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西南交通大学研究生学位论文 第1 页 p 3 “s 7 1 铁路噪声预测 统计能量分析方法 摘要 本文介绍了国内、外铁路噪声控制的发展和现状，铁路环境噪声的评价 茹吁去和标准，以及铁路环境噪声的预测方法。 本文初步尝试了用计算的方法统计能量分析法( 简称s e a ) ，来预 测有声屏障的铁路噪声。作者通过对某一具有声屏障的铁路段应用统计能量 分析对其建模计算，预测具有声屏障的铁路噪声，计算结果与常用的经验计 算方法的预测结果相比较，从而得到预测铁路声屏障降噪效果的较为合理的 统计能量分析模型。；整个模型由两个子结构组成，其中列车车体与声屏障之 间的声空间为子结构1 ，声屏障为子结构2 。在统计能量分析参数估计( 模态 密度) 时，将子结构l 近似为闭合空间，将其处理为管道式一维声场；并且 考虑声空间的上方开口对内部损耗因子的影响。在能量平衡方程中将子结构 2 ( 声屏障) 的辐射也作为一能量流途径。， 另外，作者还编制了这一s e a 计算模型的计算机程序，并利用此程序对 各种不同情况( 声屏障高度不同、声屏障位置不同、列车速度不同) 进行， 具有声屏障的铁路噪声预测。 f 导到如下结论：在一定范围内，声屏障越高、 距离声源越近、列车速度越快，其铁路噪声越强。 与经验预测值相比，误筹小于3 d b ，敞认为此模型是合理的预测有声屏 障的铁路噪声的s e a 模型。、3 i 关键词l 铁路噪卢控制。统计能量分析方法 s e a 模跫。噪声预测铁路声屏障。 西南交通大学研究生学位论文 第1 l 页 a b s t r a c t t h i sp a p e rl o o k sb a c ku p o nt h ed e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c ho ft h ec o n t r o lo f r a i l w a yn o i s e t h ee v a l u a t i o na n ds t a n d a r do f t h er a i l w a yn o i s ea n dt h ec a l c u l a t i n g m e t h o d so f t h e r a i l w a y n o i s ea r ei n t r o d u c e d i nt h ep a p e r , s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ( s e a ) i su s e dt op r e d i c tt h en o i s ef r o m t h er a i l w a yw i t hb a r r i e r c a l c u l a t i o n so f5d i f f e r e n ts e am o d e l sa r ec o m p a r e dw i t h t h er e s u l tb ye x p e r i e n c ef o r m u l a e ar e a s o n a b l ea n a l y t i c a li s p r e s e n t e df o rt h e e m i s s i o no f t h en o i s ef r o m r a i l w a yw i t hb a r r i e r i tc o n s i s t so f t w o s u bc o n s t r u c t i o n s o n ei st h es o u n ds p a c eb e t w e e nt h eb a r r i e ra n dt h et r a i n ；t h eo t h e ri st h eb a r r i e r w h e nt h es e a p a r a m e t e r si sc a l c u l a t e d ，t h es o u n ds p a c ei st h o u g h tac l o s e dr o o m a n da no n ed i m e n s i o ns o u n df i e l d i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h eo p e n i n go nt h et o po f t h ef o o ma f f e c t st h ei n t e r n a ll o s sf a c t o ro ft h es o u n df i e l d t h ee m i s s i o no ft h e b a r r i e ri si n c l u d e di nt h ee n e r g yf l o wb a l a n c ee q u a t i o n s i na d d i t i o n ，t h ec o m p u t e rp r o