（环境工程专业论文）客运专线噪声分析与综合控制方法的研究.pdf

北京交通人学硕十：论文 中文摘婴 中文摘要 摘要：客运专线动车组投入运营以束，随着其速度的不断提高，噪声问题只益彰 显。能否在保证客运专线的运营速度的基础上，使噪声得到相应的控制，便成了 目i j 客运专线的关键技术难题之一。 本文首先通过对客运专线噪声源种类的研究，并结合大量国内外资料以及实 测数据，给出各噪声源贡献量的大小。从而对后续的控制措施的研究，奠定坚实 的基础。由于目前常用的也是最实用的降噪措施是在线路两侧设置声屏障，故本 文利用r a y n o i s e 声学仿真软件对路基线路和桥梁线路分别进行建模，对客运专 线声屏障的施用进行仿真计算，得到声屏障在不同状况下的插入损失，从而得出 有关声屏障实效性和经济性方面的结论。另外，本文还对现有的以及仍处于理论 研究阶段的各种降噪方法进行了可行性的研究。最后，由前面的分析和结论，结 合国内外的各种降噪措施，给出客运专线噪声的综合治理方案。 关键词：客运专线；噪声：r a y n o i s e ：声屏障；插入损失 分类号：t b 5 3 3 北京交通人学硕十论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：a sf 打a st h em u l t i p l eu n i t ( m u ) i sa p p l i e di n t ot h ep a s s e n g e r t r a n s p o r tl i n e s ，t h en o i s eb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a st h er i s i n gs p e e do ft h e m u t h u st h ec o n t r o lo ft h en o i s eb e c o m e so n eo ft h em o s tc r i t i c a lt e c h n i c a lp r o b l e m s o nt h ep r e m i s et h a tt h es p e e do f t h em ui sg u a r a n t e e d i nt h i sa r t i c l e , t h ec o n t r i b u t i o no f e a c hs o u r c eo f t h ep a s s e n g e rt r a n s p o r tl i n e sn o i s e i sp r e s e n t e dt h r o u g ht h ei o n g - t e r n lr e s e a r c ho ni ta n dl o t so fo t h e rd a t ab o t hd o m e s t i c a n da b r o a d t h ec o n t r i b u t i o na l s op r o v i d e saf i r mb a s e m e n tf o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h o ft h en o i s ec o n t r 0 1 s i n c et h ea p p l i c a t i o no ft h es o u n db a r r i e r sa l o n gt h el i n e si st h e m o s tc o m n l o na n de f f e c t u a lw a yt oc o n t r o lt h en o i s en o w a d a y s ，t h em o d e lo fb o t h r a i l r o a db e da n dt h er a i l w a yb r i d g ew i t hat r a c k - s i d es o u n db a r r i e ri sc r e a t e du s i n gt h e s o r w a r er a y n o i s e t h u 5t h ei n s e r tl o 鼹o ft h es o u n db a r r i e ru n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n so ft h el i n e sc a nb eo b t a i n e da sw e l la st h ee f f i c i e n c yo fb o t hp r a c t i c a la n d e c o n o m i c a l t h ep r a c t i c a lo f o t h e rw a y so fc o n t r o l l i n gt h er a