高速列車120 km/h快速過站時站臺及候車廳噪聲特性預測分析

王翰儒，劉謀凱，韓健，肖新標，李映輝

高速列車120 km/h快速過站時站臺及候車廳噪聲特性預測分析

王翰儒1,2，劉謀凱2，韓健*,3，肖新標2，李映輝1

（1.西南交通大學 力學與工程學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；3.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031）

針對高速列車過站不停的問題，基于幾何聲線法，建立了某綜合交通樞紐聲場特性預測模型，分析了高速列車以120 km/h快速通過該綜合交通樞紐時站臺和候車廳區域的噪聲水平及分布規律，并從傳播路徑的角度提出降噪措施，結合統計能量方法，分析其降噪效果。得出以下結論：站臺區域距離列車最近場點的噪聲最為顯著，其聲壓級為96.2 dBA，候車廳區域距離列車橫向距離最近，且最靠近站臺區域和候車廳區域相通的邊緣場點噪聲最為顯著，其聲壓級為80.4 dBA，在不采取任何措施情況下，噪聲最大值超出了現有的參考標準限值。從傳播路徑的角度采用四周封閉式雙層中空玻璃隔聲罩進行了降噪分析，采用優化后隔聲罩的站臺區域噪聲最大場點聲壓級降低了18 dBA；候車廳區域噪聲最大場點聲壓級降低了21.2 dBA。

過站噪聲；高速列車；站臺噪聲；候車廳噪聲；幾何聲線法

隨著我國鐵路發展進程不斷加快，城市人口規模不斷擴大，城市軌道交通基礎設施加快建設，綜合交通樞紐成為城市內外交通銜接的主要節點，是現代化交通的重要組成部分，且在國內外應用越來越多[1]。高速列車為了確保高效性，縮短列車的旅行時間，存在列車以較快速度通過站臺的情況，導致站臺和候車廳噪聲十分顯著，嚴重影響了候車旅客及工作人員。因此研究高速列車快速過站不停情況下站臺及候車廳區域的噪聲問題具有非常重要的意義。

劉茜等[2]對我國城市軌道交通3座典型高架車站、8座典型地下車站站臺進行噪聲測試，其結果表明在高架站臺列車進、出站噪聲影響分別為78 dBA和79 dBA，在地下車站列車進、出站噪聲影響分別為69～78 dBA和68～79 dBA；黃旭煒等[3]以某城市軌道交通車站為研究對象進行聲場預測分析，結果表明屏蔽門玻璃貼覆吸音膜降噪措施，降噪主要針對1000 Hz以下的低頻噪聲，在250～1000 Hz頻段內，可降低站臺測點噪聲1.8～2.4 dBA；李杰等[4]測試了北京地鐵2號線和5號線的10個島式站臺噪聲，發現10個站臺噪聲最大值均超過80 dBA；羅錕等[5]通過泰國機場連接線項目噪聲預測實例，認為將城市軌道交通按線聲源來考慮，并將噪聲分解為牽引噪聲和輪軌噪聲等子噪聲源來預測城市軌道交通引起噪聲的方法是可行的；辜小安等[6]對高速鐵路客運車站進行現場噪聲測試，試驗表明候車廳內的頻率特性與站房結構形式有關，對于高架站房及地下站房，其候車廳內在31.5 Hz處均出現峰值，該峰值頻率對應于轉向架特征頻率，主要源于車輛和軌道系統的耦合振動傳遞到候車廳內的地面、墻體、梁柱等引起的低頻噪聲特性。

綜上可見，通過試驗與仿真分析，主要研究了站臺的背景、進出站以及低速通過噪聲問題，目前還較缺少針對高速列車開展快速過站情況下的站臺及候車廳噪聲預測分析。

本文針對高速列車快速通過站臺情況，計算和分析具有復雜聲學幾何邊界條件的站臺及候車廳的聲場特性及其分布規律，并從傳播路徑角度提出相應的降噪控制措施建議。

1 站臺及候車廳噪聲建模

為了研究高速列車快速過站的噪聲問題，需要分別從高速列車聲源建模、站臺及候車廳聲場建模兩方面進行介紹。

1.1 列車模型

以復興號高速列車為例進行建模。車輛為8節編組，根據聲源實際分布情況，將列車聲源進行區域劃分，如圖1所示，包括輪軌噪聲、牽引電機及齒輪箱噪聲、空調噪聲、牽引設備噪聲等。列車所施加的噪聲源頻譜均為實測數據，如圖2所示。