c e d u r eo ft h es e am o d e li sc o m p i l e d ，i ti st h a t t h ee f f e c to nt h en o i s ef r o mt h er a i l w a yw i t hb a r r i e rw h e nt h ec o n d i t i o n s ( t h e b a r r i e rh e i g h t ，t h eb a r r i e rs i t u a t i o n ，t h et r a i ns p e e d ) c h a n g e t h ec o n c l u s i o ni st h a t t h ee m i s s i o no f t h e r a i l w a yn o i s e i ss t r o n g e rw h e nt h eb a r r i e rg e th i g h e r , t h eb a r r i e r s i t u a t i o nb e c o m en e a r e ra n dt h et r a i nb e c o m ef a s t e r c o m p a r e d w i t ht h er e s u l tb ye x p e r i e n c ef o r m u l a e ，t h ee r r o ri su n d e r3 d bs o t h i sm o d e li sc o n s i d e r e dap o s s i b l es e am o d a lt o p r e d i c t t h en o i s ef r o mt h e r a i l w a yw i t hb a r r i e r 1 k e y w o r d s lc o n t r o lo f r a i l w a y n o i s es t a t i s t i c a le n e r g y a n a l y s i s s e am o d e l n o i s ec a l c u l a t i o n r a i l w a yb a r r i e r c h 0 0 l4 0 8 09 95 堕壹銮望盔堂堑壅生堂焦堡壅 塑! 蔓 第一章绪论 1 1 引言 自六十年代初日本建成第一条新干线一东海道新干线以来，日本、德国、 法国等国家相继建成了多条速度在2 0 0 k m h 以上的高速铁路，这种线路以速 度快、安全舒适、比高速公路占地少、比飞机能耗低、运输能力强、准点率 高等优势大大增强了铁路的竞争性，为铁路运输的发展注入了新的生命力。 由于有这些优势，许多国家和地区都正在修建或筹建速度在2 5 0k m h 以上的 高速铁路。但是，高速铁路的开通也确实给沿线居民带来了严重的噪声污染 问题，引起了公众的大量投诉。在日本国铁新干线，由于车速快，声音不仅 大，声调也高，再加上铁轨敷设面较高，故噪声传播距离也远，影响较大。 表卜1 列出了新干线各种轨道结构的噪声级n 。 表卜1 铁路新干线的噪声级( 环境白皮书1 9 7 4 年) 结构轨道侧墙测点噪声级d b ( a )调查地区 测点正面 8 2 9 3 填土碎石无东海道 测点反面 7 5 8 3 测点正面 8 5 9 2 高架碎石无东海道 测点反面7 “8 2 测点正面7 7 8 3 高架碎石 有( 19 m ) 山阳 测点反面 7 3 8 0 预应力 碎石无 测点正面8 5 9 3 东海道 混凝土桁架测点反面7 6 8 2 测点正面7 7 - - 9 3 钢结构桁架碎石无东海道 测点反面 7 5 8 5 测点正面7 0 1 0 4 钢结构桁架无路基无东海道 测点反面8 8 1 0 2 c h 0 0 i 4 0 8 09 95 西南交通大学研究生学位论文第2 页 测点位置离铁路上下行线的中心线2 5 m ，高度为12 m 。 在速度为1 6 0 k m h 范围内，选择2 0 0 k m h 进行测量。 前4 项是平均值范围：后2 项是测定值的全范围，因为测点很少。 从表卜l 可以看出： ( 1 ) 在同等条件( 钢结构桁架) 下，无路基的铁路段比有路基的铁路 段噪声高； ( 2 )在高架结构下，无侧墙比有侧墙的噪声高； ( 3 ) 高架结构比填土结构噪声高； ( 4 ) 钢桁架结构比混凝土桁架结构噪声高。 由此可见，不同结构的铁路段其噪声水平不同，要治理噪声可采用相应 的措施。降低铁路噪声，在可能的情况下，尽量少采用高架结构，用混凝士 桁架代替钢桁架，铺设路基，建立声屏障。 已有研究认为：若不采取措施，单就轮对滚动噪声来说，其大小随列车 速度的2 3 次方指数增加( 即速度提高一倍，噪声增加6 - 9 d b ) ，文献 2 中 英国学者从a p t e 型车测量数据分析后得到车速与轮轨噪声声压的关系如 f ： p ；- = 。“v o ) ”( 1 - - 1 ) 其中：p m 车速为v 。时，轮轨噪声的声压； p r 。车速为v 。时，轮轨噪声的声压； n 轮轨噪声的车速指数。 