日本新干線列車噪聲聲源分布及主動降噪實車試驗研究綜述

晉永榮 陳曉麗

摘 要：高速列車的噪聲嚴重影響人的身心健康，列車速度提高后，氣動噪聲將成為列車噪聲的主要組成部分。認識列車噪聲聲源的分布，采取主動降噪的方法控制噪聲幅值，顯得尤為重要。我國高速鐵路發展起步較晚，我國對于列車噪聲聲源方面的研究相對較少，國外研究的方法和結論可為我們認識列車噪聲提供借鑒。本文以日本新干線列車實車試驗結果為基礎，介紹了日本新干線列車噪聲聲源分布情況及日本高速鐵路主動降噪措施。

關鍵詞：日本新干線列車；降噪；噪聲污染

中圖分類號：U467.493；U270.16 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）03-0168-03

Overview of Research on Noise Source Distribution and Active Noise Reduction of

Shinkansen Trains in Japan

JIN Yongrong，CHEN Xiaoli

（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China）

Abstract：The noise of high-speed train seriously affects people’s physical and mental health. With the increase of train speed，aerodynamic noise will become the main component of train noise. It is particularly important to understand the distribution of train noise sources and adopt active noise reduction method to control the noise amplitude. The development of high-speed railway in China started relatively late，and the research on the noise sources of trains in China is relatively few. The methods and conclusions of foreign research can provide us with reference to understand the noise sources of trains. Based on the test results of Shinkansen trains in Japan，this paper introduces the noise source distribution of Shinkansen trains in Japan and the active noise reduction measures of Japan’s high-speed railway.

Keywords：Shinkansen train in Japan；noise reduction；noise pollution

0 引 言

隨著社會的不斷進步，噪聲污染已成為城市污染最為突出的部分，噪聲嚴重影響人的身心健康。日本科學家研究表明，氣動噪聲幅值與列車速度的6次方成正比[1]，列車速度提高后，噪聲問題日益突出，日本法律規定，新干線列車產生的噪聲傳播到與線路垂直距離為25m的位置時，測得的A計權聲壓值必須在75dB以內[1]，為了將高速列車噪聲幅值控制在這一范圍內，日本科學家做了大量的研究。

為了準確確定氣動噪聲聲源的位置，有效降低氣動噪聲幅值，日本實車試驗時，將高速列車運行過程中產生噪聲的聲源分為以下幾個部分：

（1）列車底部，其產生的噪聲包括輪軌噪聲、轉向架機械噪聲和氣動噪聲等；

（2）受電弓氣動噪聲，主要指高速列車運行過程中產生的氣動噪聲；

（3）高速列車車頂其他設施，其產生噪聲主要包括絕緣子、風擋、空調風道格柵、列車車體不光滑表面等產生的噪聲；

（4）路基，其產生的噪聲主要包括橋梁、軌道振動產生的噪聲[1，2]。

在經歷了六次大提速后，我國高速列車氣動噪聲問題也逐漸突顯出來，由此可以預見，隨著列車速度的進一步提高，列車噪聲問題也將更加突出，可能影響鐵路沿線居民的健康。因此，有效控制高速列車噪聲已成為高速列車研發設計人員必須考慮的問題。

高速列車降噪措施主要分為兩類，一類是被動降噪，一類是主動降噪。在被動降噪方面，日本、德國都進行了大量的研究，日本在新干線鐵路沿線修建了高為1m到2m的噪聲屏蔽墻[2]，德國在隧道內鋪設了減噪設施[3]。在主動降噪方面，日本從70年代開始，進行了大量的實車試驗，本文將主要介紹日本實車試驗的方法、過程及結果。

1 試驗工況

日本新干線列車實車試驗從1985年開始，試驗工況如表1所示，其中A組、B組、C組數據是在列車速度為210Km/h時測得的，D組、E組、E’組數據是在列車速度為240Km/h時測得的，F組、F’組、G組、G’組數據是在列車速度為270Km/h時測得的，H組、H’組、I組、I’組數據是在列車速度為300Km/h時測得的[1]。

2 測點

如圖1所示，在距離軌道中心25m的位置設置噪聲采集器，噪聲采集器由定向聲波采集器和普通聲波采集器組成。噪聲采集器設置于橋梁下方，距離地面高1.2m的位置。試驗橋梁高8.9m，線路兩側有高約1.8m的噪聲屏蔽墻[1，2]。

