城市轨道交通声环境影响计算公式的修正＊

2012-07-05刘林芽

城市轨道交通研究 2012年2期

龚凯刘林芽

（华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，330013，南昌／／第一作者，硕士研究生）

近年来，随着我国社会经济的迅猛发展，轨道交通作为一种重要的城市交通工具也得到了快速的发展。但是，轨道交通尤其是高架形式的轨道交通噪声带来的城市环境问题也日益严重，影响着轨道交通沿线两侧居民的正常工作和生活。因此，为避免工程项目建成后由噪声问题带来经济损失，进行噪声预测以及采取有效的降噪措施是十分必要的。通过对我国现阶段轨道交通噪声预测模式进行研究，发现我国的模式仍然存在着不足。本文将从参考点噪声辐射源强，声屏障衰减模型和声屏障等效频率计算等三个方面对我国现阶段的噪声预测模式进行修正，以期能使我国的轨道交通噪声预测模式更加完善，计算更加简便、精确。

1 城市轨道交通声环境影响预测计算公式简介

随着我国轨道交通的快速发展，以轨道噪声为主的环境问题日益严重，已经引起了人们的广泛关注。国内学者开始进行相关课题的研究，获得了一些研究成果，并逐步指导着工程的设计和实施。目前，我国采用的轨道交通噪声预测模式是2008年12月发布的“环境影响评价技术导则－城市轨道交通”（Technical guidelines for Enviroment Impact Assessment of Urban Rail Transit）中提出的[1]，该模式将列车运行时产生噪声源视为不相干的有限长偶极子线声源，并认为轮轨噪声为列车运行时的主要噪声源。同时该模式既可以采用A计权声压级表示列车通过预测点的等效声级，也可以采用频带声压级表示，单一类型的列车通过预测点的等效声级如式（1）所示：

式中：

Lp0，i——列车最大垂向指向性方向上的噪声辐射源强，列车通过时段的参考点等效声级，dB；

m——列车通过的列数（一般取5～10列），列；

C——噪声修正项，C＝Cv＋Ct＋Cθ＋Cd＋Ca＋Cg＋Cb；

Cv——速度修正；

Ct——线路和轨道结构的修正；

Cd——几何发散衰减；

Ca——空气吸收衰减；

Cg——地面效应引起的衰减；

Cb——屏障插入损失；

Cθ——垂向指向性修正。

经研究表明，该方法可分为两部分的计算：前一部分为列车通过时段的参考点等效声级计算；后一部分为噪声修正项计算。列车最大垂向指向性方向上的噪声辐射源强是计算列车通过时段的参考点等效声级前提条件，但我国现阶段的预测模式中仍然没有制定出一套较完善的参考点噪声辐射源强标准，这将给噪声预测工作带来许多的不便，常常只能通过参照类似工况下已测出参考点噪声辐射源强进行预测计算。而在噪声修正计算中，声屏障插入损失计算仍然存在着不足，如采用频谱计算法进行噪声预测计算，声屏障的插入损失计算量比较大，同时我国模式将声屏障模型假设为无限长声屏障，将列车运行时的线声源假设为无线长线声源，这与实际情况是不符合的，预测结果会有误差。

2 参考点噪声源强修正

由我国预测模式原理表明，在对受声点声能量预测的整个过程中，确定声源处的噪声辐射源强是预测工作的前提条件，现有模式在对线路两侧声环境进行预测时，一般采用的是噪声辐射源强即距轨道中心线一定距离的参考点处的声能量值。但我国现阶段仍然没有制定出一套可行的参考点噪声辐射源强标准，大多数是通过参考部分实地监测而得到源强值，国际上的一些发达国家通过对大量的实测数据进行总结，已经制定出了一些可行的参考点噪声辐射源强标准，如：美国轨道交通噪声预测模式中15m处的参考暴露声级[2]（见表1）。

表1 距轨道中心线15m处参考暴露声级

由于参考点辐射源强受多种因素的影响，如：车辆的类型、车辆转向架的类型、线路条件及运行时速等，不同条件下所得的噪声辐射源强是不同的，需要假定一个比较合理的条件。本文认为线路、气象和环境条件须具备以下几点：①高路堤、焊接长钢轨、混凝土轨枕、碎石渣道床、线路平直和轨面良好等；②天气晴朗、气温适宜、风速小于5m／s且测点周围1km内无高大建筑物和树木等。同时参考点的位置选取也是影响噪声辐射源强的重要因素之一。经过实地监测并参考相关资料表明，当参考点距声源很近时，参考值将受到列车运行气流的影响；当参考点距声源较远时，声波的衰减逾量对参考点处噪声辐射源强影响较大且易产生误差。因此，本文认为参考点位置宜选择在距外侧轨道15m处且与轨面位置同高。通过对数据进行整理、统计和计算后，得到列车时速客货均为V＝70km／h且参考点距轨道外侧15m处各频带的噪声辐射源强，并认为在噪声预测中可以使用如表2所示数据。

