（声学专业论文）城市轨道交通噪声特性测量分析与治理对策的研究.pdf

同济大学硕士学位论文 摘 要 摘要 为了缓解城市交通压力，减少环境大气污染，采用现代化的城市轨道交通已 经达成共识。但由于高架轨道交通在城区要穿楼过市，两旁的学校、医院、居民 住宅楼都程度不同地受到轨道交通噪声的干扰和影响。在轨道交通的建设过程 中，噪声控制工程投资额( 包括初期建设的投资和运营中为治理噪声的附加投资) 所占比例也甚为可观。可以说，能否有效地控制轨道交通的噪声污染问题实质上 涉及到轨道交通在城市的推广和发展。 本文首先对上海明珠轨道交通噪声测量的数据进行分析，发现轨道交通运营 噪声主要由以下两部分组成，即车辆在行驶过程中由于车辆轮轨与轨道摩擦、撞 击产生的轮轨噪声及列车在运行引起的桥梁振动辐射的二次噪声。与列车在地面 轨道上相比，在高架轨道交通噪声中，轨道交通噪声的声级和频谱都发生了变化， 说明高架振动引起的二次噪声成为轨道交通噪声的主要声源之一；同时，二次噪 声是由于高架辐射引起的，它通过桥梁结构绕过隔声屏，从而使轨道两侧设置的 隔声屏的实际降噪效果大打折扣，这说明只有辅助于良好的桥梁和轨道隔振措 施，隔声屏才能够达到比较理想的效果。 根据轨道交通噪声声源特性和传播特性，笔者从声源和传播途径两个方面探 讨了车辆行走部降噪、牵引动力降噪、轨道隔振降噪、隔声屏降噪的措施和原则。 城市轨道交通噪声是流动噪声，影响范围遍及沿线，因而噪声的防治首先应从声 源入手，主要从车辆与线路两方面着手。比如低噪声车轮和轨道隔振；传播途径 中的控制是最常用的办法，因为轨道工程修建完成、运行列车选定后，再从声源 上来控制噪声就受到局限了，这时主要从噪声传播途径上进行降噪，通常采用声 屏障的防治措施。希望能够在轨道建设的初期就尽可能系统采用这些措施，从而 降低轨道交通噪声控制中的二次投资和重复旅工费用。 鉴于隔声屏是一种切实有效的降噪措施，已经被国内外广泛采用，笔者对不 同形状，不同高度的隔声屏进行了大规模的试验测试工作，进而探讨形状、高度、 设置位置、有无填充吸声材料等因素对于隔声屏降噪效果的影响，同时针对于轨 道两旁的某些噪声敏感点( 比如医院、学校等) 需要较高的声学环境，笔者还测 量了不同类型折板式隔声屏，笔者发现折板式隔声屏具有1 0 1 8 d b 的降噪量， 如果再辅以良好的轨道桥梁隔振，能够基本满足这些噪声敏感点的降噪要求。 本文希望通过对城市轨道交通噪声声源特性和治理对策的研究为工程建设 提供具有实用价值的参考，推动城市轨道交通的发展。 关键词：城市轨道交通高架轨道二次噪声隔声屏 蕉趔遭壅道蟛垄塑缰坌堑复造堡夔复丝塑筮瞳墅型 t h e s i sf o rm a s t e rd e g 悝螬o ft 绷g j iu n i v e r s i t y m o d e mu r b a nm i ii r a 骶i sa ne f f e c t i v ew a yt or e l 池, eu r b a n 蛔骶p r e 翳u r ea n d r e d u c ee n v j r o n m e n 切la i rp o i h ，t i ) n b u te l e v a t e dr a i lt r a f f i ct r a v e r s e st h es t r e e t sa n dc i t y a n dt h en o i s ec a u s e db yi td i s t u r b ss c h o o i s ih o s p i t a l sa n dr e s i d e n u a lc o n s t r u c t i o n sa l o n g t h er a i l i nt h ec o n s t r u c t k x lo fr a i lir a 仿c ，t h ep r o p o r t k mo fi n v e s t m e n tt oc o n t r o lr a i lt r a 俪c n o i s ei si m p o r t a n t i naw o r dc o n t r o l l i n ge f f e c t i v e l yr a i lt r a 街cn o i s ep o l l u t i o nc o n d u c e st o t h ed e v e l o p r n e n to fr a i lt r a f f i ci nu r b a n w em e a s u r ea n da n a l y s i sr a i lt r a f f i cn o i s eo fs h a n g h a ih i n g z h ur a i l l i n e w ef i n dr a i l t r a f f i cr u n n i n gn o i s em a i n l yc o n s i s to ft w op a r t s t h et r a i nw h e e ia n dt r a c kr u ba n di m p a c t e a c ho t h e rw h e nt h et r a