為了考察350km/h高速列車在運行狀態下的車外噪聲水準、主要聲源及其源強分佈特性,根據國內外高速列車噪聲理論和試驗研究經驗,在列車和線路狀況滿足ISO3095—2005標準相關要求的前提下,在京津城際鐵路選取現場測試工點,採用多通道陣列式噪聲數據採集分析系統,對京津城際鐵路高速列車噪聲進行現場測試。
測試資料分析結果表明:350km/h高速列車車外輻射噪聲的主要聲源為輪軌接觸部位、轉向架、受電弓及其底座以及車輛連接處的氣動噪聲;對車輛上不同位置測得的聲暴露級按大小排序,前4名的依次為頭車輪軌接觸位置、第2節車輛受電弓位置、第2節車輛的輪軌接觸位置、頭車和第2節車輛上部的氣動噪聲。由此提出350km/h高速列車噪聲的控制策略及措施。
高速列車對周邊環境的影響主要有噪聲、振動和電磁波干擾,其中噪聲最受關注。掌握高速列車技術的法國、德國、日本、義大利和西班牙等國家都開展過一系列的高速列車噪聲測試試驗,尤其是最近10年,隨著聲陣列理論和測試技術的發展,多通道陣列式噪聲資料獲取分析系統被越來越廣泛地應用於高速列車聲源識別研究。
車輛參數、軌道參數以及列車與線路之間的匹配關係等,尤其是輪軌匹配關係,會對高速列車噪聲產生很大的影響。為了瞭解中國350km/h高速列車運行狀態下車外噪聲水準, 明確噪聲的主要來源、分佈和源強特性,採用多通道陣列式噪聲資料獲取分析系統進行聲源識別,通過聲暴露級考察各個聲源對總的車外噪聲的貢獻,找出高速列車噪聲控制的切入點和控制目標值,為高效、準確地進行高速列車噪聲控制提供理論指導。
根據國內外鐵路噪聲理論研究和試驗測試:鐵路噪聲主要由牽引噪聲、輪軌噪聲和空 氣動力噪聲等組成,他們與列車運行速度的關係如圖1所示。按照牽引噪聲、輪軌噪聲和空氣動力噪聲占主導所對應的列車運行速度範圍,可以將列車運行速度分為3個區段,2個不同區段分界點的列車運行速度稱之為聲學轉換速度(圖1中vt1和vt2)。列車的聲學轉換速度不是固定不變的,它與列車和軌道的狀態、所採取的減振降噪措施有關 .
<動噪聲>
高速列車氣動噪聲主要產生於列車表面裝置和特殊結構的特定位置。現有研究結論表明,不同位置的氣動噪聲,其產生機理也不相同,大致可歸納為由於氣流流經結構部件表面產生的噪聲和湍流流動產生的噪聲兩大類 。
<軌噪聲>
傳統的輪軌噪聲包括輪軌滾動噪聲、衝擊噪聲和曲線嘯叫,但高速鐵路由於曲線半徑大,而且採用無縫鋼軌,因此高速鐵路的輪軌噪聲主要是輪軌滾動噪聲。輪軌滾動噪聲是由於輪軌表面粗糙度激發車輪、鋼軌和軌枕結構振動,並通過周圍空氣向外傳播而產生的。典型的輪軌滾動噪聲頻譜分析如圖2所示。其中頻率低於500Hz的輪軌滾動噪聲主要來自軌枕;頻率在500～1600Hz 範圍的,主要來自鋼軌;頻率大於1600Hz的, 主要來自車輪。
<動噪聲>
高速列車氣動噪聲主要產生於列車表面裝置和特殊結構的特定位置。現有研究結論表明,不同位置的氣動噪聲,其產生機理也不相同,大致可歸納為由於氣流流經結構部件表面產生的噪聲和湍流流動產生的噪聲兩大類 。
氣流流經結構部件表面產生氣動噪聲的來源包括 :受電弓、受電弓底座、車輛連接處、車頂百葉窗、轉向架和空調通風設備在受電弓處產生氣動噪聲的機理是:構成受電弓的各種桿件引起非穩態氣流,進而形成週期性的渦旋脫落,從而產生噪聲。在高速列車的轉向架處會產生較明顯的氣動噪聲,尤其是在頭車前轉向架部位。轉向架部位的氣流非常複雜,對轉向架部位氣動噪聲的產生機理至今還未有很合理的解釋。