i l w a yn o i s ew h i c ha r es t i l l t h e o r e t i c a lo ru n d e rt e s ta r ea l s od i s c u s s e di nt h ea r t i c l e a tl a s t ，p r o p o s a l sb a s e do n f o r m e ra n a l y s i sa n dc o n c l u s i o nw h i c hi sa l s oac o m b i n a t i o no f n o i s ec o n t r o lm e t h o d so f b o md o m e s t i ca n da b r o a di sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：p a s s e n g e rt r a n s p o r tl i n e ；n o i s e ；r a y n o i s e ；s o u n db a r r i e r ；i n s e r t l o s s ； c i a s s n o ：t b 5 3 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名軎雍 导师签名 签字日期：w 呷年惭f 7 日 签字日期：p 订年 调，7e l 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写2 1 ：1 j 勺研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 ， 学位论文作者签名：导苹泵 签字日期： 年胁月7 日 致谢 感谢导师宋雷鸣副教授从论文的丌始到完成的整个过程中的悉心指导。宋老 师所倡导理论与实际相结合，坚持多学科相融合的科研精神始终感染着我他渊 博的知识、严谨务实的治学念度给了我极大的鼓舞，并对我论文的每一个细节都 做了相应的指导。在此，我谨向宋老师表示由衷的感谢! 其次，要感谢实验室的张新华老师。他对我平时的生活和工作，给予了许多 关怀和帮助。特别是在l 蚴m i s e 软件的使用上，给予了我很大的帮助，并对论文提 出了很多宝贵的意见。 再次，感谢实验室的同学，他们对我论文中的实验实施过程中给予了我极大 的帮助和支持。 最后感谢我的家人。感谢他们一如既往的对我的理解和支持。 北京交通人学硕十论文1 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 随着客运专线动车组的投入使用及其运营速度的不断提高，铁路噪声的防 治也面临着越来越大的压力。如何采取有效的噪声防护措施，降低列车运行产 生的噪声对环境的影响，已经成为目前噪声治理的首要问题。而目前铁路噪声 实际应用的控制措施是有限的，单一的如设置声屏障、隔声窗、应用长钢轨， 定期的轨顶打磨等已经很难达到预期的噪声控制效果。 2 0 0 7 年我国铁路已经实施了第六次大面积提速，部分提速干线及客运专线 列车速度提高到2 0 0 k m h 或2 0 0 k m h 以上，使我国铁路列车运行进入高速时代。 随着列车运行速度的变化，组成列车运行总噪声的各噪声源的比重也在发生变 化，对客运专线列车运行的各噪声源强的分析，确定在不同速度下，各种噪声 源强对总噪声的贡献量及其辐射规律，能有效的为客运专线声屏障的设置方案 以及综合降噪措施的分析提供数据基础和理论依据。 由于目前最常用也是最有效的降噪措施是在线路的两侧设置声屏障，所以 声屏障合理使用，将决定降噪效果的好坏。一方面，考虑到声屏障的长度、高 度、与距线路的距离以及吸声材料的选用，将决定其是否能达到预期的降噪效 果；另一方面，从经济的角度考虑，目前声屏障的造价通常在每延米2 0 0 0 到 4 0 0 0 人民币不等( 高度为2 米左右) f l j ，如果附以吸声材料，则其造价将会更 高，如何在最经济的前提下，使声屏障达到很好的降噪效果，也是所面i 临的问 题之一。所以，在综合考虑有效性和经济性的前提下，对声屏障的选型进行研 究，是大有裨益的。 对于吸声材料的选用，目前说法也不统一。通过北京交通大学噪声与振动 实验室对秦沈客运专线的各种测试结果显示，大红旗段吸声式声屏障并没有达 到预期的降噪效果，其降噪效果与小达连段的反射式声屏障差别不大f 2 l 。而国 外的研究表明，合理布置吸声材料，能使声屏障的降噪效果增加约3 - 6 d b 3 1 。可 见，吸声材料合理布设。也是影响声屏障性能的一个关键因素；另外，研究吸 声材料布设的位置以及对其控制区域的研究，可以在很大程度上增加吸声材料 的使用效率并节省开支，这样就能将节省出的开支用于其他降噪措旌的施用上， 达到统筹的效果。 j t 京变通人z 硕十论文 i 绪论 1 2 国内外研究现状1 1 6 1 1 7 i l 州 西方国家和只本对高速铁路的研究起步较早，在上世纪七十年代，法国、 德国和同本等园家便开始了对铁路噪声控制的研究。