图卜1 是轮轨i 噪声的车速指数与频率的关系曲线。 c h 0 0 l4 0 8 0 9 95 西南交通大学研究生学位论文箜三亘 1 3 倍频程中心频率( h z ) 图1 1轮轨噪声的车速指数与频率的关系曲线 另外，因速度提高后，列车的空气动力噪声、集电系统噪声也会随之增 高，与轮轨噪声一起成为主要噪声源。从而会引起沿线更多居民对噪声污染 问题提出公诉。 噪声污染是一种物理污染，它是当代人类三大环境污染( 水污染、大气 污染、噪声污染) 之一。噪声会给人的身心带来各种不利影响。其影响的发 生过程见图卜2 t ”。噪声使人听力损失，感觉不舒服、让人感到烦躁、影响安 宁、干扰讲话和思考、使工作效率降低，甚至会使人的器官产生积累性损伤， 引起一些疾病。经常在强烈噪声环境中生活、工作，会使人的神经系统、内 分泌系统等机能紊乱，甚至会引起视力迟钝、呼吸和心脏活动的节奏改变、 顷内压和血压增高、消化过程阻滞，脾脏和肾脏的容量发生变化等疾病，严 重影响人们的身体健康。 c i l 0 0 l4 0 8 0 9 9 5 5 4 3 2 1 西南交通大学研究生学位论文第4 页 咂日叵 图卜2 噪声影响的产生过程 注：困扰主要是指人的烦躁感、受害感， 行动反应主要是指抱怨、抗议、诉讼等行为。 此外，工程设备、电子仪器、建筑物等在强噪声影响下，也常会发生不 同程度的改变，建筑物发生裂纹，以致影响正常工作和疲劳寿命。 由图1 2 可见，噪声污染对人的危害首先是危害人耳，并通过它再传导 给全身，造成各种不良的影响及危害。 而人类的可昕频率范围为2 0 2 0 0 0 0 h z ，达1 0 个倍频程，其声压级在 0 1 2 0 d b 之间，见图1 - 3 1 1 1 所示。人耳可听到的声压级范围下限为听阈，图1 3 中下一条曲线是听阈曲线，听闽随频率而不同；卜一条曲线是痛阈曲线， 声压超过这一范围后，小仅听觉丧失，而目开始伴有燥痒和疼痛感觉。在超 过1 2 0 d b 的情况卜( 一j 一；缘。! “枪炮发射等) ，何时也会引起鼓膜破裂，造 成1 = l = 聋。 从图1 - 2 - ，可以看f 5 ：“j 频率在2 0 0 0 4 0 0 0 1 t z 附近时，人耳的听觉最敏 感。并丹强噪声引起的永久性听力偏移( 传统职业病) 的l 要特“l ：是以4 0 0 0 h z c h 0 0 】4 0 8 0 9 95 堕壶銮望盔堂堑塞生堂堡堡皇箜! 垂 为中心开始听力减退，然后逐渐向4 0 0 0 h z 以下或4 0 0 0 h z 以上频率伸延和发 展。所以我们在进行噪声研究时，也主要集中在这一频段附近： 1 4 0 13 0 i2 0 1 1 0 1 0 0 9 0 盆8 0 二7 0 岛6 0 鬟5 0 孽4 。 仁 3 0 2 0 1 0 0 j i 卜久景大可听值 】2 0 p h o n 、 _ | i j ， 番 小可q， 、2 d l ， 、- 1 g3 1 56 31 2 52 5 05 0 01 0 2 k4 k8 k1 6 k 叛摩，( h z l 图1 2 人类的可听范围 随着列车速度的提高，轴重的增加，列车产生的噪声对铁路沿线的居民 影响越来越大，有的严重影响居民的正常生产生活。因此，必须引起对降低 铁路噪声的重视。 一些国家的经验表明：从铁路的设计和施工阶段就注意解决噪声问题是 非常经济的方法。建成以后再改造治理，不但构成种种技术上的困难、增加 治理费用，而且效果较差。美国纽约市的调查结果表明：如果将市内高架桥 周围1 5 m 的噪声降到8 5 d b a ，则所需费用估计为1 亿5 千万美元眦，但如果 在设计时就采取措施，显然可大大降低这笔费用。另外，还可取得完整的建 筑造型艺术美的效果。因此，在铁路未建成之前，就应对设计的铁路进行噪 声预测，采取各种降噪措施来满足政府及铁路部门制定的噪声法规或环境噪 声标准。 c h 0 0 1 4 0 8 09 95 西南交通大学研究生学位论文第6 页 1 2 国内外对铁路噪声的研究现状 高速铁路的大力发展带来的噪声污染日益受到人们的重视，从七十年代 开始，日本、美国、法国、英国、加拿大、德国、瑞典和新西兰等国进行了 大规模的铁路噪声调查和研究，得到了很多噪声源及其传播规律方面的数据。 普遍认为：普通铁路的噪声主要以轮轨噪声为主，但高速铁路的噪声主要由 以下几方面的原因引起： ( 1 ) 车轮与钢轨接触振动产生的轮轨噪声： ( 2 ) 由受电弓滑板产生的滑动噪声、滑板瞬时滑脱接触导线的瞬时放 、，一 电噪声以及空气动力学噪声三部分组成的集电系统噪声； ( 3 ) 列车在空气中高速移动，压力在非恒定的气流中发生变化而产生 的空气动力噪声； ( 4 ) 由于运动列车的动力作用，使建筑结构如：桥梁、声屏障等振动 产生的结构物噪声。 在速度2 5 0 k m h 以下，轮轨噪声对沿线环境的影响较大，速度2 5 0k m h 以上时，气动噪声、集电系统噪声增大，与轮轨噪声成为主要噪声源。表l 一 2 f 2 i 列出的主要声源的声级也说明了这一点。 