Cadna/A软件在高速铁路声环境影响评价中的应用

徐志胜

中国中铁二院工程集团有限责任公司环境工程研究院，四川 成都 610031

要科学评价高速铁路噪声对环境的影响，设计满足降噪目标的高速铁路声屏障，两大基础技术工作不可回避:1)高速铁路噪声的计算方法;2)声屏障降噪效果的计算。在测试研究的基础上，我国于2010年对《铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见》(铁计〔2006〕44号)［1］进行了修订，发布了《铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见(2010年修订稿)》(铁计〔2010〕44号，以下简称 44号文)［2］。44号文不仅是指导选择噪声源强的法律文件，同时也是铁路噪声计算技术的导则。对铁路声屏障的降噪效果计算，44号文直接引用了HJ/T 90—2004《声屏障声学设计和测量规范》［3］的计算方法。44号文和HJ/T 90—2004是现阶段我国在高速铁路环境影响评价与声屏障设计中进行声学计算的主要依据。

迄今为止，鲜有基于44号文所开发的商用软件。目前，用于铁路噪声预测的商用软件(如Soundplan，Cadna/A等)所依据的计算模式是德国的Schall03方法，该方法与44号文的计算模式有一定的差异，因此，在基于国外软件计算铁路噪声时应作适当修正［4］。笔者通过分析高速铁路噪声源及声屏障插入后的声传播特征，以Cadna/A噪声计算模式等为基础，建立了基于Cadna/A软件的我国高速铁路噪声预测模型。用该模型对高速铁路噪声进行计算，并以国外声源强和基于测试的44号文的声源强及其噪声预测模式进行验证，对模型参数进行了修正，分析了修正后模型的适用性。

1 高速铁路噪声特点

1.1 高速铁路声源组成

高速铁路噪声是由各种类型的噪声组合而成。按噪声产生的部位分类识别，可分为车辆下部噪声(主要为轮轨噪声)、车辆上部空气动力噪声、集电系统噪声和桥梁结构噪声［5］(图1)。

图1 高速铁路噪声来源示意Fig.1 Noise source of high-speed railway

日本是高速铁路发展较早的国家之一，对新干线铁路噪声的研究也比较深入。研究［6］表明，当高速铁路走行速度超过300 km/h时，空气动力噪声、车辆下部轮轨噪声、集电系统噪声贡献是主要的，且贡献量趋于一致。而桥梁结构噪声的贡献则始终处于相对较低的水平(表1)。

表1 日本新干线噪声源强的最大声级(Lmax)Table 1 Noise level for SHINKANSHEN of Japan

1.2 高速铁路噪声辐射水平历史变迁

表2为不同时期高速铁路辐射噪声的Lmax情况。由于各国列车与线路技术条件、测点的选取等因素不一致，无法互相比较。但是，由表2可知，随着高速铁路车辆及线路技术的进步，各国铁路噪声辐射水平总体上都在降低。我国高速铁路虽然起步较晚，但在噪声控制方面表现不亚于其他国家。

表2 不同时期高速铁路辐射噪声的LmaxTable 2 Noise level of high-speed railway for different periods

1.3 高速铁路频谱特性

通过频谱分析可了解噪声的成分和性质，从而有效控制它。图2为典型的高速铁路噪声频谱［7］。从图2可知，列车高速运行噪声在低频段(31.5～63 Hz)能量较为集中，而在中高频段则呈较为明显的宽频特征，能量主要分布在500～4000 Hz。考虑到人耳的低频过滤特性，对人类构成主要影响的列车噪声成分主要集中在500～4000 Hz。

图2 高速铁路噪声频谱特性Fig.2 Frequency spectra of high-speed railway noise

1.4 高速铁路声屏障对声波的影响

当铁路轨道外侧设置了声屏障以后，声波可通过以下几种途径进行传播［8-10］。

(1)越过声屏障顶部和端部，通过绕射(衍射)到达受声点。绕射不会改变噪声的能量，但却能改变声波的传播方向，使到达特定受声点的声能量降低。通过绕射方法使特定受声点接收到的声能降低的程度，用绕射损失来表示。绕射损失主要受声屏障的高度和长度、声屏障设置的位置、声屏障的形状等因素影响。设计高速铁路声屏障时，高度、长度、形状是重要参数，而声屏障位置选择余地则不大。

