高速铁路列车运行辐射噪声与运行速度关键系数研究

李晏良，邵 琳，何财松

LI Yan-liang1，SHAO Lin2，HE CAI-song2

（1.中国铁道科学研究院 研究生部, 北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保    劳卫研究所，北京 100081）

(1.Postgraduate Department， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China； 2.Energy Saving ＆Environmental Protection＆Occoupational Safety and Health Research Institute， China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081， China)

1 概述

随着“四纵四横”高速铁路网的建成，加快推进了“八纵八横”主通道的建设，我国高速铁路将逐步扩展成网[1]，相应地高速铁路噪声影响日益引起人们的关注。高速铁路列车运行辐射噪声与运行速度关系的研究，不仅是高速铁路噪声机理研究的重要内容之一，也是高速铁路环境噪声预测方法研究中的重要基础问题。通过高速铁路综合试验和联调联试[2]列车运行辐射噪声测试数据，积极探索适用于我国高速铁路列车运行辐射噪声与运行速度的关系模型，确定其关键系数。根据国内外相关研究结果，列车运行辐射噪声随列车速度增加而增大，两者一般呈对数关系，关系计算公式为

式中：K为关键系数，也称速度指数，主要与列车速度相关；V为列车速度；V0为参考速度；L0为参考速度下的等效 A 声级。欧洲相关研究机构通过对法国 TGV 和德国 ICE 等高速列车开展现场噪声试验，经线性回归确定速度指数[3]，但由于试验数据样本数偏少，而且试验速度较低，适用范围存在局限性。目前我国在《环境影响评价技术导则 声环境》(HJ2.4—2009) 中采用的速度修正模型，主要适用于低速条件下的以轮轨滚动噪声为主的城市轨道交通线路噪声预测[4]，对于高速铁路尚未确立关键系数。轨道交通噪声预测的速度修正模型如表 1 所示。

另外，列车运行辐射噪声大小与测试线路的边界条件、车辆类型、轮轨表面状态和列车速度等诸多因素有关[5]，主要采用京沪高速铁路 (北京南—上海虹桥)、长昆客运专线 (长沙南—昆明南)、大西客运专线 (大同—西安) 等 40 余条有代表性的高速铁路噪声试验数据，测试动车组车型包括 CRH2A、CRH2C、CRH3、CRH380A(L)、CRH380B(L)、CR400AF、CR400BF 等，最高试验速度为 420 km/h。测试期间车轮、轨道表面状态良好，测试方法根据《Acoustics-railway Applications-measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles》(ISO 3095—2013) 中相关规定，测点位置位于距外侧轨道中心线 25 m、轨面以上 3.5 m 高处。高速铁路噪声测试线路边界条件如表 2 所示。

由表 2 可知，线路边界条件涵盖高速铁路所有轨道类型、无砟轨道轨道板型式、设计行车速度，同时测试车型基本为目前主要运营动车组，因而研究结果具有普遍性。此外，高速铁路噪声最显著的特点是随着高速铁路列车速度的提高，气动噪声显著增强，而且气动噪声与轮轨噪声两者随速度的增长趋势不同。因此，研究高速铁路噪声与速度的关键系数，首先需要识别气动噪声与滚动噪声分别占主导时的列车速度，即声学转换速度。因此，应针对高速铁路列车运行辐射噪声与运行速度关系的声学转换速度和关键系数开展系统性研究。

表 1 轨道交通噪声预测的速度修正模型Tab.1 The modified model of noise prediction of rail transport

2 高速铁路噪声声学转换速度识别分析

高速铁路噪声主要由轮轨噪声、气动噪声和牵引噪声组成。我国高速铁路由于采用无缝线路，轮轨噪声主要体现为轮轨滚动噪声，是列车轮轨相互作用时车轮和钢轨表面粗糙不平顺造成列车垂向振动引起的。气动噪声主要分布在车体表面、车头、车尾、受电弓、车辆连接处和转向架车辆通风处，是列车在高速行驶中与空气发生相互作用产生的，而且随着列车运行速度的提高急剧增加。牵引噪声主要是牵引变流器、牵引变压器、牵引电机、辅助供电设备和通风设备等列车牵引转动设备产生的噪声[6-9]。

按照上述 3 种噪声源占主导时所对应的列车速度范围，可以将运行速度分成 3 个区段，主导噪声源转变时的列车速度称为声学转换速度，高速铁路声学转换速度示意图如图 1 所示。声学转变速度不是固定不变的，它是某个速度范围内的动态值，与线路条件、轨道类型、运行车辆等情况相关。通过识别高速铁路噪声声学转换速度，特别是轮轨滚动噪声和气动噪声的转换速度，可以建立我国高速铁路噪声与列车速度关系模型。此外，根据声学转换速度，能够确定列车在不同速度范围的主导噪声，进而对不同设计行车速度的高速铁路有针对性的开展噪声控制技术研究。

