高速铁路钢轨预打磨对噪声影响研究

李志强，刘兰华，李耀增，李晏良

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

0 引言

截至2020年底，我国高速铁路运营里程已达3.8万km[1]，最高运营速度达到350 km/h。随着高速铁路的迅猛发展，随之而来的噪声问题也更为突出，是环境主管部门、铁路运营单位及沿线民众最为关注的环境问题之一。为确保我国新建高速铁路噪声符合相关环境噪声法律法规及标准要求，提高环保验收通过率，降低运营后因噪声超标而需额外增加噪声整治投资的风险，在联调联试期间即开展噪声测试，并对噪声较高线路开展针对性降噪整治，具有重要的社会和经济效益。

钢轨打磨是提高钢轨平顺度、整治钢轨表面缺陷和损伤、优化钢轨廓形与车轮匹配度的关键技术[2]，主要用于降低列车高速运行时的振动和冲击力问题，通过消除钢轨表面不良痕迹防止缺陷进一步发展和恶化。当前我国高速铁路钢轨打磨尚未考虑降噪有关的技术设计，但随着联调联试噪声试验数据的积累，越来越多的测试结果表明新建线路的钢轨预打磨对降低车外噪声有一定帮助，目前钢轨短波不平顺度测试已成为联调联试中噪声测试的重要辅助测试内容[3-4]，通过噪声测试期间同步测试相应区段的钢轨短波不平顺度（声学粗糙度），可为分析噪声特性、提出钢轨打磨建议提供数据支撑。

以我国某高速铁路联调联试期间钢轨预打磨前后的钢轨短波不平顺度波谱特性及噪声变化时频特性为研究对象，分析钢轨预打磨对车外噪声的影响规律，并针对钢轨打磨痕迹带来的声学问题提出相应完善建议。

1 联调联试噪声试验参考标准

在高速铁路动态检测中，由于线路尚未实际运营，无法直接测得沿线铁路噪声排放量，因此主要依据试验动车组辐射噪声源强及车流量按照标准规定的方法开展噪声预测，预测结果是联调联试期间判断新建铁路噪声排放是否超标及是否需要开展噪声整治的主要依据。HJ 2.4—2009《环境影响评价技术导则 声环境》指出噪声源强取值可参照国家相关部门的规定确定或通过类比监测确定。为统一铁路建设项目的噪声源强取值和治理原则，2010年原铁道部发布了《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》（铁计〔2010〕44号），给出环境影响评价中不同速度级高速铁路噪声源强，并明确我国动车组噪声源强参考测点位于距列车运行线路中心25 m、轨面以上3.5 m处。该测点位置与欧盟国家采用的ISO 3095—2013《Acoustics-Railway Applications-Measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles》及我国GB/T 5111—2011《声学轨道机车车辆发射噪声测量》中的规定一致。

《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》给出的噪声源强取值是在2010年前联调联试测试数据统计平均及与国外高速铁路噪声源强对比的基础上确定的，适用于铁路项目建设前的环境噪声预测，但随着动车组及高铁基础设施技术的提升，原有不同速度等级高速铁路噪声源强的代表性减弱，相同速度等级、不同施工工艺的噪声也有一定差异，采用联调联试实测噪声源强的环境噪声预测结果更能准确反映线路开通初期的实际噪声影响水平。钢轨状态是影响噪声测试结果的重要因素，ISO 3095—2013规定了噪声测试中钢轨的不平顺度（声学粗糙度）限值，认为测试区段的钢轨不平顺度不宜超过相关限值要求。受钢轨加工工艺、安装及自然环境等各种因素影响，新建高速铁路钢轨往往存在初始不平顺现象[5-7]，对高速铁路轮轨滚动噪声产生不可预估的影响，因此有必要在联调联试噪声测试中同步开展钢轨不平顺度测试，用于分析钢轨状态对车外噪声的影响水平，并判断从钢轨不平顺度角度开展噪声整治的必要性。

2 与噪声相关的钢轨不平顺波长范围

某时速300 km高速铁路噪声源强无计权[8]及采用A计权后的频谱特性见图1。在无计权时，高速铁路噪声源强呈宽频带特性，其中200 Hz以下频带以空气动力噪声为主，200 Hz以上频段以轮轨作用噪声为主。在大于5 000 Hz的高频段噪声衰减较快，小于200 Hz的低频段采用A计权修正后噪声显著减小，高频和低频噪声对A计权声压级的贡献均较小，因此100～8 000 Hz的噪声频率分析范围可涵盖轮轨作用噪声的主要频率成分。

图1 某时速300 km高速铁路噪声源强频谱特性

当动车组运行速度为v时，由于钢轨不平顺引起的噪声频率f与钢轨不平顺波长λ的关系为：

当动车组运行速度为300 km/h时，噪声频率为100～8 000 Hz时对应的钢轨不平顺波长为10～830 mm，因此引起轮轨噪声的钢轨不平顺主要为短波不平顺。

3 试验研究

在我国某新建高速铁路联调联试前期，尚未对钢轨进行预打磨处理，试验动车组速度低于300 km/h时，检测轨道无Ⅲ、Ⅳ级偏差，动车组动力学响应无超限现象。随着试验动车组速度逐渐提高至300 km/h，典型桥梁、路基区段噪声源强试验结果显著增大，根据该高速铁路设计近期车流量预测，部分区段可能存在噪声排放超标现象。为分析噪声源强增大的原因并研究降噪技术方案，测试了噪声测点左右两侧各60 m范围内的钢轨短波不平顺度，发现钢轨不平顺度较高，据此向工务部门提出钢轨打磨建议，并对钢轨打磨后噪声影响进行复测。