c h 0 0 l4 0 8 09 95 西南交通大学研究生学位论文第7 页 表1 - 2主要声源的声级d b ( a ) 、速度1 ( t n h 声源种奏、 1 9 02 1 02 4 0 集电噪声7 1 5 7 47 7 5 轮轨噪声7 7 o7 8 7 9 空气动力噪声 6 7 7 0 7 3 桥梁二次辐射噪声 7 07 l7 3 总声级 7 9 8 0 48 2 注：距线路中心3 0 m 测得数据。 但是线路噪声的来源却是一个颇有争议问题。e jr e m i n g t o n t 4 t - f 6 1 在对钢 轨竖向振动、钢轨横向振动、车轮振动和轨枕振动的噪声辐射研究中，认为 在频率为3 1 5 h z - 6 3 0 h z 时，各种噪声源的噪声辐射差不多；在8 0 0 h z - 2 5 0 0 h z 时，主要是钢轨竖向振动引起的辐射；在频率大于2 5 0 0h z 时，主要是车轮 径向振动引起的辐射。而他在对车轮踏面轴向振动、车轮踏面径向振动和轮 辐轴向振动的声辐射研究中认为，在3 1 5h z - 1 6 0 0h z 的范围内，车轮踏面径 向振动和轴向振动引起的噪声辐射差不多，而频率超过1 6 0 0h z 时，车轮径 向振动引起的噪声辐射是主要的。一般情况下，轮辐的噪声辐射比车轮踏面 的噪声辐射低十到十几分贝。 根据t e nw o l d e 和v a nr u i t a n d e 的研究成果f 7 1 表明，在2 5 0h z 4 0 0h z 的范围内，车轮水平激励引起的噪声辐射是主要的；在5 0 0h z 8 0 0h z 的范 围内，竖直激励引起的钢轨噪声辐射是主要的噪声源；在1 0 0 0h z - 1 2 5 0h z 的范围内，由竖直力引起的钢轨噪声辐射与水、平激励引起的车轮辐射相等。 由m u n j a l 和h e c k 所做的工作1 2 1 ，可知：在5 0 0h z 2 0 0 0h z 范围内，钢 轨是主要的噪声源，而在3 0 0 0h z - 5 0 0 0h z 范围内，车轮是主要的噪声源。 卜j 本国铁的a r a i 的研究结果1 3 1 认为在直线_ f ：车轮所产生的滑动噪声可以 c h 0 0 1 加8 09 95 西南交通大学研究生学位论文 第8 页 忽略。例如，他发现阻尼车轮的踏面轴向振动比钢车轮要小6 到8 分贝，而 由其引起的噪声辐射没有减小。他发现在声谱中没有与在车轮振动谱中出现 的共振峰相应的峰值。在他所测的踏面轴向振动、踏面径向振动和轮辐轴向 振动中，以踏面径向振动为最大，另外两个均要比它小l o 分贝。 在欧洲，所测得的车轮振动中，其车轮踏面的径向振动不是最大的振动， 这一结论与a i a r 和e j r e m i n g t o n 的结论有出入。f i s c h e r 在每小时2 0 0 公里 的德国联邦铁路上，对车轮和钢轨的振动进行了测量，其主要测量对象为钢 轨的竖直振动、轨腰的水平振动和轮辐的轴向振动。他的测量结果表明，在 5 0 0 h z - 1 2 0 0h z 的范围内，钢轨的垂直振动是主要的；在1 6 0 0h z - 4 0 0 0h z 的范围内，车轮的振动是主要的。这一结论与t e nw o l d e 和v a nr u i t e n 的完 全一致。他认为车轮辐板的振动要比车轮踏面的径向振动来得大，根据b r 的 h e m s w o r t h 在英国铁路上测得的数据，也可得出相同的结论。 德国的k i n g 和b e r e h e r t 与b a r s i k o w 和k i n g 对列车的声辐射进行了测量， 他们的结果【3 8 表明在低频范围内，钢轨是主要的声辐射源；在中频范围内， 车轮是主要的声辐射源：在高频范围内，车轮和钢轨的声辐射相当。这结论 与t e nw o l d e 和v a nr u i t e n 的相似，但不完全一致。 文献中认为：钢轨振动产生的噪声对轮轨噪声“贡献大”。轮轨噪声特 性以中、低频成分为主，其峰值集中在6 3 1 0 0 0 h z ，并且车轮辐射高频噪声， 钢轨辐射低频噪声。也就是说，轮轨噪声主要是由钢轨振动产生的。 综t 所述，虽然线路主要噪声源是钢轨还是车轮仍值得研究，但线路噪 声来自车轮振动、钢轨和轨枕振动及钢轨相互作用是肯定的。在线路噪声中， 低频范围内，钢轨是主要的声辐射源；中频范围内，车轮是主要的声辐射源： 高频范围内，主要是轮轨噪声。由于各国的具体情况不尽相同，所以应根据 各国囤情实测来确定本国情况。 由于噪声传播的影响因素很多，研究涉及到很多方碰。国际铁路联盟 ( u i c ) 的o r e 报告中指出，在两侧地面与轨道处于同一高度时，列车通过 c h 0 0 i4 0 8 0 9 95 西南交通大学研究生学位论文第9 页 产生的噪声空间声压级呈蝶形分布阳1 ( 图1 - 4 ) ，文献“们也有同样结论。故根 据声源传播特性，轮轨噪声指向性应表现为：近场具有较为明显的偶极子的 特点，随着离轨道中心线距离的增加，这一特征逐渐减弱。在近场( 通常指 距离小于列车长度的l ，3 ) ，列车噪声可考虑为线声源，即距离增加一倍，声 压级衰减3 分贝；在远场( 通常指距离大于列车长度的1 3 ) ，列车噪声被看 作点声源，即距离增加一倍，声压级衰减6 分贝。 