(2011-04-25 10:59:59)

标签：  郑西   广深   声屏障   噪声   高铁

分类： 学术文章

 

声屏障不能用来降低高铁（350km/h）运行噪声

 

文环凌¹、熊南峰²、索海波¹

          （1.深圳市保泽环保科技开发有限公司,深圳518109；2.北京理工大学珠海学院,珠海519000)

摘要：本文分析了高铁运行噪声产生的机理、以及声屏障在噪声处理中运用的局限性；论证了高铁在高速运行中产生的强大气流冲力冲击铁路边的声屏障所产生的“再生噪声”，远大于声屏障对高铁运行噪声的衰减值；得出用声屏障技术措施来降低高铁的运行噪声是完全错误的的结论；声屏障不仅不能降低高铁的运行噪声，而且进一步加大高铁的运行噪声。

 关键词：高铁；高铁噪声；声屏障;强气流

 

    Noise barrier cannot be used to decrease express railway (350km/h) noise

          Wen huanling¹  xiong nanfeng ²,Suo haibo¹,Wen chaolin¹

   (1.Shenzhen powerchair EPTD Ltd. Shenzhen518109；2.Beijing polytec. university at Zhuhai,Zhuhai519000)

Abstract：This paper analyses the generated mechanism of express railway noise and noise barrier function ；demonstrates that the huge airflow impulsive force generated by the supper high speed train impacts on the noise barrier beside railway and the regenerated noise is much bigger than noise decreased by the noise barrier. The conclusion that the noise barrier is used to decrease the noise of express railway is completely wrong.

 

高速铁路近年来在我国得到了快速发展。武广客运专线、郑西客运专线已于2010年投入运营，2011年预计广深客运专线、京沪客运专线将投入运营。“十二五”期间将会有更多的客运专线建成。高铁运行中的环保问题是高铁发展中不可回避的大问题。特别是高铁运行中产生的噪声和振动问题对于沿线居民带来影响是有待攻克的技术难题。已建成的上述线路噪声问题处理利用的主要技术手段，是在铁道受影响的地方建声屏障的方法。国家也因此投入了巨资，如武广、郑西、广深高铁，投资声屏障是6个多亿，正在建设的京沪高铁投资达50多个亿人民币的惊人费用。这些投入能解决高铁的噪声问题吗？声屏障究竟能不能用在高铁的噪声控制中？本文旨在这一问题上做较深入的探讨。

一、高铁噪声特点

现在我国的高铁列车运行的时速为350km/h。这种速度已达到了波音、空客等大型客机起飞时的速度。为了列车行车安全和乘客乘坐平稳、舒适，其高铁轨道构造与普通列车轨道构造相比有如下特点：

（1）、为了列车运行安全和节约用地，高铁绝大部分路基采用高架桥路基；

（2）、为了防止高速行驶列车产生的气流使石子飞起从而和列车相撞产生事故，高铁轨道采用轨道形式为无渣轨道；

（3）、高铁轨道采用了先进长钢轨焊接工艺，几千公里的铁路轨道，能做到无一个伸缩缝隙。这样，列车行驶起来会更安全、更平稳。

    高铁噪声产生的机理和普通列车没有区别；即轮轨噪声、集电系统的电弓和输电线摩擦噪声、电弧放电噪声、气流噪声以及列车冲力作用于桥梁产生振动辐射噪声。

    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、由于高铁的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。

二、高铁运行时气动特性分析

    我国的高铁铁轨的宽度采用于普通铁轨相同的宽度。即两轨之间的距离为1.435米，复线的路基宽度大约13米左右，（如图2，高铁的车厢高度和宽度为3.3X3.3米左右）。声屏障安装距离离列车车厢2米左右。当列车以每秒近100米的速度（350km/h）高速运行时，其列车产生的“活塞风”的正面风速高达到100米/秒左右，如此高速度的气流，在高速铁路沿线产生了巨大的冲击力。这种气流的正面冲击力可按照伯努利方程式计算出。

 

          Wp= ρ_ov²/2

 

式中Wp为压力（Pa）或(kg/㎡) ，ρo为标准情况下完全密度(kg/ m³) ,V为风速（m/s）。

将V=97.2m/s 带入上述公式，得到风压Wp=591kg/m²。其数字达到了惊人的程度。而自然界存在的台风的最高级12级飓风的风速风压也分别只有；V=36.9m/s,Wp=85.1kg/m2。众所周知，自然界的飓风破坏力是惊人的。

http://s5/middle/5ec1b004ga1b5781cba74&690

 

图1 列车运行气流示意图

http://s9/middle/5ec1b004ga1b57a2cbad8&690

 

图2 高架桥路基示意图

 