i nr u n s ，w h i c hb r i n gt h ew h e e l - t r a c kn o i s e i ti st h ef i r s tn o i s e s o u r c e 1 1 1 eb r i d g ev i b r a t e sa n dt a d i a t e ss e c o n d a r yn o i s ew h e nt h et r a i nr u n si ne l e v a t e d i i n e t h i si sa n o t h e rn o i s es o u r c e c o m p a r e 切g r o u n dr a i l i i n e , t h es p la n df r e q u e n c y c h a n g ee v i d e n t l yi ne l e v a t e d r a i lt r a f f i cn o i s e i ts h o w ss e c o n d a r yi n d i a t i o nn o i s ei s i m p o r t a n ti nr a i lt r a f f i cn o i s e o nt h es i d e , s e o d n d a r yn o i s ec a nb y p a s sn o i s eb a r r i e ra n d d i s c o u n tt h ee f f e c to fn o i s eb a r r i e rb e c a u s ei t i sc a u s e db yb r i d g ev i b r a t e i tt e s t i f 燃 e f f e c t u a iv i b m t i o ni s o l a t i o na c t i o ni sn e e dt ot h ev i a d u c ta n dr a i lt r a c k 。 i nc o n s i d e r a t i o no ft h ec h a r a c t e ro fn o i s es o u r c er a d i a t i o na n dp r o p a g a t i o n ，w es t u d y t h em e a s u r ea n dp n n d p j eo fn o i s ec o n b o lf r o ms o u r c ea n dp r o p a g a t i o np a 伪，s u c ha s n o i s er e d u c t i o no ft r a i nw h e e la n de n g i n e ，v i b r a t i o ni s o l a t i o no ft r a c ka n ds o u n db a r r i e r w e s u g g e s t 切k et h e s ep e r f o r m a n c e sa tt h eb e g i n n i n go fr a i lc d n s m i c t i o n i th e l p st od e c r e a s e t h ec o s to fs e c o n d a r yn o i s ed i s p o s a la n da c h i e v eg o o de f f e c t i v e n e s s n o i s eb a r r i e ri sp r o v e da ne f f e c t i v em e a s u r et oc o n t r o lt r a f f i cn o i s ea n di sa d o p t e d w i d e l y w et a i c ei o t so ft e s t st on o i s eb a r r i e ro fd i s s i m i l a rt y p e w es t u d yh o wt h es h a p e , h e i g h t , s e t - u pp o s i t i o na n ds o u n da b s o r b i n gm a t e r i a lr e l a t et on o i s er e d u c t i o n w et e s t s o m et y p e so ff o l d e d - p l a t en o i s eb a r r i e r sb e c a u s es o m ep o s i t i o n sa l o n gr a i l l i n e , s u c ha s h o s p i t a l sa n ds c h o o l s ，n e e de x t r a o r d i n a r ys o u n de n v i r o n m e n t w et e s t i f yf o l d e d p l a t e n o i s eb a r