高速鐵路鋼軌預打磨對噪聲影響研究

李志強，劉蘭華，李耀增，李晏良

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 節能環保勞衛研究所，北京 100081）

0 引言

截至2020年底，我國高速鐵路運營里程已達3.8萬km[1]，最高運營速度達到350 km/h。隨著高速鐵路的迅猛發展，隨之而來的噪聲問題也更為突出，是環境主管部門、鐵路運營單位及沿線民眾最為關注的環境問題之一。為確保我國新建高速鐵路噪聲符合相關環境噪聲法律法規及標準要求，提高環保驗收通過率，降低運營后因噪聲超標而需額外增加噪聲整治投資的風險，在聯調聯試期間即開展噪聲測試，并對噪聲較高線路開展針對性降噪整治，具有重要的社會和經濟效益。

鋼軌打磨是提高鋼軌平順度、整治鋼軌表面缺陷和損傷、優化鋼軌廓形與車輪匹配度的關鍵技術[2]，主要用于降低列車高速運行時的振動和沖擊力問題，通過消除鋼軌表面不良痕跡防止缺陷進一步發展和惡化。當前我國高速鐵路鋼軌打磨尚未考慮降噪有關的技術設計，但隨著聯調聯試噪聲試驗數據的積累，越來越多的測試結果表明新建線路的鋼軌預打磨對降低車外噪聲有一定幫助，目前鋼軌短波不平順度測試已成為聯調聯試中噪聲測試的重要輔助測試內容[3-4]，通過噪聲測試期間同步測試相應區段的鋼軌短波不平順度（聲學粗糙度），可為分析噪聲特性、提出鋼軌打磨建議提供數據支撐。

以我國某高速鐵路聯調聯試期間鋼軌預打磨前后的鋼軌短波不平順度波譜特性及噪聲變化時頻特性為研究對象，分析鋼軌預打磨對車外噪聲的影響規律，并針對鋼軌打磨痕跡帶來的聲學問題提出相應完善建議。

1 聯調聯試噪聲試驗參考標準

在高速鐵路動態檢測中，由于線路尚未實際運營，無法直接測得沿線鐵路噪聲排放量，因此主要依據試驗動車組輻射噪聲源強及車流量按照標準規定的方法開展噪聲預測，預測結果是聯調聯試期間判斷新建鐵路噪聲排放是否超標及是否需要開展噪聲整治的主要依據。HJ 2.4—2009《環境影響評價技術導則 聲環境》指出噪聲源強取值可參照國家相關部門的規定確定或通過類比監測確定。為統一鐵路建設項目的噪聲源強取值和治理原則，2010年原鐵道部發布了《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》（鐵計〔2010〕44號），給出環境影響評價中不同速度級高速鐵路噪聲源強，并明確我國動車組噪聲源強參考測點位于距列車運行線路中心25 m、軌面以上3.5 m處。該測點位置與歐盟國家采用的ISO 3095—2013《Acoustics-Railway Applications-Measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles》及我國GB/T 5111—2011《聲學軌道機車車輛發射噪聲測量》中的規定一致。

《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》給出的噪聲源強取值是在2010年前聯調聯試測試數據統計平均及與國外高速鐵路噪聲源強對比的基礎上確定的，適用于鐵路項目建設前的環境噪聲預測，但隨著動車組及高鐵基礎設施技術的提升，原有不同速度等級高速鐵路噪聲源強的代表性減弱，相同速度等級、不同施工工藝的噪聲也有一定差異，采用聯調聯試實測噪聲源強的環境噪聲預測結果更能準確反映線路開通初期的實際噪聲影響水平。鋼軌狀態是影響噪聲測試結果的重要因素，ISO 3095—2013規定了噪聲測試中鋼軌的不平順度（聲學粗糙度）限值，認為測試區段的鋼軌不平順度不宜超過相關限值要求。受鋼軌加工工藝、安裝及自然環境等各種因素影響，新建高速鐵路鋼軌往往存在初始不平順現象[5-7]，對高速鐵路輪軌滾動噪聲產生不可預估的影響，因此有必要在聯調聯試噪聲測試中同步開展鋼軌不平順度測試，用于分析鋼軌狀態對車外噪聲的影響水平，并判斷從鋼軌不平順度角度開展噪聲整治的必要性。