3 試驗過程及結論

圖2為噪聲采集器采集的各種工況下高速列車不同部分的氣動噪聲幅值。其中A～I組數據為普通聲波采集器采集得到的數據，E’～I’組數據為定向聲波采集器采集得到的數據。

（1）圖中A組數據是在20世紀70年代，日本新干線沿線剛剛修建了噪聲屏蔽墻后，在測點位置測量得到的噪聲幅值，新干線列車速度為210Km/h，由圖可見，盡管修建了噪聲屏蔽墻，但車底設備噪聲與電火花噪聲依然是高速列車噪聲的主要組成部分。

（2）1985年，日本高速列車車身流線型得到優化，輪軌噪聲降低，如圖中B組數據所示，列車運行速度為210Km/h。

（3）C組數據是在徹底消除了電火花噪聲之后獲得的數據。

（4）電火花噪聲消除之后，受電弓氣動噪聲成為新干線噪聲的主要組成部分，氣動噪聲主要是由高速列車受電弓、橡膠絕緣子、裙板格柵、風擋、空調等設備產生，這些車身位置表面流線型較差，容易引起周圍氣體渦脫落，產生氣動噪聲。圖中D組數據為1986年新干線列車速度進一步提高到240Km/h后，測量得到的噪聲值，由圖可見，噪聲幅值提高到了77dB，造成氣動噪聲幅值急速增大的原因是氣動噪聲幅值與列車速度的6次方成正比。

（5）為了解決列車速度提高后引起的噪聲幅值增大的問題，日本對高速列車的車身表面進行了進一步優化，圖中E組、E’組數據是在優化了受電弓羊角后測量得到的，由數據可見，受電弓羊角優化后，受電弓氣動噪聲幅值降低，但氣動噪聲還保持相對較大的值。

（6）20世紀90年代，當新干線列車速度提高到270 Km/h后，有效降低氣動噪聲更為迫切，日本通過進一步優化車身表面，降低了列車氣動噪聲幅值，如圖中F組、F’組、G組、G’組數據所示。

（7）新干線列車速度提高到300Km/h之后，列車噪聲幅值隨著列車速度逐步增大，為解決這一問題，日本研發了低噪受電弓——高速T型受電弓，如圖中H組、H’組數據所示，新干線列車裝配低噪受電弓后，噪聲得到了有效的控制，可見低噪受電弓能夠有效降低高速列車氣動噪聲。此外，日本還對列車車身表面進行了更進一步的優化，替換了原來使用的絕緣子等產生較高噪聲幅值的設備，測量得到圖中I組、I’組數據。

4 結 論

我國高速列車速度進一步提高后，列車噪聲問題也逐步突顯，認識噪聲聲源的分布，采取措施有效地控制噪聲幅值十分必要。日本在上世紀70年代開始研究高速列車噪聲聲源的分布及主動降噪措施，大量的實車試驗結論和數據能夠幫助我們認識噪聲聲源的分布，日本主動降噪的研究結論可供我國高速列車降噪研究參考。

參考文獻：

[1] Kitagawa T，Nagakura K. Aerodynamic noise generated by shinkansen cars [J].Journal of Sound and Vibration，2000，231（3）：913-924.

[2] Wakabayashi Y，Kurita T，Yamada H，et al. Noise Measurement Results of Shinkansen High-Speed Test Train （FASTECH360S，Z） [M]// Noise and Vibration Mitigation for Rail Transportation Systems，2008：63-70.

[3] 晉永榮，梅元貴.德國高速列車ICE3隧道微壓波試驗研究綜述 [J].國外鐵道車輛，2013，50（5）：1-6.

[4] Nagakura K.Localization of aerodynamic noise sources of Shinkansen trains [J]. Journal of Sound and Vibration，2006，293（3-5）：547-556.

[5] 張曙光.高速列車設計方法研究 [M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[6] 錢立新.世界高速鐵路技術 [M].北京：中國鐵道出版社，2003.

作者簡介：晉永榮（1988-），男，漢族，甘肅定西人，講師，碩士研究生，研究方向：高速列車空氣動力學；陳曉麗（1990-），女，漢族，甘肅蘭州人，助教，碩士研究生，研究方向：列車轉向架優化設計。