Cadna/A軟件在高速鐵路聲環境影響評價中的應用

徐志勝

中國中鐵二院工程集團有限責任公司環境工程研究院，四川 成都 610031

要科學評價高速鐵路噪聲對環境的影響，設計滿足降噪目標的高速鐵路聲屏障，兩大基礎技術工作不可回避:1)高速鐵路噪聲的計算方法;2)聲屏障降噪效果的計算。在測試研究的基礎上，我國于2010年對《鐵路建設項目環境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導意見》(鐵計〔2006〕44號)［1］進行了修訂，發布了《鐵路建設項目環境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導意見(2010年修訂稿)》(鐵計〔2010〕44號，以下簡稱 44號文)［2］。44號文不僅是指導選擇噪聲源強的法律文件，同時也是鐵路噪聲計算技術的導則。對鐵路聲屏障的降噪效果計算，44號文直接引用了HJ/T 90—2004《聲屏障聲學設計和測量規范》［3］的計算方法。44號文和HJ/T 90—2004是現階段我國在高速鐵路環境影響評價與聲屏障設計中進行聲學計算的主要依據。

迄今為止，鮮有基于44號文所開發的商用軟件。目前，用于鐵路噪聲預測的商用軟件(如Soundplan，Cadna/A等)所依據的計算模式是德國的Schall03方法，該方法與44號文的計算模式有一定的差異，因此，在基于國外軟件計算鐵路噪聲時應作適當修正［4］。筆者通過分析高速鐵路噪聲源及聲屏障插入后的聲傳播特征，以Cadna/A噪聲計算模式等為基礎，建立了基于Cadna/A軟件的我國高速鐵路噪聲預測模型。用該模型對高速鐵路噪聲進行計算，并以國外聲源強和基于測試的44號文的聲源強及其噪聲預測模式進行驗證，對模型參數進行了修正，分析了修正后模型的適用性。

1 高速鐵路噪聲特點

1.1 高速鐵路聲源組成

高速鐵路噪聲是由各種類型的噪聲組合而成。按噪聲產生的部位分類識別，可分為車輛下部噪聲(主要為輪軌噪聲)、車輛上部空氣動力噪聲、集電系統噪聲和橋梁結構噪聲［5］(圖1)。

圖1 高速鐵路噪聲來源示意Fig.1 Noise source of high-speed railway

日本是高速鐵路發展較早的國家之一，對新干線鐵路噪聲的研究也比較深入。研究［6］表明，當高速鐵路走行速度超過300 km/h時，空氣動力噪聲、車輛下部輪軌噪聲、集電系統噪聲貢獻是主要的，且貢獻量趨于一致。而橋梁結構噪聲的貢獻則始終處于相對較低的水平(表1)。

表1 日本新干線噪聲源強的最大聲級(Lmax)Table 1 Noise level for SHINKANSHEN of Japan

1.2 高速鐵路噪聲輻射水平歷史變遷

表2為不同時期高速鐵路輻射噪聲的Lmax情況。由于各國列車與線路技術條件、測點的選取等因素不一致，無法互相比較。但是，由表2可知，隨著高速鐵路車輛及線路技術的進步，各國鐵路噪聲輻射水平總體上都在降低。我國高速鐵路雖然起步較晚，但在噪聲控制方面表現不亞于其他國家。

表2 不同時期高速鐵路輻射噪聲的LmaxTable 2 Noise level of high-speed railway for different periods

1.3 高速鐵路頻譜特性

通過頻譜分析可了解噪聲的成分和性質，從而有效控制它。圖2為典型的高速鐵路噪聲頻譜［7］。從圖2可知，列車高速運行噪聲在低頻段(31.5～63 Hz)能量較為集中，而在中高頻段則呈較為明顯的寬頻特征，能量主要分布在500～4000 Hz。考慮到人耳的低頻過濾特性，對人類構成主要影響的列車噪聲成分主要集中在500～4000 Hz。

