重載鐵路引起的建筑物二次輻射噪聲預測及試驗研究

邵琳(中國鐵道科學研究院，北京　100081)

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重載鐵路引起的建筑物二次輻射噪聲預測及試驗研究

邵琳
(中國鐵道科學研究院，北京100081)

摘要:目前國內尚無重載鐵路二次輻射噪聲預測的計算方法。本文基于Kurzweil模型推導了重載鐵路沿線二次輻射噪聲計算方法，并計算了重載鐵路沿線一砌體房屋內的二次輻射噪聲。實測結果與計算的A聲級二次輻射噪聲極為接近，各頻帶變化基本一致。由于模型沒有考慮建筑物各頻帶聲輻射效率的差異，個別頻帶計算值與測試值存在一定差異。

關鍵詞:重載鐵路二次輻射噪聲預測試驗研究

重載列車運行時軌道受沖擊作用產生振動。振動經過土層傳播并衰減，當傳播至建筑物基礎時激起周邊建筑物的地板、墻體、天花板等部位的振動。這些物體的振動會作為聲源再次向空間輻射噪聲，產生二次噪聲，屬于一種低頻噪聲。低頻噪聲會給人帶來一系列生理和心理的不適癥狀。有關研究表明，低聲級低頻噪聲對人類行為產生影響，并且這種影響的機制十分復雜［1］。國內城市軌道交通領域將二次輻射噪聲定義為被激勵產生振動的建筑構件固體表面振動向周圍空氣介質輻射的聲壓波。二次輻射噪聲亦稱固體噪聲，其頻率范圍在16～200 Hz［2］。

目前國內尚未開展鐵路二次輻射噪聲預測模式研究。本文通過建立理論計算模型，預測重載鐵路運行時產生的二次輻射噪聲，并通過實際測量數據進行了對比分析，對預測結果予以驗證。

1　二次輻射噪聲預測模式

國內對于鐵路及城市軌道交通地面線路沿線建筑物二次輻射噪聲尚無成熟的預測模式，僅針對城市軌道交通地下線路，對于隧道垂直上方或距外軌中心線兩側10 m范圍內的振動環境保護目標，給出了列車運行時建筑物內最低樓層室內中部的二次結構噪聲預測計算式［3］，如下式。

i = 1

式中:Lp為建筑物內的A計權聲壓級，dB(A);Lp，i(f)為未計權的建筑物內的聲壓級，dB;VLi(f)為與頻率相對應的建筑物內的振動加速度級，dB;Cf，i為第i個頻帶的A計權修正值，dB(A);f為1/3倍頻帶中心頻率(16～200 Hz);n為1/3倍頻帶數。

上述預測模式對于地面線路建筑物二次輻射噪聲的適用性有待驗證。為預測重載鐵路沿線建筑物室內由于壁面結構振動而產生的二次輻射噪聲，本文基于Kurzweil模型方法進行預測。由地板或壁面結構振動輻射的聲功率可表示為［4］