2.1 通过确定性系数 R2 识别声学转换速度

图 1 高速铁路声学转换速度示意图Fig.1 The acoustic conversion speed of high-speed railway

确定性系数是反映回归模式说明因变量变化可靠程度的一个统计指标，确定性系数的大小决定了相关的密切程度。2 种车型动车组辐射噪声与运行速度的变化关系曲线如图 2 所示。由图 2 可以看出，在相同测试工况条件下，2 种不同型号动车组列车在某高速铁路行驶中辐射噪声随速度变化的关系曲线主要发展趋势相同。对关系曲线设定不同的转换速度，可以得到曲线不同的确定性系数R2值 (每个转换速度可以得到 4 个R2值)。当R2值最高时，可以初步判定该速度为声学转换速度。图 2中声学转换速度为 300 km/h。此外，由图 2 还可以看出，2 种车型动车组列车在低速时辐射噪声水平相当，但随着速度增加，B 型车的声级水平增长更快，说明列车外型对高速铁路噪声特别是气动噪声影响较大。

图 2 2 种车型动车组辐射噪声与运行速度的变化关系曲线Fig.2 The noise and speed changing relation curve in two types EMU

2.2 通过高速铁路噪声频率特性识别声学转换速度

由于牵引噪声在车速较高的情况下所占总声能比例极低，因而只对轮轨滚动噪声和气动噪声频率特性进行分析。一方面，与轮轨滚动噪声有关的轮轨粗糙度波长主要在 5～500 mm 范围内，具有宽频特性，随着速度的增加，高频成分会逐渐显现；另一方面，列车气动噪声主要声能集中在中低频段，特别是轮轨区域气动噪声主要集中在低频段[10]。通过对高速铁路噪声频率特性进行分析，可以定性地识别出轮轨滚动噪声和气动噪声的转换速度。

图 3 某型动车组以不同速度通过某线路区段时的 1/3 倍频程频谱图Fig.3 A EMU passing one section by different speed

某型动车组以不同速度通过某线路区段时的 1/3 倍频程频谱图如图 3 所示。在图 3 中，某型动车组分别以 200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h速度通过某线路区段。从图 3 可以看出，高速铁路噪声呈宽频特性；200 km/h 速度时声能主要集中在 500～2 000 Hz，说明轮轨滚动噪声占据主导地位，此时噪声主频为 800 Hz，该特征频率与轨道系统本身的固有特性有关 (包括钢轨、扣件、轨道板等)；随着速度提高，200 Hz以下的低频段噪声开始体现，说明气动噪声逐渐增大；当速度为 300 km/h 时，低频段噪声峰值开始超过中高频噪声；当速度为 350 km/h 和 400 km/h 时，气动噪声已经占据主导地位。

通过对噪声频率特性和噪声与列车运行速度关系曲线的定性分析，可以初步识别出我国高速铁路轮轨滚动噪声和气动噪声的声学转换速度在300 km/h 左右的一个动态范围内。

3 高速铁路噪声与列车速度关系模型关键系数研究

根据国内外相关研究结果[7]，轮轨噪声与列车速度V的关系正比于V2～V4，气动噪声为V6～V8。需要特别指出的是，上述研究结果中气动噪声与速度的 6～8 次方关系是在噪声未计权的条件下取得的，而L(V) 和L0都为 A 计权声压级，A 计权对于200 Hz 以下的低频噪声有较大的修正量，根据 2.2节所述气动噪声主要声能集中在中低频段，因而即使列车气动噪声在 300～400 km/h 速度范围内占据主导地位，一般情况下总的 A 计权声压级与列车速度V的关系不会超过 6 次方，即 10 ＜K＜ 60。依据 40余条高速铁路线路噪声试验数据，以 300 km/h 为声学转换速度，得到我国 3 种设计行车速度高速铁路噪声与列车速度关系模型K值表如表 3 所示。

由表 3 可知，160～300 km/h 速度范围内，3 种设计行车速度的高速铁路K值平均值为 25～30，符合轮轨噪声随速度变化关系；300～400 km/h 速度范围内K值平均值为38～40。对于相同的设计行车速度高速铁路，线路类型 (桥梁和路堤) 对K值影响不大。此外，对于 350 km/h、300 km/h、250 km/h 3 种设计行车速度高速铁路，在相同的速度范围内，线路设计行车速度越高，K值越低；对于 250 km/h 设计行车速度线路，无砟轨道的K值低于有砟轨道 (不再详细列出)。上述规律说明相同速度范围内，线路设计等级越高、轨道系统相关参数要求越严格，线路平顺度越高，噪声增长越慢。

