降低高铁(300km/h以上)噪声的几点构想

文环凌

(深圳市保泽环保科技开发有限公司,深圳518067)

摘  要：本文根据高铁（300km/h以上）噪声特点，以及产生的机理，从噪声控制的专业角度，提出了几点降噪高铁噪声的想法。包括集电系统、车体系统，以及轨道系统的声学改造探讨，旨在为高铁科研设计人员在高铁设计研究中提供参考意见，为降低高铁运行噪声提供新的思路。

             Several ideas about how to reduce express railway noise

Mr. Wen HuanLing

(Shenzhen PowerChair Inc .Shenzhen 518067)

Abstract：From the noise control specialized area, this article gives several ideas about how to reduce express railway noise based on its characteristic and mechanical principle. The ideas conclude how to acoustically reform energy collector system, train carriages system, and track system. These are just reference opinions for express railway  research and design engineers. We hope they can help to find new ideas of express railway noise reduction. 

我国高速铁路（300km/h以上）现已建成7000公里以上，预计到2020年，全国高铁将建成总里程达到16000公里以上。随着武广、郑西、广深、京沪高铁的陆续建成通车，高铁噪声带来的影响日益突出。沿线居民怨声载道，投诉情绪激烈，已成为一个严重的环境问题。怎样来降低高铁运行噪声，目前没有好办法。本文试图从噪声控制专业的角度出发，谈谈对路轨、集成系统、车体系统的声学改造，开拓高铁噪声控制的新思路。

收稿日期：2012-10-07

作者简介：文环凌（1956-），男，目前从事建筑声学、噪声控制研究。

Email：whl136@vip.tom.com

1.高铁工程特点

     高铁和普通铁路相比，其工程特点有如下几点：

   1.1路轨

  （1）高铁的轨道宽度和普通铁路一样为1.35米，但轨道结构不同，高铁为无碴轨道，而普通列车大都采用有碴轨道，这样的结构主要是防止列车调整运行时，气流掀起石子损坏列车。

  （2）为了保证列车运行平稳舒适及安全，高铁的轨道采用了先进无缝长轨技术，即高铁不像普通铁路轨道，隔一定距离留有伸缩缝，以防止热胀冷缩。

  （3）高铁另外一个特点是，为了安全起见，当铁路穿过有人居住或人口密集区，采用的路基形式是高架桥梁式结构。

   1.2动力特点

       普通列车的机车牵引方式一般采用车头机车牵引多节无动力车厢，而高铁则多采用动力分散制。动力装置分布在不同的车厢，能够实际较大的牵引动力，编组灵活。

   1.3 车辆

 高铁车辆车厢设计时考虑空气动力特点，除了集电系统等部位外，整个车厢的突出部位比普通列车要少很多。高铁的编组一般为8节车厢和16节车厢，长度均为200米、400米。

2.高铁的噪声特点

   由于高铁高速的行驶速度是普通列车的三倍以上，其产生的噪声有如下特点：

1、气流噪声在整个列车运行噪声中比例升高。在普通列车运行噪声中，其轮轨噪声占大部分比例，而高铁的气流噪声则大幅提高。有些研究表明，高铁气流噪声可占50%以上的比例。在高速运行的状况下，列车的任何突出部分、粗糙部分都会产生很强的气流噪声。

2、轮轨噪声的频谱特性有别于普通列车的轮轨噪声。普通铁路铁轨有防止热胀冷缩的缝隙，列车在运行时，除了轮轨摩擦产生的中高频噪声外，还会产生“哐当、哐当”的脉冲噪声，而高铁轮轨噪声主要是轮轨之间的摩擦噪声。

3、高铁在通过人口密集区时，其路基多采用高架桥梁的形式。高速运行的列车巨大冲击力作用于桥梁上，桥梁结构产生的振动而辐射出的噪音，具有声级高、频率低等特性。现场在高架桥下方测试，列车速度在250公里/小时左右的情况下，其声级达85dB（A），其峰值能量集中在低频段。

3.降低高铁噪声的几点构想

根据以上分析，高铁运行噪声主要由几部分构成：集电系统噪声、气流噪声、轨道摩擦噪声、桥梁基础振动的二次噪声。以上噪声气流噪声成份的比例较多。要降低以上四种噪声，按现有办法是解决不了问题的，必须有新的思路和新的办法来解决。高铁作为一项发展时间不长的新技术，给我实行以下几点构想具有一定的可行性。以上分析的四种噪声源归纳起来可分三类噪声源：（1）气流噪声；（2）列车运行摩擦噪声；（3）路轨振动辐射噪声。

