跨座式单轨列车运行噪声的预测与分析

刘兰华，李晏良，伍向阳，何财松

（中国铁道科学研究院，北京 100081）

跨座式单轨列车运行噪声的预测与分析

刘兰华，李晏良，伍向阳，何财松

（中国铁道科学研究院，北京 100081）

城市轨道交通环评技术导则规定了城市轨道交通噪声预测的方法和参数修正原则，但跨座式单轨噪声预测只是参照执行，且其适用性也未经过验证。为此，根据跨座式单轨列车辐射噪声源强特性、垂向分布、传播衰减、速度特性等现场试验结果，论述了技术导则规定的预测模式中有关参数修正原则与跨座式单轨列车运行噪声预测的适用性，确定了跨座式单轨列车运行噪声预测中主要参数修正方法，并与实际监测结果进行验证，据此可以判断技术导则中预测方法及主要预测参数修正的合理性和有效性。

声学；城市轨道交通；跨座式单轨列车；噪声预测

近年来我国城市轨道交通发展迅猛，但由此引发的环境噪声问题也成为公众关注的焦点之一。降低轨道交通噪声影响预测误差是有效控制轨道交通噪声的技术基础。但跨座式单轨交通系统在我国的应用尚处于初级阶段，《环境影响评价技术导则城市轨道交通》（HJ 453-2008）中指出单轨交通噪声预测参照执行，但其编制说明中并未给出使用后的验证结果。因此，其预测方法及参数修正是否适用于跨座式单轨还有待研究。

1 概述

环境保护部2009年4月1日实施的《环境影响评价技术导则城市轨道交通》（HJ 453-2008）规定了城市轨道交通建设项目环境影响评价的原则、内容、方法和要求，明确了其适用范围[1]。噪声影响预测与评价中明确了预测内容、预测方法选择、预测范围与预测时段、预测量与评价量。列车及设备噪声预测应选用附录B推荐的预测模式（见式1.1），式1.1是建立在声传播规律基础之上，预测值为预测时段内的等效连续A声级。

式中除与列车最大垂向指向性辐射噪声源强（Lp0,i）密切有关外，还涉及的噪声修正项有：速度修正（Cv）、线路与轨道结构修正（Ct）、几何发散衰减（Cd）、空气吸收衰减（Ca）、地面效应引起的衰减（Cg）、屏障插入损失（Cb）、垂向指向性修正（Cθ）、频率计权修正（Cf,i）。

根据《环境影响评价技术导则城市轨道交通》编制说明，该标准编制过程中进行了列车运行噪声修正量的验证测试，也开展了声环境影响预测的验证工作，模式计算得出的预测值误差在1.6 dBA以内[2]。但上述噪声预测验证工作中，对列车噪声影响的实测数据来自于北京城铁和广州地铁一号线，均为钢轮钢轨导向系统，缺乏单轨交通噪声影响验证内容。

2 跨座式单轨交通特点

单轨交通的历史较为悠久，19世纪20年代建设了世界上第一条单轨交通[3]。随后在日本、美国等地得到运用并逐步发展成熟[4]。目前，国内仅有重庆市轨道交通二号线、三号线工程采用了该种技术。跨座式单轨交通是一种全封闭的交通运输系统，采用直流电牵引，单轨车辆骑在轨道梁上运行，其轨道梁既是承重结构又是轨道结构；其车轮采用高压充气橡胶轮胎。具有运量适中、占地面积小、建设投资费用低、爬坡能力强（最大坡度可达60‰）、转弯半径小（最小可达100 m）、选线灵活、噪声及各种污染低等优点[5]。跨座式单轨车体宽度和高度与地铁A型车相当，6节编组列车长89.4 m，轴重小于11 t，最高速度80 km/h，供电电压DC 1 500 V。轨道梁为预应力钢筋混凝土结构，它是列车的运行轨道，起承载、导向、稳定车辆的作用。由于跨座式单轨与地铁、轻轨等钢轮钢轨导向系统的轨道交通在工程技术条件上有较大的差别，其噪声源强及速度修正、传播衰减等影响特征也将有所不同。