4氲403 0 20一io oo i o 2 03 04 0m 蛳 图i - 4o r e c 1 7 3 r p l 7 中的列车横剖面辐射特点图 对铁路噪声的治理的研究，国外在五、六十年代就开始了降噪研究。1 9 6 3 年，国际铁路联盟成立了一个特别委员会专门研究和试验噪声问题，国际铁 路联盟的o r e 的0 3 7 报告中专门报道了噪声治理的研究，如：德国、英国、 法国关于各种噪声声屏障的测试及其效果的研究。在日本，1 9 6 5 年组成了“新 干线噪声研究会”，1 9 7 2 年又成立了“新干线噪声振动防止技术委员会”。【1 、 德、法、英等国经过三十多年卓有成效的工作，进行了大量的理论研究和实 测分析，取得了治理噪声方面很多有效的方法。表1 - 3 1 2 i 列出了轮轨之间二! 种 噪声所进行的铁路线路噪声控制方法及措施。 c i 啪1 4 0 8 0 9 9 5 西南交通大学研究生学位论文第1 0 页 表1 3 铁路线路噪声控制方法 噪声种类控制方法具体措施 研磨钢轨 减少钢轨表面粗糙度采用焊接长钢轨 撞击声 钢轨接缝的保养 和 采用弹性式阻尼钢轨 轰鸣声 减少钢轨表面凸凹不平 降低行车速度 防止噪声辐射路旁建造声屏障 经过曲线时减小横向蠕动避免小半径曲线 改善轮轨接触面的摩擦 轮轨踏面应经常润滑 和蠕动特性 设计能降噪的专门轮轨踏面 尖叫声 使用阻尼车轮 减少轮轨共振响应 使用弹性车轮 阻止噪声辐射路旁建造声屏障 图1 - 5 f 2 1 给出了1 9 7 4 年到8 0 年代国外普通和高速列车的噪声水平。 图1 5 1 9 7 4 年及8 0 年代初国外普通和岛述列车的噪声水甲 c h 0 0 l ，4 0 8 0 9 95 西南交通大学研究生学位论文第1 1 页 图中的实线表示的是国外普通列车( 德：d b ，英：b r ) 和高速列车( 日 本：j n r ，法：t g v ) 所能达到的最好噪声水平( 到1 9 7 4 年为止) 。由图可见， 噪声最大与最小的列车在同一速度下声级相差约1 5 d b ( a ) ，且它们有差不多 相同的噪声与速度的关系。虚线表示了8 0 年代几个主要国家的普通列车( 德 国的d b ) 和高速列车( 日本的j n r 和德国的i c e ) 的噪声水平。由此可见， 8 0 年代国外在噪声治理工作方面已取得了一定的成效。 我国铁路噪声、振动研究起步较晚。但近年来随着我国铁路高速化的进 程，也逐步开始一些铁路噪声及振动初步研究。涉及的内容有：降低机车汽 笛噪声( 北方交大) ，我国铁路环境噪声控制研究( 北方交大) ，2 0 0 0 年中国 铁路环境预测研究( 铁道部劳卫所) ，京沪线高速铁路环境影响分析可行性研 究( 铁道部劳卫所主持，西南交通大学振动、冲击、噪声测试中心参加) ，铁 路两侧地面吸声效果的计算 1 “，轻轨列车和高架结构系统的动力响应分析 ”“，列车运行噪声二维声场的试验研究m ，降低铁路噪声的措施，声屏障设 计及降噪效果预测，等等。并实际采用了一些降噪防振措施。如我国在济南 铁路桥，广深线的石龙特大桥上都采用了隔声屏障，取得了良好的效果。 从表l 一3 中可以看出：修建声屏障是降低高速铁路噪声的重要措施之一。 因此，在设计阶段进行噪声预估，评价噪声达标情况和隔声屏障的效果是非 常重要的一步。铁路噪声预测的方法很多，但大多都是一些经验公式，大致 有如下几种方法： 】模式法( 以包括声源参数、声衰减规律和各种修正参数为基础的方 法) ”。目前，国内外关于铁路噪声现状与影响预测的评价模式，尚无统一 的规定。但在一些基本方面均有相似之处与共同点。目前我国铁路噪声环境 影响评价中采用的方法基本上都是以“有限长线声源”现场实测、类比分析 和所谓的“比例预测法”； 2 比例法( 针对某些情况，以监测数据为基础的方法) 。参考国外 有关文献，通过类比中等技术水平的铁路，在一定定量计算的基础上作出定 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 95 西南交通大学研究生学位论文第1 2 页 性的分析； 3 前川图表估算法o 】。对设置有声屏障的路段，通过计算其声程差，查 前川图表的求其降噪量，从而估算铁路噪声。 在计算法方面，主要有： 1 有限元法，对桥梁二次辐射噪声的研究心 。 对于声场，其相应的控制方程和边界条件有如下表示： v 2 州和= 。 空：0 o n 宴= 一i p c o v 。 0 1 1 瑚o p _ i p c o z p i 0 n 在边界s 上 ( 1 2 a ) 在边界s 上( 1 2 b ) 在边界s ”上 ( 1 2 c ) 式中，p 是声场介质的密度，s 为刚性边界；s 为弹性边界，v 。为垂直于 表面的振动速度；s ”为具有吸声材料的表面，z 。为声学阻抗。 2 统计能量法，e j r e m i n g t o n 对无屏障钢桥噪声辐射的研究n 5 。 p j r e m i n g t o n 在文献【1 5 】中对如图l - 6 所示的敞式钢桁架结构桥梁进行 了能量流途径分析，如图1 - 7 所示。最后建立了桥梁结构的统计能量分析模 型，如图1 - 8 所示。 