2 與噪聲相關的鋼軌不平順波長范圍

某時速300 km高速鐵路噪聲源強無計權[8]及采用A計權后的頻譜特性見圖1。在無計權時，高速鐵路噪聲源強呈寬頻帶特性，其中200 Hz以下頻帶以空氣動力噪聲為主，200 Hz以上頻段以輪軌作用噪聲為主。在大于5 000 Hz的高頻段噪聲衰減較快，小于200 Hz的低頻段采用A計權修正后噪聲顯著減小，高頻和低頻噪聲對A計權聲壓級的貢獻均較小，因此100～8 000 Hz的噪聲頻率分析范圍可涵蓋輪軌作用噪聲的主要頻率成分。

圖1 某時速300 km高速鐵路噪聲源強頻譜特性

當動車組運行速度為v時，由于鋼軌不平順引起的噪聲頻率f與鋼軌不平順波長λ的關系為：

當動車組運行速度為300 km/h時，噪聲頻率為100～8 000 Hz時對應的鋼軌不平順波長為10～830 mm，因此引起輪軌噪聲的鋼軌不平順主要為短波不平順。

3 試驗研究

在我國某新建高速鐵路聯調聯試前期，尚未對鋼軌進行預打磨處理，試驗動車組速度低于300 km/h時，檢測軌道無Ⅲ、Ⅳ級偏差，動車組動力學響應無超限現象。隨著試驗動車組速度逐漸提高至300 km/h，典型橋梁、路基區段噪聲源強試驗結果顯著增大，根據該高速鐵路設計近期車流量預測，部分區段可能存在噪聲排放超標現象。為分析噪聲源強增大的原因并研究降噪技術方案，測試了噪聲測點左右兩側各60 m范圍內的鋼軌短波不平順度，發現鋼軌不平順度較高，據此向工務部門提出鋼軌打磨建議，并對鋼軌打磨后噪聲影響進行復測。

3.1 鋼軌預打磨后短波不平順變化

某高速鐵路橋梁噪聲測點附近預打磨前鋼軌短波不平順測試結果見圖2，可以看出，鋼軌表面起伏最大峰值約為±30 μm，對該段數據進行周期為20 mm的移動平均得到的趨勢線顯示，該段鋼軌短波不平順沒有顯著的周期性特征，屬于無規則短波不平順。為獲得不同波長的鋼軌短波不平順度大小，對鋼軌預打磨前短波不平順測試數據進行空間傅里葉變換，得到短波不平順波譜特征（見圖3），對比ISO 3095—2013中的鋼軌不平順度限值，測試區段內鋼軌不平順度較高，是噪聲較大的主要原因之一。

圖2 預打磨前鋼軌短波不平順測試結果

圖3 預打磨前鋼軌短波不平順波譜特征

預打磨后的鋼軌短波不平順測試結果見圖4，可以看出，鋼軌表面起伏峰值不超過20 μm，以10 μm左右為主，打磨后鋼軌表面不平順度有明顯改善。此外，預打磨后鋼軌不平順度的移動平均趨勢線呈明顯周期性起伏變化特征，波長約為80 mm。對預打磨后短波不平順測試數據做空間傅里葉變換，得到短波不平順波譜特征（見圖5）。根據不同波段的對比結果，鋼軌預打磨后，大部分波長的鋼軌短波不平順度大幅降低，特別是在波長大于100 mm的波段，鋼軌不平順度降低5 dB以上；但在波長為80 mm波段鋼軌不平順度卻明顯增大，并超過了打磨前的不平順度4 dB；在波長小于50 mm的波段，預打磨后鋼軌不平順度雖有下降，但仍高于ISO 3095—2013限值。