3 跨座式单轨列车噪声影响特征试验

3.1 试验方案

本次试验目的是为跨座式单轨噪声影响预测提供数据依据，并据此提出有关预测参数的修正方法，以便能准确的预测跨座式单轨列车运行时的噪声影响。试验内容主要包括：垂向分布特性、源强特性、速度特性、传播衰减特性等。试验地点选择在重庆轨道交通3号线童家院子至金渝区间，位于上行线一侧；高架线路，坡度12‰，轨面距地面10.7 m，线间距3.7 m。数据采集点设置在距线路中心线7.5 m，分别高于轨面0 m、高于轨面1.5 m、轨面以下1.5 m、轨面以下2.5 m处测点。距线路中心线15 m、30 m、60 m、90 m、120 m高于轨面1.5 m处。距线路中心线7.5 m、22.5 m、52.5 m、82.5 m、112.5 m、142.5 m高于地面4.0 m（轨面以下6.7 m）处。此外，在该处车辆段试车线进行了不同速度下列车运行噪声影响测试，数据采集点设置在距线路中心线7.5 m、15 m、30 m和60 m，高于轨面1.5 m处。

测试期间气象条件为多云转阴，微风，温度5°C～10°C。期间无剧烈的温度梯度变化、强电磁场、强风引起的干扰；测点距反射物距离不小于1 m，采用多通道噪声数据实时采集分析系统（Bruel &Kjaer Model LANXI）记录测点处每列车通过时的噪声时域信号，测试列车通过时段的Leq值及Lmax值[6]；每个速度档采集的数据均大于10组。

3.2 试验结果与分析

（1）垂向分布特性

跨座式单轨列车以速度75 km/h运行时，距线路7.5 m、轨面不同高度处列车运行噪声试验结果如表3.1。

表3.1 噪声垂向分布试验结果/dBA

由上表可知，跨座式单轨列车辐射噪声最大值出现在轨面以下1.5 m处，这与跨座式单轨列车和轨道梁结构密切相关。单轨列车导向轮两侧有护板，护板下缘与轨道梁下缘平齐，均处在轨面以下1.5 m处，轮轨噪声向轨道两侧空间发散过程中受到一定的遮挡。同时轨道梁为通透式，轮轨接触摩擦等噪声由于护板遮挡作用，集中到护板和轨道梁下缘位置处向外发散，从而造成该位置处辐射噪声水平最高。而地铁、轻轨等钢轮钢轨导向的轨道交通，由于桥梁下部均为封闭式，噪声是向上折射发散的，其辐射噪声水平最高的位置处一般在轨面以上1.5 m处。

（2）源强特性

试验结果表明：跨座式单轨列车以速度75 km/h通过距线路中心线7.5 m、轨面以上1.5 m处和轨面以下1.5 m处列车通过等效声级（Leq）分别为77.8 dBA和81.3 dBA。其频谱分析结果如图3.1所示，产生的声能量主要集中在500 Hz～3 150 Hz频段内。

图3.1 单轨列车不同测点辐射噪声频谱图

同等边界条件下，跨座式单轨列车与钢轮钢轨列车（北京地铁13号线）运行噪声频谱分布差异性对比如图3.2所示。单轨列车运行声级水平明显低于轻轨列车；跨座式单轨的峰值频率为1 250 Hz，普通轻轨峰值频率为1 000 Hz，且其1 000 Hz以下低频部分声能量比重大于单轨，这与单轨采用橡胶车轮及混凝土轨道梁有关，橡胶车轮及混凝土轨道梁有效降低了轮轨振动辐射的低频噪声[7]。

图3.2 单轨与轻轨列车辐射噪声频谱对比图

（3）速度特性

列车辐射噪声随速度变化的特性试验选择在童家院子车辆段试车线上进行，试车线允许最高运行速度为50 km/h，试验中速度分别为30 km/h、40 km/ h和50 km/h。试车线轨面距地面2.5 m，平直线路。试验结果如表3.2所示。

表3.2 辐射噪声（dBA）随速度变化试验结果汇总表

（4）传播衰减特性

高架线路列车辐射噪声随距离传播衰减特性数据如表3.3所示，距线路中心线150 m范围内，轨面以下辐射噪声水平都大于轨面以上。

（5）空间分布特点

根据上述试验结果，采用Kriging（克里金）精确插值方法，利用不同的变差函数，得出单轨列车辐射噪声等声级曲线，如图3.3所示。

图3.3 单轨交通系统等声级曲线

由图可知，单轨列车辐射噪声声级水平分布具有明显的层次，以轨面为界，轨面以下辐射噪声水平明显大于轨面以上；同时，轨面以上垂向范围内辐射噪声衰减较快，轨面以下声级变化不明显。

