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关键词:高架声屏障标题:工程科普 | 轨道交通中的噪声问题与研究 来源:知乎 文章内容: 轨道交通工具(火车、地铁列车、轻轨列车等)在行驶过程中产生噪声的机理复杂多样，而且噪声问题不仅对乘客或沿线居民造成困扰，还在一定程度上制约着轨道交通技术的发展与应用。 这篇文章首先阐明噪声的定义，随后简要地介绍轨道交通的噪声问题，*后介绍6类主要的噪声产生机理及其相应的减振降噪措施。 (1).噪声的定义 声学的定义上，“噪声”与“纯音”是相互区别的一对概念，两者的马路声屏障区别在于：噪声的波形是不规则或随机的；纯音的声波幅值随时间出现正弦波波形。 现实中存在的绝大多数声音都是由大量频率不同的声波互相叠加形成的，由此形成的声音呈现出不规则或随机的波形。因此，前述的噪声定义与工程实际应用是相互脱节的，因为据此定义，大多数的声音都属于噪声。 于是，工程技术上以人对声音的感受作为衡量标准，将人耳不愿听到的声音统称为噪声。 一般而言，噪声会引起烦躁情绪，而音量过强的噪声会危害人体健康，高频高强度的噪声还可能造成工程结构物的疲劳破坏。 国内一般以“铁路边界噪声限值”来限制列车行驶产生的噪声，即在距离铁路外侧轨道中心线30m处的噪声等效声级不应高于该限值。对于马路声屏障城市铁路而言，该限值为70dB。 图2.铁路边界噪声限值及其测量方法(1991) (2).噪声对轨道交通技术应用的制约 对于速度较低的轨道交通工具，例如普速火车、地铁、轻轨等，列车运行的动态环境以机械与电气作用为主；对于高速运行的轨道交通工具，例如高速列车(所谓的高铁)、磁悬浮列车等，列车的动态环境以气动作用为主。这就是说，随着列车运行速度的提高，列车的主要噪声源逐步由机械/电气噪声转变为气动噪声。 因此车速提高的同时，噪声的强度和频率成分也随之上升。 图3.列车噪声源与速度的关系-出自文献[1] 而当马路声屏障马路声屏障更高速度的轨道交通技术成为可能时，噪声对列车速度的束缚日益明显。例如日本新干线列车的设计与试验速度都在350km/h以上，然而受限于线路两侧噪声强度不得超出75dB的严格要求，目前*高运营速度只能为300km/h；例如上海磁悬浮列车的设计速度高达430km/h，但在核心市区的运行速度允许在200 km/h以内。 噪声之所以成为列车速度的制约因素，首先在于，噪声污染会影响车内乘客和车外市民的舒适度，甚至会引起健康问题。其次，高速列车引起的气动噪声在本质上属于空气的高频振动，在这种高频循环动力荷载的长期作用下，列车设备及沿线建筑物可能会发生难以补救的工程疲劳破坏。 轨道交通产生噪声可根据产生原理大致分为6类：轮轨滚动噪声、轮轨撞击噪声、轮轨曲线啸叫噪声、气动激励噪声、牵引系统噪声、结构物激振噪声。需注意的是，轮轨滚动噪声、轮轨撞击噪声、轮轨曲线啸叫噪声都属于图3的轮轨噪声。 以下章节依次介绍这6类噪声及其形成机理，并针对各自的机理介绍常用的减振降噪措施。 (3). 轮轨滚动噪声 为了保证列车的平稳行驶，列车的车轮、钢轨表面都要求打磨得光滑平顺。然而随着服役时间的增加，车轮的磨损、钢轨的竖/纵/横向变形、钢轨的擦伤及剥离等病害的出现几乎不可避免。 车轮或轨道表面的平顺性无法保证时，列车在行驶期间会出现颠簸现象，车轮和钢轨受迫发生弹性振动，这种弹性振动辐射至空气中就变成了噪声。 轮轨滚动噪声会随着车速的提高而不断增强，因此在高速列车领域的研究中受到较多关注与重视。 图4.