圖1 列車聲源區域劃分

1.2 站臺及候車區聲場模型

該綜合交通樞紐共分為三層，B1層為最頂層的商業區，B2層為中間層候車區，B3層為最底層站臺區，本文重點分析B2和B3層的聲場特性。其中站臺層一共7個站臺、13個車道，車道和站臺長450 m，站臺層橫截面如圖3（a）所示。候車層位于站臺層上方，劃分為候車廳區域以及鏤空區域，鏤空區域與站臺層相通用框標出，候車廳橫截面如圖3（b）所示。根據對應結構和材料性質，建立了綜合交通樞紐的聲學幾何邊界，如圖4所示。

圖2 120 km/h列車聲源頻譜圖

圖3 站臺及候車廳橫斷面

基于幾何聲線法對列車快速過站的站臺及候車廳區域聲場進行預測，通過移動車輛固定場點的方法，獲取列車通過站臺任意時刻的站臺及候車區聲場分布規律及其頻譜特性。計算模型中，聲線數量為4000，聲線的最大反射階數為20次，計算頻率范圍為100～4000 Hz。

2 列車快速過站聲場特性分析

2.1 站臺區域聲場響應

圖5給出了當列車以120 km/h快速通過過站不停車道時B3層整個站臺區域的聲場云圖。

圖4 某綜合交通樞紐聲學幾何邊界模型圖

圖5 B3層站臺區域噪聲響應特性

由圖5（a）可知，距離列車過站不停車道越近的站臺，其聲壓級越大，因此選取距離列車所在車道最近的站臺進行分析，圖5（b）給出了距離列車最近站臺，沿著列車縱向前進方向的聲場分布規律。在距離過站不停車道最近的站臺上，聲壓級最大為96.2 dBA，在第8個場點后所有的聲壓級均有下降趨勢，其主要原因為從第9個場點開始上空沒有吊頂，為鏤空區域，列車產生的噪聲在該區域直接傳至上空與之相通的B2層候車廳區域。

根據GB 50157－2013《地鐵設計規范》[7]，地鐵過站不停時，其站臺噪聲限值為80 dBA，盡管目前沒有適用于高速列車通過綜合交通樞紐過站不停的限值，但可以將已有地鐵過站不停的標準作為參考，該站臺多數場點聲壓級均超過參考噪聲限值。

為分析圖5（b）中站臺區域噪聲顯著的原因，圖6給出噪聲最大場點的聲壓級頻譜特性，并與列車最顯著的噪聲源輪軌噪聲進行對比。

圖6 站臺場點頻譜圖

由圖6可知，站臺噪聲最顯著的頻段為中心頻率為630 Hz的頻帶，其聲壓級大小為86.0 dBA，將該最大值下降10 dBA，作為噪聲顯著的頻率區段，主要集中在400～1600 Hz，且由圖6中輪軌噪聲頻譜可知，該頻段內站臺噪聲主要受輪軌噪聲影響，由此可見，有效控制輪軌噪聲及其傳播可有效控制站臺噪聲

2.2 候車廳區域聲場響應

圖7給出了當列車以120 km/h速度快速通過過站不停車道時B2層整個候車廳區域的聲場云圖。由圖7（a）可知，在候車廳內與列車過站不停車道橫向距離越近，其聲壓級越大，并且在候車廳內沿列車方向的聲壓級相比，與鏤空區域距離越近，其聲壓級越大。因此選取距離列車所在車道橫向距離最近的候車廳場點進行分析，圖7（b）給出了距離列車最近候車廳，沿著列車縱向前進方向的聲場分布規律。候車廳區域聲壓級距離鏤空區域越近噪聲越大，最大聲壓級為80.4 dBA；當遠離B3層相通的區域，該場點的聲壓級越小，噪聲最小場點聲壓級為68.8 dBA，原因為當列車在B3層產生噪聲時，噪聲通過上空與B2層鏤空部分傳到候車廳區域，使在B2層候車廳區域最接近鏤空部分接收到的噪聲最大，越往靠近里面區域傳播噪聲越小。

