高速鐵路噪聲源區劃及各區域聲源貢獻量分析

胡文林，胡敘洪，齊春雨，王少林

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都　610031; 2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司軌道交通勘察設計國家地方聯合工程實驗室，天津　300251)

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高速鐵路噪聲源區劃及各區域聲源貢獻量分析

胡文林1，2，胡敘洪2，齊春雨2，王少林2

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031; 2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司軌道交通勘察設計國家地方聯合工程實驗室，天津300251)

摘要:研究高速鐵路噪聲源區劃方法并分析各區域聲源貢獻量，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、車體下部、車體上部、集電系統和橋梁結構等5個區域，進一步將車體上部沿線路方向劃分為車頭區和非車頭區，將集電系統區域沿線路方向劃分為受電弓區和接觸網區。根據聲波能量疊加原理計算每個區域噪聲源輻射功率，研究各個區域聲源貢獻量。分析結果表明，列車以300 km/h運行時，輪軌區噪聲占48%，車體下部噪聲占25%，合計占總噪聲的73%，對高速鐵路輻射噪聲起主導作用。

關鍵詞:高速鐵路;噪聲源辨識;噪聲源區劃;聲源貢獻

1　概述

噪聲水平是未來衡量高速鐵路先進性的重要指標之一。根據聲源的實際分布將高速鐵路噪聲源合理劃分為不同區域，并掌握每個區域噪聲源的幅值、頻譜和貢獻量，是研究高速鐵路噪聲控制技術、開展噪聲綜合治理的重要基礎。國內外研究表明，高速鐵路噪聲是多種機理噪聲構成的復合噪聲，主要包括輪軌噪聲、車體噪聲、集電系統噪聲和橋梁結構噪聲等，具體來源可分為輪軌滾動噪聲、沖擊噪聲、曲線嘯叫噪聲等機械噪聲，列車頭部、轉向架、受電弓等部位引起的空氣動力噪聲，弓網摩擦、電弧噪聲，軌道振動傳遞至高架橋各部件引起的結構噪聲等，幅值和頻譜特性與傳統鐵路差別較大［1-5］。為了研究高速鐵路噪聲源特性，采用傳聲器陣列進行噪聲源定位和強度分析，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、區劃方法不同，日本、美國、德國、北歐等鐵路運輸發達的國家或地區對高速鐵路噪聲源的定義和各區域聲源貢獻量有較大差別［4，9-11］。近幾年的現場測試分析發現，國內高速鐵路噪聲源特性與發達國家存在一定差異，國外噪聲源區劃方式及聲源貢獻量不能作為中國高速鐵路噪聲治理的依據。為避免因噪聲源認識不統一造成治理方向偏差、影響噪聲治理效果，應對中國高速鐵路噪聲源統一區劃并研究確定各區域聲源貢獻量。

本文基于傳聲器陣列進行噪聲源辨識現場測試，采集列車通過時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千個面積相等的網格，利用聲源辨識分析軟件由采集到的聲信號初步求得每個網格代表的點聲源幅值和頻譜。將高速鐵路噪聲源按高度劃分為輪軌區、車體下部、車體上部、集電系統和橋梁結構等5個主要區域。沿線路方向進一步將車體上部劃分為車頭區和非車頭區兩個子區，集電系統區域沿線路方向劃分為受電弓區和接觸網區2個子區。研究每個區域噪聲源能量貢獻量，分析確定主要噪聲源，為高速鐵路噪聲治理提供依據。

2　高速鐵路噪聲源辨識

采用B＆K快速移動聲源辨識系統進行高速鐵路噪聲源辨識測試。該系統由傳聲器陣列、多通道數據采集分析儀(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陣列采集到的聲信號進行處理［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，假設所有聲源位于同一平面，獲得的噪聲源云圖是實際聲源在該平面內的投影。

圖1　噪聲源辨識采用的傳聲器陣列及多通道數據采集分析儀

圖2為列車以300 km/h運行時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，整個云圖劃分為201×46網格，噪聲源位于每個網格的中心。網格明暗對應該點噪聲源幅值大小，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;列車頭部存在較強的局部噪聲源;第二節末端及第三節車廂連接部、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運行時高速鐵路噪聲源辨識結果云圖(豎向坐標為聲源位置與軌頂的相對高度，列車運行方向向左)

