我国高速铁路噪声源强特性变化试验研究

刘兰华（中国铁道科学研究院，北京　100081）

我国高速铁路噪声源强特性变化试验研究

刘兰华
（中国铁道科学研究院，北京100081）

随着我国高速铁路的发展，其噪声影响也日益引起社会的关注。掌握高速铁路辐射噪声水平及其特性是开展噪声影响控制的理论基础。在大量高速铁路辐射噪声现场试验研究的基础上，获得了我国高速铁路桥梁线路和路基线路分别在200～300 km/h及300～350 km/h速度区间下的噪声源强特性变化规律，探讨了不同速度区间噪声源强与速度的变化机理。比较分析了中国标准动车组、CRH380、CRH2C动车组等不同车型动车组噪声源强特性的变化，并对高速铁路噪声辐射特性与普速铁路噪声辐射特性及法国、德国、日本等国家高速铁路辐射噪声特性加以对比分析，指出我国高速铁路辐射噪声水平略高于法国、德国等。

高速铁路；噪声源强；辐射噪声

高速铁路已经成为现代化交通体系的主干。但高速铁路噪声的影响已成为制约其发展的一个重要因素，必须根据国家有关噪声防治要求对其进行有效控制。在噪声控制工程中，研究高速铁路噪声源强及其特性、掌握动车组类型及不同线路条件下辐射噪声水平及其变化是重要的基础工作。

国内外对高速铁路噪声源强特性及其变化规律进行了大量理论研究。日本从20世纪60年代、法国与德国从20世纪80年代开始结合各自国家高速铁路建设及高速列车研制对高速铁路噪声源强特性开展了试验研究，得到了高速列车在不同速度下的噪声源强。我国从20世纪末期开始高速铁路噪声领域的有关研究，目前在高速铁路联调联试及高速铁路综合试验中开展了大量试验，试验内容涉及噪声源组成、噪声源强特性、声场分布、传播规律、主要降噪措施效果等，也对不同类型动车组及线路条件变化所引起的高速铁路噪声源强进行了对比试验研究［1-6］。试验方法依据《Acoustics-RailwayApplications-MeasurementofNoise Emitted by Railbound Vehicles》（ISO-3095）及《声学铁路机车车辆辐射噪声测量》（GB/T 5111—2011）。本次试验分析数据来源于我国时速300 km/h及以上等级的高速铁路联调联试及综合试验结果，试验列车包括我国高速铁路运营中的主型动车组CRH380及CRH2C。同时，根据最新试验研究成果，对比分析了与中国标准动车组辐射噪声水平的差异。

1　试验结果及分析

1.1噪声源强

对我国近30条高速铁路40余个试验区段的相关试验结果进行了统计分析，得到我国高速铁路桥梁与路基线路辐射噪声与速度的关系曲线，见图1。

图1　辐射噪声与速度的关系曲线

各试验区段桥梁线路试验工点辐射噪声与速度的关系测试数据分布见图2。桥梁线路辐射噪声源强试验结果统计极差为3.4 dB（A）、方差为0.85、标准差为0.92 dB（A）。

图2　辐射噪声与速度的关系测试数据分布

对图1中试验数据进行回归分析，得到我国高速铁路动车组以300～350 km/h运行时辐射噪声与速度的变化关系。对桥梁线路，TEL=（39～43）lg（V/V0）+c1；对路基线路，TEL=（36～40）lg（V/V0）+c2。其中V为车速，参考速度 V0=300 km/h，c1，c2为初始常数。

同理可得我国高速铁路动车组以200～300 km/h运行时辐射噪声与速度的变化关系。对桥梁线路，TEL=（27～30）lg（V/V0）+c1；对路基线路，TEL=（26 ～29）lg（V/V0）+c2。其中参考速度 V0=200 km/h。可知，动车组辐射噪声声级水平随列车运行速度的提高总体上呈增大的趋势。但在不同速度区间，试验动车组辐射噪声声级水平随速度提高增长的速率不尽相同，200～300 km/h时辐射噪声与速度级的增长系数为26～30；300～350 km/h时辐射噪声与速度级的增长系数为36～43。