圖4 預打磨后的鋼軌短波不平順測試結果

圖5 預打磨前后鋼軌短波不平順波譜特征對比

鋼軌預打磨后80 mm波段的不平順度顯著增大，與圖4中移動平均趨勢線的周期性起伏變化規律吻合。對現場鋼軌打磨痕跡（見圖6）進行觀察發現，光帶內可見沿鋼軌長度方向約80 mm的周期性打磨痕跡（圖中畫圈處為磨痕較深的標志性位置，間距80 mm），證實了波長為80 mm的鋼軌短波不平順度增大是由周期性打磨痕跡造成。此外，剛打磨完后的砂粒打磨痕跡還清晰可見，鋼軌踏面光帶尚未形成光滑面，因此小波長范圍內的不平順度仍較高。

圖6 鋼軌預打磨后照片

3.2 鋼軌預打磨后噪聲變化

在距離外側軌道中心線25 m、高度在軌面以上3.5 m位置布設傳聲器，記錄試驗動車組高速通過時的噪聲時間特性。動車組分別在鋼軌預打磨前后以300 km/h速度通過測點時的噪聲時域曲線對比見圖7，可以看出，預打磨后試驗動車組通過時段噪聲減小，輻射噪聲源強降低約1.4 dB（A）。

圖7 鋼軌預打磨前后噪聲時域曲線對比

鋼軌預打磨前后噪聲源強的1/3倍頻程譜對比結果（見圖8）表明，鋼軌預打磨后，在100 Hz～10 kHz的大部分頻段內噪聲均明顯降低，但在頻率1 000 Hz處噪聲增大。利用式（1）計算得到短波不平順度波長為80 mm時相應的噪聲頻率為1 041 Hz，恰好位于中心頻率為1 000 Hz的1/3倍頻帶內，因此該頻段噪聲升高與鋼軌預打磨后產生的80 mm周期性痕跡直接相關。

圖8 鋼軌預打磨前后噪聲源強的1/3倍頻程譜對比

假定該高速鐵路聯調聯試期間鋼軌預打磨未造成波長80 mm的短波不平順度增大，打磨后噪聲在中心頻率1 000 Hz處與打磨前一致，利用圖8中1/3倍頻程譜數據計算得到打磨后噪聲源強可進一步降低0.2 dB（A），鋼軌預打磨的綜合降噪效果能達到1.6 dB（A）。鋼軌預打磨產生的周期性打磨痕跡會削弱鋼軌預打磨降噪效果，因此有必要探究鋼軌打磨產生周期性痕跡的原因并研究相應的鋼軌打磨優化方案。此外，既有鋼軌打磨技術無拋光功能，對小波長不平順度的治理效果不理想，對應高頻段噪聲降低不顯著。

4 結論

鋼軌預打磨的降噪效果與鋼軌初始狀態、打磨質量、列車速度等均有一定關系，高速鐵路聯調聯試期間鋼軌預打磨前后的短波不平順度及噪聲測試結果表明，鋼軌預打磨后試驗動車組以300 km/h速度運行時噪聲源強可降低1.4 dB（A）；鋼軌不平順度降低的波段對應頻率處噪聲均減小；鋼軌預打磨對小波長不平順度的治理效果較差，相應對高頻段的降噪效果也不明顯；鋼軌預打磨在改善鋼軌初始短波不平順的同時，也會產生周期性打磨痕跡，加重部分波長的不平順度，導致對應頻段內噪聲增大。

為使鋼軌預打磨取得更好的降噪效果，需研究提升小波長打磨效果的方法，分析周期性打磨痕跡的產生原因，進行相應鋼軌打磨技術的聲學優化。通過鋼軌預打磨降低輻射噪聲是聯調聯試期間最有效的降噪整治措施之一，考慮高速鐵路輪軌噪聲特性的鋼軌預打磨技術對新建高速鐵路噪聲控制具有重要意義，也可作為運營期內的關鍵噪聲控制措施，具有較高的應用價值。