(2)声屏障的透射。一般而言，声屏障材料质量越大、尺寸越厚，透过声屏障的声能就越小，透射损失就越大，隔声性能就越好［11-12］。所以像砖墙、水泥墙或厚钢板、铅板等面密度大的材料，隔声效果比较好。因此，在设计声屏障时，首先要保证声屏障具有足够的面密度和厚度。大部分材料对高频效应明显，但有些材料，厚度增大，低频的隔声效果并不明显，甚至可能产生所谓的吻合效应，出现隔声吻合谷。如果吻合谷出现在声源的主要频率范围，将使声屏障的隔声性能大大降低，应予以避免。在设计高速铁路声屏障时，应综合考虑声屏障隔声单元板的厚度、面密度、弹性模量、阻尼等参数的合理匹配，避免隔声单元的弯曲波共振频率与高速铁路噪声的主频范围重叠，设计出在相同插入损失情况下材料最省，造价最低的声屏障。

(3)声屏障及车体的反射，最终通过声屏障顶部和端部的衍射到达受声点。由于列车高度为4.0 m左右，其侧面与声屏障之间构成了一个声波互相反射的结构。因此，与公路不同，铁路即使是单侧声屏障，从声学效果来说，却是双侧声屏障。由于列车表面属于刚性面，因此对单侧声屏障的吸声处理显得极为重要。

2 基于Schall03规范的铁路噪声预测模式

Cadna/A软件是获得广泛应用的环境噪声预测软件。利用该软件，可以模拟工业噪声、交通噪声、铁路噪声、机场噪声，从而对声屏障进行优化设计。该软件在2001年获得原国家环境保护总局的认证，作为声环境影响评价推荐的工具软件。目前，该软件已在工业、公路、城市轨道交通环境影响评价及其降噪工程设计中得到了应用并积累了一些经验［13-16］，但在铁路环境影响评价与降噪设计中却鲜有应用。笔者利用基于德国Schall03规范的Cadna/A软件对铁路(含轨道交通、磁浮交通)噪声进行了计算［17］。

2.1 铁路辐射噪声级

根据Schall03规范，铁路辐射噪声级Lm，E是指铁路无限长，在自由声场条件下，水平距离铁路轴线25 m，高于轨面3.5 m处的平均声压级，dB。铁路噪声预测概略如图3所示。

图3 Schall03铁路噪声预测概略Fig.3 Schematic of railway noise by Schall03

计算辐射噪声级Lm，E:

式中，i为通过的列车总数;DFz为列车类型修正值;DD为刹车类型修正值;Dl为火车长度的修正值;Dv为速度修正值;DFb为铁轨类型的修正值;DBr为桥梁修正值;DBc为交叉道口的修正值;DRa为铁路弯道进行修正值。上述修正值的单位均为dB。详见文献［17］。

2.2 计算预测点的声压级

根据Schall03规范，将铁路划分为若干小段(k)，各小段的长度为 0.01Sk～0.5Sk。其中，Sk为预测点O与k小段中点之间的距离，m;S⊥，j为预测点O到线声源的距离，m;S0为S⊥，j的水平投影，m(图4)。

图4 预测点噪声计算示意Fig.4 Schematic of noise calculating for receive point

Lr，k为各小段对预测点O的影响值，dB。其公式为:

式中，Lm，E，k为 k 小段铁路辐射噪声级，dB;lk为每小段的长度，m;Dl，k为方向性引起的声压级修正值，dB;Ds，k为几何发射衰减值，dB;DL，k为空气吸收引起的衰减值，dB;DBM，k为地面吸收和气候影响引起的修正值，dB;DKorr，k为传播路径的影响值，dB(2.3节);S为当铁路噪声对预测点的影响，相对小于其他噪声源时进行的修正值，dB。

对每小段辐射噪声级进行能量叠加，最终得到预测点噪声级 Lr，tot为:

2.3 传播路径的影响

传播途径的影响指的是障碍物影响，可以模拟成薄屏障和厚屏障的影响。Cadna/A软件依据惠更斯-菲涅尔原理对声屏障的插入损失进行计算。按照虚声源假定，采用镜向法计算声屏障的反射。如果声源位于平行反射面之间或封闭空间内，则可按多次反射进行计算。

2.3.1 插入损失

插入损失的计算公式:

式中，DBM，k为地面吸收和气候影响引起的修正值，dB;Kw，k为气候影响修正值，dB;zk为声程差值，m。

对于薄屏障(如声屏障、宽路堤、路堑等，图5)，声程差值由式(5)确定。对于厚屏障(如山梁、房屋等，图6)，声程差值由式(6)确定。

式中，aQ，k为声源到屏障上沿的距离，m;aA，k为预测点到屏障上沿的距离，m;Sk为声源到预测点的距离，m。

2.3.2 反射计算

按照镜向法计算反射。如果铁路轨道位于平行反射墙或封闭建筑物之间，按照镜向法进行一次反射计算，多次反射按下式进行计算:

式中，h为建筑物平均高度，m;w为平行反射墙或封闭建筑物间的距离，m。

3 高速铁路噪声模拟

3.1 声源模型化的基本假定

3.1.1 关于声源性质的假定

44号文及Schall03规范均未细分桥梁结构噪声、车辆下部噪声、空气动力噪声、集点系统噪声。其中，Schall03规范将车辆下部噪声、空气动力噪声、集点系统噪声看做一个整体线声源，而将桥梁噪声作为一个声源修正项来考虑。44号文则分别给出桥梁、路堤线路条件下的线声源的声源强，相当于考虑了桥梁的修正。

Cadna/A遵循Schall03规范将铁路声源看做线声源的同时，允许用户对车辆下部噪声、空气动力噪声、集点系统噪声分别进行定义。由此，可以将声源模型按以下3种方式定义。

(1)单一线源模型:不细分车辆下部噪声、空气动力噪声、集电系统噪声，将铁路噪声看做一个有限长线声源。这是44号文的定义，也是Cadna/A的默认定义。

(2)线线点源组合模型:车辆下部噪声定义为有限长线声源，空气动力噪声定义为有限长线声源，集电系统噪声定义为点声源。

(3)线面点源组合模型:车辆下部噪声定义为有限长线声源，空气动力噪声定义为有限长面声源，集电系统噪声定义为点声源。

3.1.2 关于声源等效高度的假定

44号文及Schall03规范均未对声源高度作出规定。根据3.1.1节的声源性质假定，可对上述3个模型的声源等效高度做如下设置。

(1)单一线源模型:在普速铁路，由于主要是车辆下部轮轨噪声的贡献，通常将线声源高度设在车轮中心位置，即高于轨面约0.5 m处。这对于高速铁路已经不适合，建议设在轨面以上1.0～3.5 m。

(2)线线点源组合模型:车辆下部噪声设在轨面以上约0.5 m处;空气动力噪声为轨面至车体顶部，即高于轨面约4.0 m的范围;集电系统噪声高度为受电弓与接触网交接的位置，即高于轨面约4.5 m。

(3)线面点源组合模型:车辆下部噪声设在轨面以上约0.5 m处;空气动力噪声高于轨面约2.0～3.5 m;集电系统噪声高于轨面约4.5 m。

3.1.3 典型模型

典型的上下行线铁路的Cadna/A噪声预测模型3D图如图7所示，声源分别按单一线源模型、线线点源组合模型、线面点源组合模型的性质与等效高度进行设置。桥面、防护墙起隔声的作用。模型中，桥梁高12 m，宽12 m，梁体中心线左右2.5 m为轨道中心线。防护墙距近轨中心线2.05 m，高于桥面1.0 m。沿线地形平坦，无地物。

Cadna/A模型中未提供中国列车模型，但是，我国的CRH3型动车组是脱胎于德国ICE城际列车，因此选取模型中提供德国ICE列车并做车型修正是一个可选方案。

3.2 预测结果验证与修正

3.2.1 参考位置声级修正

德国ICE列车目前的单列车通过噪声水平约为90 dB(A)。科隆至法兰克福城际高速铁路是德国于2002年建成使用的高速铁路，采用ICE3(CRH3的原型)动车组。模型中列车选用ICE，8节编组;单轨运行，行驶速度为300 km/h。利用Cadna/A单一线源模型进行预测，获得距铁路近轨中心线25 m，高于轨面3.5 m处的噪声时间历程曲线如图8所示(见修正前ICE噪声时间历程曲线)。根据高速铁路声源组成特点，在采用单一线源模型时，设定线声源等效高度为高于轨面3.5 m。获得列车通过近侧轨道时的Lmax为95.5 dB(A)。可见，这个结果与20世纪80年代德国ICE的93 dB(A)的噪声水平较接近，但与目前的90 dB(A)噪声水平相去较远。ICE系列高速列车主要有ICE1，ICE2，ICE3等，模型中并未分别给出，因为Cadna/A模型的优点之一就是可以根据列车类型对各种类型的列车进行噪声修正。修正后获得符合 ICE现状声级、我国CRH3现状声级的时间历程曲线(图8)。同理，采用线线点源组合模型、线面点源组合模型时，均可以通过列车类型修正，以获得符合44号文的参考位置噪声源强值。

图7 上下行线铁路的Cadna/A噪声预测模型3D图Fig.7 Three-dimensions of Cadna/A noise model for double rails

