭區(qū)和非車頭區(qū)兩個(gè)子區(qū)，集電系統(tǒng)區(qū)域沿線路方向劃分為受電弓區(qū)和接觸網(wǎng)區(qū)2個(gè)子區(qū)。研究每個(gè)區(qū)域噪聲源能量貢獻(xiàn)量，分析確定主要噪聲源，為高速鐵路噪聲治理提供依據(jù)。

2　高速鐵路噪聲源辨識

采用B＆K快速移動聲源辨識系統(tǒng)進(jìn)行高速鐵路噪聲源辨識測試。該系統(tǒng)由傳聲器陣列、多通道數(shù)據(jù)采集分析儀(圖1)及PULSE18.0分析軟件組成，辨識頻率范圍200～6 300 Hz。利用波束形成、反卷積等算法對列車通過時(shí)陣列采集到的聲信號進(jìn)行處理［12］，獲得高速鐵路噪聲源幅值和空間分布的云圖。為簡化辨識分析過程，假設(shè)所有聲源位于同一平面，獲得的噪聲源云圖是實(shí)際聲源在該平面內(nèi)的投影。

圖1　噪聲源辨識采用的傳聲器陣列及多通道數(shù)據(jù)采集分析儀

圖2為列車以300 km/h運(yùn)行時(shí)高速鐵路噪聲源各頻率總輻射功率的云圖。云圖顯示的水平范圍為0～201 m，豎向范圍自軌面以下3 m至軌面以上6 m，覆蓋8列編組的動車組車頭至車尾、橋梁腹板下沿至接觸網(wǎng)之間的所有聲源。云圖水平分辨率為1 m，豎向分辨率為0.2 m，整個(gè)云圖劃分為201×46網(wǎng)格，噪聲源位于每個(gè)網(wǎng)格的中心。網(wǎng)格明暗對應(yīng)該點(diǎn)噪聲源幅值大小，越明亮表示聲源幅值越大。軌面以下0.5 m至軌面以上2 m的范圍內(nèi)存在一條聲源幅值較大的噪聲能量帶，其中車輪所在位置噪聲最為突出;列車頭部存在較強(qiáng)的局部噪聲源;第二節(jié)末端及第三節(jié)車廂連接部、車頂上方亮斑為受電弓噪聲源所在位置;軌面以下橋腹板位置也存在噪聲源。

圖2　列車以300 km/h運(yùn)行時(shí)高速鐵路噪聲源辨識結(jié)果云圖(豎向坐標(biāo)為聲源位置與軌頂?shù)南鄬Ω叨?，列車運(yùn)行方向向左)

3　噪聲源劃分及聲源貢獻(xiàn)量分析

圖2所示噪聲源辨識結(jié)果云圖不能直觀、定量地反應(yīng)高速鐵路不同發(fā)聲區(qū)域各自的噪聲貢獻(xiàn)量。將云圖中同一高度的點(diǎn)聲源輻射功率沿線路方向求和，獲得聲源輻射聲功率級隨高度的分布特性(圖3)，并結(jié)合高速列車和橋梁的實(shí)際高度，將高速鐵路噪聲源按高度劃分為輪軌區(qū)、車體下部、車體上部、集電系統(tǒng)、橋梁結(jié)構(gòu)等5個(gè)區(qū)域(圖4)，每個(gè)區(qū)域的高度范圍及主要噪聲來源如表1所示。輪軌區(qū)為軌面以下0.4 m至軌面以上1 m，覆蓋列車車輪及鋼軌，輪軌區(qū)噪聲以輪軌噪聲和轉(zhuǎn)向架空氣動力噪聲為主，軌面以上0.4 m附近幅值最大;由噪聲源云圖(圖2)和聲功率的高度分布(圖3)可知，車體噪聲大分布位于列車側(cè)下方和列車頂部附近，在軌面以上2.5 m附近噪聲相對較小，因此車體噪聲源分為車體下部和車體上部兩個(gè)區(qū)域，車體下部噪聲包含列車側(cè)下部及車頭偏下部的空氣動力噪聲，車體上部噪聲包括車頂部及車頭偏上部的空氣動力噪聲;集電系統(tǒng)為軌面以上3.9 m至軌面以上6 m，覆蓋受電弓和接觸網(wǎng)線高度，主要包括受電弓空氣動力噪聲、弓網(wǎng)摩擦噪聲、火花電弧噪聲;橋梁結(jié)構(gòu)噪聲為軌面以下3 m至軌面以下0.4 m，主要由橋梁腹板、翼板結(jié)構(gòu)輻射噪聲組成，由于橋梁底板主要面向地面輻射結(jié)構(gòu)振動噪聲，對距離線路較遠(yuǎn)處環(huán)境噪聲的影響有限，未考慮其對總噪聲的貢獻(xiàn)。