r i e r sc a nr e d u c en o i s e1 0 - 1 8 d b ( a 】w c he f f e c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o nm e a s u r eo f t r a c ka n db r i d g e , t h e yc a nm e e tt h ee x t r as o u n dn e e d s w ew a n tt op r o v i d ev a l u a b l ec o n s u l t sf o re n g i n e e r i n gd e s i g no fr a i lt r a f f i ca n di m p e l t h ed e v e l o p m e n to fu r b a nr a i lt r a f f i cb yt h er e s e a r c ho fu r b a nr a i ln o i s ec h a r a c t e r sa n d c o n t m im e a s u r e s k e yw o r d s ：u r b a nr a i lt r a f f i c ；e l e v a t e dr a i l ；s e c o n d a r yr a d i a t i o nn o i s e ；s o u n db a r r i e r t h ei n v e s t i g a t i o n 。a n a l y s i sa n ds t u d yo fc o u n t e r m e a s u r e so fu r b a nr a i lt r a f f i cn o i s e 国 同济大学硕士学位论文 京一章结论 第一章绪论弟一早 三：西化 1 1 城市轨道交通噪声的现状 1 1 1 城市轨道交通的发展1 1 ) 1 2 ) 1 3 1 1 4 ) 目前，随着国民经济的迅速发展，城市建设的热点问题之一是城市交通问题，而城市交 通的热点问题之一是发展轨道交通。随着大城市人口的增长，大量居民区必然要从城市中 心地区向郊区卫星城发展，故在改善市区交通的同时，要积极发展市区和卫星城闯的公共 运输系统，且都是以城市轨道交通作为主要方式。目前，轨道交通广泛使用的有地下铁道、 轻轨铁路和市郊铁路。拥有1 0 0 0 万人口的巴黎，轨道交通承担了7 0 的公共交通量；人口 为7 0 0 万人的伦敦，早已实现了公共交通以轨道交通为主的目标；莫斯科和香港轨道交通 也分别承担了5 5 的城市客运量；日本东京，轨道交通占公共交通量的8 0 以上。道路交 通只起辅助作用，主要用于向轨道交通系统集散客流。可见，轨道交通在国外大城市中发 挥着重要作用。 轨道交通在2 0 世纪所以备受各国青睐，最重要的是与道路交通相比，轨道交能具有运 量大、速度快、时间准、污染少和安全舒适，且与城市道路无平面交叉等无可比拟的优势。 中国自8 0 年代以来，随着国民经济的发展，许多大城市都不同程度地存在着交通堵塞。 事故频繁、污染严重等问题。近年来，尤其是百万人口以上的大城市，道路每年以3 4 的速度增加，但机动车每年以1 5 2 0 的更高速度增长，因此交通拥挤现象十分普遍。 国外研究结果表明，当城市规模大于1 0 0 万人时，以城市轨道交通为骨干方式的交通 系统结构具有明显的技术经济优势。在人口不到1 0 0 万的大中城市，为适应可持续经济发 展战略的长远需要，为解决城市交通问题，也需要发展城市轨道运输。随着大城市向市郊 化和卫星城的发展，百万人以上的超大城市和特大城市，更需要建设长距离、大容量、快 速化的轨道交通。依据未来中国大城市社会经济及城市交通发展的需要，建议用3 0 年左右 的时间，基本建成中国主要大城市的现代化轨道交通网络。如果每年建设5 0 - - - , - , 6 0 k m ，到 2 0 3 0 年，轨道交通有望达到1 5 0 0 - - - - - 2 0 0 0 k m 左右。争取人口超过5 0 0 万以上超大城市的轨 道交通承担的客运量占城市总客运量的5 0 及以上，使轨道交通成为大城市交通的骨干。 据国家计委有关部门提供资料显示，“十五”计划期间，中国城市交通投资将达8 0 0 0 亿 元人民币。而从中国建设部地铁与轻轨研究中心获悉，今后5 年中国城市轨道交通将有大 发展，将建成总长度4 5 0 公里左右的城市轨道交通线路。 1 1 2 城市交通噪声及其危害哪 城市轨道交通的发展给城市人们的生活带来了便利，但随着城市交通的不断发展，城 市交通的噪声问题越来越严重。噪声污染对人体有很大的危害性。医学研究证明，人在4 0 分贝环境下睡眠受影响；5 0 分贝时，入睡困难；超过8 0 分贝听觉会受到不同程度的损害， 大脑皮质兴奋与抑制失调，产生头晕、耳鸣、恶心、失眠及全身无力，严重者引起精神忧 同济大学硕士学位论文第一耄结论 郁，甚至诱发精神病、溃疡病、冠心病、高血压、心律不齐或心动过速等。 根据调查统计，1 9 7 9 年至1 9 8 8 年1 0 年间，我国城市环境噪声增加约l o d b ，平均每 年增加1 d b ，进入9 0 年代以来，由于城市交通的迅猛发展，城市噪声增加的幅度更大。