現階段藥品批發企業的上游來貨尚未全部做到發票隨貨同行，對于上游發票未到的藥品，批發企業暫時無法向公立醫療機構銷售，有可能會影響部分藥品適時到貨，特別是臨床短缺藥品的使用。

圖7 B2層候車廳區域噪聲響應特性

仍然參考GB 50157－2013《地鐵設計規范》對候車廳噪聲限值的規定，候車廳區域多數場點聲壓級超過了參考噪聲限值。

同理，為分析圖7（b）中候車廳區域噪聲顯著的原因，圖8進一步給出了噪聲最大場點的聲壓級頻譜特性，并與站臺區噪聲進行對比。

由圖8可知，站臺區頻譜特性與候車廳頻譜特性基本一致，主要體現在幅值差異上，可見候車廳區域聲場大小主要由站臺區噪聲通過鏤空區域傳播所導致，控制候車廳區域噪聲應該優先從控制源頭著手。

圖8 站臺與候車廳最大響應場點對比

3 降噪措施

綜合第2節站臺及候車區噪聲大小及其分布規律可知，對輪軌噪聲和列車所在區域噪聲控制，是一種有效的降噪手段。本文從控制傳播路徑的角度出發，采用在車道兩旁修建隔聲罩的方式對列車噪聲進行隔離控制，列車隔聲罩采用四周封閉式，頂板材料為120 mm混凝土外加3 mm不銹鋼板，兩側材料為雙層中空玻璃，玻璃厚度為5 mm，空氣層厚度為2 mm，并且一個隔聲罩覆蓋兩條車道。

由于基于幾何聲線法的聲線無法穿過隔聲罩進行外部的聲場預測，因此需基于統計能量法首先進行隔聲罩插入損失特性預測[8]，進而代入原模型進一步預測聲場。首先在隔聲罩內表面進行面積劃分，隔聲罩兩側以1 m×3 m、頂部以2 m×3 m為單元面積；其次通過幾何聲線法求得列車產生的噪聲傳播至隔聲罩內單元面積上的聲功率，運用統計能量法求得頂板與側板的插入損失，由于隔聲罩為封閉狀態，因此隔聲罩外側接收點聲功率等于內表面聲功率與隔聲罩插入損失相減[9-10]，如圖9所示。

圖9 隔聲罩引起聲功率改變示意圖

得出的隔聲罩外表面聲功率作為聲源，同理，列車每移動10 m建立靜態模型進行分析，從而得到列車在整個運行過程中對綜合交通樞紐的噪聲影響水平。安裝隔聲罩后站臺區域聲壓級云圖如圖10所示。

圖10 隔聲罩對站臺區域噪聲影響

由圖10（a）可知，采用隔聲罩后，對于站臺區域降噪效果明顯，但整體聲場分布規律與無隔聲罩規律相近。選取距離列車所在車道橫向最近的站臺場點進行分析，圖10（b）給出了該站臺沿列車前進方向場點分布，站臺區域噪聲有明顯下降，其中離過站不停車道最近的站臺噪聲聲壓級最大為78.2 dBA，比無隔聲罩工況下噪聲降低了18 dBA。滿足站臺參考噪聲限值的要求，通過施加優化后的隔聲罩，該區域最大聲壓級比參考噪聲限值小1.8 dBA，滿足參考限值的要求，也沒有造成經濟浪費。