4 单轨列车噪声预测参数的合理确定

4.1 源强选择

《环境影响评价技术导则城市轨道交通》中要求噪声预测源强尽量采用类比测量法，同时也明确了噪声源强应为列车最大垂向指向性方向辐射的列车通过等效噪声级。目前国内建成运营的单轨交通只有重庆市的2号线和3号线，噪声源强数据积累很少，没有标准的源强数据。为此，单轨列车运行噪声预测中噪声源强应采用类比测量方法，且测量点位不应仅局限于《环境影响评价技术导则城市轨道交通》中规定的距线路中心线7.5 m、轨面以上1.5 m处，应根据单轨列车、轨道梁结构及车线耦合的自身特点[8-10]，同时测量轨面以下1.5 m处辐射噪声水平，以确保获得的源强数据为列车最大垂向指向性方向辐射的声级。

4.2 速度修正

根据单轨列车辐射噪声速度特性试验结果，可得出列车辐射噪声水平随速度变化曲线，如图3.4所示。由图可知，根据试验数据拟合的速度曲线和修正量与《环境影响评价技术导则城市轨道交通》中给出的速度修正公式基本吻合，可以直接采用上述导则中给出的公式进行计算

式中v：列车通过预测点的运行速度，km/h；

v0：源强的参考速度，km/h。

4.3 几何发散衰减

根据表3.3单轨列车辐射噪声随距离传播衰减特性试验结果，可得出列车辐射噪声水平随距离的变化曲线，如图3.5所示。

表3.3 辐射噪声/（dBA）传播衰减特性试验结果汇总表 (运行速度75 km/h)

图3.4 单轨列车辐射噪声随速度变化曲线图

图3.5 单轨列车辐射噪声随距离变化曲线图

▲ 地面以上4 m/轨面以下6.7 m

y=-7.4 Ln(x)+98.05；R2=0.981

■ 轨面以上1.5 m

y=-7.613 6 Ln(x)+93.1；R2=0.998 1

● 轨面以下1.5 mm

y=-7.27 Ln(x)+96.61； R2=0.982 9

由图可知：

（1）单轨列车辐射噪声声级水平随距离增加而降低；

（2）由于单轨交通车辆及轨道结构型式的特殊性，在一定空间范围内，最大声级出现在轨面以下，且噪声空间分布均为轨面以下大于轨面以上；这与地铁、轻轨等轮轨导向的轨道交通系统的噪声分布及传播规律不同。

《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》中给出的几何发散衰减公式如式4.2所示

式中l：列车长度，m；

d0：源强的参考距离/m（为7.5 m）；

d：预测点至外轨中心线的水平距离/m。

根据图3.5，跨座式单轨列车辐射噪声几何发散衰减可近似采用公式4.3

h：声源点至预测点的垂向高度，m。

4.4 其他

（1）空气吸收衰减

列车噪声辐射几何发散衰减公式数据来源为现场实际测试数据，已经涵盖了空气吸收衰减因素，因此在采用式4.3时空气吸收衰减可不予修正。

（2）垂向指向性修正

轨道交通环评技术导则中列车运行辐射噪声垂向指向性修正量Cθ按下式计算

当-10°≤θ＜24°时

当24°≤θ＜50°时

式中θ——声源到预测点方向与水平面的夹角，度。

根据式4.5及4.6的计算公式，对距线路中心线7.5 m不同高度位置处垂向指向性修正值进行了计算，并与实测结果进行了比较，结果如表4.1。

表4.1 单轨列车运行噪声垂向指向性修正值对比表/dBA

由上表可知，受单轨列车及轨道梁结构特点影响，声源点以上位置处实测值与采用轨道交通环评技术导则中列车运行辐射噪声垂向指向性修正量计算值差异显著，而声源点以下区域，差异不明显。为了规避上述问题，根据跨座式单轨列车辐射噪声空间分布试验结果及图3.3，跨座式单轨辐射噪声垂向分布以轨面为界分为上下两层，轨面以上和轨面以下区域采用不同的实测噪声源强，同时在式4.4中考虑垂向高度的影响，所以在实际预测中不再考虑垂向指向性修正。

（3）地面吸收衰减

采用轨道交通环评技术导则中规定的修正原则。

4.5 预测结果验证

本次验证数据来源于“重庆市快速轨道交通较场口—新山村线路工程竣工环境保护验收调查报告”。重庆单轨2号线起自渝中区的较场口，止于大渡口区的新山村，全长19.15 km；验收调查期间开行列车130～139对/日，高峰小时开行列车10对。重庆市环境监测中心站对龙家湾住宅楼、西郊路35号住宅楼等敏感点进行了现场实测。实测数据与相关预测结果的对比如表4.3所示。