道 路交通噪声势城市环境噪声的主要来源，据浙江省1 9 9 6 年的公众环境意识问卷调查结果显 示，影响居民日常生活的主要环境问题是噪声干扰，其中交通噪声是主要污染。那么如何 防止和降低交通噪声就成为城市轨道交通的建设中要考虑到的问题。 因此采取有效的措施防止和降低城市交通噪声是十分必要的。 1 1 3 城市轨道交通对于交通噪声的影响“1 】牾1 城市交通像一个网络一样绵延到城市的各个部分，同时带来的噪声也分散在城市的各个 角落，给噪声的治理带来极大的困难。主要表现在： 1 。噪声治理的面积太大，投入的费用较高。比如最为常用的隔声屏的造价为5 0 0 6 0 0 ￥m ，很显然，大规模的使用是不现实的。 2 噪声的声源变化不同，治理的手段多样，不宜统一进行治理。不同区域的交通噪声由 于车流或路面特性等不同，噪声的声源特性也不同，难以治理措施和设备上形成规模， 采用模块化治理，这就需要耗费更多的人力财力，增加城市噪声环境治理的难度。 从交通与环境影响的对立矛盾的处理上，将全市主要车辆集中到主要干线上，特别是采 用城市轨道交通，从而进行集中治理，在宏观上是一种有效的噪声控制策略，从而避免了 “摊大饼全面污染环境的做法，这种策略的优越性在于： 1 减少城市的整体区域噪声。由于城市轨道交通客流量大，快速便捷，可以吸引更多的 客流量，缓解其它交通运输工具的压力，减少了机动车辆的保有量，同时也大范围降 低了城市交通噪声对于居民的影响。 2 交通噪声特性的影响。由于噪声与车流量的影响是呈对数曲线关系，3 0 0 辆时以 下，呈一根斜率很陡的直线。当达到1 0 0 0 辆时流量时，曲线趋向平缓，这给我们 的启迪：当道路的车流量超过一定数量后，再将其增大不会对道路交通噪声产生更严 重的污染，这样，在实施交通与环境平衡时，应尽量将交通吸引到主干道上来，次要 干道仅承担必要的区域交通，这样次要干道的区域性道路噪声污染状况将可获得有效 改善。 3 集中到主干道上时使噪声治理的面大大缩小，并且城市轨道交通车流的噪声是间歇 的，治理方案比较明确，治理的可能性大大增加了。 1 2 城市轨道交通噪声的研究发展综述 1 2 1 轮轨方面7 卜1 8 1 在欧美国家，轨道交通噪声早已引起各国政府、铁路运输部门、高等院校的高度重视， 同济大学硕士学位论文 饕一章结论 政府发布的环境噪声绿皮书都对铁路噪声给予了充分的叙述迄今为止，已召开了六届有 轨运输系统噪声国际会议( i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o pr a i l w a y a n dt r a c k e dt r a n s i ts y s t e m n o i s e 。简称i w r n ) 第五届i w r n 于1 9 9 5 年6 月2 1 日2 4 日在挪威的v o s s 召开，会议讨 论了：经济与对策：声与振动产生机制：分析工具与技术：人体反应；降低噪声与振动的 措旌 i r r e t i e r 等人曾采用有限元方法分析了车轮的振动特性。其中，d j t o m p s o n 的计算 方法赢得了学术界的公认。 t o m p s o n 认为，车轮和轮轨系统的导纳( 或阻抗) 是影响轮轨系统在表面租糙度激励下响 应的决定性因素，因此，系统分析轮轨系统的导纳特性是研究轮轨滚动噪声的基础。具体 作法是：首先计算轮的自由振动特性，然后将实验测得的轮轴结构阻尼引入导纳计算中， 计算出车轮的导纳特性。该方法是由欧洲铁路研究所( e r r i ) 以t g v l a 型列车的标准运营速 度( 1 6 0 k m h ) 为基础开发出来的。后来经修改被推广为一种在6 0 k m h - - - 3 5 0 k m 较大范围 内预测轮轨噪声水平的力学模型及软件t w i n s ( t r a c k - w h e e li n t e r a c t i o nn o i s es o f t w a r e ) 这 个模型软件己得到大量现场测试的验证，在欧洲已成为预测轮轨噪声水平、开发减振降噪 产品、指导新线设计和旧线改造的主要理论工具。 目前正在开展的、值得重视的项目有：e r r i 项目o f w h a t ( o p t i m i z e df r e i g h t w h e e la n d t r a c k ) ；b r i t e e u r a m 项目s i l e n tf r e i g h t 和s l l e n tt r a c k o f w h a t 的目标是降低货 物列车的噪声，研究内容是通过优化轨垫的刚度或钢轨安装阻尼器以及优化轮对的形状达 到降低轮轨噪声的目的。s i l e n tf r 日g h t r 的目标是与s i l e n tt r a c k 一起在目前基础上 降低货物列车的噪声( 1 0 d b ( a ) ，研究时间从1 9 9 6 年2 月至1 9 9 9 年1 2 月，经费3 1 9 万欧洲 货币单位，参加者有荷兰、瑞典、西班牙、法国、和英国南安普敦大学声与振动研究所) ， 研究内容是： 1 对t v v i n s 进行改进，使其他考虑轮轨横向轮廓形状的影响； 2 对轮对建立新的更为准确的噪声辐射模型，并嵌入到t w i n s 中； 3 优化轮对形状、在轮对上穿孔装阻尼器； 4 研究隔声裙的作用； 5 降低车辆上部结构的噪声。 