圖3　高速鐵路噪聲源輻射功率高度分布(A計(jì)權(quán))，豎向坐標(biāo)0 m為軌頂高程

圖4　高速鐵路按高度劃分的5個(gè)聲源區(qū)域

表1　高速鐵路橋梁段五個(gè)聲源區(qū)域范圍及主要噪聲來源

按上述劃分方法，每個(gè)區(qū)域噪聲源的輻射功率為

式中，i為輪軌區(qū)、車體下部、車體上部、集電系統(tǒng)和橋梁結(jié)構(gòu); Wi為第i個(gè)區(qū)域聲源的總輻射功率; x和y分別為云圖中水平坐標(biāo)和豎向坐標(biāo)，f為頻率; Wi(x，y)為云圖網(wǎng)格中心坐標(biāo)為(x，y)處點(diǎn)聲源的輻射功率; Nx為水平網(wǎng)格數(shù); Ny，i為第i個(gè)區(qū)域的豎向網(wǎng)格數(shù); Nf為200～6 300 Hz范圍內(nèi)1/3倍頻程頻帶個(gè)數(shù)。

每個(gè)區(qū)域噪聲源對高速鐵路總輻射噪聲的貢獻(xiàn)量為

式中，Pi為第i個(gè)區(qū)域聲源的貢獻(xiàn)量。

圖5為列車以300 km/h運(yùn)行時(shí)各區(qū)域噪聲源的貢獻(xiàn)量。其中，輪軌區(qū)噪聲占48%，車體下部噪聲占25%，合計(jì)占總噪聲的73%，對高速鐵路輻射噪聲起主導(dǎo)作用;車體上部噪聲占6%，集電系統(tǒng)噪聲占4%，合計(jì)占總噪聲的10%，對總噪聲的貢獻(xiàn)相對較小;橋梁結(jié)構(gòu)噪聲占17%，對總噪聲的貢獻(xiàn)比較有限。目前高速鐵路主要采取的環(huán)境噪聲治理措施為聲屏障［13-16］，可降低輪軌區(qū)和車體下部等主要噪聲源聲傳播，具有合理性。當(dāng)輪軌區(qū)、車體下部等主要噪聲源對環(huán)境的影響減小后，車體上部、集電系統(tǒng)和橋梁結(jié)構(gòu)噪聲等次要聲源對環(huán)境的影響可能會顯現(xiàn)。目前廣泛建設(shè)、使用的2.05 m和3.05 m直立式聲屏障對這些次要噪聲源的降噪能力有限，如欲進(jìn)一步降低高速鐵路噪聲，應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)噪聲等次要聲源降噪措施的開發(fā)予以一定程度的重視。

圖5　高速鐵路不同區(qū)域噪聲源對總噪聲貢獻(xiàn)量(A計(jì)權(quán))

對列車車頭和受電弓這兩處噪聲源的貢獻(xiàn)量做進(jìn)一步分析。由于列車車頭空氣動力噪聲源主要位于車體上部范圍內(nèi)(圖2)，因此只分析車體上部區(qū)域內(nèi)的車頭噪聲的貢獻(xiàn)量。將水平坐標(biāo)0～10 m、豎向坐標(biāo)2.5～3.9 m劃分為車頭區(qū)，其余范圍劃分為非車頭區(qū)，盡管車頭區(qū)局部噪聲功率密度較高，但由于聲源面積較小，只占車體上部的5%，對車體上部噪聲的總貢獻(xiàn)量只有14%(圖6)，對總噪聲的貢獻(xiàn)比例不足1%。將集電系統(tǒng)區(qū)域中水平坐標(biāo)45～60 m，軌面以上3.9～6 m劃分受電弓區(qū)，其對集電系統(tǒng)區(qū)域噪聲貢獻(xiàn)量只有26%(圖7)，對總噪聲的貢獻(xiàn)比例僅1%。以上分析表明，列車車頭、受電弓位置噪聲強(qiáng)度較大，但各自對車體上部、集電系統(tǒng)區(qū)域噪聲的貢獻(xiàn)比例較小，對環(huán)境噪聲的影響十分有限。