圖2 高速鐵路噪聲頻譜特性Fig.2 Frequency spectra of high-speed railway noise

1.4 高速鐵路聲屏障對聲波的影響

當鐵路軌道外側設置了聲屏障以后，聲波可通過以下幾種途徑進行傳播［8-10］。

(1)越過聲屏障頂部和端部，通過繞射(衍射)到達受聲點。繞射不會改變噪聲的能量，但卻能改變聲波的傳播方向，使到達特定受聲點的聲能量降低。通過繞射方法使特定受聲點接收到的聲能降低的程度，用繞射損失來表示。繞射損失主要受聲屏障的高度和長度、聲屏障設置的位置、聲屏障的形狀等因素影響。設計高速鐵路聲屏障時，高度、長度、形狀是重要參數，而聲屏障位置選擇余地則不大。

(2)聲屏障的透射。一般而言，聲屏障材料質量越大、尺寸越厚，透過聲屏障的聲能就越小，透射損失就越大，隔聲性能就越好［11-12］。所以像磚墻、水泥墻或厚鋼板、鉛板等面密度大的材料，隔聲效果比較好。因此，在設計聲屏障時，首先要保證聲屏障具有足夠的面密度和厚度。大部分材料對高頻效應明顯，但有些材料，厚度增大，低頻的隔聲效果并不明顯，甚至可能產生所謂的吻合效應，出現隔聲吻合谷。如果吻合谷出現在聲源的主要頻率范圍，將使聲屏障的隔聲性能大大降低，應予以避免。在設計高速鐵路聲屏障時，應綜合考慮聲屏障隔聲單元板的厚度、面密度、彈性模量、阻尼等參數的合理匹配，避免隔聲單元的彎曲波共振頻率與高速鐵路噪聲的主頻范圍重疊，設計出在相同插入損失情況下材料最省，造價最低的聲屏障。

(3)聲屏障及車體的反射，最終通過聲屏障頂部和端部的衍射到達受聲點。由于列車高度為4.0 m左右，其側面與聲屏障之間構成了一個聲波互相反射的結構。因此，與公路不同，鐵路即使是單側聲屏障，從聲學效果來說，卻是雙側聲屏障。由于列車表面屬于剛性面，因此對單側聲屏障的吸聲處理顯得極為重要。

2 基于Schall03規范的鐵路噪聲預測模式

Cadna/A軟件是獲得廣泛應用的環境噪聲預測軟件。利用該軟件，可以模擬工業噪聲、交通噪聲、鐵路噪聲、機場噪聲，從而對聲屏障進行優化設計。該軟件在2001年獲得原國家環境保護總局的認證，作為聲環境影響評價推薦的工具軟件。目前，該軟件已在工業、公路、城市軌道交通環境影響評價及其降噪工程設計中得到了應用并積累了一些經驗［13-16］，但在鐵路環境影響評價與降噪設計中卻鮮有應用。筆者利用基于德國Schall03規范的Cadna/A軟件對鐵路(含軌道交通、磁浮交通)噪聲進行了計算［17］。

2.1 鐵路輻射噪聲級

根據Schall03規范，鐵路輻射噪聲級Lm，E是指鐵路無限長，在自由聲場條件下，水平距離鐵路軸線25 m，高于軌面3.5 m處的平均聲壓級，dB。鐵路噪聲預測概略如圖3所示。

圖3 Schall03鐵路噪聲預測概略Fig.3 Schematic of railway noise by Schall03

計算輻射噪聲級Lm，E:

式中，i為通過的列車總數;DFz為列車類型修正值;DD為剎車類型修正值;Dl為火車長度的修正值;Dv為速度修正值;DFb為鐵軌類型的修正值;DBr為橋梁修正值;DBc為交叉道口的修正值;DRa為鐵路彎道進行修正值。上述修正值的單位均為dB。詳見文獻［17］。