s i l e n tt r a c k 参加者有荷兰、法国、瑞典、英国( 英国钢铁公司和南安普敦大学声与 振动研究所) 和德国。研究内容是： 1 钢轨不平顺产生、增长以及钢轨振动及其辐射机制的理论研究； 2 有关轨垫、轨枕、扣件、钢轨横断面形状之参数的优化；增加钢轨阳尼和给钢轨安 装吸振器对轨道噪声的影响； 3 研究和开发低矮的隔声墙，与安装在转向架上的隔声裙配合使用。 以上项目所使理论工具就是t w i n s 。 蕉蒸毯麴麴醚塑塑趁塑缰丝堑复筮垄麴塑蛾i ，嚣 同济大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 ，3 在隔声屏方面卜剪砌。咖 设置隔声屏是控制交通噪声的重要措施、国外对穿过市区和居住区的高速公路、铁路、 高架桥的两侧都普遍设有隔声屏，实现了其它降噪手段所不能代替的效果。美、日、法等 国早在6 0 年代就已开展了隔声屏理论的研究，并实施了许多具体工程。 在美国，p h w a ( 联邦公路局) 及t r b ( 运输研究部隶属于国家科学工程院) 承担对已建 成的隔声屏进行评价的研究任务。他们的研究方法是对5 0 个州的公路局采用问卷调查方式 收集有关研究数据。问题包括两类：一是各州屏障的外形设计方法；二是各州关于屏障的 形状和材料、造价、设计细则、声学设计、噪声衰减、感觉效果、居民参与、结构、耐久 性、改造工程的优先制、美学、安全等1 2 个方面的经验概括。 6 0 年代国外有人开始从理论、现场实测及模型实验诸方面进行研究。 w i n n e r 等人对两边有高层建筑、狭长的街道传播喇叭声的研究，发现混响声场的强度 与声源指向性及墙壁吸声系数成反比。d e l a n y 等人测量两侧有密集房屋的道路上的交通噪 声，发现距离在2 0 - - - 8 0 m 之时，a 计权l 1 0 的衰减率为9 d b ，在房屋前l m 处测得的自由场 声压级增加3 5 d b ，仅路一侧有房屋时则增加2 5 d b 。 法国c s t b 的研究人员r a p i n 和g i l b e r t 在改进隔声屏设计方法上对吸声材料作用曲研 究表明，在3 5 m 高的屏后5 m 处，吸声处理可使倍频程声压级下降i - - - 4 d b 。 r e i n h o l d 等计算了屏高和接收点( r ) 有关的多次反射效应，当r 的高度为3 m 时，屏障 有、无吸声材料时曲等效声压级差值为3 , - - - 4 d b ，和屏障高度关系不大。而r 高度15 m 时， 差值和屏障高度关系很大。 加拿大o m t c ( 安大略省交通运输部) 的m a y 和o s m a n 研究了不同形状道路隔声屏，如 薄屏、厚项、t 型、y 型以及倾斜墙、顶部有圆管吸声体型的降噪效应。实验表明，吸声 ( n r c = 0 7 6 ) 处理效果为2 - 一3 d b 。h a j e k 和b l a n e y 认为，在屏障面向住宅的一面做吸声 处理效果不大。 s i m p s o n 根据d e j a v e r 和s h s d l e y 早期对平行屏障从理论和模型上研究的假设和结果， 发展了一种平行屏障的比下降曲诺该图，并已成为f h w a 的分析工具。在屏障未做吸声处 理时，现场测得单消屏障顶部的声级比预测高3 d b ，墙后则高5 d b 。4 9 m 高吸声和反射的 垂直墙在5 0 0 h z 时1 l 分别为”5 d b 和4 d b 。5 5 m 高的墙其i l 分别为1 3 5 d b 和5 d b 。 因此，7 5 8 5 d b 的多次反射效应大都靠吸声来减小。当墙外倾斜1 0 0 ，4 9 m 和5 5 m 高的 墙其i l 约为1 0 d b 、1 2 d b 。m o r g a n 等测量铁路隔声屏时发现有吸声处理的i l 明显地高出8 9 d b 。 针对声场绕射的计算方法在低频的不适宜性，边晃元方法用于计算隔声屏的插入损失： b e m 方法的特点是只需要在任何边界进行离散化，因此适用于隔声屏后半限空间计算。 d c h o t h e r s a l l 对点声源与用其它计算方法所得结果进行了比较，d h c r o m b i e 等与在消声 室里做的模型试验进行了比较，g r w a t t s 等与户外试验测量结果进行了比较，结果表明： 在低于8 0 0 h z 的大多数频率上，b e m 方法计算结果具有相当好的精度。 同济大学硕士学位论文第一章绪论 近年来有源噪声控制理论与技术迅速发展，已成功地运用于管道噪声和闭空间噪声的控 制中，在开空间噪声控制亦得到很大发展o m o t o 等人的工作已对有源屏障降噪性能与机 理有初步认识。d e n i sd u h a m e i 等人对隔声屏的有源控制进行了试验研究，目的在于找出 控制有效的空间和频率域，同时对有源控制噪声屏障的效果进行了评价，并通过计算机软 件计算结果与试验结果的对比确定了实验结果的有效性。