不同速度区间辐射噪声随速度增长系数差异主要是由不同速度下辐射噪声源组成差异造成的。理论分析结果表明：在以轮轨噪声为主的速度区段运行时，速度与声级的变化关系式为30lg（V/V0）；当列车以空气动力噪声为主的高速区段运行时，速度与声级的变化关系式为70lg（V/V0）。

据此说明，200～300 km/h时噪声源仍以轮轨噪声为主，时速达到300 km/h及以上时，噪声源中空气动力噪声、弓网集电系统噪声等逐步增加，而空气动力噪声对列车运行速度更为敏感。《铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见》（铁计［2010］44号文）中推荐的噪声预测模式，其辐射噪声随速度增长系数为30，与200～300 km/h的试验结果吻合，但与300～350 km/h试验结果存在差异。这说明铁计［2010］44号文中推荐的噪声预测模式及有关参数修正主要适用于以轮轨噪声为主的铁路环境噪声预测。

1.2辐射噪声时域和频域特性

高速动车组以350 km/h通过桥梁线路试验测点时辐射噪声的时域、频域特性见图3、图4，CRH380动车组以300，350 km/h速度运行时辐射噪声频谱对比见图5。

图3　列车辐射噪声时域与频谱分析结果

图4　列车辐射噪声时频域变化结果

图5　典型速度时列车辐射噪声频谱对比

由图3—图5可知：

1）动车组通过受声点时，瞬时声压级变化剧烈，最大声压级变化率在8 dB（A）/s以上，且随着车速的提高，声压级变化率也逐步增大，瞬时声压级水平高于背景噪声40 dB（A）以上。声压级变化率加大会加大人的烦恼度。

2）高速铁路噪声频谱呈宽频特性，最大声压级集中在31.5～125 Hz的低频段，4 000 Hz以上高频迅速减小；A计权噪声能量分布在500～5000 Hz频带，其中1 000～4 000 Hz更为突出。

3）随着车速的提高，各频带声压级逐渐升高，高频分量升高较慢，低频分量升高较快。这与二者的噪声主要来源及其对速度的敏感性有关，与高频分量相比，低频分量主要来源于空气动力噪声，其对速度的敏感性更高。

4）高频噪声与低频噪声对受声点的作用时间有所差异，主要是与不同频段噪声的衰减速率有关，与高频噪声相比，低频噪声衰减较慢，对受声点的作用时间较长。

1.3不同等级线路的辐射噪声频谱比较

普速铁路与高速铁路桥梁线路典型速度辐射噪声频谱分布情况对比见图6。

图6　普速铁路与高速铁路桥梁线路典型速度频谱对比

由图6可知：无论是普速铁路还是高速铁路，典型速度下峰值频率都集中在低频段。这主要是由线路扣件间距及转向架定距等特征频率引起的。但普速铁路与高速铁路频谱也存在显著差异，普速铁路在31.5～125 Hz左右的低频段能量更为集中，高速铁路则呈宽频带分布，其A计权噪声能量在1 000～4 000 Hz更为突出。这主要是由于高速铁路列车时速达到300 km/h及以上时辐射噪声中弓网集电系统噪声、空气动力噪声等明显增加所致。

1.4不同动车组类型引起的辐射噪声比较

根据最新试验结果，本文对比分析了中国标准动车组、CRH380及 CRH2C等相关动车组以 300～350 km/h速度运行时辐射噪声试验结果，见图7。

图7　桥梁区段主要类型动车组典型速度辐射噪声对比

由图 7可知，CRH2C动车组的辐射噪声最大，CRH380动车组次之，中国标准动车组最小。但中国标准动车组与 CRH380动车组辐射噪声相差不大，差值在1.0 dB（A）内。根据上述3种类型动车组的制造时间，可以看出我国高速动车组辐射噪声逐渐降低，经历了由高变低的过程，在此过程中辐射噪声总体降低了1～2 dB（A）。主要原因是在后续动车组设计中，采用了相应的噪声优化设计措施，如 CRH380系列动车组增加了车头的长细比，优化了动车组头型，对车体表面作了平顺化处理。上述优化措施可减少空气阻力10% ～15%，使得车体表面气动噪声影响降低7%［6-7］。再如采用DSA350型高速受电弓，在受电弓两侧设挡板，强化受电弓安装座区域流场及导流结构优化设计，有效降低了集电系统气动噪声影响。