輪軌區(qū)噪聲包括輪軌機(jī)械噪聲和轉(zhuǎn)向架空氣動力噪聲，聲源位置重疊，僅靠噪聲源辨識測試難以進(jìn)一步細(xì)分，本文不作討論。

圖6　車頭區(qū)和非車頭區(qū)對車體上部噪聲的貢獻(xiàn)量(A計(jì)權(quán))

圖7　受電弓區(qū)和接觸網(wǎng)區(qū)分別對集電系統(tǒng)噪聲的貢獻(xiàn)量(A計(jì)權(quán))

4　結(jié)論

基于高速鐵路噪聲源辨識測試與分析結(jié)果，研究高速鐵路噪聲源的劃分方法，并分析每個(gè)區(qū)域噪聲源對總噪聲的貢獻(xiàn)量。

(1)將高速鐵路噪聲源按高度劃分為輪軌區(qū)、車體下部、車體上部、集電系統(tǒng)和橋梁結(jié)構(gòu)等5個(gè)主要區(qū)域。

(2)列車以300 km/h運(yùn)行時(shí)，輪軌區(qū)噪聲占48%，車體下部噪聲占25%，合計(jì)占總噪聲的73%，對高速鐵路輻射噪聲起主導(dǎo)作用，應(yīng)作為高速鐵路噪聲源的首要治理對象，目前采取的聲屏障等降噪措施具有合理性;橋梁結(jié)構(gòu)噪聲等次要噪聲源治理也應(yīng)予以一定程度的重視。

(3)對車體上部、集電系統(tǒng)區(qū)域進(jìn)一步細(xì)劃、分析表明，車頭區(qū)和受電弓區(qū)噪聲源能量密度相對較大，但由于聲源輻射面積小，對高速鐵路環(huán)境噪聲貢獻(xiàn)相對較小，應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要做選擇性治理。

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Division and Contribution Analysis of High-speed railway Noise Sources

HU Wen-lin1，2，HU Xu-hong2，QI Chun-yu2，WANG Shao-lin2
(1.State Key Laboratory of Tract Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 2.National and Local Joint Engineering Laboratory of Rail Traffic Survey and Design，The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

Abstract:Division and contribution analysis of high-speed railway noise sources are important for noise control.Locations and amplitudes of high-speed railway noise sources are determined through noise identification field tests.The sources are divided by height into wheel/track area，lower part of vehicle，upper part of vehicle，pantograph-catenary area and bridge area.For further analysis，the upper part of vehicle is divided in the direction of the line into head area and non-head area，and pantograph-catenary area is divided into pantograph area and catenary area.The noise contribution of each area is studied in terms of the total radiation power in each source area.Calculation results show that the noises in wheel/track area and the lower part of vehicle make up 48% and 25% separately，amount to 73% of the total，and dominate high-speed railway radiation noise.

Key words:High-speed railway; Noise source identification; Noise source division; Noise source contribution

作者簡介:胡文林(1984—)，男，工程師，2013年畢業(yè)于中國科學(xué)院聲學(xué)研究所信號與信息處理專業(yè)，工學(xué)博士，E-mail:392961046@ qq.com。

基金項(xiàng)目:國家863課題(2011AA11A103) ;天津市企業(yè)博士后創(chuàng)新項(xiàng)目擇優(yōu)資助計(jì)劃資助課題。

收稿日期:2015-08-25;修回日期:2015-08-28

文章編號:1004-2954(2016) 03-0163-04

中圖分類號:U238; X827

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.034