低噪聲車輛減速器降噪效果預測分析

屠志平，張廣勛，安 巖，馬天宇

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081；2.蘭州鐵路局集團有限公司電務段，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

駝峰編組站作為鐵路貨物運輸的核心樞紐，是貨物列車車輛中轉、集結、解體和編組的場所，其作業效率高低直接影響著我國鐵路貨運運輸的效率。車輛減速器（以下簡稱減速器）作為駝峰編組站的主要調速設備[1]，用于對駝峰溜放車組的速度控制。在調車作業過程中，減速器會產生高頻高聲壓級的制動噪聲和閥箱的排氣噪聲，嚴重影響周邊的居住環境及職工工作環境。為了解決因減速器設備在調車作業過程中對周邊環境的噪聲污染問題，國內的一些研究機構提出了解決方案，但這些方案或是效果不理想，或是結構不成熟，或是使用壽命短、造價高等原因，都沒有達到實際使用的要求。國外當前應用較為成功的是德國蒂森公司生產的TW 型減速器，其制動梁采用夾板、阻尼層加基梁的方式，實際使用的降噪效果較好。在梳理國內外解決方案和借鑒有關成功經驗的基礎上，我們研制出低噪聲車輛減速器，并對低噪聲減速器的降噪效果進行了科學監測研究[2]。

2 噪聲測試情況簡介

2.1 噪聲測試依據

在梳理國內外有關噪聲測試評價標準基礎上，駝峰編組站以GB 12348-2008《工業企業廠界環境噪聲排放標準》[3]作為廠界噪聲測試依據，GB 3096-2008《聲環境質量標準》[4]作為周邊居民區噪聲評價標準依據，參考文獻[5]機器設備噪聲測量，對減速器設備噪聲進行測試。

根據《工業企業廠界環境噪聲排放標準》和《聲環境質量標準》規定，若駝峰編組場周邊有居民居住，則應按2 類聲環境功能區進行劃分，要求環境噪聲等效聲壓級限值晝間為60dB，夜間為50dB；若駝峰編組場周邊沒有居民居住，則應按3 類聲環境功能區進行劃分，要求環境噪聲等效聲壓級限值晝間為65dB，夜間為55dB。

2.2 測試對象及內容

某典型駝峰編組站（下文簡稱某編組站）一部位減速器共有2 線束，二部位減速器有6 線束，三部位減速器有30 股道，在三部位減速器區域周邊不遠處有居民小區，屬于比較典型的2 類聲環境功能區駝峰編組站。其中，在二部位第1 線束安裝了低噪聲減速器，其余都為普通減速器。因此，為了能對低噪聲減速器設備進行降噪效果的比較，選擇該駝峰編組站二部位1 線束和2 線束的減速器作為測試對象。分別測試普通減速器與低噪聲減速器在作業時的噪聲，分析噪聲頻率特征及傳播規律和預測低噪聲減速器的降噪效果。

2.3 測試方法及儀器

按照GB 12348-2008《工業企業廠界環境噪聲排放標準》規定的測試方法，對某編組站廠界噪聲進行24h 連續監測；按照GB3096－2008《聲環境質量標準》規定的檢測方法，對某編組站周邊居民樓外環境進行24h 連續定點監測；利用噪聲測試儀采集溜放車組通過減速器區段的噪聲，即在溜放車組距離減速器一定距離開始采集數據，在溜放車組駛出減速器一定距離后停止采集數據，并記錄溜放車組通過時噪聲的時域信號。根據測試方法，選擇合適的測試儀器，如表1 所示。

表1 各測試點噪聲測試儀器Tab.1 The Noise Measuring Instrument at Each Test Point

2.4 噪聲測試布點情況

為了測試低噪聲減速器和普通減速器的噪聲，分別選擇了5個測試點，如表2 所示。其中普通減速器的第2、3、4、5 測點分別與低噪聲減速器第1、2、3、5 測點共用，在16m 處增加低噪聲減速器第4 測點，測點距離地面為1.2m。由于受現場測試條件的限制，無法布置更多的測點。

