高速铁路噪声源区划及各区域声源贡献量分析

胡文林，胡叙洪，齐春雨，王少林

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都　610031; 2.铁道第三勘察设计院集团有限公司轨道交通勘察设计国家地方联合工程实验室，天津　300251)



高速铁路噪声源区划及各区域声源贡献量分析

胡文林1，2，胡叙洪2，齐春雨2，王少林2

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031; 2.铁道第三勘察设计院集团有限公司轨道交通勘察设计国家地方联合工程实验室，天津300251)

摘要:研究高速铁路噪声源区划方法并分析各区域声源贡献量，对高速铁路噪声治理有重要意义。基于高速铁路噪声源辨识现场测试，分析得到噪声源的位置和幅值。将噪声源按高度划分为轮轨区、车体下部、车体上部、集电系统和桥梁结构等5个区域，进一步将车体上部沿线路方向划分为车头区和非车头区，将集电系统区域沿线路方向划分为受电弓区和接触网区。根据声波能量叠加原理计算每个区域噪声源辐射功率，研究各个区域声源贡献量。分析结果表明，列车以300 km/h运行时，轮轨区噪声占48%，车体下部噪声占25%，合计占总噪声的73%，对高速铁路辐射噪声起主导作用。

关键词:高速铁路;噪声源辨识;噪声源区划;声源贡献

1　概述

噪声水平是未来衡量高速铁路先进性的重要指标之一。根据声源的实际分布将高速铁路噪声源合理划分为不同区域，并掌握每个区域噪声源的幅值、频谱和贡献量，是研究高速铁路噪声控制技术、开展噪声综合治理的重要基础。国内外研究表明，高速铁路噪声是多种机理噪声构成的复合噪声，主要包括轮轨噪声、车体噪声、集电系统噪声和桥梁结构噪声等，具体来源可分为轮轨滚动噪声、冲击噪声、曲线啸叫噪声等机械噪声，列车头部、转向架、受电弓等部位引起的空气动力噪声，弓网摩擦、电弧噪声，轨道振动传递至高架桥各部件引起的结构噪声等，幅值和频谱特性与传统铁路差别较大［1-5］。为了研究高速铁路噪声源特性，采用传声器阵列进行噪声源定位和强度分析，是近年来最为流行测试分析手段［6-8］。由于噪声源特性存在固有差异以及选择的测试方法、区划方法不同，日本、美国、德国、北欧等铁路运输发达的国家或地区对高速铁路噪声源的定义和各区域声源贡献量有较大差别［4，9-11］。近几年的现场测试分析发现，国内高速铁路噪声源特性与发达国家存在一定差异，国外噪声源区划方式及声源贡献量不能作为中国高速铁路噪声治理的依据。为避免因噪声源认识不统一造成治理方向偏差、影响噪声治理效果，应对中国高速铁路噪声源统一区划并研究确定各区域声源贡献量。

本文基于传声器阵列进行噪声源辨识现场测试，采集列车通过时传声器阵列所在位置的噪声信号，将高速列车及桥梁腹板表面划分为数千个面积相等的网格，利用声源辨识分析软件由采集到的声信号初步求得每个网格代表的点声源幅值和频谱。将高速铁路噪声源按高度划分为轮轨区、车体下部、车体上部、集电系统和桥梁结构等5个主要区域。沿线路方向进一步将车体上部划分为车头区和非车头区两个子区，集电系统区域沿线路方向划分为受电弓区和接触网区2个子区。研究每个区域噪声源能量贡献量，分析确定主要噪声源，为高速铁路噪声治理提供依据。

2　高速铁路噪声源辨识

采用B＆K快速移动声源辨识系统进行高速铁路噪声源辨识测试。该系统由传声器阵列、多通道数据采集分析仪(图1)及PULSE18.0分析软件组成，辨识频率范围200～6 300 Hz。利用波束形成、反卷积等算法对列车通过时阵列采集到的声信号进行处理［12］，获得高速铁路噪声源幅值和空间分布的云图。为简化辨识分析过程，假设所有声源位于同一平面，获得的噪声源云图是实际声源在该平面内的投影。