c h 0 0 i4 0 8 0 9 9 5 西南交通大学研究生学位论文第1 3 页 图1 - 6 敞式钢桁架结构桥梁 图1 7 钢桥的能量流动途径 图1 - 8 钢桥噪声辐射的统计能量分析模型 耗 耗 c h 0 0 j 4 0 8 09 9 5 西南交通大学研究生学位论文第1 4 页 目前尚没有查到用计算方法对有屏障铁路段进行噪声预测的文献，这方 面还有待于进一步发展。 1 3 本文主要研究工作 本文尝试采用计算的方法统计能量法( s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ， 简称s e a ) 来对有屏障铁路噪声预测作一初步探讨。为了找到有效的、适用 于铁路噪声预测的统计能量分析模型，本文将着重研究以下几个方面问题： ( 1 ) 铁路噪声的评价。从前面的内容可以看出，噪声污染的危害较大， 必须加强治理。但是，在噪声的治理过程中，我们用什么标准来衡量噪声及 其治理效果呢? 这就需要对噪声进行评价。 ( 2 ) 讨论各种经验预测方法，并用前川图表法预测一带声屏障的铁路 段的降噪效果 ( 3 ) 用统计能量分析法( s e a ) 对( 2 ) 中的结构进行s e a 建模的探讨， 用各个不同的s e a 模型预测声屏障的降噪效果，并与( 2 ) 的结果相比较， 选出一较为合理的s e a 模型。编制用统计能量分析方法预测铁路噪声的计算 机程序。 ( 4 ) 用( 3 ) 中所建立的s e a 模型来对不同情况( 不同列车速度、不同 屏障位置、不同屏障高度) 进行铁路噪声预测的探讨。 c h 0 0 l4 0 8 09 9 5 西南交通大学研究生学位论文箍! ! 垂 第二章铁路噪声的产生的机理及评价 2 1 铁路噪声产生的机理 从线路噪声发生部位划分，线路噪声来自三个方面：车辆振动辐射噪声、 线路振动辐射噪声和轮轨噪声。轮轨噪声是轮轨相互作用引起的；车辆部分 的噪声主要来自车轮振动辐射噪声；线路噪声主要来自钢轨和轨枕振动辐射 噪声。其中轮轨噪声是主要声源之一，它分为滚动噪声、尖啸声和冲击噪声。 滚动噪声是指在不考虑车轮与钢轨的不连续的情况下( 如接头，车轮扁 疤) ，列车在直线车段上所产生的噪声。在滚动噪声方面，谁是主要噪声源问 题的争论较大。美国的研究者认为认为钢轨是主要的噪声源，欧洲的研究者 认为认为车轮是主要的噪声源【6 j 。 尖啸声是指列车沿小半径曲线轨道运行时产生的强烈窄带噪声。一般为 产生尖啸声的机理主要有三种： ( 1 ) 车轮轮缘的摩擦： ( 2 ) 在同一轴上内外轮问的极小滑动； ( 3 ) 车轮在钢轨上的侧向爬行。 车轮轮缘对钢轨侧面的摩擦产生尖啸声，这种机理已经得到r 实验的验 证。r e m i n g t o n 在滚动设备上所作的实验表明轮缘的单独接触是不会产生尖 啸声的，车轮平面与钢轨直线有一定的角度( 至少5 度) 后，才会产生尖啸 声。同时，只润滑轮缘，不润滑踏丽仍会产生尖啸声。 对于第二种机理，在理论上是可能产生尖啸声，因转向架通过曲线时， 外轮的经过距离要大干内轮的经过距离。对于同一根轴，这个微小的位移可 能会引起车轮沿钢轨纵向滑动或爬行。但r e m i n g t o n 在实验中却对这种机理 c h t l 0 14 0 8 0 9 95 西南交通大学研究生学位论文第1 6 页 产生怀疑。 逐渐为人们所接受的机理是转向架通过曲线时产生的侧向爬行力，这个 机理最早是由v o ns t a p p e n b e c k 所提出来的。u e i n g b e r g 建立了模型用来描述 尖啸声从产生到人耳的整个过程，所测的结果与实验测量值有很好的一致。 冲击噪声是指车轮和钢轨在遇到大的不平顺( 如钢轨接头、车轮扁疤等) 时所产生的噪声。目前国际上各专家关于冲击噪声机理的认识比较一致。 对于高速铁路而言，铁路噪声还包括铁路桥梁结构的噪声、空气动力噪 声、集电系统噪声。 当列车通过桥梁时，由于车轮和轨道表面的不规则，在运行时必然要引 起铁路桥梁产生振动，这种振动除了使车轮和轨道直接向外辐射噪声以外， 还传向桥梁的各种构件从而互相传递振动能量，激发梁部、墩台等产生振动， 形成噪声的二次辐射。 车辆空气动力噪声主要表现为：车辆表面的空气湍流边界层，对车表面 的激励和车辆通过隧道时产生的气压突变。随着列车速度不断提高，气动噪 声显得越来越突出，列车引起的周围空气的紊流是产生空气动力噪声的主要 原因。空气动力噪声与车速、列车结构外形、几何尺寸等因素有关。 集电系统的噪声主要是受电弓和接触网的高频振动，高速时常发生的弓 网脱离和导线波磨等引起的。 2 2 铁路噪声的评价 铁路噪声的评价，根据评价的目的不一样，采用的评价方法和评价量足 l i 同的。常遇到的铁路噪声0 d 题l 二要有以下儿种评价 ( 1 ) 铁路噪声源评价： 其目的卜要是着眼于声源本身的分析和研究。评定声源的噪声辐射强度 或比较升i 同声源噪声的大小。 c h 0 0 i4 0 8 0 9 95 西南交通大学研究生学位论文第1 7 页 ( 2 ) 铁路噪声环境的影响评价： 其目的主要是为了评价对周围环境的影响。评定是否符合区域环境噪声 标准或评定对环境的污染程度等。 ( 3 ) 室内噪声评价： 其目的主要是为了评价噪声对各种建筑物室内的影响。评定是否符合室 内噪声允许标准等。 一、各种评价量 1 基本评价量 各种评价量常以等响曲线、a 计权声压级( 简称a 声级，单位以d b ( a ) 表示) 为基本评价量，这些量都属于主观评价方法，是考虑了主观对噪声声 音强弱的反应因素。如等响曲线是考虑了人耳对声音的感觉与声压和频率有 关而提出的，图2 1 为鲁滨逊达德森( r o b i n s o n d a d s o n ) 提出的等响曲线， 已为国际标准化组织i s o 承认。图中每一条曲线相当与声压级和频率不同单 差观感觉响度相同的声音。 r 柏 5 0 ，凹 | t 0 ， 船 j 印 _ 加 野加 誉卯 铀 3 0 2 0 加 0 图2 - 1 等响曲线 c h 0 0 1 4 0 8 09 95 西南交通大学研究生学位论文第1 8 页 a 计权声压级是在声学仪器中采用频率计权网络a ，由仪器童接读出近 似的响度级。它是几种考虑入耳对声音频率不同敏感程度的评价量之一。 2 声源评价 声源评价中常采用最大声级l 一、最小声级l 础、平均声级l 均单次噪 声暴露级l s e 和频率特性。 l m 丑x 为了反映噪声最大程度的特点，如机车和列车的通过噪声是变 化的非稳态噪声声场，常用这一评价量。 l m m 对有些非稳态的声源，在噪声辐射过程中时大时小，起伏不定， 为了描述声级的变化范围，常采用这一评价。 l 均为了反映一平均的声辐射水平，常用这一评价量。通常应用在 一个时间历程里，根据间隔采样计算出的能量平均声级，称为等效连续声级 l e q 以上三种皆用d b ( a ) 表示。 l s e ( 简称为暴露级) 在一秒钟里作用的一个声级，其具有的声能与 一个噪声作用期间内所具有的声能相等。l s u 可以用以下公式表示： l s e = 1 0 l o g r l o o i l o ) d t 2 叫 式中： t 噪声作用时间，单位为s ； l p ( t ) 瞬时声级，单位d b a 。 当已知l e q 等效连续卢级和噪声作用时间时l 。的计算公式为： l s e2l 。+1019t(2-2) 频谱特性为厂解声源噪声的频率特性，常需进行频谱分析，一般对 3 1 5 8 0 0 0 h z 作倍频程的频谱分析。为r 噪声治理，往往要做a 汁权的频 谱分析，用以确定 要控制的噪声频率范围。 c h 0 0 l 柏8 09 9 5 西南交通大学研究生学位论文第1 9 页 3 环境噪声评价 环境噪声评价常采用等效连续a 声级l 。、昼夜等效声级l d 。、统计声级 l n 和声级计权人口l 。 l 。等效声级是评价城市环境噪声的一个重要量。国际标准化组织 ( i s o ) 已采用这一方法，我国在环境噪声标准中也是采用这一评价量。用 a 声级表示的等效连续声级的公式为： k 川。g ( p 帅a t c z 叫 其中： l n ( t 卜瞬时声压级( d b a ) t 测量时间 在铁路噪声评价中，目前也采用这一评价量，但l 舶中没有考虑机车鸣 笛这种突发性的特殊噪声的干扰特点，是否会影响铁路噪声的评价是值得探 讨的问题。 l 。昼夜等效声级l 。的主要特点是考虑了夜间噪声对人的影响比白 天更为严重这一因素。以美国为代表的一些国家在环境噪声评价中主要采用 这一评价量，尤其是美国对于城市区域铁路环境噪声的评价主要采用这一方 法。 具体方法是对夜间噪声做了增加1 0 的加权处理，计算公式如下： k 堋崦雌1 0 0i l i + 喜1 0 0l ( l 6 q j + l o ) c 2 叫， 式中： l 。i 白天第i 个小时内的等效声级； l 。d j 夜间第j 个小时内的等效声级； i 属于白天的1 5 个小时( 7 ：0 0 2 0 ：0 0 ) ： c h 0 0 14 0 8 0 9 95 西南交通大学研究生学位论文第2 0 页 i 属于夜间的9 个小时( 2 2 ：o o 7 ：0 0 ) 。 l n 统计声级l j 是评价交通噪声常用统计方法，以声级出现的概率 和累积概率来表示，即以统计声级来表示。美国、英国等采用l 。( 超过某声 级的概率是l o ) 作为交通噪声的评价。在铁路列车通过噪声和航空噪声方 面，国外一些学者对采用统计声级评价持否定态度。 l 、v p 声级计权人口l w p 是表示噪声污染对某区域内全部人口的危 害大小，采用此评价量。它是把评价区的声级l d 。按大小分成几个声级段， 分别求出每一声级段的l w p ( l w p = w , v i ，w 为某一声级的计权因素，无因 次量；p 为某一声级作用下的人口数) ，再把所有声级段的l w p 相加求出总 的声级计权人口数l w p 。 美国在评价铁路噪声对环境污染程度时，一般都采用l w p ，其声级采用 日夜等效声级l d n o 由于l w p 考虑了人1 2 1 数量的因素，它能比较合理反映出 噪声的影响程度。在计算铁路噪声影响的l w p 时，因受影响的居民主要是朝 向铁路的一侧，而背向铁路的一侧所受的影响较小，故美国在计算l w p 时假 设只有一半的人口受铁路噪声影响，但此法的缺点是计算比较复杂，推广存 在一定难度。 