结果表明，有源隔声屏的降噪效 果能够达到6 1 0 d b a 隔声屏的高度越高，声衰减量越大，然而高度往往收到限制，为了不增加高度而提高衰 减量，z m e a k a w a 和k f u j i w a r a 对于隔声屏顶部边缘做了各种形状研究。 与此同时，国内对隔声屏的研究也有了进一步的开展。8 0 年代末，同济大学声学所郑 长聚等人对隔声屏的插入损失进行深入研究；19 9 4 年，同济大学声学所的徐海龄在计算机 上建立了道路隔声屏建立了道路隔声屏智能辅助设计系统知识库；1 9 9 5 年，上海市政工程 研究所刘启龙先生从隔声屏设计的重要性、设计原则和具体技术等方面对隔声屏设计进行 了系统阐述。同济大学声学所的夏峻峰则通过对高架复合道路的声场分布及计算方法进入 了深入的研究，在此基础上进一步探讨了理想竖直隔声屏障的降噪方法和效果。 1 3 存在的问题及研究的意义 1 3 1 存在的问题1 蚰枷呦1 城市轨道交通的噪声问题一直困扰着城市交通的发展。噪声的产生与治理不仅与列车的 选型，运行速度，轨道的设置有关，还与轨道所在的位置有关。在我国，地铁轨道交通已 经有了一定的发展，对于产生的噪声和振动问题也有了一定的研究。而考虑到地铁的造价 较高等因素，在我国未来一段时间内高架轨道交通也是一个发展的重点，比如上海已经运 行通车的明珠线。 与地铁相比，高架快速轨道交通要穿楼过市，所产生的噪声没有隧道的遮蔽，直接影响 到城市居民的生活，采用的列车、轨道和承载量都有了很大的不同，噪声声源特性发生了 变化。也有一些研究对于高架轨道交通的噪声进行了预测，然而由于影响因素很多( 比如 车速、轨道、列车型号) ，仅仅依靠软件预测误差很大，这就需要进行实地测量分析。 隔声屏一直是降低交通噪声的有效的方法，在高架轨道上也大量使用，从理论上和实际 的测量中都表明，一定高度的隔声屏可以有近1 0 d b 的降噪量。然后根据轨道两侧居民的反 应和一些测量的数据表明，隔声屏并没有起到理想的效果。虽然有一些关于高架公路上隔 声屏降噪效果的研究，但对于隔声屏在高架轨道上的实际效果的研究也还没有见到，特别 是对于各种不同隔声屏高度的降噪效果的研究。 1 3 2 研究的意义和应用价值m 城市轨道交通作为大中城市的主要公共交通形式之一在我国城市发展前景较为乐观。据 悉，“十五期间，我国大中城市将有4 5 0 多公里的城市轨道交通建成投入运行，总投资达 蕉蕉施萱麴塑戳丝进堑复筮璺堕簋醴瑟霾1 器毒 同济大学硕士学位论文第一章绪论 8 0 0 0 多亿元人民币，而其中用于噪声防治的费用约占工程总造价的3 5 。可以说，能否 有效地控制轻轨交通噪声的污染问题，实质上涉及到城市轨道交通在城市的发展和推广。 城市轨道交通的噪声主要产生于列车轮轨的碰撞和动力系统，列车类型、轨道结构以 及桥架的构造就基本上确定了噪声的影响，以后所能采取得措旖主要就是隔声屏了，而根 据报道桥架上的隔声屏的降噪效果由于受到其它部分的影响并没有取得好的效果。这也就 要求我们在城市轨道建设初期就系统规划交通噪声问题，合理选择列车和轨道一方面可以 从声源上降噪于开始，另一方面也可以在传播途径上对噪声进行消除，降低以后采取降噪 措施的系统风险。 本课题的顺利完成将为城市轨道交通的规划提出一些建议，同时也为交通治理提供一定 的借鉴。 1 4 本论文的主要工作 本课题希望通过对大量城市轨道交通噪声数据采集和计算，分析城市轨道交通噪声声 源特性，对比不同高度隔声屏的实际降噪效果和桥架振动辐射噪声对高架轨道交通噪声的 影响；针对不同形状和高度的隔声屏进行测试，分析吸声材料、高度、结构和摆放位置对 于隔声屏降噪效果的影响；系统分析了引起交通噪声的原因和降噪效果，提出不同条件下 应当采用的合适的降噪措施，并对其经济效益做出了评价，以期为城市轨道交通噪声防治 提供借鉴，推进城市交通的发展。 本论文的主要内容为： 第一章首先概述了城市轨道交通在我国迅速发展的现状和带来的噪声问题的危害，并 综述了现在城市轨道交通噪声的预测和治理对策的研究现状，指出其中存在的问题，说明 本论文的意义以及所作的主要工作。 第二章探讨了高架城市轨道交通噪声的分类，产生机理和声源特性，建立了相应的噪 声预测模式。 第三章对上海市明珠轨道线进行了大规模的测量，研究了运行噪声声源衰减特性和轨 道两侧设置的隔声屏的降噪效果，并分析了桥架振动对于城市轨道交通噪声控制的影响。 第四章在第二章和第三章的基础上，并综合国内外在高架公路交通、铁路交通、轨道 交通噪声控制措施的基础上，系统的考虑各类噪声声源的影响，提出比较全面的降噪措施 的方法和使用条件。 第五章分析研究了交通噪声控制中最常采用的隔声屏的降噪原理、分类和设计方法。 第六章对各种型号的隔声屏进行了测量分析。对不同高度，不同形状，不同设置位置 和有无吸声的隔声屏进行了测量，分析比较在不同条件下降噪效果。 第七章本文的总结和结论以及自己对未来研究的展望。 参考文献。 最后致谢。 同济大学硕士学位论文 第二章城市轨道交通噪声声源的分析 城市轨道交通噪声包括轮轨系统、动力系统、结构系统和空气动力噪声等， 见图2 1 所示。本章就将这些声源的产生机理和噪声的特性进行分析。 