高速动车噪声隔音屏声波反射的研究

赵嘉琛

摘 要：高速铁路给人们带来便捷、快速通行的同时，也会对铁路沿线居民及列车本体带来影响，通过查阅资料，调查噪声的来源，研究隔音屏声波反射，致力于将噪声反射回来影响到列车本体的声波能量降到比较低的水平，并提出相关模型的建设建议。

关键词：高速铁路；噪声；隔音屏；反射

中图分类号：U238 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0047-04

0 引言

利用隔音屏屏蔽高速铁路噪声的原理在于，在噪声的传播过程中阻断噪声的传播，现如今在保证客运专线的运营速度的基础上，运用隔音屏，控制噪声，使其既做到不影响沿线居民生活，又做到不影响列车运行，便成了目前有待解决的问题之一。

1 高铁噪声的来源及其原理（表1）[1]

1.1 轮轨间噪声

其为噪声的主要来源，运行时不可避免地产生冲击声，高速铁路虽然采用的是无缝钢轨，但经过不同车辆的碾轧和外部环境的作用后，虽罕有断裂的情況出现，但其形态上会发生一定的改变，这样的改变形成了五种不平顺接触，如图1所示。在这五种冲击情况中，高跨是最为不利的，不同于其它四种情况，其速度越高，产生的冲击声就越大，可见应尽力避免此类情况。

1.2 集电系统的高速接触摩擦

日本的研究表明，集电系统的噪声仅次于轮轨噪声，其主要在于受电弓和接触网的高频振动发出的噪声，其中，滑动声是随着滑板导线间的滑动因弓网的高频波振动而产生的：电弧噪声是列车在高速运行时受电弓和容易发生脱离而产生的；而受电弓的气动噪声是由于受电弓突出在车顶上，几乎受到与列车速度相同的风速作用而产生摩擦从而引发的。

1.3 空气动力性噪声（气动噪声）

由气流直接产生的振幅和频率杂乱、统计上无规则的声音叫做空气动力性噪声，简称气动噪声。列车高速运行时来自各方向的气流与车体摩擦产生的声音就是一种气动噪声。

1.4 桥梁构筑物噪声

高速铁路在通过城市区域时，由于与河流，公路和铁路的交叉，需要建造多各种结构的桥梁，当高速列车通过这些高架结构时，由于引起桥梁上各种构件的振动而向外辐射噪声，称之为高速铁路桥梁构筑物噪声。

2 隔音屏障的调整

高铁列车运营期间会产生噪音，其中离铁轨外轨中心线30米左右，噪音在62-72分贝；震动干扰，离铁轨外轨中心线30米左右在76-85分贝之间，相关数据见表2、表3[2]。

我们从一方面来分析，如果将此运行区间全部包围起来，那么声波积聚的能量将会直接作用与列车之上，随着列车速度的不断提高，来自车体各部分的大量声波聚集的能量，在某些情况下是会干扰列车运行的。目前的研究多是集中研究噪声对外界的影响及防治工作，还很少涉及到声波反射对列车的影响，由此我考虑到“怎样去调整隔音屏，可以将反射回来影响到列车本体的声波能量降到比较低的水平”，对此我展开了探究。

3 模型对比分析

3.1 建立简化模型

以当下主流车型和谐号CRH380B型电力动车组为例相关参数见表4。

我们基于列车车厢及其至接触网的高度为一个单位长度，同隔音屏、住宅一同建立一个简化模型，比例为1：2：4，对于建筑限界，我们从单轨的角度分析，轨道到隔音屏的距离约为2-4米，我们将隔音屏至住宅楼的距离规定为轨道到隔音屏的距离的2倍，同样建立一个简化模型，比例为1：2，通过对声波反射的绘图、测量、分析、计算等步骤，来探究怎样去调整隔音屏，可以将反射回来影响到列车本体的声波能量降到比较低的水平。