针对高铁经过居民区高架线路的特点，本文试图寻找一套降低高铁运行有效办法。其总体构想为：轨道振动噪声采用宽带减振构造；列车运行摩擦噪声源集中一起处理；车体尽量减少凸出部位，按照空气动力学特性进行设计，尽量减少湍流。具体方法如下：

 3.1路轨

（1）路轨振动辐射噪声的降低方法：

如前所述，高铁穿过居民区时，其路基多采用的是高架桥式。所以，本文讨论路轨时，只针对高架桥式路轨进行探讨。当列速以300km/h速度通过桥式路轨时，其产生的脉冲力引起桥架振动，其辐射噪声频率低，声级高。距现场测试，在桥梁正下方测试，当列车以时速250公里左右通过时，其A声级在85 dB（A）以上。

这种脉冲式的冲击力按傅立叶交换式；

f_脉冲(t)=f₀(w₀t)+f₁(w₁t)+f₂(w₂t)+……f_n(w_nt)

可得这种脉冲力引起的振动具有一定带宽。若采用单一减震材料和常规的减振办法，其效果有限。要降低脉冲力引起的振动，特别是冲量很大的脉冲力，采取的办法应该是加大振源质量和采用复合减振构造来减振，这样的效果才会明显。所以，在设计通过居民区高铁的路基时，应采用图（一）的方式：增加铺轨路基质量，其数量级至少应和车体的质量数量级相同；在轨道基础和高架桥箱梁基础之间铺设复合减振材料。

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    （2）列车运行摩擦噪声的降低

把集电系统从现有的列车顶移至列车底部，使所有列车运行时摩擦声源都集中在列车底部。这样，就可以集中在路轨上采取措施，来降低列车运行时摩擦产生的噪声。如图（一）所示；当列车通过居民稠密区时，条件许可时，应尽量设计单轨通道。这样的路轨，宽度较窄，采用吸声、隔声等方法，其效果更好。另外，很重要的是能大幅降低两列列车对开经过时的气流冲击产生的噪声。如果设计为双轨形式，则要在两轨之间设立隔离墙，见图（二）。采用的措施如图（一）所示的半敞开式路轨，其轨道的防撞墙内侧、铺轨路基铺表面均铺设强吸声材料。当列车经过时，这样的构造会形成一个近似封闭式强吸声隔声通道。列车的摩擦噪声就会大幅度降低。这样的设计，关键在于集电系统安置列车底部技术是否可行，这要求高铁科研设计人员来实行。

（3）气流噪声的降低

由于高铁运行速度都在80m/s以上，其产生的气流噪声成为高铁的重要声源。

按照莱特希尔（Lighthill）提出的空气动力声学的基本理论，流体的发声是源于高速流动的气体起伏运动，即由流动气体的湍流引起。也就是说在设计列车及列车编组外形时，应尽量减少湍流气体的产生。

当列车的集电系统设置在列车的底部时，列车车厢的突出部位就会变得很少，整个车厢就可以按照减少湍流空气动力特点设计。

列车运行时，车头挤入前方空气，空气会由于巨大推力而产生强大的无规气流，即湍流；当车体在空气中行进时，由于车厢表面设计按空气动力学设计，相对来说，产生的湍流较小，主要产生层流气体；当列车尾部脱离气体时，在列车尾部会形成一个负压区。负压区外的气流会高速流入负压区域，这样会形成一个湍流区域。按照莱特希尔理论，列车的车头和车尾在行进过程中产生的湍流噪声将是高铁运行的主要噪声源。这就给我们提出如何设计车头和车尾来降低气流噪声的课题。从原理和当前空气动力学发展的状况来看，设计一种高速运动中的低噪声列车头和列车尾应该不是一个困难的问题。

4.结论

高铁在我国属于刚刚起步的新兴学科。在发展过程出现的环境保护问题应该引起专业技术人员的高度重视。笔者不是从事高铁专业技术人员，本文只是从噪声控制专业的角度出发，提出一些不成熟的想法，供有关人员参考。