图2 1 城市轨道交通噪声分类 2 1 轨道交通噪声来源 2 1 1 轮轨系统噪声4 1 1 4 3 1 车辆在行驶过程中，轮轨相互作用激发车轮和钢轨的振动而辐射噪声。轮轨 噪声包括有节奏的滚动噪声、钢轨接缝处的冲击噪声和弯道处的尖啸噪声等。 滚动噪声滚动噪声被认为是由于车轮或钢轨表面过于粗糙形成的。所谓粗 糙度，是指轮轨表面同时存在的微小缺陷或称表面波纹，其峰值一般在5 0 , z 删以 下，波长在lc m - - - 5 0c m 范围内。这些表面波纹使得轮轨之间产生相对位移， 结果导致了车轮和钢轨的振动，振动将转变为声波辐射出去。当列车在平直的焊 接钢轨上行驶的时，主要噪声为滚动噪声。 冲击噪声冲击噪声是由于车轮和钢轨的结合处撞击所产生，它由钢轨接头 的高差决定，而与接缝的宽度关系不大。对于上海明珠线来说，由于采用了无缝 钢轨，轮轨噪声中已没有常规短轨铁路车轮与轨道接缝撞击的噪声( 这一噪声要 高出一个数量级) 。 啸叫噪声啸叫噪声势列车车轮在轨道上滑行摩擦所产生的一种窄带噪声， 强度大，频率高。影响的因数主要是曲线半径、转向架轴距、粘着系数和材料、 蕉蕉笾遂奎鲤逖丝邀量鱼纽丝塑塑缝塑叠霾爹盛0 同济大学硕士学位论文 制动性能等。啸叫噪声出现在小半径弯道或列车制动时，由于车轮相对于轨道横 向运动而产生，这样就对候车的乘客和附近的居民造成一定的影响，一般在弯道 处和站台处应该采取相应的措施。图2 2 表明啸叫噪声频谱呈正态分布，最大声 级可达l o o d b ( a ) ，波动范围为2 0d b ( a ) 。总的曲线表明车轮啸叫噪声的频率 集中分布在4 - - - 6 k h z 范围内。 | i i l l、l ； i y l ll l 厶歹1 气；一j _ j - _ 矿 ：、 - 、， 一 k ： i r 图2 2 啸叫噪声1 3 倍频带频谱图( 距轨道中心线7 5 m ) 轮轨噪声的高低与轨道面的平整度、车轮的同心度、车轮的速度( 包括加速 和减速) 以及是否是弯道等多种因素有关，从有关的测试数据可知，与明珠线相 同的车轮在地面道路上产生的轮轨噪声( 距车轮一米处) 为9 5 d b ( a ) 以上。轮轨噪 声的传播：一是由钢轨的上面和二侧面向外辐射，也通过钢轨的底面向路基传递 固体噪声，并通过钢轨支承的路基面向上反射；二是由车轮的车轴向外辐射，同 时通过轮轴支承结构向车厢内传递固体噪声。 2 1 2 动力系统噪声 动力系统噪声包括牵引设备噪声、辅助设备噪声和其它设备噪声。牵引设备 噪声来源于牵引电机、传动装置( 减速齿轮) 产生的噪声；辅助设备噪声包括： 电动机发电机组、空压机直流电动机、单相交流发电机等设备噪声；还有列车车 门、列车广播、车内照明等其它设备噪声。 辅助设备噪声在列车正常运行速度下通常低于牵引冲击噪声和轮轨噪声，且 与列车速度无关，但当列车低速行驶，尤其当列车停站时，辅助设备噪声最为明 显。 2 1 3 高桥架二次辐射噪声 高桥架结构( 混凝土或钢制结构) 在车辆通过时因动载荷( 即车辆在钢轨上滚 丝悫笾壹麴勃瞪丝趔蕴塑筮堡邈塑丝! 鲤霾笔臣j 懈 啦 镰 瓣 鬻 - 瓣 糟 零瓣t 同济大学硕士学位论文 动使高桥架结构所受的载荷成为动载荷) 而产生微振动，微振动通过桥梁各个部 件，如承重梁、墩台等从地面向临近的建筑物传递，引起建筑物的墙壁、地板以 及天花板的振动而产生的一种低频噪声，称为高桥架结构导致的二次结构噪声。 从结构动力学的角度看，高桥架轨道交通线路在车辆通过过程中若干对车轮对轨 道及高桥架结构的载荷是若干组移动的动载荷，而高桥架结构是由混凝土柱、混 凝土梁及混凝土路面等组成的弹性结构，在若干组动载荷的作用下，高桥架结构 必将产生明显的微振动，人站在站台上可以感到明显的振动。常规的铁路线路的 路基是由枕木、碎石及土基组成，钢轨所受到的车轮载荷通过枕木传至碎石，再 经过碎石和土基的阻尼作用得到一定的衰减，车辆经过过程中产生的振动能量一 部分以振动波的形式向二侧土壤中传播、一部分在碎石中得到衰减、一部分以结 构噪声的形式向空间辐射。地铁的钢轨是铺在地铁隧道的底部，地铁隧道结构是 一个整体的混凝土结构，有较大的质量和刚度，隧道的外周是土壤，地铁车辆在 通过过程中，车辆产生的动裁荷也通过钢轨传递给隧道结构，但隧道结构的质量 和刚度较大，在车轮动载荷的作用下也产生一定的微振动，但微振动的幅值较小， 隧道结构微振动也向四周的土壤传播，但由于土壤的阻尼作用衰减较快，距地铁 线路很近的建筑物会受到地铁振动的影响。高桥架轨道交通线路的高桥架结构既 没有地铁隧道较大的质量刚度，路基又不象铁路线路的路基有碎石和土基，而是 成为一段一段刚度有限和质量有限的支承梁，在车轮动裁荷的作用下必然产生较 严重的微振动，有相当一部分振动能以二次结构噪声的形式向外辐射。二次结构 噪声通过梁的四面和枝的四周向外辐射，但主要是通过梁的上下面向上和向下辐 射。在车辆通过过程中，高桥架结构产生微振动的长度要超过车辆的长度，高桥 架结构产生的二次结构噪声也是有限长度( 1 4 2 米) 的线声源。 