對于站場廠界及周邊居民區的環境噪聲監測，由于某小區剛好位于下行駝峰調車場三部位減速器作業區域，對小區的噪聲污染最大。在布置環境噪聲監測時，充分考慮這些情況。因此，選擇的廠界噪聲測點位于三部位減速器駝峰編組站的邊界，即廠界噪聲測點距離一部位減速器中心位置約為360m，距離二部位減速器中心約為210m，距離三部位減速器中心約為110m，測點的布置則按照GB 12348-2008《工業企業廠界環境噪聲排放標準》要求，將噪聲測試儀的探頭布置在廠界外1.0m、高度1.2m 處；至于居民區小區環境噪聲測點，本測試選擇了離三部位減速器最近的該居民區的25 號樓和26 號樓的不同高度樓層，其中，26 號樓距離一部位減速器中心約為400m，距離二部位減速器中心約為270m，距離三部位減速器中心約為200m，該樓每個樓層高度為3m，此樓第3 層與駝峰調車場平面高度基本一致。噪聲測試儀探頭的測點布置在25 號樓的6 樓和13 樓窗外1.0m 處，26 號樓的3 樓和 18 樓窗外 1.0m 處，如圖 1 所示。

表2 減速器設備噪聲測點布置Tab.2 Arrangement of Noise Measuring Points of Vehicle Retarder

圖1 某編組站噪聲測試布點示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Noise Test Layout of a Marshalling Station

3 測試數據分析方法

3.1 噪聲傳播規律曲線擬合

在對減速器進行噪聲測試時，根據測點布置的情況，記錄了5 組數值（xi，y）i。為了得到噪聲傳播規律，通過數值曲線擬合的方法，求得一條近似的擬合曲線。由于聲壓級采用對數表示方式，因此，采用對數曲線進行擬合，如式（1）所示。根據曲線擬合[6]的最小二乘法原理，擬合等效A聲級Leq的傳播規律，擬合公式為：

式中：A—衰減系數；

B—等效距離為1m 處的Leq回歸值；

x—到減速器的距離。

為了計算方便，設y=Leq（x）、z=lg（x），則式（1）轉化為一次多項式：

為了使點（zi，yi）大多數落在該直線或在其附近，必須使其下式Q（A，B）取得極小值，即：

式（4）改寫成矩陣形式，得：

把測得的數值代入式（5），可以求出擬合曲線的A、B值，代入式（1），可以得出設備噪聲的傳播規律曲線。

3.2 噪聲數值修正

依據鐵計44 號文《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）》，對噪聲進行垂直指向性修正和地面效應聲衰減修正[7-8]。

當測點到聲源的方向與水平面的夾角均小于24°，垂直指向性修正Ct，θ按下式計算：

式中：θ—聲源到預測點方向與水平面的夾角，單位為°。

地面效應聲衰減Cg，i按照下式計算：

式中：h—傳播路程的平均離地高度，m；

d—聲源至接收點的距離，m。

根據以上兩公式，獲得各噪聲預測點的修正量，并把噪聲的傳播規律進行修正，如式（8）所示。

式中：IL—溝塹的插入損失。

3.3 噪聲預測

在某編組站進行全場安裝低噪聲減速器后，預測駝峰編組站廠界噪聲、居民區環境噪聲的等效聲級，預測公式如下[9]：

式中：Leq，n（x）—n部位聲源傳至距離為x預測點后的聲級；Leq，b（x）—相應預測點處溜放車組通過但無制動噪聲的聲級；NT，n—時間段T內n部位通過的車輛數；aT，n—時間段T內n部位通過車輛的制動比例；t—平均每次制動的時長，s。

4 設備降噪效果分析

4.1 減速器噪聲傳播規律分析

為了比較低噪聲減速器的降噪效果，選擇二部位第1、2 線束的減速器進行測試。通過噪聲測試，記錄測試數據，并根據擬合曲線的數值分析方法，計算衰減系數A和回歸值B，如表3、表4所示。把A、B值代入式（1），得到普通減速器和低噪聲減速器的噪聲傳播規律曲線方程，如下：