式中:Z0為空氣特性阻抗，Z0=ρ0c0，ρ0為空氣密度，c0為聲速;S為壁面表面積;σ為輻射比;＜—v—2—＞為表面平均均方速度。

考慮室內的混響效應時，二次輻射噪聲聲壓與地板或壁面輻射功率W、混響時間T60和室內容積V之間的關系如下［5］

結合式(3)，聲壓級與振動速度級之間的關系為

式中:Lv為振動速度級，參考速度為10－9m/s;H為室內高度，H = V/S。

振動速度v與振動加速度a存在下述關系

式中，ω為振動角頻率。

結合式(3)和式(4)，二次輻射噪聲聲壓級與地板或壁面振動加速度級的關系可表示為

式中:La為地板或壁面振動加速度級，參考加速度為10－6m/s2。

式(5)中，輻射比σ可取1［4］，混響時間T60由賽賓公式給出，即

式中:K為常數，一般取0.161;A為室內總吸聲面積，m2;α為吸聲系數;S為室內總表面積，m2。

2　二次輻射噪聲預測結果

一建筑物為20世紀80年代的磚砌體房屋，室內尺寸為3.0 m(長)×3.0 m(寬)×2.7 m(高)，吸聲系數取為0.1，經計算T60= 0.77 s。本文主要采用式(5)和式(7)來預測重載鐵路沿線建筑物室內二次輻射噪聲，主要預測由壁面和地板振動而輻射的二次噪聲。La和Lv由現場測試獲取，測點布置如圖1所示，建筑物振動響應測試結果如圖2所示。通過建筑物振動響應預測建筑物二次輻射噪聲，結果如圖3所示。經過A計權后獲得重載列車通過時室內二次輻射噪聲為38.5 dB。

圖1　建筑物振動響應測點布置(單位:m)

圖2　建筑物振動響應測試結果(建筑物振動為相對值)

圖3　建筑物二次輻射噪聲預測值(聲壓級為相對值)

3　二次輻射噪聲測試

為避免空氣直達聲的影響，將重載鐵路二次輻射噪聲的測試現場選擇在路基聲屏障區段，測點在室內中心地面以上1.2 m處，傳聲器周邊1 m范圍內均無反射物，測試期間門窗均關閉。建筑物二次噪聲輻射實測值與預測值對比如圖4所示。經過A計權后獲得重載列車通過時室內二次輻射噪聲為38.1 dB，與預測值進行對比，A聲級僅相差0.4 dB，預測值與實測值各頻帶變化基本一致，但實測值的峰值和谷值較為突出。這主要是因為預測時各頻段聲輻射因子均取為1，所以預測結果沒有體現各頻段聲輻射效率的差異。

圖4　建筑物二次輻射噪聲實測值與預測值對比(聲壓級為相對值)

4　結語

本文基于Kurzweil模型推導了鐵路二次輻射噪聲預測的計算方法，對一重載鐵路沿線建筑物進行了預測，并通過實測數據進行了驗證。結果表明，計算結果與實測結果相比，A聲級基本一致，各頻段的變化規律也基本保持一致，但是由于模型中沒有考慮建筑物各頻段聲輻射效率的差異，所以在個別頻帶上計算值與實測值存在一定的差異。建議后續研究中深入探討建筑物各頻段聲輻射因子的差異，進一步完善該預測模式。

參考文獻

［1］邵阿紅.低頻環境噪聲對人影響程度的實驗研究［J］.科學技術與工程，2009，9(17):5256-5259.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ/T 170—2009城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［3］中華人民共和國環境保護部.HJ 453—2008環境影響評價導則——城市軌道交通［S］.北京:中國環境科學出版社，2008.

［4］THOMPSON D.Railway Noise and Vibration:Mechanisms，Modelling and Means of Control［M］.Oxford，UK:Elsevier，2009.

［5］辜小安，謝詠梅，劉揚.地鐵列車運行引起建筑物二次輻射噪聲執行標準探討［J］.現代城市軌道交通，2012(4):56-59.

(責任審編李付軍)

Prediction of Secondary Radiation Noise onto Building Induced by Heavy Haul Railway and Its Experimental Study

SHAO Lin

(China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:Since there was no prediction model of the secondary radiation noise caused by heavy haul railway in China，this paper presented the calculation method for secondary radiation noise along heavy haul railway based on the Kurzweil model and predicted the secondary radiation noise of a masonry house along heavy haul railway.Experimental results were very close to A-level secondary radiation noise values calculated by the model，and each frequency band variation was basically identical.Because the model did not consider the acoustic radiation efficiency difference of each frequency band for the building，there was a little difference between the individual calculated value and the test value of the frequency band.

Key words:Heavy haul railway;Secondary radiation noise;Prediction;Experimental study

作者簡介:邵琳(1984—)，女，助理研究員，博士研究生。

收稿日期:2015-11-22;修回日期:2015-12-10

文章編號:1003-1995(2016)03-0161-03

中圖分類號:TB533+.2

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.38