高桥架结构振动噪声主要是向上空和向下反射传播，由于二次结构噪声主要 产生于面积较大的板面的振动并向垂直板面的方向辐射( 如锣和鼓的声音是产生 于锣面和鼓面的振动，其声音的辐射方向是垂直于锣面鼓面) ，如果把轮轨噪声 和高桥架结构振动噪声综合起来考虑，就可以大致地分析出高桥架轨道交通线路 的噪声主要是向二侧偏上的方向辐射传播，同时高桥架结构的下面也受到了较重 的结构振动噪声辐射影响。 2 1 4 空气动力噪声 空气动力噪声是车辆与空气相互作用产生的，它与速度和车辆外轮廓有关。 当车速达到2 0 0 - 、, 2 5 0 k m h 时，列车周围的空气扰动而形成的气动性噪声将是非 常大的，但对于城市轨道交通车辆一般小于8 0 k m h ，无法达到这种车速，所以 空气动力噪声影响也比较小。我们测量时的上海明珠线的一般运行速对为5 0 7 0 k m h ，所以空气动力对噪声影响并不大。 同济大学硕士学位论文 2 2 影响车辆噪声的因素1 4 3 徊 车辆噪声与线路条件，车辆运行工况、传播特性以及受声点的位置等多种因 素有关。 轨道线路参数包括：轨道形式( 高桥架、地面、路堤、路革) ，线路( 直通、弯 道、坡道、岔道) ，道床( 混凝土道床、碎石道床) ，轨枕( 混凝土枕、木枕) ，钢轨( 长 钢轨、短钢轨、钢轨平滑度、钢轨接线) 等。表2 1 表明了高架桥梁与普通线路 的噪声增值。 表2 1 桥梁噪声与普通路线比较的声级增加值 谚t i 。 。”。? j 。，| ， 。77 秀 。?桥梁构造类型声级增加量a l d b 一，l ? j ? ，。j 。，一。一。，一。，。，：锄 有碴道床的混凝土或混凝土板与钢 0 5 梁的混和结构 无碴道床的混凝土或混凝土板与钢5 1 0 梁的混和结构 有碴道床钢结构 5 1 0 无碴道床或钢轨直接安装在纵粱上1 0 - - 1 5 的钢结构 钢轨直接安装在纵粱上的钢结构 1 5 2 0 车辆运行多数包括：车辆长度( 列车编组) 、行车密度、运行速度、车轮圆整 度、车轮平滑度以及声源的高度等等。 传播特性多数包括：对于近场应考虑轨道两例有无设置声屏障，建筑物的分 布和气象条件等因素，以及列车高速行驶时造成气流对噪声传播的干扰；对于远 场还应考虑空气吸收和地面衰减，受声点的位置，即受声点距声源的距离，距地 面的高度也是很重要的因素。 车辆噪声与列车速度密切相关，速度越高，轮轨相互作用产生的振动越大， 各构件引起的振动相应也就越大，从而声辐射能量也越大。当车辆速度v 提高， 轮轨噪声以2 0 1 9 v - - - - , 3 0 1 9 v 的速率增加，通常速度提高一倍，噪声级增加9 d b ( a ) ； 牵引电机噪声以4 0 1 9 v - - - - 6 0 1 9 v 的速率增加；齿轮噪声则以6 1 9 v - - - 1 0 1 9 v 的关系 垣杰氇童麴翳燮丝咝笾麴趁墅塑丝援筮薹冒? 同济大学硕士学位论文 变化。 车辆噪声随车辆长度变化。当距轨道距离与列车相比很小声源为一无限长 线声源) 时，列车长度增加，噪声级没有明显提高；当声源为一点源时，列车长 度增加一倍，声功率也将增加一倍，噪声级大约提高3 d b 。 轮轨噪声的频率也是影响因素之一 轮噪声峰值约在5 0 0 - - - 1 0 0 0 h z 范围内， 内。 车轮和钢轨噪声主要以中高频为主。车 钢轨噪声峰值约在10 0 0 - - 2 0 0 0 h z 范围 2 3 城市轨道交通噪声源检测5 9 1 f 7 2 】【7 4 】 目前，国内已建成多条城市轨道交通线路，其中上海明珠线大部分区段为高 桥架，但我们为了衡量车辆的运行噪声，选择了地面部分进行测量。为了掌握进 口车辆、国产车辆在国内既有轨道交通上运行产生的噪声的特性，我们做了大量 的监测工作，测量了国内现有的轨道交通噪声声源情况，测量方法按照1 9 9 5 铁 路机车车辆辐射造声测量标准中的有关规定，采用的仪器为美国l a r s o nd a v i s l d - 8 2 4 实时频率分析仪。现将监测结果汇集见表2 2 。 表2 2 轨道交通噪声源监测 箩+ w ? 。i n 。”，矿p 运行 列车速度测量距离声级 ； 交通线车辆型号及产地 备注 方向 ( k m h )( m d b ( a ) 鞋 + k ，u ”。? 。， 。 ， 丁d 3 0 1 1 碎石道床、 天津地铁 t d 3 0 1 3 近轨 7 07 59 0 8 木枕、短轨 长春车辆厂制造 4 27 58 5 1碎石道床、 北京地铁线长春车辆厂制造近轨水泥枕、长 5 8 47 59 1 8 轨 碎石道床、 上海明珠线 德国制造 近轨5 0 6 07 。58 6 。1 8 9 。8水泥枕、长 轨 碎石道床、 广州地铁线德国制造近轨6 77 59 0 5水泥枕、长 轨 同济大学硕士学位论文 以上监测结果中，天津地铁和北京地铁采用的是国产车辆，上海明珠线及广 州地铁采用的为进口车，图2 ，3 为天津地铁以及上海明珠线的噪声频谱特性。 ，5 9 0 岔8 5 勺 一8 0 避7 5 镟 7 0 6 5 6 0 上海明珠轨道交通线噪声频谱 t 上海南站7 5 来处，近轨) ，5 9 0 岔3 5 它 8 0 避7 5 镟 7 0 6 5 6 0 天津地铁轨道交通线噪声频谱 i 试验线，7 5 米处，近轨) 图2 3上海与天津轨道交通噪声频谱 根据c j 厂r 5 0 2 1 1 9 9 5 轻轨交通车辆通