3.1 钢轨预打磨后短波不平顺变化

某高速铁路桥梁噪声测点附近预打磨前钢轨短波不平顺测试结果见图2，可以看出，钢轨表面起伏最大峰值约为±30 μm，对该段数据进行周期为20 mm的移动平均得到的趋势线显示，该段钢轨短波不平顺没有显著的周期性特征，属于无规则短波不平顺。为获得不同波长的钢轨短波不平顺度大小，对钢轨预打磨前短波不平顺测试数据进行空间傅里叶变换，得到短波不平顺波谱特征（见图3），对比ISO 3095—2013中的钢轨不平顺度限值，测试区段内钢轨不平顺度较高，是噪声较大的主要原因之一。

图2 预打磨前钢轨短波不平顺测试结果

图3 预打磨前钢轨短波不平顺波谱特征

预打磨后的钢轨短波不平顺测试结果见图4，可以看出，钢轨表面起伏峰值不超过20 μm，以10 μm左右为主，打磨后钢轨表面不平顺度有明显改善。此外，预打磨后钢轨不平顺度的移动平均趋势线呈明显周期性起伏变化特征，波长约为80 mm。对预打磨后短波不平顺测试数据做空间傅里叶变换，得到短波不平顺波谱特征（见图5）。根据不同波段的对比结果，钢轨预打磨后，大部分波长的钢轨短波不平顺度大幅降低，特别是在波长大于100 mm的波段，钢轨不平顺度降低5 dB以上；但在波长为80 mm波段钢轨不平顺度却明显增大，并超过了打磨前的不平顺度4 dB；在波长小于50 mm的波段，预打磨后钢轨不平顺度虽有下降，但仍高于ISO 3095—2013限值。

图4 预打磨后的钢轨短波不平顺测试结果

图5 预打磨前后钢轨短波不平顺波谱特征对比

钢轨预打磨后80 mm波段的不平顺度显著增大，与图4中移动平均趋势线的周期性起伏变化规律吻合。对现场钢轨打磨痕迹（见图6）进行观察发现，光带内可见沿钢轨长度方向约80 mm的周期性打磨痕迹（图中画圈处为磨痕较深的标志性位置，间距80 mm），证实了波长为80 mm的钢轨短波不平顺度增大是由周期性打磨痕迹造成。此外，刚打磨完后的砂粒打磨痕迹还清晰可见，钢轨踏面光带尚未形成光滑面，因此小波长范围内的不平顺度仍较高。

图6 钢轨预打磨后照片

3.2 钢轨预打磨后噪声变化

在距离外侧轨道中心线25 m、高度在轨面以上3.5 m位置布设传声器，记录试验动车组高速通过时的噪声时间特性。动车组分别在钢轨预打磨前后以300 km/h速度通过测点时的噪声时域曲线对比见图7，可以看出，预打磨后试验动车组通过时段噪声减小，辐射噪声源强降低约1.4 dB（A）。

图7 钢轨预打磨前后噪声时域曲线对比

钢轨预打磨前后噪声源强的1/3倍频程谱对比结果（见图8）表明，钢轨预打磨后，在100 Hz～10 kHz的大部分频段内噪声均明显降低，但在频率1 000 Hz处噪声增大。利用式（1）计算得到短波不平顺度波长为80 mm时相应的噪声频率为1 041 Hz，恰好位于中心频率为1 000 Hz的1/3倍频带内，因此该频段噪声升高与钢轨预打磨后产生的80 mm周期性痕迹直接相关。

图8 钢轨预打磨前后噪声源强的1/3倍频程谱对比

假定该高速铁路联调联试期间钢轨预打磨未造成波长80 mm的短波不平顺度增大，打磨后噪声在中心频率1 000 Hz处与打磨前一致，利用图8中1/3倍频程谱数据计算得到打磨后噪声源强可进一步降低0.2 dB（A），钢轨预打磨的综合降噪效果能达到1.6 dB（A）。钢轨预打磨产生的周期性打磨痕迹会削弱钢轨预打磨降噪效果，因此有必要探究钢轨打磨产生周期性痕迹的原因并研究相应的钢轨打磨优化方案。此外，既有钢轨打磨技术无抛光功能，对小波长不平顺度的治理效果不理想，对应高频段噪声降低不显著。

4 结论

钢轨预打磨的降噪效果与钢轨初始状态、打磨质量、列车速度等均有一定关系，高速铁路联调联试期间钢轨预打磨前后的短波不平顺度及噪声测试结果表明，钢轨预打磨后试验动车组以300 km/h速度运行时噪声源强可降低1.4 dB（A）；钢轨不平顺度降低的波段对应频率处噪声均减小；钢轨预打磨对小波长不平顺度的治理效果较差，相应对高频段的降噪效果也不明显；钢轨预打磨在改善钢轨初始短波不平顺的同时，也会产生周期性打磨痕迹，加重部分波长的不平顺度，导致对应频段内噪声增大。

为使钢轨预打磨取得更好的降噪效果，需研究提升小波长打磨效果的方法，分析周期性打磨痕迹的产生原因，进行相应钢轨打磨技术的声学优化。通过钢轨预打磨降低辐射噪声是联调联试期间最有效的降噪整治措施之一，考虑高速铁路轮轨噪声特性的钢轨预打磨技术对新建高速铁路噪声控制具有重要意义，也可作为运营期内的关键噪声控制措施，具有较高的应用价值。