2.2 計算預測點的聲壓級

根據Schall03規范，將鐵路劃分為若干小段(k)，各小段的長度為 0.01Sk～0.5Sk。其中，Sk為預測點O與k小段中點之間的距離，m;S⊥，j為預測點O到線聲源的距離，m;S0為S⊥，j的水平投影，m(圖4)。

圖4 預測點噪聲計算示意Fig.4 Schematic of noise calculating for receive point

Lr，k為各小段對預測點O的影響值，dB。其公式為:

式中，Lm，E，k為 k 小段鐵路輻射噪聲級，dB;lk為每小段的長度，m;Dl，k為方向性引起的聲壓級修正值，dB;Ds，k為幾何發射衰減值，dB;DL，k為空氣吸收引起的衰減值，dB;DBM，k為地面吸收和氣候影響引起的修正值，dB;DKorr，k為傳播路徑的影響值，dB(2.3節);S為當鐵路噪聲對預測點的影響，相對小于其他噪聲源時進行的修正值，dB。

對每小段輻射噪聲級進行能量疊加，最終得到預測點噪聲級 Lr，tot為:

2.3 傳播路徑的影響

傳播途徑的影響指的是障礙物影響，可以模擬成薄屏障和厚屏障的影響。Cadna/A軟件依據惠更斯-菲涅爾原理對聲屏障的插入損失進行計算。按照虛聲源假定，采用鏡向法計算聲屏障的反射。如果聲源位于平行反射面之間或封閉空間內，則可按多次反射進行計算。

2.3.1 插入損失

插入損失的計算公式:

式中，DBM，k為地面吸收和氣候影響引起的修正值，dB;Kw，k為氣候影響修正值，dB;zk為聲程差值，m。

對于薄屏障(如聲屏障、寬路堤、路塹等，圖5)，聲程差值由式(5)確定。對于厚屏障(如山梁、房屋等，圖6)，聲程差值由式(6)確定。

式中，aQ，k為聲源到屏障上沿的距離，m;aA，k為預測點到屏障上沿的距離，m;Sk為聲源到預測點的距離，m。

2.3.2 反射計算

按照鏡向法計算反射。如果鐵路軌道位于平行反射墻或封閉建筑物之間，按照鏡向法進行一次反射計算，多次反射按下式進行計算:

式中，h為建筑物平均高度，m;w為平行反射墻或封閉建筑物間的距離，m。

3 高速鐵路噪聲模擬

3.1 聲源模型化的基本假定

3.1.1 關于聲源性質的假定

44號文及Schall03規范均未細分橋梁結構噪聲、車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集點系統噪聲。其中，Schall03規范將車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集點系統噪聲看做一個整體線聲源，而將橋梁噪聲作為一個聲源修正項來考慮。44號文則分別給出橋梁、路堤線路條件下的線聲源的聲源強，相當于考慮了橋梁的修正。

Cadna/A遵循Schall03規范將鐵路聲源看做線聲源的同時，允許用戶對車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集點系統噪聲分別進行定義。由此，可以將聲源模型按以下3種方式定義。

(1)單一線源模型:不細分車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集電系統噪聲，將鐵路噪聲看做一個有限長線聲源。這是44號文的定義，也是Cadna/A的默認定義。

(2)線線點源組合模型:車輛下部噪聲定義為有限長線聲源，空氣動力噪聲定義為有限長線聲源，集電系統噪聲定義為點聲源。

(3)線面點源組合模型:車輛下部噪聲定義為有限長線聲源，空氣動力噪聲定義為有限長面聲源，集電系統噪聲定義為點聲源。

3.1.2 關于聲源等效高度的假定

44號文及Schall03規范均未對聲源高度作出規定。根據3.1.1節的聲源性質假定，可對上述3個模型的聲源等效高度做如下設置。

(1)單一線源模型:在普速鐵路，由于主要是車輛下部輪軌噪聲的貢獻，通常將線聲源高度設在車輪中心位置，即高于軌面約0.5 m處。這對于高速鐵路已經不適合，建議設在軌面以上1.0～3.5 m。