表 3 我国 3 种设计行车速度高速铁路噪声与列车速度关系模型关键系数 K 值表Tab.3 Relation model between noise and speed of three types speed high-speed railway

根据相关研究，国外高速铁路噪声与列车速度关系模型K值表如表 4 所示[10-11]。由表 4 可以看出，在相同的测试条件和速度范围内，国外高速铁路系数K值均高于我国，说明我国高速铁路线路平顺度和相关结构参数设计优于国外线路，动车组表面平顺性设计方面亦优于国外当时开展试验的动车组列车。

根据上述研究成果，建议 160～300 km/h 速度范围内，K取 30；300～400 km/h 速度范围内，K取40，由此获得我国高速铁路噪声与列车速度关系模型如表 5 所示。

表 4 国外高速铁路噪声与列车速度关系模型 K 值表Tab.4 Relation model between noise and speed of high-speed railway abroad

表 5 我国高速铁路噪声与列车速度关系模型Tab.5 Relation model between noise and speed of high-speed railway in China

根据高速铁路噪声与列车速度关系模型可知，在 160～400 km/h 的列车速度范围内，速度增加1 倍，列车辐射噪声值将增大 9～12 dB (A)。

4 结束语

高速铁路噪声控制技术的系统研究，是有效防治铁路沿线噪声、推动铁路绿色发展、强化铁路生态环境保护理念的切实要求。《中国铁路总公司科技创新规划 (2018—2020 年)》明确提出要深化减振降噪基础理论研究，通过研究确定我国高速铁路列车运行辐射噪声与列车运行速度关键系数，可以为高速铁路轮轨噪声产生机理，进而从源头控制高速铁路噪声提供研究支撑。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家发展和改革委员会，中华人民共和国交通运输部，国家铁路局，等. 铁路“十三五”发展规划[A/OL]. (2017-11-20)[2018-02-07]. http∶//www.ndrc.gov.cn/gzdt/201711/t20171124_867822.html.

[2]魏亚辉，魏 然，戎亚萍，等. 高速铁路联调联试组织管理标准化研究[J]. 铁道运输与经济，2018，40(2)：55-59.WEI Ya-hui，WEI Ran，RONG Ya-ping，et al. A Study on Standardized Management of Commissioning and Integrated Testing in High-speed Railway Projects[J]. Railway Transport and Economy，2018，40(2)：55-59.

[3]THOMPSON D. 铁路噪声与振动-机理、模型和控制方法[M]. 中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，译. 北京：科学出版社，2013.

[4]刘兰华. 我国高速铁路噪声源强特性变化试验研究[J]. 铁道建筑，2016(8)：160-163.LIU Lan-hua. Experimental Study on Noise Source Characteristics of High-speed Railway[J]. Railway Engineering，2016(8)：160-163.

[5]韩富强，贾永刚，王宇嘉. 提高铁路线路通过能力利用质量的探讨[J]. 铁道货运，2016，34(3)：26-30.HAN Fu-qiang，JIA Yong-gang，WANG Yu-jia. Discussion on Increasing the Use Quality of Railway Carrying Capacity[J]. Railway Freight Transport，2016，34(3)：26-30.

[6]THOMPSON D J，GAUTIER P E. Review of Research into Wheel/Rail Rolling Noise Reduction[J]. Journal of Rail and Rapid Transit：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F，2006，220(3)：385-408.

[7]KITAGAWA T，NAGAKURA K. Aerodynamic Noise Generated by Shinkansen Cars[J]. Journal of Sound and Vibration，2000，231(3)：913-924.

[8]POISSON F，GAUTIER P E，LETOURNEAUX F. Noise Sources for High Speed Trains：a Review of Results in the TGV Case[C]//WERNING B S，THOMPSON D J，GAUTIER Pierre Etienne，et al. Proceeding of the 9th International Workshop on Railway Noise. Munich：Springer，2007：71-77.

[9]TALOTTE C，GAUTIER P E，THOMPSON D J，et al.Identification，Modeling and Reduction Potential of Railway Noise Sources：a Critical Survey[J]. Journal of Sound and Vibration，2003，267(2)： 447-468.

[10]中国铁道科学研究院. 大西高速综合试验噪声专项试验报告[R]. 北京：中国铁道科学研究院，2017.

[11]尹 皓，李耀增，辜小安. 高速铁路列车运行噪声特性研究[J]. 铁道劳动安全卫生与环保，2009， 36(5)：221-223.YIN Hao，LI Yao-zeng，GU Xiao-an. Study of the Noise Characteristic of Running Trains of High-speed Railroad[J].Railway Occupational Safety Health & Environmental Protection，2009，36(5)：221-223.