3.2.2 等效声级的验证与比较分析

图8 修正前后模型预测噪声时间历程曲线Fig.8 Time history of noise before and after corrections

设定上、下行列车昼间共192对，线声源高度按3种情况设置，分别为高于轨面1.5，2.5和3.5 m，其他条件相同。按44号文提供的预测模式和Cadna/A软件的方法进行计算。由于44号文的源强值是代表实测结果的，因此在利用Cadna/A计算时，通过调整模型参数，使声源强参考位置(高于轨面3.5 m，距离近轨水平距离25 m，下同。)的昼、夜等效声级与基于44号文源强参考位置的昼、夜等效声级值相等，以便使Cadna/A模型在参考位置的昼、夜等效声级与基于44号文相应位置的昼、夜等效声级值相等。其中，对于Cadna/A单一线源模型，通过调节线源中的参数达成;对于Cadna/A线线点源组合模型以及Cadna/A线面点源组合模型，则依据车辆下部噪声、空气动力噪声、集电系统噪声在参考位置的贡献量相当的特点，通过调整模型中车辆下部噪声、空气动力噪声、集电系统噪声各自的参数达成。在研究中，根据44号文，获得参考位置的昼间等效声级为68 dB(A)。因此，将Cadna/A模型在参考位置的等效声级也调整为68 dB(A)。

Cadna/A线面点源组合模型是最为接近声源本身特点的模型，计算结果最为可靠，因此在讨论其他模型计算结果是否可靠时，可以用Cadna/A线面点源组合模型的结果为参照。计算获得高于轨面1.5 m及高于地面1.5 m，距近轨中心线不同距离处的昼间等效连续A声级见表3。由表3可知:1)44号文模型，Cadna/A单一线源模型，Cadna/A线线点源组合模型与Cadna/A线面点源组合模型计算结果比较一致;2)对于44号文模型，Cadna/A单一线源模型，Cadna/A线线点源组合模型中线声源的等效高度对距近轨中心线30～200 m范围的噪声计算结果没有显著影响。

表3 距近轨中心线不同距离处的昼间等效连续A声级Table 3 Equivalent continuous A-weighted sound pressure level with variation of distance from rail

选取Cadna/A单一线源模型，Cadna/A线线点源组合模型，Cadna/A线面点源组合模型，计算相应的垂向等值线图，如图9所示。由图9可知，在距近轨中心线200 m范围内，线面点源组合模型声波衰减相对较小，但无明显差别。可见，Cadna/A单一线源模型，Cadna/A线线点源组合模型，Cadna/A线面点源组合模型均适用于高速铁路声环境影响预测。

图9 Cadna/A模型垂向噪声等值线Fig.9 Vertical-grid noise map by Cadna/A models

3.2.3 声屏障插入损失的比较分析

由于列车高度达4.0 m左右，其侧面与声屏障之间构成了声波互相反射的结构。根据铁路声屏障的这一特点，在计算声屏障插入损失的时候，车体应按反射式声屏障来处理。Cadna/A模型中，可考虑在对侧加上一个高于轨面约4.0 m的反射式声屏障。基于这一思路，建立高速铁路声屏障模型，如图10所示。

图10 含声屏障的线面点源模型3D图Fig.10 Three-dimensions of Cadna/A model of line-area-point noise source

对高速铁路声屏障降噪效果的监测表明:3 m高的声屏障在距离近轨中心线30 m，在高于地面1.5 m至高于轨面1.5 m范围内的插入损失为3～9 dB(A)［18］。在上行侧设置声屏障，分别按44号文提供的预测模式和Cadna/A软件的方法进行计算，获得声屏障中间断面高于轨面1.5 m及高于地面1.5 m，距近轨中心线不同距离处的昼间等效连续A声级插入损失(表4)。由表4可见:1)利用44号文计算插入损失时，计算结果与实测结果偏离较大;2)单一线源模型与等效高度小于2.5 m时，插入损失计算结果与实测结果偏离较大;3)Cadna/A线面点源组合模型、线线点源组合模型以及等效高度大于2.5 m的Cadna/A等效线源模型的插入损失计算结果与实测结果比较接近。

表4 声屏障插入损失Table 4 Insertion loss of sound barrier

4 结论与展望

(1)只需对Cadna/A软件模型参数做适当验证性修正，该软件即可适用于我国高速铁路噪声的环境影响预测。

(2)基于Cadna/A软件的铁路声屏障模型可以用于指导声屏障优化设计工作。

今后，将对声源类别的假定及其等效高度给予更深入的分析与修正，并在声屏障参数对降噪效果的影响方面做进一步工作，使高速铁路噪声及声屏障降噪效果预测的结果更趋合理。在此基础上积累经验，不断改进模型参数，使Cadna/A软件发挥其强大的计算和地形地物处理能力，同时满足我国高速铁路工程环境影响评价与高速铁路声屏障设计的要求。

［1］铁道部.铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见:铁计〔2006〕44号［S］.北京:铁道部，2006.

［2］铁道部.铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见(2010年修订稿):铁计〔2010〕44号［S］.北京:铁道部，2010.

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