4 室内噪声评价 室内噪声评价用噪声评价数n r ，噪声评价曲线n c 与经修正的p n c 曲 线、语言干扰级。 为了表示不同声级和频率噪声对人造成的听力损失、语言干扰和烦恼的 程度，国际标准化组织i s o 公布r 噪声评价数n r ，如图2 - 2 1 3 1 所示。许多国 家的噪声评价中都以n r 作为评价量。室内噪声的评价标准很多采用这种评 价方法。 目前，n c 曲线( 图2 3 3 1 ) 和p n c 曲线( 图2 - 4 1 3 1 ) 也被一些国家j j 于 建筑物内部的稳态噪声的评价，荚国是其中1 - ：要使j j 的围家。但是，n cl h l c h o o l4 0 8 0 9 9 5 西南交通大学研究生学位论文第2 l 页 线和p n c 曲线尚未得到国际公认。 聘 - 攥 出 诖 础 壤 土三 蕊孓 蕊 、叫 、潦 心s 孓 心s 8 5 ，心心 、 夺 心蕊 9 撇j太 菠 蕊淤 、 、 ? 0 一 一臌逑 、二一 ；蕊淤：鼷 ll 求酥 li 求卜 图2 - 2 噪声评价曲线n r 慕 n c l | f 线一 t 1 ，妻 t 、竺? 瀚萋： 蒡 、j o ? 褰 。o 卜一一_ o 。五百万西1 芬爿白矗丽了 倍顿耗巾心颤h 、r 2 图2 - 3 室内噪声评价曲线n c c h 0 0 1 4 0 8 09 95 西南交通大学研究生学位论文第2 塑 鼎 皑 最 黜 疑 担 、。 7 “。i f f l 缱一 、 丧尊 、方 、勿 、方 # 矿 3 慕寤 方 方一 护一 倍粳程巾心频带h 2 图2 - 4 室内噪声评价曲线p n c 二铁路环境噪声评价 1 国外铁路环境噪声评价 噪声污染是一种物理污染，它虽然不致命，但对人的健康危害却很大。 经常生活在强噪声环境冲，将引起健忘、乏力、耳鸣和耳聋。同时噪声也对 人的心理产生危害、干扰通话和语言交流、引起人烦躁、造成疲劳和降低t 作效益。为保证人的身心健康，国际标准化组织和各个国家都制定有各种场 所( 区域) 的噪声法规或条例。表2 1 1 2 1 列出了部分国家的交通和铁路噪声法 对居住区噪声的容许值。 c h o o l4 0 8 09 9 5 西南交通大学研究生学位论文第2 3 页 表2 - 1 各个国家的铁路噪声法规中对居住区的容许值( d b ( a ) ) 国家噪声评价量容许值的类别昼间休息时间 夜间 奥地利k l a f 5新建的和改造的铁路线的极限值 6 0 6 55 0 一5 5 l a 柏2 m l 6 0 丹麦新建铁路线的指标 l a m 虹 8 5 l 降噪计划的极限值 6 0 法国 l a m 。 高速铁路线的极限值 6 5 7 5 新居住区的指标 5 0 5 54 0 - - 4 5 德国l f l a 舳- 5 新建的和改造的铁路线的极限值 5 94 9 新建住宅的指标 5 54 2 英国l a 有特殊理由的限制值 6 55 7 新建铁路线的隔绝噪声法规 6 86 3 日本l a m x新干线高速铁路的环境标准 7 0 韩国l 姻新建的和现有的铁路线的环境标准 6 55 5 新建铁路的最佳值 6 05 55 0 荷兰l a 伽 新建铁路和现有铁路最大容许值 7 36 86 3 l a 朝2 4 h新建铁路的指标 5 5 6 0 挪威 l t 一 5 0 新建铁路或新建住宅的极限值 6 0 瑞典 l a 柏2 “ 现有铁路线的极限值 7 5 一般是新建铁路线的指标 5 54 5 瑞士l p 2 l - 5噪声影响的极限阈值 6 05 0 报警值 7 06 5 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 9 5 西南交通大学研究生学位论文第2 4 页 从表2 1 中可以看出：选用等效连续a 声级l 。的占多数，对容许值， 许多国家分为两段时间( 昼间和夜间) ，部分分三段时问，也有的按2 4 小时 声级。采用不同的评价量，有不同的容许值，根据日本的分析，对列车密度 很高的东海道新干线来说，现行噪声标准l 。x 7 0 ( r i b ( a ) ) 相当于 l a c q 【2 4 h 尸5 i ( d b ( a ) ，l 。x = 7 5 ( d b ( a ) 相当于l a 。( 2 4 h ) - 5 6 ( d b ( a ) 。由于列车是分时 段的和间断的，对于其噪声的评价方法应考虑其特点，选用适当的评价量， 目前国外用得最普遍的是l 。 2 我国高速、准高速铁路环境噪声评价： 目前，我国还没有针对高速铁路制定的噪声法规，但对城市铁路边界噪 声有一限制标准，即g b l 2 5 2 5 9 0 铁路边界限制极其测量方法。该标准规 定：距铁路外侧轨道中心线3 0 m 处测点高于地面1 2 m 处的铁路边界噪声等 效声级l 。，单位为d b ( a ) 。在昼间与夜问都应不大于7 0d b a 。此声级是用 积分声级计( 或具有相同功能的其他测量仪器) 读取lh 的等效声级( a ) 。 这一标准未针对城市的不同区域提出限制，在修建高速铁路时，还应参照国 标城市区域环境标准( g b 3 0 9 6 9 3 ) 进行各区域的噪声预测，以