图1　噪声源辨识采用的传声器阵列及多通道数据采集分析仪

图2为列车以300 km/h运行时高速铁路噪声源各频率总辐射功率的云图。云图显示的水平范围为0～201 m，竖向范围自轨面以下3 m至轨面以上6 m，覆盖8列编组的动车组车头至车尾、桥梁腹板下沿至接触网之间的所有声源。云图水平分辨率为1 m，竖向分辨率为0.2 m，整个云图划分为201×46网格，噪声源位于每个网格的中心。网格明暗对应该点噪声源幅值大小，越明亮表示声源幅值越大。轨面以下0.5 m至轨面以上2 m的范围内存在一条声源幅值较大的噪声能量带，其中车轮所在位置噪声最为突出;列车头部存在较强的局部噪声源;第二节末端及第三节车厢连接部、车顶上方亮斑为受电弓噪声源所在位置;轨面以下桥腹板位置也存在噪声源。

图2　列车以300 km/h运行时高速铁路噪声源辨识结果云图(竖向坐标为声源位置与轨顶的相对高度，列车运行方向向左)

3　噪声源划分及声源贡献量分析

图2所示噪声源辨识结果云图不能直观、定量地反应高速铁路不同发声区域各自的噪声贡献量。将云图中同一高度的点声源辐射功率沿线路方向求和，获得声源辐射声功率级随高度的分布特性(图3)，并结合高速列车和桥梁的实际高度，将高速铁路噪声源按高度划分为轮轨区、车体下部、车体上部、集电系统、桥梁结构等5个区域(图4)，每个区域的高度范围及主要噪声来源如表1所示。轮轨区为轨面以下0.4 m至轨面以上1 m，覆盖列车车轮及钢轨，轮轨区噪声以轮轨噪声和转向架空气动力噪声为主，轨面以上0.4 m附近幅值最大;由噪声源云图(图2)和声功率的高度分布(图3)可知，车体噪声大分布位于列车侧下方和列车顶部附近，在轨面以上2.5 m附近噪声相对较小，因此车体噪声源分为车体下部和车体上部两个区域，车体下部噪声包含列车侧下部及车头偏下部的空气动力噪声，车体上部噪声包括车顶部及车头偏上部的空气动力噪声;集电系统为轨面以上3.9 m至轨面以上6 m，覆盖受电弓和接触网线高度，主要包括受电弓空气动力噪声、弓网摩擦噪声、火花电弧噪声;桥梁结构噪声为轨面以下3 m至轨面以下0.4 m，主要由桥梁腹板、翼板结构辐射噪声组成，由于桥梁底板主要面向地面辐射结构振动噪声，对距离线路较远处环境噪声的影响有限，未考虑其对总噪声的贡献。

图3　高速铁路噪声源辐射功率高度分布(A计权)，竖向坐标0 m为轨顶高程

图4　高速铁路按高度划分的5个声源区域

表1　高速铁路桥梁段五个声源区域范围及主要噪声来源

按上述划分方法，每个区域噪声源的辐射功率为

式中，i为轮轨区、车体下部、车体上部、集电系统和桥梁结构; Wi为第i个区域声源的总辐射功率; x和y分别为云图中水平坐标和竖向坐标，f为频率; Wi(x，y)为云图网格中心坐标为(x，y)处点声源的辐射功率; Nx为水平网格数; Ny，i为第i个区域的竖向网格数; Nf为200～6 300 Hz范围内1/3倍频程频带个数。

每个区域噪声源对高速铁路总辐射噪声的贡献量为

式中，Pi为第i个区域声源的贡献量。

图5为列车以300 km/h运行时各区域噪声源的贡献量。其中，轮轨区噪声占48%，车体下部噪声占25%，合计占总噪声的73%，对高速铁路辐射噪声起主导作用;车体上部噪声占6%，集电系统噪声占4%，合计占总噪声的10%，对总噪声的贡献相对较小;桥梁结构噪声占17%，对总噪声的贡献比较有限。目前高速铁路主要采取的环境噪声治理措施为声屏障［13-16］，可降低轮轨区和车体下部等主要噪声源声传播，具有合理性。当轮轨区、车体下部等主要噪声源对环境的影响减小后，车体上部、集电系统和桥梁结构噪声等次要声源对环境的影响可能会显现。目前广泛建设、使用的2.05 m和3.05 m直立式声屏障对这些次要噪声源的降噪能力有限，如欲进一步降低高速铁路噪声，应对桥梁结构噪声等次要声源降噪措施的开发予以一定程度的重视。