通过不断对机车车辆性能 进行改进，对运行线路进行优化，如今这些国家在铁路运营速度仍然不断提高 的同时，已经具备了一套成熟的，与之相适应的噪声控制技术。 在声场特性方面，日本从1 9 6 4 年以来对高速铁路运行噪声的研究表明噪声 级与列车速度及离铁路线路远近位置有很大关系。噪声级变化的特点是：当测 试距离数增加时，噪声级不是按照线性规律衰减；当测试地点改变时，噪声级 差别很大：噪声级的计算与列车速度相对于某一标准速度的对数相关。联邦德 国i c e 高速列车噪声研究结论是：在距离铁路中心线2 5 m ，轨面以上3 5 m 处， 分别测得列车2 0 0 k m h 和3 0 0 k m h 速度通过时噪声级为8 6 d b a 和9 3 d b a ，其 中轮轨噪声对周围环境的影响最强烈。法国t g v 东南铁路高速列车，在巴黎至 里昂段，速度2 7 0 k m h 通过的噪声的测量结果如表1 1 所示： 表1 1 法国t g v ，速度2 7 0 k m h ，巴黎至里昂段噪声的测量 t a b i 1 n o i s e l e v e lo f t h e 2 7 0 k m h t g vr u n n i n g o n l i n e p a r i s t o l y o n s i 距轨道中心线距离2 55 01 0 02 0 04 0 0 卢级( d b a ) 9 7 39 3 69 1 88 5 98 0 9 倍距离衰减跫 3 7l _ 8 5 95 由表1 1 可知距离增加一倍时，噪声衰减值最小值为3 7 d b a ，最大值为 5 9 d b a ，这也证明了日本高速铁路噪声研究的结论，噪声级不是按照线性规律 衰减的。 在噪声各源强的贡献量方面，日本所做的实验表明，对未经打磨的轨道( 桥 梁线路) ，速度为2 0 0 k m h 的列车，其轮轨噪声、集电系统噪声、高架桥结构噪 声和空气动力学噪声对总噪声级的贡献量分别为6 3 、1 8 、1 3 、6 ；当列 车速度为2 4 0 k m h 时，以上各种源强对总噪声级的贡献量分别为5 0 、3 5 、 1 0 、1 3 。可见，随着列车运行速度的提高，集电系统噪声、高架桥结构噪 声和空气动力学噪声对总噪声级的贡献量逐步增大。其他实验还表明，当列车 速度更高的时候，空气动力学噪声对总噪声级的贡献量将更为突出。 在噪声控制方面，据国外经验，医铁路交通噪声的频谱、声源方向和位置 情况与公路交通噪声不同，由于声屏障能较好地降低铁路运行噪声的高频部分 和铁路声屏障的位置要比公路更靠近声源，因此采用同样的声屏障对降低铁路 噪声要比降低公路噪声效果明显得多。早在上世纪6 0 年代与7 0 年代之问的日 本便开始了声屏障的研究和实践。声屏障技术在上世纪7 0 年代中期有较大发 2 北京交通人学硕卜论文1 绪论 展，特别是在新干线j r 通后对声屏障的结构和型式进行了很多研究和实践。# 要采用直立型和倒l 型声屏障，取得了很好的效果。图l l 和图1 2 分别给出了 同本新干线高架桥在有、无声屏障时测得的声场分布曲线，通过对两图比较可 以清楚地看出，由于声屏障对噪声的遮挡作用，高架桥的外围声场的噪声水平 在有声屏障时比无声屏障时有明显的降低。 【 藕鬣|9 i ，j 舒i 舟矗 打 o一：一 么7 掣 ( 谮 - “国 、 r 2 5 0不显著 声波除绕过屏障顶端外，还透过屏障自身到达受声点，这种现象称作声波的 “透射”。透过屏障的“透射量”取决于与屏障有关的因素( 如面密度) 、声波的 入射角和声波频谱。一般用“透射损失”( t l ) 来评价声屏障阻止噪声透射的能 力。t l 值越大，声屏障阻止噪声透射的能力越强。 在声源性质( 入射角和频谱) 确定的情况下，屏障透射损失由材料的隔声量 ( r ) 决定。对单层均质材料，一般地，单位面积质量或频率增大一倍，隔声量增 = ! j 1 6 d b 。对宽带噪声，材料单位面积质量增大一倍，隔声量增：b n 4 d b 。即使声屏 障材料足以阻止声音透射，但若材料有孔洞或缝隙则会大大削弱声屏障的噪声衰 减效果。 当声波辐射至声屏障表面时，一部分声波会被屏障反射。通常对单侧屏障而 言，反射声波不影响屏障后方的受声点，但影响位于声屏障前方的受声点，使这 些受声点的噪声级增加( 小于3 d b ) 。当为双侧平行屏障时，若屏障为反射屏障， 受声点除受到绕过屏障顶端到达受声点的声波影响外，还受到反射声波在屏障间 经多次反射后( 导致声源上浮) 越过屏障顶端绕射到达受声点的声波的影响。如图 3 6 所示。 北京交通人学硕十论文3 基r 射线声学的客运专线卢屏障的仿真实验研究 图3 6 两侧直立声屏障的反射 f i g3 6r e f l e c t i o nb e t w e e nt h eb a r r i e r s0 1 1b o t hs i d eo f t h ew a e k 目前，我国在铁路沿线修建的多是单侧声屏障。