“本文修正原则预测值”是根据单轨列车声源分布特性及导则中预测模式，采用本次试验实测源强进行分层预测，主要预测参数依据本次试验结果而获得的预测值；“根据导则公式预测值”是依据轨道交通环评技术导则中的预测模式、有关参数修正方法、规定的源强点及对应的实测源强获得的预测值。“轨道交通贡献值”是根据实测总声级与背景值计算获取的。

由上表可知，采用本次试验研究结果确定的主要参数修正原则获得的预测值与实测值的误差为0 dBA～1.7 dBA，而采用轨道交通环评技术导则中有关修正原则获得的预测值与实测值的误差为2.0 dBA～4.6 dBA，因此，采用本次试验实测源强及本文确定主要预测参数修正方法获得的预测值更接近实测值，说明本次试验研究结果确定的有关预测方法、主要预测参数修正原则是可行的。

表4.3 重庆2号线单轨列车运行噪声实测值与有关预测值对比表/dBA

5 结语

（1）通过对国内运营的跨座式单轨交通现场试验结果的分析，受跨座式单轨列车及轨道梁结构特点影响，其辐射噪声空间分布具有明显的层次性，以轨面为界，轨面以下声级水平明显大于轨面以上，时速75 km/h时，距线路外轨中心线7.5 m、轨面以下1.5 m处其噪声源强为81.3 dBA，高于轨面以上1.5 m处3.5 dBA；

（2）试验结果表明，与跨座式单轨列车相比，普通地铁及轻轨列车低频部分能量比重要大于单轨；

（3）试验结果表明，跨座式单轨列车辐射噪声随速度变化的关系与轨道交通环评技术导则中给出的速度修正公式基本吻合，但几何发散衰减、垂向指向性修正有差异；

（4）以重庆2号线为例，对有关预测值进行了验证分析，结果表明：采用本次试验实测源强及本文确定主要预测参数修正方法获得的预测值与实测值误差1.7 dBA以内，而根据导则中有关方法获得预测值与实测值误差在2.0 dBA～4.6 dBA，说明本次次试验研究结果确定的有关预测方法、主要预测参数修正原则是可行的。

综上述，本文提出如下建议：

①噪声源强应为列车最大垂向指向性方向辐射的列车通过等效噪声级，跨座式单轨列车辐射噪声源强测点应增加轨面以下1.5 m处的位置；

②由于试验边界条件限制，本次试验中未开展曲线半径、坡度等线路条件与噪声预测中有关参数修正的验证性试验，上述修正原则还有待深化研究；

③本次验证仅仅依据重庆2号线环保验收调查报告中给出的少量数据，且实测总声级中轨道交通贡献率较小，条件适宜时可选择多点开展现场实测，进行充分验证。

[1]环境保护部.环境影响评价技术导则城市轨道交通（HJ453-2008）［S］.2008.12.25

[2]北京市地下铁道设计研究所.“环境影响评价技术导则城市轨道交通”编制说明［R］.北京，2007.

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[4]周庆瑞，金锋.新型城市轨道交通［M］.北京：中国铁道出版社，2005.

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[11]国家环境保护总局环境工程评估中心，《重庆市快速轨道交通较场口—新山村线路工程竣工环境保护验收调查报告》［R］.北京，2006.

Operation-noise Prediction andAnalysis for Straddle-type Monorail Trains

LIU Lan-hua,LI Yan-liang,WU Xiang-yang,HE Cai-song
（ChinaAcademy of Railway Sciences,Beijing 100081,China）

Technical guidelines of EIA has provided the method of noise prediction and the principle of parameters correction for urban rail transit,but noise prediction mode for the straddle type monorail trains can just refer to these guidelines only and their applicability have not been verified yet.In this paper,based on the results of field test of source intensity properties,vertical distribution,propagation attenuation law and speed characteristics of the straddle-type monorail-train radiation noise,the applicability of the relevant parameter correction principles and the noise prediction mode in technical guidelines of EIA to straddle-type monorail-train noise prediction were discussed,the main parameter correction method of straddle type monorail train noise prediction mode was established.The results were validated by the actual monitoring data.The rationality and effectiveness of the technical guidelines of the noise prediction methods and the main parameters correction were verified.

acoustics;urban rail trainsit;straddle type monorail trains;noise prediction

TB132；U238

：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.019

1006-1355(2015)01-0093-06

2014－04－28

北京市基础设施投资有限公司及中国铁道科学研究院环保所技术服务项目（2014JZ087HB13）

刘兰华（1977－），男，江西吉安人，副研究员，在职博士，主要研究方向：高速铁路噪声振动及其控制、环境影响评价技术研究。E-mail:zhypllh@126.com