图5　高速铁路不同区域噪声源对总噪声贡献量(A计权)

对列车车头和受电弓这两处噪声源的贡献量做进一步分析。由于列车车头空气动力噪声源主要位于车体上部范围内(图2)，因此只分析车体上部区域内的车头噪声的贡献量。将水平坐标0～10 m、竖向坐标2.5～3.9 m划分为车头区，其余范围划分为非车头区，尽管车头区局部噪声功率密度较高，但由于声源面积较小，只占车体上部的5%，对车体上部噪声的总贡献量只有14%(图6)，对总噪声的贡献比例不足1%。将集电系统区域中水平坐标45～60 m，轨面以上3.9～6 m划分受电弓区，其对集电系统区域噪声贡献量只有26%(图7)，对总噪声的贡献比例仅1%。以上分析表明，列车车头、受电弓位置噪声强度较大，但各自对车体上部、集电系统区域噪声的贡献比例较小，对环境噪声的影响十分有限。

轮轨区噪声包括轮轨机械噪声和转向架空气动力噪声，声源位置重叠，仅靠噪声源辨识测试难以进一步细分，本文不作讨论。

图6　车头区和非车头区对车体上部噪声的贡献量(A计权)

图7　受电弓区和接触网区分别对集电系统噪声的贡献量(A计权)

4　结论

基于高速铁路噪声源辨识测试与分析结果，研究高速铁路噪声源的划分方法，并分析每个区域噪声源对总噪声的贡献量。

(1)将高速铁路噪声源按高度划分为轮轨区、车体下部、车体上部、集电系统和桥梁结构等5个主要区域。

(2)列车以300 km/h运行时，轮轨区噪声占48%，车体下部噪声占25%，合计占总噪声的73%，对高速铁路辐射噪声起主导作用，应作为高速铁路噪声源的首要治理对象，目前采取的声屏障等降噪措施具有合理性;桥梁结构噪声等次要噪声源治理也应予以一定程度的重视。

(3)对车体上部、集电系统区域进一步细划、分析表明，车头区和受电弓区噪声源能量密度相对较大，但由于声源辐射面积小，对高速铁路环境噪声贡献相对较小，应结合实际需要做选择性治理。

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Division and Contribution Analysis of High-speed railway Noise Sources

HU Wen-lin1，2，HU Xu-hong2，QI Chun-yu2，WANG Shao-lin2
(1.State Key Laboratory of Tract Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 2.National and Local Joint Engineering Laboratory of Rail Traffic Survey and Design，The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

Abstract:Division and contribution analysis of high-speed railway noise sources are important for noise control.Locations and amplitudes of high-speed railway noise sources are determined through noise identification field tests.The sources are divided by height into wheel/track area，lower part of vehicle，upper part of vehicle，pantograph-catenary area and bridge area.For further analysis，the upper part of vehicle is divided in the direction of the line into head area and non-head area，and pantograph-catenary area is divided into pantograph area and catenary area.The noise contribution of each area is studied in terms of the total radiation power in each source area.Calculation results show that the noises in wheel/track area and the lower part of vehicle make up 48% and 25% separately，amount to 73% of the total，and dominate high-speed railway radiation noise.

Key words:High-speed railway; Noise source identification; Noise source division; Noise source contribution

作者简介:胡文林(1984—)，男，工程师，2013年毕业于中国科学院声学研究所信号与信息处理专业，工学博士，E-mail:392961046@ qq.com。

基金项目:国家863课题(2011AA11A103) ;天津市企业博士后创新项目择优资助计划资助课题。

收稿日期:2015-08-25;修回日期:2015-08-28

文章编号:1004-2954(2016) 03-0163-04

中图分类号:U238; X827

文献标识码:

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.034