3　噪聲源劃分及聲源貢獻量分析

圖2所示噪聲源辨識結果云圖不能直觀、定量地反應高速鐵路不同發聲區域各自的噪聲貢獻量。將云圖中同一高度的點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)，并結合高速列車和橋梁的實際高度，將高速鐵路噪聲源按高度劃分為輪軌區、車體下部、車體上部、集電系統、橋梁結構等5個區域(圖4)，每個區域的高度范圍及主要噪聲來源如表1所示。輪軌區為軌面以下0.4 m至軌面以上1 m，覆蓋列車車輪及鋼軌，輪軌區噪聲以輪軌噪聲和轉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區域，車體下部噪聲包含列車側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;集電系統為軌面以上3.9 m至軌面以上6 m，覆蓋受電弓和接觸網線高度，主要包括受電弓空氣動力噪聲、弓網摩擦噪聲、火花電弧噪聲;橋梁結構噪聲為軌面以下3 m至軌面以下0.4 m，主要由橋梁腹板、翼板結構輻射噪聲組成，由于橋梁底板主要面向地面輻射結構振動噪聲，對距離線路較遠處環境噪聲的影響有限，未考慮其對總噪聲的貢獻。

圖3　高速鐵路噪聲源輻射功率高度分布(A計權)，豎向坐標0 m為軌頂高程

圖4　高速鐵路按高度劃分的5個聲源區域

表1　高速鐵路橋梁段五個聲源區域范圍及主要噪聲來源

按上述劃分方法，每個區域噪聲源的輻射功率為

式中，i為輪軌區、車體下部、車體上部、集電系統和橋梁結構; Wi為第i個區域聲源的總輻射功率; x和y分別為云圖中水平坐標和豎向坐標，f為頻率; Wi(x，y)為云圖網格中心坐標為(x，y)處點聲源的輻射功率; Nx為水平網格數; Ny，i為第i個區域的豎向網格數; Nf為200～6 300 Hz范圍內1/3倍頻程頻帶個數。

每個區域噪聲源對高速鐵路總輻射噪聲的貢獻量為

式中，Pi為第i個區域聲源的貢獻量。

圖5為列車以300 km/h運行時各區域噪聲源的貢獻量。其中，輪軌區噪聲占48%，車體下部噪聲占25%，合計占總噪聲的73%，對高速鐵路輻射噪聲起主導作用;車體上部噪聲占6%，集電系統噪聲占4%，合計占總噪聲的10%，對總噪聲的貢獻相對較小;橋梁結構噪聲占17%，對總噪聲的貢獻比較有限。目前高速鐵路主要采取的環境噪聲治理措施為聲屏障［13-16］，可降低輪軌區和車體下部等主要噪聲源聲傳播，具有合理性。當輪軌區、車體下部等主要噪聲源對環境的影響減小后，車體上部、集電系統和橋梁結構噪聲等次要聲源對環境的影響可能會顯現。目前廣泛建設、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，如欲進一步降低高速鐵路噪聲，應對橋梁結構噪聲等次要聲源降噪措施的開發予以一定程度的重視。

圖5　高速鐵路不同區域噪聲源對總噪聲貢獻量(A計權)

對列車車頭和受電弓這兩處噪聲源的貢獻量做進一步分析。由于列車車頭空氣動力噪聲源主要位于車體上部范圍內(圖2)，因此只分析車體上部區域內的車頭噪聲的貢獻量。將水平坐標0～10 m、豎向坐標2.5～3.9 m劃分為車頭區，其余范圍劃分為非車頭區，盡管車頭區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量只有14%(圖6)，對總噪聲的貢獻比例不足1%。將集電系統區域中水平坐標45～60 m，軌面以上3.9～6 m劃分受電弓區，其對集電系統區域噪聲貢獻量只有26%(圖7)，對總噪聲的貢獻比例僅1%。以上分析表明，列車車頭、受電弓位置噪聲強度較大，但各自對車體上部、集電系統區域噪聲的貢獻比例較小，對環境噪聲的影響十分有限。

輪軌區噪聲包括輪軌機械噪聲和轉向架空氣動力噪聲，聲源位置重疊，僅靠噪聲源辨識測試難以進一步細分，本文不作討論。

圖6　車頭區和非車頭區對車體上部噪聲的貢獻量(A計權)

圖7　受電弓區和接觸網區分別對集電系統噪聲的貢獻量(A計權)

4　結論

基于高速鐵路噪聲源辨識測試與分析結果，研究高速鐵路噪聲源的劃分方法，并分析每個區域噪聲源對總噪聲的貢獻量。

(1)將高速鐵路噪聲源按高度劃分為輪軌區、車體下部、車體上部、集電系統和橋梁結構等5個主要區域。

(2)列車以300 km/h運行時，輪軌區噪聲占48%，車體下部噪聲占25%，合計占總噪聲的73%，對高速鐵路輻射噪聲起主導作用，應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;橋梁結構噪聲等次要噪聲源治理也應予以一定程度的重視。

(3)對車體上部、集電系統區域進一步細劃、分析表明，車頭區和受電弓區噪聲源能量密度相對較大，但由于聲源輻射面積小，對高速鐵路環境噪聲貢獻相對較小，應結合實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年畢業于中國科學院聲學研究所信號與信息處理專業，工學博士，E-mail:392961046@ qq.com。

基金項目:國家863課題(2011AA11A103) ;天津市企業博士后創新項目擇優資助計劃資助課題。

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

文獻標識碼:

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.034