(2)線線點源組合模型:車輛下部噪聲設在軌面以上約0.5 m處;空氣動力噪聲為軌面至車體頂部，即高于軌面約4.0 m的范圍;集電系統噪聲高度為受電弓與接觸網交接的位置，即高于軌面約4.5 m。

(3)線面點源組合模型:車輛下部噪聲設在軌面以上約0.5 m處;空氣動力噪聲高于軌面約2.0～3.5 m;集電系統噪聲高于軌面約4.5 m。

3.1.3 典型模型

典型的上下行線鐵路的Cadna/A噪聲預測模型3D圖如圖7所示，聲源分別按單一線源模型、線線點源組合模型、線面點源組合模型的性質與等效高度進行設置。橋面、防護墻起隔聲的作用。模型中，橋梁高12 m，寬12 m，梁體中心線左右2.5 m為軌道中心線。防護墻距近軌中心線2.05 m，高于橋面1.0 m。沿線地形平坦，無地物。

Cadna/A模型中未提供中國列車模型，但是，我國的CRH3型動車組是脫胎于德國ICE城際列車，因此選取模型中提供德國ICE列車并做車型修正是一個可選方案。

3.2 預測結果驗證與修正

3.2.1 參考位置聲級修正

德國ICE列車目前的單列車通過噪聲水平約為90 dB(A)?？坡≈练ㄌm克福城際高速鐵路是德國于2002年建成使用的高速鐵路，采用ICE3(CRH3的原型)動車組。模型中列車選用ICE，8節編組;單軌運行，行駛速度為300 km/h。利用Cadna/A單一線源模型進行預測，獲得距鐵路近軌中心線25 m，高于軌面3.5 m處的噪聲時間歷程曲線如圖8所示(見修正前ICE噪聲時間歷程曲線)。根據高速鐵路聲源組成特點，在采用單一線源模型時，設定線聲源等效高度為高于軌面3.5 m。獲得列車通過近側軌道時的Lmax為95.5 dB(A)?？梢?，這個結果與20世紀80年代德國ICE的93 dB(A)的噪聲水平較接近，但與目前的90 dB(A)噪聲水平相去較遠。ICE系列高速列車主要有ICE1，ICE2，ICE3等，模型中并未分別給出，因為Cadna/A模型的優點之一就是可以根據列車類型對各種類型的列車進行噪聲修正。修正后獲得符合 ICE現狀聲級、我國CRH3現狀聲級的時間歷程曲線(圖8)。同理，采用線線點源組合模型、線面點源組合模型時，均可以通過列車類型修正，以獲得符合44號文的參考位置噪聲源強值。

圖7 上下行線鐵路的Cadna/A噪聲預測模型3D圖Fig.7 Three-dimensions of Cadna/A noise model for double rails

3.2.2 等效聲級的驗證與比較分析

圖8 修正前后模型預測噪聲時間歷程曲線Fig.8 Time history of noise before and after corrections

設定上、下行列車晝間共192對，線聲源高度按3種情況設置，分別為高于軌面1.5，2.5和3.5 m，其他條件相同。按44號文提供的預測模式和Cadna/A軟件的方法進行計算。由于44號文的源強值是代表實測結果的，因此在利用Cadna/A計算時，通過調整模型參數，使聲源強參考位置(高于軌面3.5 m，距離近軌水平距離25 m，下同。)的晝、夜等效聲級與基于44號文源強參考位置的晝、夜等效聲級值相等，以便使Cadna/A模型在參考位置的晝、夜等效聲級與基于44號文相應位置的晝、夜等效聲級值相等。其中，對于Cadna/A單一線源模型，通過調節線源中的參數達成;對于Cadna/A線線點源組合模型以及Cadna/A線面點源組合模型，則依據車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集電系統噪聲在參考位置的貢獻量相當的特點，通過調整模型中車輛下部噪聲、空氣動力噪聲、集電系統噪聲各自的參數達成。在研究中，根據44號文，獲得參考位置的晝間等效聲級為68 dB(A)。因此，將Cadna/A模型在參考位置的等效聲級也調整為68 dB(A)。

