我国高速铁路噪声控制技术创新成效与展望

2022-05-27曲云腾伍向阳刘兰华

铁路节能环保与安全卫生 2022年2期

曲云腾，伍向阳，刘兰华

（1. 中国国家铁路集团有限公司科技和信息化部，北京 100844；2. 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）

截至2021 年底，我国高速铁路营业里程已超过4 万km[1]，高速铁路发展促进了国民经济的发展，提升了旅客出行的便捷性，但由于其运行速度快，轮轨激励和气动激扰加剧，产生的噪声强度增加，成为影响旅客舒适性和沿线声环境的重要因素。为此，通过对国外高速铁路噪声控制技术研究现状进行分析，重点总结我国近年来在高速铁路噪声控制方面开展的研究工作，分析我国高速铁路噪声控制成效，为后续高速铁路噪声控制技术发展提供支撑。

1 国外高速铁路噪声控制技术发展

高速铁路噪声是一种多源耦合、宽频复杂运动声源，为了有效控制高速铁路噪声影响，必须充分考虑高速铁路多激励源、多约束耦合条件下发声特征，需要实现高速车辆动力学、轨道动力学、结构动力学、列车空气动力学、声学等多学科专业的有机融合。在高速铁路噪声控制方面，国内外达成普遍共识的是优先采取噪声源控制措施。德国、法国、日本高速铁路噪声控制技术发展概况如下。

1.1 德国

德国自20 世纪70 年代开始了高速铁路噪声源识别分析及控制技术的研究。研究成果表明：铁路噪声主要由轮轨噪声、空气动力噪声、牵引及设备噪声、曲线尖啸声及桥梁结构噪声组成，运行速度低于60 km/h时主要噪声为牵引及设备噪声；运行速度为60~250 km/h 时主要噪声为轮轨滚动噪声；运行速度为250 km/h 及以上时主要噪声为空气动力噪声。ICE 系列动车组已经发展为ICE 1、ICE 2、ICE 3、ICE 3M及ICE 4 等车型。针对轮轨滚动噪声研究采取了降低车轮粗糙度、优化车轮结构、增加降噪块等技术措施，针对气动噪声控制采取了车辆外形气动优化设计、单臂受电弓及其屏蔽等降低集电系统空气动力噪声措施。但是，德国铁路绝大部分为客货混跑，白天运行旅客列车，晚上运行货物列车，德国货车大部分已经使用超过30年，是在欧盟实施TSI(互联互通技术规范)认证前投入使用的，噪声影响大；夜间运行时铁路噪声对沿线的影响更为敏感。上述原因造成目前公众对货物列车运行噪声反应强烈，因而德国铁路噪声控制管理主要关注货车，对高速铁路关注不多[2]。

1.2 法国

法国在高速铁路发展中高度重视噪声源控制技术，并开展了系列噪声源识别、动车组及基础设施噪声控制技术的研究。TGV 高速列车相继发展了4 代，相较于国际上广泛采用的动力分散技术，TGV列车采用动力集中方式，具有维护成本低、车厢内振动噪声较小的优势[3]。为了降低整车噪声影响，法国在优化气动阻力、降低轮轨振动激励等方面开展了大量研究，最新的Avelia 高速列车平台[4-5]继承和发展了TGV、AGV 等车型结构优势，噪声水平呈下降趋势。

1.3 日本

与德国等欧盟国家不同，日本新干线穿越密集居住区，投诉较多。为了降低新干线噪声影响，日本于1973年左右对车轮踏面状态进行改善，采用了树脂闸瓦，后续通过采取钢轨表面打磨等措施有效降低了轮轨噪声，结合声屏障技术大幅降低沿线噪声水平。同时，日本通过从车体平顺化、低噪声受电弓、声屏障结构形式等方面研发低噪声车辆及配套噪声控制技术，进一步降低噪声水平。新干线列车从0 系发展至500系，采取的车辆和线路噪声控制技术如表1所示[6]。从700 系列车开始，新干线列车车头形状、车身平滑化进一步提升，并采取单臂式受电弓及受电弓罩进一步降低集电系统气动噪声[7-9]。

表1 新干线(0~500系)噪声主要控制技术

2 我国高速铁路噪声控制技术的主要研究工作

为进一步降低我国高速铁路噪声影响、提升乘坐舒适性，近年来中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)组织国内相关科研院所、高校、动车组生产企业，持续开展高速铁路噪声控制技术研究，以完善噪声防治措施。

2.1 组建产学研用联合研究团队

我国高速铁路早期研究过程中各学科专业较分散，未考虑采取措施后线路和车辆的整体降噪效果。在国铁集团组织下，凝聚国内高速铁路噪声控制高水平创新团队和人才，打破了各单位、各专业间研究壁垒，实现了高速铁路车辆动力学、轨道动力学、列车空气动力学、声学等专业的融合，进行了顶层设计，逐步形成我国高速铁路噪声控制研究团队。

