基于噪声自动监测技术的高速铁路列车运行辐射噪声研究

何财松，刘兰华，潘永琛，谭 辉

（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

随着我国高速铁路运营里程的不断增加,呈现出运行速度多样化、运营动车组谱系化趋势[1-2]。截至2020年底,我国高速铁路运营里程达3.8万公里[3],涵盖200 km/h、250 km/h、300 km/h和350 km/h 4个速度等级,动车组数量达到3 918标准组,动车组种类包括引进、消化吸收和再创新三代十几种类型。不同类型动车组源强噪声差别大,甚至同一列动车组在服役期不同时间的噪声差别也较显著。为了研究服役期不同类型动车组列车运行辐射噪声水平,以及同一列动车组列车运行辐射噪声随服役期的变化情况,需要获得连续的长时间序列的大样本量噪声数据。

既有的铁路噪声监测技术经历了采用便携式声级计测量列车通过声级的初始阶段[4],采用多通道数据采集仪的发展阶段,以及正在经历的采用噪声自动监测系统的扩展和完善阶段。在初始阶段,需要人工干预测试,数据随机性高、可对比性弱；在发展阶段,虽然能够准确获取每一列动车组的噪声数据,但数据采集和处理需要耗费大量的人力物力,劳动强度大、经济性低,难以获取大样本量数据；噪声自动监测系统,不仅能够获取准确的数据,而且运营成本低,为统计学分析提供了可能。

1 试验方法

1.1 高速铁路噪声自动监测技术

既有的噪声自动监测技术主要应用于环境噪声监测中[5-8],如城市区域声环境功能区环境噪声自动监测、道路交通噪声自动监测及机场噪声自动监测[9-10]。在环境噪声自动监测技术应用中,监测设备安装在固定点位,获取逐小时监测数据。高速铁路噪声自动监测,不仅要考虑噪声数据的采集处理、气象条件的影响[11-13],而且还要获取高速动车组的车速、车组号,以及精确的列车通过噪声及其频谱值。既有的环境噪声测试设备,无论是从硬件还是软件系统,均无法满足高速铁路噪声自动监测的要求,特别是无法针对每一列通过列车进行噪声、车速、车号、气象数据的自动采集和处理。因此,基于既有噪声监测技术和高速铁路噪声自动监测需求,开发了高速铁路噪声自动监测系统。

高速铁路噪声自动监测系统,能够实现数据的实时采集、分析处理、传输等处理功能,以及数据的查询、分析、预警、展示、下载等管理功能,该系统分为前端数据采集子系统和后端数据管理子系统。高速铁路噪声自动监测系统组成如图1所示。

图1 高速铁路噪声自动监测系统组成

1.2 测试方案

在我国某高速铁路桥梁区段搭建了高速铁路噪声自动监测系统,系统上线运行后即开展24 h列车运行辐射噪声自动监测。前端数据采集系统安装如下：在距离近侧线路中心线7.5 m处安装测试杆和测试机柜,测试杆上安装车号识别仪、激光传感器、气象传感器,上述设备通过数据线缆与机柜内数据采集处理设备相连,数据采集处理和传输设备安装在测试机柜内；在距离近侧线路中心线25 m处搭建测试塔,测试塔上安装噪声传感器、全景网络摄像头和太阳能电池板,通过线缆与数据采集处理设备连接。

噪声测试区段线路工况如下：桥梁路段、简支箱梁、无砟轨道、线间距5 m、桥梁高5.2 m；线路设计速度为350 km/h,最高运行速度为310 km/h,通过该测试区段的动车组实际运行速度介于250~310 km/h之间。该线主要运营动车组类型包括CR1、CR1L(L代

图2 列车运行辐射噪声测点布置示意

1.3 数据分析方法

本文利用的数据来源于高速铁路噪声自动监测系统,数据时长为6个月,共获得了上万组监测数据,为了排除环境因素对噪声数据的影响,筛选出了气象条件良好(晴天、微风)的3 911组数据,开展了列车运行辐射噪声数据统计分析。

通过对大样本量数据的统计分析,可以得到动车组列车运行辐射噪声的统计学规律。研究采用的统计学参数包括最大值、最小值、极差、平均数、中位数、标准差、概率分布等。最大值、最小值及极差3个参数反映了数据变化范围；平均值反映了动车组运行辐射噪声的平均水平；中位数将数值集合划分为相等的上下2个部分,反映了统计数据中间水平；标准差反映数据的离散程度,标准差越小说明数据越集中,标准差越大说明数据越分散；概率分布反映了样本数据分布情况,即样本数据在某个范围内出现的频繁程度。