3.2 对比分析过程（分析的基础建立在列车运行时速为300km/h）

至于隔音屏对房屋的影响，我们将以下图1模型中的屏高，看作可以完全屏蔽掉对房屋的噪声，只分析隔音屏声波对车体的影响。第一行线为列车及受电装备的高度，根据上文对噪声来源的分析，可以将第一行线划分为四个点分成的区段，第一个点A——轮轨噪声和桥梁构筑物噪声；第二个点B——空气动力性噪声；第三个点C——车顶；第四个点D——集电系统噪声（受电弓），从不同点出发的噪声声波能量，会发散到各个方向上去，为了确定区间，计算反射回来影响到列车的声波能量占总噪声的比重，所以继续进行分析。现存的隔音屏形状大致有两大种，一类是直面型，另一类是曲面型，曲面型当中又分为内曲型、外曲型两种，通过简化模型可以探究轮轨噪声、空气动力性噪声、集电系统噪声、桥梁构筑物噪声之间的关系。

如图2所示，可见，从A点发出的轮轨噪声和桥梁构筑物噪声，到达D点后反射到B点，B点为列车车体的边缘，以此区间为临界区间，向上反射的声波便不会返回到列车车体之上。反过来看，在此区间以内的所有声波便会返回到车体之上，影响列车的运行，在简化模型中经过测量、计算，可以分析出——对于直面型噪声隔音屏，来自于轮轨摩擦和桥梁构筑物振动的噪声反射到车身的部分约为原隔音屏高度的1/6，约为0-1.3m。

如图3所示，可见在简化模型中，从B点发出的空气动力性噪声，我们将散发至各个方向的声波，统一看成两个主要方向，一部分散发至车顶方向，另一部分散发到地面方向。从B点出发到达E点反射至A点的空气动力性噪声，向E的左侧部分传播的声音便将会到达地面被反射出去或被吸收，因而对E的左侧部分，便不再多作考虑，E点便成为了一个边界，同样从B点出发到达F点反射至C点的空气动力性噪声，向E的右侧部分为向上反射的声波，便不会返回到列车车体之上，因此F点便成为了另一个边界，在简化模型中经过测量、计算，可以分析出——对于直面型噪声隔音屏，EF段来自于列车运行时产生的空气动力性噪声反射到车身的部分约占约为原隔音屏高度的1/6，约为0.66-1.99m。

如图4所示，可见在简化模型中，从D点发出的集电系统噪声，将散发至各个方向的声波，统一看成两个主要方向，一部分散发至车顶方向，另一部分散发到地面方向。从D出发到达F点反射至C点的空气动力性噪声，向F的右侧部分为向上反射的声波，便不会返回到列车车体之上，因此F点便成为了一个边界。同理E点左侧部分传播的声音将会到达地面被反射出去或被吸收，因而对E的左侧部分，便不再多作考虑，E点便成为了另一个边界，同样，在简化模型中经过测量、计算，可以分析出——对于直面型噪声隔音屏，EF段来自于列车运行时产生的集电系统噪声，反射到车身的部分约为原隔音屏高度的1/6，约为1.99-3.32m。

经过上述分析，按比重加权计算过后可得，在直面型隔音屏中，来自于各部分的噪声反射到列车上的当量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=1×（54+7）+1×16+1×23=100（其中L1/L2/L3指的是每段隔音屏的高度）

如图5所示，可见，从A点发出的轮轨噪声和桥梁构筑物噪声，到达E点后反射到C点，C点为列车车体的边缘，以此区间为临界区间，向上反射的声波便不会返回到列车车体之上。反过来看，在此区间以内，既E点左侧部分，所有声波便会返回到车体之上，影响列车的运行，在简化模型中经过测量、计算，可以分析出——对于曲面型噪声隔音屏，来自于轮轨摩擦和桥梁构筑物振动的噪声反射到车身的部分约为原隔音屏高度的2/33，约为0-0.37m。

r=10.5cm C=2πr=65.94cm

C大弧=×2πr=×65.94cm≈6.04cm

C小弧=×C大弧≈0.37cm

噪声反射比率=×100%≈6.1%

（其中a指的是圆心角度数，b指的是大弧对应圆心角的角度，c指的是小弧对应圆心角的度数。）

如图6所示，可见在简化模型中，从B点发出的空气动力性噪声，同样我们将散发至各个方向的声波，统一看成两个主要方向，一部分散发至车顶方向，另一部分散发到地面方向。从B点出发到达E点反射至A点的空气动力性噪声，向E的左侧部分传播的声音便将会到达地面被反射出去或被吸收，因而对E的左侧部分，便不再多作考虑，E点便成为了一个边界。同样从B点出发到达F点反射至C点的空气动力性噪声，向F的右侧部分为向上反射的声波，便不会返回到列车车体之上，因此F点便成为了另一个边界，在简化模型中经过测量、计算，可以分析出——对于曲面型噪声隔音屏，EF段来自于列车运行时产生的空气动力性噪声反射到车身的部分约为原隔音屏高度的7/30，约为0.18-1.46m。