普通減速器噪聲傳播規律曲線方程：

定義 2[9] Hom-Jordan李代數(L,[·,·]L,α,δ)由空間L,一個二元雙線性運算L×L→L滿足

低噪聲減速器噪聲傳播規律曲線方程：

通過減速器噪聲傳播規律曲線方程可知，普通減速器在等效距離為1m 處等效聲級統計均值為131.38dB（A），低噪聲減速器在等效距離為1m 處等效聲級統計均值為103.13dB（A），低噪聲減速器在等效距離1m 處計算得到的統計降噪效果可達28dB（A）；普通減速器在距離16m 處噪聲的等效聲級統計均值為111.84dB（A），低噪聲減速器在距離16m 處噪聲的等效聲級統計均值為86.49dB（A），低噪聲減速器在距離16m 處統計降噪效果25.35dB（A）；普通減速器在距離19.2m 處噪聲的等效聲級統計均值為110.55dB（A），低噪聲減速器在距離19.2m 處噪聲的等效聲級統計均值為85.39dB（A），低噪聲減速器在距離19.2m 處統計降噪效果25.25dB（A）。

表3 普通減速器噪聲測試統計表Tab.3 General Vehicle Retarder Noise Test Statistics

表4 低噪聲減速器噪聲測試統計表Tab.4 Low Noise Vehicle Retarder Noise Test Statistics Table

從表3 和表4 統計的結果來看，普通減速器噪聲衰減系數為-16.23，低噪聲減速器噪聲衰減系數為-13.82，這是由于普通減速器制動噪聲聲能集中的頻段為2kHz 至10kHz 的高頻段，高頻噪聲隨距離的衰減速度更快。

4.2 噪聲頻譜分析

為了比較普通減速器與低噪聲減速器的噪聲頻譜，選擇測試條件較為相近的對象進行分析。因此，本例選擇普通減速器的測點距離為10.8m，低噪聲減速器的測點距離為9.6m，減速器各制動一次、溜放車輛的重量為重車的兩次測試結果進行比較，如圖2 所示。

圖2 普通減速器與低噪聲減速器噪聲頻譜對比Fig.2 Comparison of Noise Spectrum Between Ordinary Vehicle Retarder and Low Noise Vehicle Retarder

從圖2 的噪聲頻譜圖可知，在低于1.6kHz 頻段，普通減速器與低噪聲減速器產生的噪聲頻譜較為接近，而在1.6kHz 及以上的高頻段，普通減速器產生的噪聲聲壓級大幅高于低噪聲減速器產生的聲壓級。因此，低噪聲減速器在高頻段比普通減速器降噪效果明顯。

4.3 噪聲時域信號分析

圖3 普通減速器噪聲時域信號Fig.3 Ordinary Vehicle Retarder Noise Time Domain Signal

圖4 低噪聲減速器噪聲時域信號Fig.4 Low Noise Vehicle Retarder Noise Time Domain Signal

普通減速器對14 輛溜放車組進行多次制動、測點距離為10.8m 處所產生噪聲信號，如圖3 所示。低噪聲減速器對2 輛溜放車組進行多次制動、測點距離為9.6m 處所產生噪聲信號，如圖4 所示。

從圖3 噪聲時域信號來看，普通減速器對溜放車組進行了多次制動，制動所產生噪聲的最大聲級均比無制動時的聲壓級高出40dB（A）以上。從圖4 噪聲時域信號來看，低噪聲減速器進行了多次制動，多次制動所產生噪聲的最大聲級比無制動時的聲壓級最大不超出23dB（A）。從噪聲時域信號來看，低噪聲減速器相比于普通減速器，噪聲聲壓級有明顯的降低，降噪效果較好。

5 站場降噪效果預測

5.1 站場車流量、制動時間等參數分析

2017 年3 月15 日，對某編組站駝峰車流量進行統計，統計結果為：一部位從（9～13）點通過溜放車輛數為541 輛，對溜放車輛進行制動次數為222，制動占比為41.03%；二部位從（11～19 點）通過溜放車輛數為1092 輛，對溜放車輛進行制動次數為437，制動占比為40.02%；三部位從12 點到19 點通過溜放車輛數為931輛，對溜放車輛進行制動次數為434，制動占比為46.61%；減速器單次平均制動時間約為1.17s。