Cadna/A線面點源組合模型是最為接近聲源本身特點的模型，計算結果最為可靠，因此在討論其他模型計算結果是否可靠時，可以用Cadna/A線面點源組合模型的結果為參照。計算獲得高于軌面1.5 m及高于地面1.5 m，距近軌中心線不同距離處的晝間等效連續A聲級見表3。由表3可知:1)44號文模型，Cadna/A單一線源模型，Cadna/A線線點源組合模型與Cadna/A線面點源組合模型計算結果比較一致;2)對于44號文模型，Cadna/A單一線源模型，Cadna/A線線點源組合模型中線聲源的等效高度對距近軌中心線30～200 m范圍的噪聲計算結果沒有顯著影響。

表3 距近軌中心線不同距離處的晝間等效連續A聲級Table 3 Equivalent continuous A-weighted sound pressure level with variation of distance from rail

選取Cadna/A單一線源模型，Cadna/A線線點源組合模型，Cadna/A線面點源組合模型，計算相應的垂向等值線圖，如圖9所示。由圖9可知，在距近軌中心線200 m范圍內，線面點源組合模型聲波衰減相對較小，但無明顯差別。可見，Cadna/A單一線源模型，Cadna/A線線點源組合模型，Cadna/A線面點源組合模型均適用于高速鐵路聲環境影響預測。

圖9 Cadna/A模型垂向噪聲等值線Fig.9 Vertical-grid noise map by Cadna/A models

3.2.3 聲屏障插入損失的比較分析

由于列車高度達4.0 m左右，其側面與聲屏障之間構成了聲波互相反射的結構。根據鐵路聲屏障的這一特點，在計算聲屏障插入損失的時候，車體應按反射式聲屏障來處理。Cadna/A模型中，可考慮在對側加上一個高于軌面約4.0 m的反射式聲屏障?；谶@一思路，建立高速鐵路聲屏障模型，如圖10所示。

圖10 含聲屏障的線面點源模型3D圖Fig.10 Three-dimensions of Cadna/A model of line-area-point noise source

對高速鐵路聲屏障降噪效果的監測表明:3 m高的聲屏障在距離近軌中心線30 m，在高于地面1.5 m至高于軌面1.5 m范圍內的插入損失為3～9 dB(A)［18］。在上行側設置聲屏障，分別按44號文提供的預測模式和Cadna/A軟件的方法進行計算，獲得聲屏障中間斷面高于軌面1.5 m及高于地面1.5 m，距近軌中心線不同距離處的晝間等效連續A聲級插入損失(表4)。由表4可見:1)利用44號文計算插入損失時，計算結果與實測結果偏離較大;2)單一線源模型與等效高度小于2.5 m時，插入損失計算結果與實測結果偏離較大;3)Cadna/A線面點源組合模型、線線點源組合模型以及等效高度大于2.5 m的Cadna/A等效線源模型的插入損失計算結果與實測結果比較接近。

表4 聲屏障插入損失Table 4 Insertion loss of sound barrier

4 結論與展望

(1)只需對Cadna/A軟件模型參數做適當驗證性修正，該軟件即可適用于我國高速鐵路噪聲的環境影響預測。

(2)基于Cadna/A軟件的鐵路聲屏障模型可以用于指導聲屏障優化設計工作。

今后，將對聲源類別的假定及其等效高度給予更深入的分析與修正，并在聲屏障參數對降噪效果的影響方面做進一步工作，使高速鐵路噪聲及聲屏障降噪效果預測的結果更趨合理。在此基礎上積累經驗，不斷改進模型參數，使Cadna/A軟件發揮其強大的計算和地形地物處理能力，同時滿足我國高速鐵路工程環境影響評價與高速鐵路聲屏障設計的要求。

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