湍流流動產生氣動噪聲的來源包括:車身表面、頭車和尾車。由於高速列車車身表面存在湍流層,會在車身表面產生氣動噪聲。對於300km/h 的列車運行速度,它是所有氣動噪聲中最低的,對總的車外輻射噪聲影響較小,但也是最難以抑制的。而且隨著列車速度的進一步提高,它會越來越顯著甚至起主導作用。另外車身表面湍流流動會對車體形成波動載荷,使其強迫振動,進而使車身結構產生振動聲輻射,對車內噪聲產生較大影響。
由於頭車車頭附近有很多集中的表面狀態變化,另外沿表面的氣流大,從而導 致在該處產生劇烈的空氣湍流並形成噪聲,其噪聲頻譜呈連續分布特性。列車尾流不單對行車安全和周邊環境帶來不利影響,還會產生尾流氣動噪聲。高速列車尾流氣動噪聲相對其他氣動聲源所產生的不利影響要小,但作為高速列車氣動噪聲來源之一,須在設計階段給予相應的重視。
<電系統噪聲>
高速列車集電系統在高速運行情況下會產生較劇烈的噪聲,包含弓網滑動噪聲、電弧噪聲以及氣動噪聲。
弓網滑動噪聲是由於受電弓和接觸網之間相對滑動、使周圍空氣產生高頻振動而產生的,在高速列車發車、停車時的噪聲中占重要比例。電弧噪聲是由於受電弓與接觸網發生暫態脫離時產生的弧光噪聲。在日本新幹線高速列車噪聲問題中電弧噪聲一度非常突出,後來通過在受電弓與接觸導線接觸部分採用柔性結構,成功消除電弧噪聲。
<架結構噪聲>
當高速列車在高架結構上運行時,由於列車運行激發軌道結構振動並通過高架結構各個部件（如承重梁、墩台等)從地面向臨近的建築物傳遞,引起建築物的牆壁、地板以及天花板振動而產生的低頻噪聲,稱為“二次噪聲”或結構噪聲。
高架結構噪聲頻率比較低,主要分佈在幾十赫茲到數百赫茲範圍內,而且高架橋結構輻射面積大,用聲屏障隔聲的方法控制二次噪聲幾乎沒有效果。控制高架結構噪聲最有效的方法是阻止軌道振 動的傳遞,即用隔振的方法降低軌道傳遞給結構的振動,從而降低結構的振動能量,減少結構的噪聲輻射。
[高速列車噪聲水準和聲源識別]<高速列車噪聲水平>
經過多年的研究開發,相比高速鐵路發展初期,高速鐵路噪聲得到很好的控制,目前國內外 高速鐵路噪聲情況如表1所示。噪聲的測量位置為距軌道中心線25.0m、距軌頂面3.5 m高處（日本高速鐵路為距地面1.2m高處）。
由表 1可見:中國高速列車的噪聲水準優於歐洲高速列車的,但與日本相比還存在一定的差距 。
<速列車噪聲聲源識別>
根據國外高速列車運行噪聲聲源識別試驗,在列車和線路狀況滿足ISO3095—2005標準相關要求的前提下,在中國京津城際鐵路選取現場測 試工點,安裝多通道陣列式噪聲資料獲取分析系統,如圖3所示。該陣列共78通道,為輪輻式陣列構型,直徑4.0m,陣列中心距鋼軌頂面2.1m 高,距軌道中心線12.0m遠,滿足400～8000Hz頻率分析範圍的要求 。
基於波束形成(Beamforming)聲源識別原理,採用多通道陣列式噪聲資料獲取分析系統, 測得中國CRH3高速列車以394km/h速度運行情況下的車外輻射噪聲聲強雲圖,如圖4所示。由圖4可見,中國高速列車以394km/h速度運行時,車外輻射噪聲的主要聲源為轉向架、輪軌接觸位置、受電弓及其底座以及車輛連接處的氣動噪聲。與其他位置轉向架處的氣動噪聲相比,頭車轉向架的氣動噪聲更大。
<高速列車車輛的聲暴露級>
圖 5給出高速列車各車對應聲強雲圖平面處的聲暴露級垂向分佈情況,整個橫軸對應的聲暴露級範圍為120～127dB(A)圖中,數位1～8表示高速列車的第1至第8節車輛。由圖5可見:測得的最大聲暴露級位於頭車輪軌接觸位置處,在車輪中心處達到最大,該處同時對應著聲強雲圖中最大聲源點;次大聲暴露級位於第2節車輛受電弓位置,此時受電弓呈升起狀態;其下依次位於第2節 車輛的輪軌接觸位置、頭車和第2節車輛上部。這些現場試驗資料驗證參考文獻的定性推論。