2 结果分析

2.1 列车运行辐射噪声水平

经统计,所分析的3 911组数据中,运营速度达到300 km/h的数据共计1 717组,约占总数据的44%。表1给出了时速300 km各车型动车组列车运行辐射噪声的统计结果,包括车型、样本数、最大值、最小值、极差、平均值、中位数和标准差,图3给出了各车型动车组以300 km/h通过桥梁区段时,其列车运行辐射噪声的平均值和中位数。

表1 时速300 km动车组列车运行辐射噪声统计

图3 各车型动车组列车运行辐射噪声平均值及中位数

由表1及图3可知,当高速动车组以300 km/h通过桥梁区段时：①样本数量充足时,各车型列车运行辐射噪声平均值及中位数基本一致,说明数据分布集中,离散程度低；②同类型车短编组和长编组数据的平均值基本一致,说明同类型动车组列车运行辐射噪声基本不受编组情况影响；③因高速动车组车外噪声主要由轮轨噪声、气动噪声和集电系统噪声构成,而同类型动车组气动噪声和集电系统噪声基本一致,引起数据差异的主要原因是服役期轮轨状态变化所致,监测得到的动车组轮轨状态对列车运行辐射噪声最大影响范围可达4.4~5.1 dB(A)。

2.2 噪声数据离散度

平均数只能反映样本数据的平均水平,不能反映数据的离散程度和分布情况,而标准差可以反映数据的离散程度,概率分布可以反映样本数据的分布情况。为得到各车型列车运行辐射噪声集中分布范围,以步长1 dB(A)对噪声数据分布概率进行统计分析,得到高速动车组列车以300 km/h通过桥梁区段时概率分布统计结果(见表2)。

表2 各车型列车运行辐射噪声分布百分比 %

当高速动车组以300 km/h通过桥梁区段时,除了CR3动车组统计样本过少导致列车运行辐射噪声标准差大于1以外,其余各车型标准差均小于1(见表1),说明各车型列车运行辐射噪声分布较为集中,离散程度较小。根据表2,CR1、CR1L、CR4和CR5动车组列车运行辐射噪声主要分布在(X+8)～(X+10）区间,CR2和CR2L主要分布在(X+9)～(X+11)区间。

2.3 噪声随速度变化规律

国内外研究结果表明,列车运行辐射噪声与列车运行速度正相关[14-15],并且呈对数正相关,其关系模型见公式（1）,其中轮轨噪声与列车运行速度的增长系数约为20~40,气动噪声与列车运行速度的增长系数约为60~80。

式中：Lv为速度V时的等效声级,dB(A)；K为声级随速度的增长系数；V为列车运行速度,km/h；V0为参考列车运行速度,km/h；Lv0为参考速度V0时等效声级,dB(A)。

本文对动车组速度由250 km/h提高到300 km/h的噪声数据进行对数拟合,CR1、CR1L、CR2、CR2L、CR4和CR5型列车运行辐射噪声与运行速度的增长系数分别为43.5、37.2、43.0、40.0、40.5和42.3。部分动车组列车运行辐射噪声随速度的变化关系如图4所示。

各型动车组列车运行速度在250~300 km/h时,车外辐射噪声随速度变化规律基本一致(见图4),其增长系数范围为37~44,表明动车组运行速度在250~300 km/h区间时,轮轨噪声仍然为列车运行辐射噪声主要噪声源。

图4 列车运行辐射噪声随速度变化关系

3 结论

利用高速铁路噪声自动监测系统,获得了连续、长时间序列大样本量数据,为动车组列车运行辐射噪声开展统计学研究提供了基础数据。采用服役期动车组运行辐射噪声数据开展统计学研究,结论如下。

（1）当高速动车组以300 km/h通过桥梁区段时,在样本数量充足的情况下,各车型列车运行辐射噪声平均值及中位数基本一致；同类型动车组短编组和长编组数据的平均值基本一致,说明同类型动车组列车运行辐射噪声基本不受编组情况影响。

（2）当高速动车组以300 km/h通过桥梁区段时,同速度级工况下影响同类型动车组列车运行辐射噪声差异的主要原因是服役期轮轨状态,最大影响程度可达4.4~5.1 dB(A)。

（3）当高速动车组以300 km/h通过桥梁区段时,除了CR3动车组统计样本过少导致列车运行辐射噪声标准差大于1以外,其余各车型标准差均小于1,说明各车型列车运行辐射噪声分布较为集中,离散程度较小。

（4）动车组运行速度在250~300 km/h时,各车型列车运行辐射噪声随速度变化规律基本一致,轮轨噪声仍然为动车组列车运行辐射噪声主要噪声源。