2.2 开展高速铁路噪声基础理论研究

为了深化高速铁路噪声源发声机理，掌握高速铁路主要噪声源及分布特性，指导低噪声动车组和固定设施噪声控制研究，国铁集团组织开展高速铁路总体噪声控制指标分解、声学设计优化策略及系统评价研究，从高速铁路车外噪声机理与传播规律、高速铁路车内噪声机理与传播规律、高速铁路轮轨粗糙度噪声影响特性、高速铁路噪声指标分解及优化策略、典型服役动车组噪声演变规律及解决对策等方面开展深入基础研究。

2.3 开展噪声控制关键技术攻关

基于高速铁路噪声源分布及贡献，从动车组和固定设施2 个方面开展噪声控制技术联合攻关研究。动车组噪声控制方面，结合高速动车组主要噪声源分布、环境噪声控制及旅客舒适性要求，组织开展受电弓区域噪声控制、转向架区域噪声控制、约束阻尼车轮、车体气动噪声控制、车内噪声控制与声品质提升、设备噪声控制、高速卧铺动车组噪声控制等动车组降噪技术研究。固定设施噪声控制方面，结合高速铁路噪声源定量化分析及指标分配结果，组织开展声屏障、矮屏障、吸声轨道、阻尼钢轨及地下区段振动噪声特性等基础设施降噪技术深化研究。

2.4 组织高速铁路噪声综合专项试验

为了系统验证动车组噪声特性，2016 年7 月，国铁集团(原中国铁路总公司)组织开展郑徐客运专线综合试验，针对200~420 km/h 运行时车内噪声传递路径、车外噪声源识别及车内外噪声变化规律开展了试验研究。2017 年1—5 月，组织开展大西客运专线噪声专项试验，进一步研究复兴号动车组以45~350 km/h运行时车内外噪声特性及主要噪声源分布。

2.5 开展既有服役动车组长期跟踪

为了系统掌握服役动车组噪声影响，在系统分析高速铁路运营期噪声影响因素的基础上，组织开展服役动车组噪声专项试验研究，自2016年开始，针对京沪、京广、兰新、丹大、郑徐5 条线路，对CRH2、CRH3、CRH5、CRH380 及 CR400 共 5 个系列服役动车组开展了为期3年的噪声长期跟踪研究。

3 我国高速铁路噪声控制技术创新成效

3.1 系统掌握我国高速动车组噪声主要特性

（1）掌握复兴号动车组200~420 km/h运行时车内外噪声特性，得出不同线路型式(桥梁、路基)、不同车厢噪声值与速度关系曲线。其中，车内噪声随速度变化：头车观光区LAeq=(55-56)×log(V)、客室LAeq=(40-50)×log(V)。车外噪声随速度变化：200~300 km/h时，LAeq=(20-25)×log(V)，300~400 km/h 时，LAeq=(40-50)×log(V)。

（2）掌握了复兴号动车组车内噪声源分布特征、贡献量及传递路径。测试结果表明：时速200 km 以下，以结构噪声为主；时速200~250 km，结构噪声和空气噪声相当；时速300 km以上，以空气噪声为主。

（3）掌握了复兴号动车组车外噪声源分布和贡献量。受电弓区域气动噪声、车体表面气动噪声、列车下部区域噪声(含气动噪声和轮轨滚动噪声)为主要噪声源。速度不同，各噪声源占比不同。例如，在80~200 km/h时，列车下部区域噪声占比在80%~90%，轮轨噪声为最主要噪声源；200~300 km/h时，列车下部区域噪声占比在65%~80%；350 km/h时，列车下部区域噪声占比在60%~70%左右。同时，区段不同，辐射噪声值不同，试验结果表明：路基断面处列车运行辐射噪声实测值高于桥梁区段3 dB(A)左右。

（4）高速铁路噪声长期跟踪表明：轮轨表面短波不平顺状态是影响高速铁路服役期噪声的主要因素，受轮轨表面状态影响，运营期噪声可能出现较大的波动，车轮出现高阶多边形、钢轨出现异常波磨均对车内外噪声造成较大影响。对出现车轮多边形或钢轨波磨的运营线路进行车轮镟修/更换或钢轨打磨，可有效降低噪声影响。

3.2 高速铁路噪声基础理论取得新突破

（1）在高速铁路噪声源定量化分析的基础上，深入分析高速铁路噪声源特性，基于声学波动理论、运动声源理论及声源指向性研究成果，构建了高速铁路多声源等效理论模型及基于一次反射效应的声屏障插入损失计算模型。经现场试验证实，测值与理论计算值最大差异为1 dB以内，为高速铁路环境噪声预测及控制奠定技术基础。