但是，由于列车高度较高， 且声屏障较靠近列车声源，因而在声屏障和列车之间的反射声波类似两侧直立声 屏障的声反射情况，声波遇到声屏障后反射回来，再被车体反射后到达受声点， 就会使声屏障的降噪效果降低。所以，合理设计声屏障结构，是客运专线噪声控 制中的一个重要环节。 衡量声屏障降噪效果的指标为插入损失( i l ) ，指在确保噪声源、地形、地面、 背景噪声和气候条件等不变的情况下，声场中的某固定点在声屏障设置前后的声 级之差。插入损失与声屏障的绕射声衰减k 、材料透射损失址。、反射降低量 k 、地面吸收声衰减k 和声源与受声点之间其它障碍物产生的障碍物声衰减 量厶有关。即声屏障的插入损失为 尼= 如一如一啦一m a x ( 叱，鸲) ( 3 2 ) 由式( 3 - 2 ) 可知，不能仅以声屏障顶端绕射衰减量作为屏障的插入损失。 但是，在实际建造声屏障时，若绕射损失与透射损失之差在1 0 d b 以上，可忽略 k ；对吸声型屏障，若吸声结构的噪声降低系数n r c 0 5 ，则址。在l d b 以下， 则可省去k ；当受声点离声源距离近且为软地面时，k 可以省略；若声源与 受声点之间其它障碍物在设置声屏障前后保持不变，则厶可略去。因此，声屏 障插入损失m 主要取决于屏障的绕射衰减量【1 8 1 对于客运专线声屏障，绕射衰减 量可通过下式计算： 其中： 屿= r、 弛【毒卜警l 地 岽高卜= 等t 。3 北京交通大学硕十论文3 基丁- 射线卢学的客运专线卢屏障的仿真实验研究 厂为声波频率，h z ： d 为声源与受声点之问的直线距离，m ； 艿= 彳+ b d 为声程差，m ： c 为声速，k m h 彳为声源至声屏障顶端的距离，m ： b 为受声点至声屏障顶端的距离，m ； 3 3 2 声屏障附加长度的仿真研究 在上一小节中已经提到，声屏障的绕射主要是声波通过声屏障的顶端绕射， 对于在客运专线上行驶的列车，则不能将其看作是静止不动的声源。当列车尾部 还没有完全进入屏障区域的时候，车身激发的声波存在从屏障侧沿绕过再抵达受 声点的情况，如图3 7 所示，这就需要在设计声屏障的时候，考虑一个声屏障长 度的附加量，来更好的保护敏感区域。 图3 7 两种绕射的情况 f i g3 7t w ot y p e so f d i f f r a c t i o n 一、国内外对声屏障附加长度的研究 理论上，声屏障附加长度应保证声源通过声屏障末端传至接收点的声级值较 由声源经声屏障顶端绕射后的声级值低1 0d b 以上，即声源经声屏障顶端绕射传 至接收点的声级值远远高于声源在声屏障外传至接收点的声级值；京沪高速铁 路暂行规定中要求：“声屏障附加长度的计算以声波侧向绕射和侧向直达声导 致声屏障插入损失降低量不大于其1 0 为依据，计算声屏障的附加长度”，按照 暂规要求，如图3 8 所示，有如下公式： 北京交通人学硕十论文 3 基丁射线声学的客运专线声屏障的仿真实验研究 a l = l p l 一0 2 ( 一k ) ，( 4 i 一五p 2 ) o 1 其中： 址为声屏障插入损失，d b ； 易。为无声屏障时h a 点传至c 点的声级值，d b ； ：为有声屏障时由a 点传至c 点的声级值，d b ； 上为由b 点传至c 点的声级值，d b 。 a ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 图3 8 声屏障附加长度示意图 f i g3 8a d d i t i o n a le x t e n to f t h es o u n d b a r r i e r 由铁道第三勘察设计院机械环工处推导出的声屏障附加量的公式为【1 9 】： 1 0 1 9 ( 鬈+ l 2 ) g o 9 a l ( 3 6 ) 其中： 厶为轨道中心线与敏感点的直线距离； 上为声屏障的理论附加延长量。 当声屏障的插入损失按1 0 d b 计算时，由式( 3 6 ) 可以算出， 厶= 4 0 m 时，附加长度l = 1 0 5 m 厶- - 6 0 m 时，附加长度l = 1 5 8 m 厶= 8 0 m 时，附加长度l - - 2 1 1m 由于声屏障理论附加长度较长，在实际设计中没有实施，目前铁路声屏障附 加长度一般按每侧5 0 m 设计。 北京交通大学于2 0 0 6 年对秦沈客运专线小达连段的声屏障进行了现场测试， 小达连段声屏障为单侧反射式声屏障，路基高约6 m ，线路为无缝、6 0 k g m 钢轨， 轨面状况良好，混凝土轨枕，有碴道床，平直线路。地面状况为松软沙土。图3 9 所示为测试实验现场。 北京交通人学硕士论文3 基丁- 射线声学的客运专线卢屏障的仿真实验研究 a 传感器的横向布设b 传感器的纵向布设 th o r i z o n t a ll o c a t i o no f t h e ；0 8 b v e r t i c a ll o c a t i o no f t h es e n s o n ； 图3 9 测试现场 f