表2 距轨道外侧15m处噪声辐射源强Lp0／dB

3 声屏障衰减模型修正

近年来，随着轨道交通大量的贯穿城市，其产生的噪声严重影响着线路两侧居民的正常工作和生活，若使线路两侧居民远离轨道线路，将必定导致大量的土地浪费和带来巨大的经济损失。因此，在轨道交通的一侧或两侧设置声屏障成为了现阶段最为有效的降噪措施之一。

声屏障的设计受到多种因素的影响，其中声屏障的插入损失是声屏障设计的核心参数之一。经研究表明，在我国现阶段的轨道交通预测模式中，其声屏障插入损失的计算是以假定声屏障和声源均为无限长条件下推导出来的计算式，其声波传播路径和插入损失计算式如图1、式（2）、（3）所示。

图1 声波传播路径

式中：

fi——声波频谱中第i个中心频率值，Hz；

c——声波在空气中的传播速度，m／s；

δ——A＋B－C为声程差，m。

由实地调查表明，声屏障的长度是有限长的。声屏障一般设置在敏感建筑物的区域，若采用我国现阶段预测模式中声屏障插入损失计算方法进行计算，将降低预测结果的可靠度，同时也加大了声屏障的设置数量，带来不必要的经济损失。因此，当线声源为无限长且声屏障为有限长时，可根据图2进行修正，如图2所示[3]。

图2 无线长线声源和有限长声屏障修正图

研究表明，当列车通过或接近敏感点时，其产生线声源对敏感建筑是有影响的；当列车远离敏感点之后，敏感点附近的线声源是不存在的。因此，列车运行时产生的线声源是有限长的。假定声源和声屏障均为有限长，通过对声屏障插入损失计算模型及大量实地监测结果进行研究，我国预测模式中声屏障插入损失计算公式可进行如式（4）所示修正。

t＝20 N0／3；

N0＝2δ0／λ；

λ——声波波长；

δ0——受声点到声源距离最近时的声程差；

θ1——受声点到声屏障的垂直方向与到声屏障左侧边缘方向的夹角；

θ2——受声点到声屏障的垂直方向与到声屏障右侧边缘方向的夹角；

ΔLP——无限长线声源且有限长声屏障绕射声衰减量（计算方法如图2所示）。

4 声屏障计算频率修正

由声屏障插入计算公式表明，当计算声屏障插入损失时，常常需要将频程范围内（倍频程或1／3倍频程）的每一个中心频率代入计算式，计算对应中心频率下的声屏障衰减量，且还需对其进行叠加计算，才能计算出总的衰减量，这将大大增加声屏障插入损失的计算量，使得整个计算过程相当复杂而且易产生累积误差，降低预测精度。因此，为使预测计算更加简便、精确，可采用一个等效频率值代替整个频程中各中心频率进行声屏障插入损失计算。

等效频率是指铁路列车运行噪声中能量最集中的频率成分，它能够表征噪声源的特性。在声屏障插入损失计算中，采用等效频率进行计算，将大大简化插入损失的计算量。根据国内外相关文献资料表明，我国在等效频率这一领域的研究较少，并且在我国现阶段的预测模式中还没有制定出一套可行等效频率标准。本文主要以等效频率的计算原理为基础，针对不同机车情况下客车等效频率进行了测试计算，提出了不同机车类型下的客车等效频率[4]，如表3所示。

表3 各机车类型下的客车等效频率

5 实例分析

为验证上述修正的可行性，通过对秦沈客运专线上提速列车（时速为120km／h～180km／h）运行的倍频程噪声频谱进行采集[5]，以该数据为基础，预测声屏障在不同高度下、不同空间位置处，声屏障阻碍声能量衰减的程度，此处将声屏障高度划分为3 m、4m和5m，其距噪声源的位置为4m和5m。设置两处受声点，受声点R1距噪声源30m、相对噪声源高8m，受声点R2距噪声源30m、相对噪声源高17m。经计算可以得到各个工况下声屏障衰减量，其采集数据和计算结果分别如表4、表5所示。

表4 提速列车运行噪声频谱

由表5可知，以1 000Hz为等效频率代入公式进行声屏障衰减计算，并针对不同时速下、采用倍频程范围内各中心频率代入公式计算总声屏障衰减量，同时将两衰减值相减，其差值的绝对值基本控制在1dB以内，仅有列车时速为145km／h时的计算值偏差较大，但控制在1.5dB以内，偏差是允许的。因此，通过以实测数据为基础，将等效频率和各中心频率代入公式计算，其差值的绝对值是可信的，由此可以得出其修正是可信的。