采用隔聲罩后，B2層候車廳區域聲壓級云圖如圖11所示。

圖11 隔聲罩對候車廳區域噪聲影響

由圖11（a）可知，采用隔聲罩后，對于候車廳區域降噪效果明顯，但整體聲場分布規律與無隔聲罩規律相近。選取候車廳區域與列車所在車道橫向距離最近的場點進行分析，根據候車廳區域沿列車前進方向場點分布，得出候車廳區域聲壓級，如圖11（b）所示。B2層候車廳區域噪聲最大值在B3層與B2層相通的邊緣處，該聲壓級為59.2 dBA，比無隔聲罩噪聲最大值降低了21.2 dBA，增加隔聲罩之后，候車廳區域所有場點噪聲均滿足噪聲限值要求。

4 結語

本文通過幾何聲線法對某綜合交通樞紐的站臺區域和候車廳區域進行聲場預測，當列車以120 km/h快速通過站臺區域時，最大聲壓級位置為最靠近過站不停車道的場點，其大小為96.2 dBA，在上空為鏤空沒有吊頂的區域，站臺區噪聲相對較小；候車廳區域最大聲壓級位置為B3層與B2層相通的邊緣位置，其大小為80.4 dBA。站臺區域和候車廳區域大部分場點聲壓級超過規定的限值。

從傳播路徑的角度提出列車隔聲罩作為降噪措施，當列車以120 km/h快速通過站臺區域時，最大聲壓級降低了18 dBA；候車廳區域最大聲壓級降低了21.2 dBA。

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[3]黃旭煒，周宇，韓延彬，等. 城市軌道交通車站軌行區降噪措施仿真分析[J]. 城市軌道交通研究，2019，22（7）：145-150.

[4]李杰，郭建中，姜亢，等. 北京地鐵島式站臺噪聲的初步研究[J]. 中國安全生產科學技術，2012，8（8）：153-156.

[5]羅錕，雷曉燕，仲志武. 城市軌道交通噪聲預測方法[J]. 城市軌道交通研究，2007（11）：29-32.

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[9]Wittsten J. Optimization of Train Floors with Acoustic and Structural Constraints[D]. Goteborg：Chalmers University of Technology，2016.

[10]岳譯新，林文君，雷挺. 地鐵鋁合金車體模態和穩定性有限元分析[J]. 機械，2008（4）：20-22.

Forecast Analysis of Noise Characteristics of Platform and Waiting Hall When High-Speed Train Passing Through at 120 km/h

WANG Hanru1,2，LIU Moukai2，HAN Jian3，XIAO Xinbiao2，LI Yinghui1

(1.School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

Based on the ray tracing method, a comprehensive sound field characteristic prediction model of a transportation hub is established and analyzed while the high-speed train pass through the integrated transportation hub station and waiting hall at 120 km/h, and noise control measures are proposed from the perspective of transmission path. The noise reduction effect is then analyzed based on the statistical energy analysis (SEA) method. The research finds that platform area is the nearest to the trains and the noise is the most significant with sound pressure level 96.2 dBA. The lateral distance between waiting hall and the train is closest, and noise is most significant in interlinked platform sites, with sound pressure level 80.4 dBA. The maximum noise predicted exceeds the reference standard. The noise reduction analysis was carried out with double-layer insulating glass enclosure. After the optimized enclosure was adopted the maximum sound pressure level of noise in the platform area reduced by 18 dBA, and the maximum sound pressure level of noise in the waiting hall area was reduced by 21.2 dBA.

train pass-by noise；high-speed train；platform noise；waiting hall noise；ray tracing method

X827.6；TB533+.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.12.003

1006－0316 (2020) 12－0016－06

2020－05－13

國家自然科學基金（U1934203/U1834201）；中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發計劃項目（N2019G037）；國家重點研發計劃戰略性國際科技創新合作重點專項（2016YFE0205200）；四川省國際科技創新合作/港澳臺科技創新合作項目（2019YFH0131）

王翰儒（1992－），男，北京人，碩士，主要研究方向為高速列車減振降噪。*通訊作者：韓健（1987－），男，遼寧葫蘆島人，博士，助理研究員，主要研究方向為軌道交通減振降噪，E-mail：super_han@126.com。