5.2 站場背景噪聲分析

測試站場背景噪聲時，選擇二部位測試點距離減速器為10.8m 進行測試。通過測試，在沒有明顯噪聲源時，站場環境噪聲的等效聲級為36dB（A）；當溜放車輛通過減速器但無制動時，該段時間內的等效聲級為66dB（A），每節車輛從一部位行駛至停車位平均耗時約為100s。設車輛經過噪聲的傳播衰減系數為-15，溜放車輛通過但不制動時，對廠界噪聲的貢獻約為48.5dB（A），對居民區貢獻約為46.5dB（A）。

此外，考慮撞擊聲噪聲、機車鳴笛噪聲、列車牽引噪聲、減速頂噪聲等，對廠界噪聲的等效聲級修正為49.0dB（A），居民區環境噪聲的等效聲級修正為47.0dB（A）。

5.3 噪聲預測分析驗證

根據圖1 的站場測試布點情況，通過式（6）和式（7），計算噪聲修正系數，如表5 所示。

表5 各測點對不同位置聲源的噪聲修正Tab.5 The Noise Correction of Each Measuring Point to the Sound Source at Different Positions

某編組站駝峰調車場居民區的3 樓測點低于站場水平面，因此，對3 樓噪聲預測時需要引入溝塹損失修正項IL，經試驗，溝塹插入損失修正項定為-6.28dB（A）。由于某編組站二部位只裝了一線束低噪聲減速器，在計算時可以忽略低噪聲減速器產生噪聲，只考慮普通減速器產生的噪聲，并把計算得到的預測值以及噪聲測試的實測值，如表6 所示。從表6 可知，噪聲的實測值與計算所得的預測值基本上一致，說明所采用的預測參數的設定基本合理，預測結果是可靠的。

表6 各測點噪聲的實測值及預測值Tab.6 The Measured and Predicted Values of the Noise at Each Measuring Point

5.4 全場降噪效果預測

通過對某編組站的廠界噪聲和小區環境的噪聲測試，測試結果顯示，因減速器產生的噪聲嚴重超出噪聲標準所規定的值，引起了周邊居民的強烈不滿和抗議。為了解決噪聲污染問題，站場計劃采用低噪聲減速器方案，并對方案的可行性進行預測。

根據前文預測參數修正原則，對全站安裝低噪聲減速器后的環境噪聲狀況進行預測，預測的結果記錄，如表7 所示。

表7 各部位到測點噪聲預測值Tab.7 The Predicted Value of Noise From Each Position to the Measuring Point

通過以上的預測值，進一步對站場的廠界噪聲和居民區不同樓層噪聲測點的晝、夜等效聲級進行預測，預測按式（9）進行計算，計算結果，如表8 所示。根據GB 12348-2008《工業企業廠界環境噪聲排放標準》和GB3096－2008《聲環境質量標準》要求，安裝低噪聲減速器后，站場的噪聲污染問題得到了大大的緩解。

表8 安裝低噪聲減速器后站場噪聲預測Tab.8 Station Noise Prediction after Installation of Low Vehicle Retarder

6 結論

解決因減速器產生的噪聲問題，研發出低噪聲減速器，從噪聲源上進行解決減速器噪聲問題是根本路徑。通過對某編組站噪聲進行監測及分析，若在編組站全場安裝低噪聲減速器，將能夠很好地達到降噪效果。

具體結論如下：

（1）通過監測某編組站的廠界晝間和夜間噪聲水平，噪聲均嚴重超標，晝間最大超標達19.6dB（A），夜間最大超標達32.5dB（A）；

（2）通過對低噪聲減速器和普通減速器的噪聲測試，低噪聲減速器相比于普通減速器，能有效降低了1.6kHz 以上的高頻噪聲，降噪效果明顯，平均降噪效果約為30dB（A）；

（3）通過計算分析，預測若全場改造為低噪聲減速器后，廠界及小區環境的噪聲水平均具有明顯的降低。廠界晝間和夜間環境噪聲基本滿足GB 12348-2008《工業企業廠界環境噪聲排放標準》要求；小區環境晝間和夜間環境噪聲也基本滿足GB3096－2008《聲環境質量標準》要求。