2　与国外试验结果的比较

2.1国内外高速列车辐射噪声与速度的关系比较

日本、法国、德国等多年来对高速铁路噪声源强特性进行了研究，在2000年之前先后获得了相应条件下桥梁线路高速铁路列车运行辐射噪声与速度的关系，见表1［8-9］。可见，我国高速铁路列车辐射噪声随速度提高的增长系数均小于法国、德国及日本的试验结果，说明我国高速列车流线型等噪声优化设计优于试验当时的德国、法国及日本高速列车。

表1　部分国家高速铁路列车运行辐射噪声与速度的关系

2.2国内外高速列车辐射噪声水平比较

国外高速铁路噪声影响状况均经历了由高到低的变化历程，表2为日、法、德3国高速铁路在不同年代的列车运行辐射噪声水平。可见随着高速铁路技术不断进步，以及各种降噪措施的实施，其辐射噪声逐步下降。

表2　国外高速铁路辐射噪声

我国与国外高速铁路列车运行辐射噪声对比见图8。由图8可知，时速300～350 km/h我国高速铁路列车运行辐射噪声略高于法国、德国高速列车运行辐射噪声水平，差值在1 dB（A）内。

图8　高速铁路辐射噪声对比

3　结论

1）时速300～350 km/h时动车组辐射噪声声压级随速度提高系数为36～43；高速动车组经过受声点时瞬时声压级变化率大，瞬时声压级水平远高于背景噪声；随着车速的提高，各频带声压级逐步增加，由于噪声源组成的变化，高频分量增长慢，低频分量增长快。

2）无论是普速铁路还是高速铁路，其辐射噪声峰值频率均在低频段，但高速铁路辐射噪声呈宽频特性，普速铁路辐射噪声能量主要集中在低频段。

3）随着动车组噪声优化设计的发展，我国高速动车组辐射噪声经历了由高到低的变化过程，中国标准动车组辐射噪声相对最低。近年来我国动车组辐射噪声总体降低了1～2 dB（A），已与法国、德国高速动车组辐射噪声水平比较接近。

［1］邓俊.京津城际铁路环境噪声特性研究［D］.成都：西南交通大学，2010.

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［7］辜小安.京沪高速铁路噪声源控制技术的应用及其降噪效果［J］.铁路节能环保与安全卫生，2013，3（1）：1-3.

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（责任审编李付军）

Experimental Study on Noise Source Characteristics of High Speed Railway

LIU Lanhua
（China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

W ith the development of high speed railway in China，the influence of noise has aroused more and more social attention and understanding the radiation noise level and its characteristics of high speed railway is the theoretical basis of noise influence and control.Based on a large number of radiation noise field experiments in China high speed railway，the change rules of noise source intensity characteristics were concluded for high speed railway bridge circuit and subgrade circuit with speed of 200～300 km/h and 300～350 km/h respectively，the change mechanism between noise source intensity and velocity in different speed range was discussed，noise source intensity characteristics change of different EM U（Electric M utiple Unit）models including Chinese standard EM U，CRH380and CRH2Cwas analyzed，the noise radiation characteristics for both high speed railway and common speed railway were compared and radiation noise characteristics of high speed railway in France，Germany and Japan were discussed，which indicated that the radiation noise level of high speed railway in China is slightly higher than that of France and Germany.

High speed railway；Noise source intensity；Radiation noise

U211.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.40

1003-1995（2016）08-0160-04

2016-03-22；

2016-04-26

中国铁路总公司科技研究开发计划（2014Z003-A，2015Z003-A）

刘兰华（1977— ），男，副研究员。