（2）针对车内宽频噪声特征，研究获得整车全局振动模态和局部振动模态频率界限，系统解决了从激励源—传递路径—车内声腔完整传播途径预测真实运行工况下的车内声压响应问题，构建了整车车内宽频带混合声学预测模型，实现了低频和高频联合求解。根据高速铁路振动噪声测试获取的激励源等计算车厢内部声场分布，计算结果与测试结果保持较好的一致性，满足高速铁路车内噪声预测分析需求。

（3）基于车外噪声源识别和车内传递路径分析，研究基于层次分析法的高速铁路噪声控制指标分解方法。在高速列车噪声控制的总目标框架下，开展了快速、鲁棒的噪声指标合理分解研究，使高速列车各部分噪声控制指标有据可依，并形成一种指导高速铁路减振降噪合理指标分解的方法和工具，有序指导高速铁路动车组噪声控制和固定设施噪声控制技术研究工作。

3.3 显著提升高速铁路噪声控制技术水平

（1）提升低噪声动车组控制技术。一是在降低轮轨滚动噪声方面，通过减小转向架簧下质量和优化悬挂参数，优化轮轨匹配关系，组织研制新型高速列车约束阻尼降噪车轮，进而降低轮轨噪声。二是从集电系统、车体平顺化、头型优化等方面对高速铁路气动噪声开展研究，提升了动车组气动噪声控制水平[10]。在集电系统噪声控制技术方面，通过开展受电弓本体结构外形及安装座区域流场及导流结构优化，减少受电弓杆件数量，对受电弓弓头、支座、基座等结构采用流线型设计；通过扰流和沟槽等流动控制技术，优化动车组表面流场，减少气动阻力；优化受电弓安装和导流，采取下沉式安装槽优化设计。优化流线型头型导流设计，改善综合气动性能。开展车体表面平顺化设计，优化车间风挡连接，采用包覆方案设计，针对车门、车顶空调、车顶天线等进行平顺处理，避免结构突变。通过全面开展低噪声动车组控制技术研究，我国不同时期研制的高速动车组运行辐射噪声呈下降趋势。

（2）固定设施噪声控制技术方面。基于高速铁路噪声源定量化分析及指标分配结果，一是从声屏障高度、声屏障截面形式及宽频复合吸声等角度提出声屏障降噪优化方案[11]，基于阻尼缓冲技术和顶端干涉技术研发新型声屏障，动车组高速通过时立柱应力下降为普通金属声屏障的1/3~1/4，插入损失值比普通金属声屏障高约2 dB(A)，提高了声屏障的降噪性能，降低了脉动荷载对声屏障的影响。二是在高速气动荷载条件下研发了聚合微粒吸声板和泡沫铝吸声板2 种吸声轨道产品[12-13]。三是组织研发了高速铁路新型调频阻尼钢轨[14]，确定调频阻尼钢轨的关键参数，研究阻尼材料的制备工艺和配方，通过振动台试验、弹簧夹具试验、材料的耐久性试验、室内静弯试验、疲劳试验后，开展了现场适用及试验验证，取得了较好的降噪效果。四是组织研发微孔岩矮屏障和泡沫铝矮屏障2 种新型高速铁路矮屏障，通过研究列车风压产生的瞬间推力和吸力对矮屏障的影响，确定了吸声板的结构强度、立柱结构设计与安装方式，并开展了现场试用及试验验证。上述工作为高速铁路提供了进一步的噪声控制手段。

3.4 创新高速铁路噪声测试技术和数据管理

（1）研发基于去多普勒效应和解卷积算法的高速铁路运动声源识别成套关键技术，满足了高速铁路噪声宽频(200~5 000 Hz)及多运动特性分析的实际需求，空间分辨率提升10倍以上，动态范围拓宽至10 dB以上，有效分析频率下限拓展至200 Hz，涵盖了高速铁路所有主要噪声频率[15]。

（2）针对高速铁路车内噪声传递路径分析方法(OTPA)存在的串扰问题导致分析误差过大问题，通过研究构建运转工况下车内噪声传递路径串扰消除理论模型，最大分析误差降低为1 dB左右，为复兴号动车组车内噪声的主要传递路径识别与控制提供了技术支撑。

（3）针对高速列车速度快、通过时间短、噪声强度大、噪声受轮轨状态影响大等特点，研发了列车通过声信号捕捉能力强、快速精准定位、全寿命周期测量、自动化程度高的集轮轨状态和噪声同步监测的多功能实时测试系统，实现长周期、自动化、稳定可靠的高速铁路噪声远程连续跟踪测试、自动处理，准确捕捉和分析每列车噪声影响，噪声自动分析误差仅为0.3 dB，车速定位误差为3 km/h。

（4）针对我国高速铁路噪声大规模基础研究数据、资料和研究成果，组织研发高速铁路噪声综合信息共享管理系统，解决了高速铁路噪声数据快速传输、检索问题，实现了噪声数据与关键影响数据的自动关联，推动我国高速铁路噪声科研成果统一规范化管理，促进噪声研究成果共享和应用。