同理可得，噪声反射比率≈23.3%。

如图7所示，可见在简化模型中，从D点发出的集电系统噪声，将散发至各个方向的声波，统一看成两个主要方向，一部分散发至车顶方向，另一部分散发到地面方向。从D出发到达F点反射至C点的空气动力性噪声，向F的右侧部分为向上反射的声波，便不会返回到列车车体之上，因此F点便成为了一个边界。同理E点左侧部分传播的声音将会到达地面被反射出去或被吸收，因而对E的左侧部分，便不再多作考虑，E点便成为了另一个边界，同样，在简化模型中经过测量、计算，可以分析出——对于直面型噪声隔音屏，EF段来自于列车运行时产生的集电系统噪声，反射到车身的部约约为原隔音屏高度的8/31，约为1.1-2.57m。

同理可得，噪声反射比率≈25.9%。

经过上述分析，按比重加权计算过后可得，在内曲型隔音屏中，来自于各部分的噪声反射到列车上的当量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=1.83×（54+7）+1.28×16+1.47×23=165.92（其中L1/L2/L3指的是每段小弧的高度）。

如图8所示，同直面型内曲型原理，对于外曲型噪声隔音屏，来自于轮轨摩擦和桥梁构筑物振动的噪声反射到车身的部分约为原隔音屏高度的10/43，约为0-1.83m。

噪声反射比率≈23.2%。

如图9所示，同直面型内曲型原理，对于外曲型噪声隔音屏，EF段来自于列车运行时产生的空气动力性噪声反射到車身的部分约为原隔音屏高度的5/42，约为1.1-2.02m。

噪声反射比率≈12.0%。

如图10所示，同直面型内曲型原理，对于外曲型噪声隔音屏，EF段来自于列车运行时产生的集电系统噪声，反射到车身的部分约为原隔音屏高度的4/45，约为2.01-2.74m。

噪声反射比率≈8.9%。

经过上述分析，按比重加权计算过后可得，在外曲型隔音屏中，来自于各部分的噪声反射到列车上的当量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=1.83×（54+7）+0.92×16+0.73×23=143.14（其中L1/L2/L3指的是每段小弧的高度）。

4 模型优化调整

说明：对于C4弧面，从C点出发到达E点反射至D点的噪声，向E的上部分为向上反射的声波，便不会返回到列车车体之上，因此E点便成为了一个边界。C4弧面的噪声便不再多作考虑，便做成如图所示的形式，这样及削弱了声波反射，又降低了高度，节省了材料。

经过上述分析，按比重加权计算过后可得，来自于各部分的噪声反射到列车上的当量=L1×（54+7）+L2×16+L3×23=0.18×（54+7）+1.28×16+1.31×23=61.59（其中L1/L2/L3指的是每段小弧的高度）

可见直面型、内曲型、外曲型优劣共存，同理，经过前面模型的分析，我们通过同样的方法，验证了这个组合型模型，如图11所示，其相对于先前的模型设计，对噪声的反射回车体的当量有所削减，可以实行调整。

5 结语

对比分析，得出结论：（1）内曲型隔音屏对噪声反射回到车体的比率比较高；（2）外曲型隔音屏对噪声反射回到车体的比率居第二位；（3）直面型隔音屏对噪声反射回到车体的比率较小；（4）改进后的组合型屏障，与直线型的相比，反射到机车上的当量减少了38%。

参考文献

[1] 王典雍.客运专线噪声分析与综合控制方法的研究[D].北京交通大学，2007.

[2] 王光芦，张新华.降低高速铁路噪声措施的探讨[J].噪声与振动控制，1999（3）：41-43.