轮轨滚动噪声的产生机理，出自文献[2] 根据噪声形成机理，轮轨滚动噪声的治理思路主要从轮轨不平顺的控制、噪马路声屏障声传播途径的阻断、轮轨振动特性的优化这三个方面入手： ①轮轨不平顺的控制在现实中是通过各项轨道养护作业实现的，包括了轨道各部件的更新修理、钢轨变形与病害的维修等经常性的维修工作； ②噪声传播途径的阻断则通过各类吸声材料的声屏障来实现，例如城市铁路高架的两侧通常会设置隔声屏障； ③轮轨振动特性的优化则是目前的研究前沿，科研工作者们以减振降噪为目标，探索轨道构件的*优设计形式，例如钢轨的截面形状、车轮形状、橡胶垫的刚度、钢轨的损失系数、钢轨表面粗糙度等。 图5.大秦线重载铁路上的维护作业车 图6. 城市铁路高架两侧的隔声屏障，图来自百度，侵删 (4).轮轨撞击噪声 车轮或钢轨表面可能由于设计缺陷或病害而存在局部的不连续性，例如车轮踏面损伤、钢轨接缝、道岔、钢轨接头等。这些局部的不连续性会使高速行驶的列车车轮与钢轨发生冲击性激扰，进而引起非线性辐射的轮轨撞击噪声。 (5). 轮轨曲线啸叫噪声 由于穿行于条件复杂的城市地下环境中，地铁列车的行进路线经常遇到小半径曲线(也就是急转弯)，此时车轮会挤压外侧的钢轨，轮轨之间发生横向的相对滑动，从而产生高频的轮轨曲线啸叫噪声。 现实中，当轨道上的列车速度提高到一定程度后，轮轨撞击噪声与轮轨曲线啸叫噪声在列车总噪声中的比重可以忽略不计；而在低速的情况下，这两类噪音的治理措施与轮轨滚动噪声的治理措施大同小异，此处不再赘叙。 (6).气动激励噪声 对于运行速度200km/h以上的高速列车(也就是所谓的高铁)而言，随着列车运行速度的提高，列车的噪声源逐步由轮轨激励转变为气动激励主导。 高速行驶的列车车身与受电弓分别会产生气动激励噪声，其中： 车身气动激励噪声的形成机理是：高速运行的列车车厢表面与空气之间发生剧烈的切割作用，空气在车厢表面附近形成湍流并产生脉动压力。脉动压力一方面直接作用于空气，形成噪声波；另一方面作用在车厢壁板上并引起弹性振动，这种弹性振动再辐射至车内空气中从而变为车内的噪声。 图7.列车表面空气脉动压力云图，出自文献[3] 受电弓气动激励噪声主要包括以下3种：①列车行驶过程中，受电弓与输电导线产生相对滑动时引起的机械滑动声；②受电弓与迎面气流接触产生的风切声；③受电弓脱离输电导线瞬间产生的电弧放电噪声。由列车受电弓引发的声音统称为集电系统噪声。 图8. 电气化列车的受电弓，图来自百度，侵删 在高速列车领域，气动激励引起的噪声污染问题相较于轮轨激励更为严峻，因此对于气动激励噪声的研究更为迫切。 实际上，流体马路声屏障动力学理论本身已经非常复杂，再加上高速列车的车身和受电弓结构不规则且列车运行速度较快，当气流与列车表面相互碰撞时，气流会产生涡的破裂、脱落等现象，进而形成近乎无规律的流场并导致剧烈的湍流运动。这意味着车身表面的气流扰动性非常显著，气动激励噪声的产生机理远比想象中的复杂。 时至今日，国内外对于高速列车气动激励噪声理论与数值研究还处于非常初级的阶段，相关研究仍以实验成本极高的风洞试验为主。 风洞试验是将高速列车模型固定在地面人工环境中，人工制造气流使之经过模型车身或受电弓，从而模拟各种复杂的行驶状态并获取试验数据。 例如，现实中为了获取较优的车身形状，通常先根据过往经验设计并制造出若干种车身形状的模型，分别进行风洞试验并对比获取较优的方案，从而尽可能地降低高速列车的气动激励噪声。 图9.国内高速列车1:8风洞试验模型，出自文献[4] (7).牵引系统噪声 牵引系统噪声指的是列车动力源和冷却模块正常工作时产生的噪声。 这类噪声的存在不可避免，但可以从风扇转速控制系统、优化冷却模块进气道等方面着手降低噪声。 (8).结构物激振噪声 结构物激振噪声可根据产生机理分为2类： ①高速铁路的站台、高架桥、隧道等结构物在列车经过时，由于列车的动力效应而随之产生的结构物振动辐射噪声； ②马路声屏障列马路声屏障车运动引起隧道、山谷中的气流振动，例如当列车高速行驶入或驶出隧道时，瞬时的微气压波会引发高能量的冲击噪声。 相对而言，结构物激振噪声的危害较小，上述第1类情况需注意在设计时避开结构共马路声屏障