研究表明,大部分高速列車車體振動噪聲的頻率為513Hz～1615Hz,其中,以車體骨架結構產生的振動噪聲在5Hz～30Hz的低頻範圍內,以壁板為主產生的振動噪聲在30Hz～300Hz的低中頻範圍內。車廂內的噪聲來自列車高速行駛時的空氣噪聲，軌道的摩擦及撞擊聲，車廂內各部件的噪聲等等。
控制車體輻射的振動和噪聲，避免車內共鳴防止或消除車內共鳴與共振，調整設計車體固有頻率，有效利用吸聲材料或控制輪軌激勵振動傳遞系統，在噪聲反射系統上調節振動特性，以改善車內空腔共鳴問題。在車體各構件中，板件振動對車身噪聲影響最大。這是因為板件的聲輻射效率較高。為減弱板件的振動，可給它設置加強筋以提高其剛性，並且加裝阻尼材料或粘貼減振材料，以增加振動的衰減。另外，在板件上噴塗水基阻尼材料,降低其聲輻射效率，對減少噪聲也很有效果。實測結論，阻尼噴塗覆蓋量為3Kgm2時,隔聲效果最佳。
（中國南車集團列車採用聲博士OFF隔聲減振系統）
控制車體輻射的振動和噪聲，避免車內共鳴防止或消除車內共鳴與共振，調整設計車體固有頻率，有效利用吸聲材料或控制輪軌激勵振動傳遞系統，在噪聲反射系統上調節振動特性，以改善車內空腔共鳴問題。在車體各構件中，板件振動對車身噪聲影響最大。這是因為板件的聲輻射效率較高。為減弱板件的振動，可給它設置加強筋以提高其剛性，並且加裝阻尼材料或粘貼減振材料，以增加振動的衰減。另外，在板件上噴塗水基阻尼材料,降低其聲輻射效率，對減少噪聲也很有效果。
（聲博士OFF隔聲減振系統用於中國南車集團和諧號高速列車）
實測結論，阻尼噴塗覆蓋量為3Kgm2時,隔聲效果最佳。為防止轉向架、牽引電機、齒輪箱、柴油發電機、空調機組等振動、噪聲源向車廂內二次固體傳聲。應在附近的車體重點結構上加隔聲材料，增加這部分車體結構的隔聲性能，利用隔振、隔聲和密封等措施隔絕噪聲傳播途徑。可利用具有彈性和阻尼材料隔斷振源與車體之間的振動傳遞。利用加緩振墊、阻尼膠等改善車體內飾件的隔聲性能。這些措施均可以減弱車輛行駛過程中傳入車內的噪聲。對在隧道裏運行的地鐵車輛，為防止通過車輛兩側車窗玻璃向車內傳播噪聲，應採用雙層真空玻璃窗。
<速列車噪聲控制措施>
為適應更高的運行速度（例如達到 40 0km/h）,根據國內外現有研究與試驗測試結果, 結合中國350km/h高速列車的聲源識別資料和高速 列車噪聲評價指標,就高速列車噪聲控制措施提出如下建議。
1)對輪軌接觸位置的噪聲進行控制,包括輪軌噪聲和轉向架處氣動噪聲兩大部分。關於輪軌噪聲控制,建議通過對車輪和鋼軌的阻尼處理或動力吸振原理降低。關於轉向架處氣動噪聲的控制,建議在車輛轉向架位置處設置覆蓋整流罩,尤其是在頭車的轉向架處。
2）對於受電弓處氣動噪聲的控制:儘量減少突出在車頂外面的電絕緣子,若實在必要, 則須考慮採用流線型外形;儘量減少中間鉸,根據日本新幹線高速列車的經驗,單臂受電弓的降噪性能更好;為了減少渦流脫落,設置週期性的小孔是可供選擇的方案之一。
3)對於頭車劇烈的空氣噪聲控制:對雪犁覆蓋罩進行氣動外形優化,儘量避免強烈的頭車氣流直接衝擊頭車轉向架;優化高速列車車頭外形,提高高速列車的氣動性能。
4)對於車輛連接處氣動噪聲的控制:在該位置設置圓周波紋管外風擋。對車門、窗處氣動噪聲的控制:儘量使門、窗與車身之間平順,光滑過渡,避免凹陷或外突而形成表面階差。
高速列車低噪聲設計和優化是一項艱巨的任務,需要在理論研究和現場試驗的基礎上反復進行嘗試、調整與優化。所有降噪措施的採用必須十分謹慎,要充分考慮其對高速列車其他性能的影響, 尤其是行車安全性和乘坐舒適性。同時還必須注意,新的降噪措施能帶來降噪效果,但其本身可能又會成為新的噪音源,應該進行綜合比選和確定。