下表是自然界的风速和风压关系以及在自然界的表现对照表

风级 风速 风压对照表
Wind scale and Wind speed，Wind force list  (for designed)
风级	名称 Wind name	风速 wind speed		风压W0=V2/16（kg/m2)，10N/m2	陆地地面物体征象	海面状态
		km/h	（m/s）
0	Calm无风	<1	0-0.2	0-0.0025	静	静
1	light air 软风	1-5	0.3-1.5	0.0056-0.014	烟能表示方向，但风向标不动	微波
2	light breeze轻风	6-11	1.6-3.3	0.016-0.68	人面感觉有风，风向标转动	小波
3	Gentle breeze微风	12-19	3.4-5.4	0.72-1.82	树叶及微枝摇动不息，旌旗展开	小波
4	Moderate breeze和风	20-28	5.5-7.9	1.89-3.9	能吹起地面纸张与灰尘	轻浪
5	Fresh breeze清风	29-38	8.0-10.7	4-7.16	有叶的小树摇摆	中浪
6	Strong breeze强风	39-49	10.8-13.8	7.29-11.9	小树枝摇动，电线呼呼响	大浪
7	Moderate gale疾风	50-61	13.9-17.1	12.08-18.28	全树摇动，迎风步行不便	巨浪
8	Fresh gale大风	62-74	17.2-20.7	18.49-26.78	微枝折毁，人向前行阻力甚大	狂浪
9	Strong gale烈风	75-88	20.8-24.4	27.04-37.21	建筑物有小损	狂涛
10	Whole gale狂风	89-102	24.5-28.4	37.52-50.41	可拔起树来，损坏建筑物	狂涛
11	Storm 暴风	103-117	28.5-32.6	50.77-66.42	陆上少见，有则必有广泛破坏	狂涛
12	Hurricane飓风	>117	32.7-36.9	66.42-85.1	陆上极少见,摧毁力极大	海浪滔天

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

三、高铁安装声屏障的不适用性分析

    声屏障用在列车速度低于每小时100公里的道路边，对降低铁路噪声是行之有效的。这是因为列车在较低速度运行时，其轮轨的辐射噪声占很大成分。现我国铁路上使用的声屏障一般为两种；一种为珍珠岩和蛭石制品作为吸声材料的声屏障，另外一种为穿孔金属板吸声材料结构声屏障。它们的高度一般为2.5米—3米之间。轮轨的噪声的声源发声点在轨道上，声源高度和声屏障的底座相同，所以其声屏障降噪效果是较好的。但把降低低速铁路噪声的方法用来降低高速铁路噪声，就会出现完全不适用且会得到相反的效果。下面我们系统分析一下声屏障在高铁中使用的情况：

 

1、轮轨噪声。

高铁的轮轨噪声前面已经论述。由于轨道没有伸缩缝，其噪声主要由车轮和轨道摩擦产生，声屏障对高铁的轮轨噪声还是有用的，但轮轨噪声占高铁噪声的比例较低。整体来讲，其降噪效果不好。

 

2、集电系统噪声

高速列车集电系统在高速运行下会产生较强烈的噪声。这种噪声主要由弓网滑动摩擦噪声、放电电弧噪声以及电弓凸出部分，在高速运动状况下产生气流噪声。这类噪声源高度都在声屏障的高度以上，声屏障对此噪声基本没作用。

 

3、气流噪声

这类噪声主要由车箱体部分产生，此类噪声大致可分为两部分，一部分气流通过车体表面摩擦产生的噪声；另一部分为气流通过凸出车厢铁部件产生的噪声。按气流形态分，可归纳为层流气体噪声和湍流气体噪声。由于车体气流噪声声源接近面声源形式，声源高度在铁路路基以上0—3.3米之间，则声屏障对此类噪声部分有效。

 

4、高架结构噪声

   这类噪声主要由运行的高速列车冲击桥梁结构,从而激发桥梁结构振动辐射产生。声屏障对这类噪声没有作用。

 

5、声屏障“再生噪声”

 如上所述其高铁运行时，其气流的正面的风压达591kg／㎡。按理在这种气流强大冲击的两侧不应该设置任何障碍物，应保留一定的安全距离。但我国的高铁设计者们，在没有弄清声屏障在高铁中使用是否科学的情况下，设计了惊人数量的声屏障。如此高速的气流，哪怕是边缘气流，其冲击力也是足够大的。具体的冲击力的计算非常复杂，但即使10公斤/平方米的力作用在铁路边的声屏障上，声屏障的整个屏体也会产生振动而辐射噪声。事实上，这种振动辐射的“再生噪声”声级之高，令人惊讶。当列车通过时，就像飞机经过一样，震耳欲聋。同时现场明显感觉到噪声主要是气流冲击形成。根据现场初步测试，列车以350km/h速度通过装有声屏障路段时，20米左右处测得噪声达100dB(A)以上。这种噪声完全掩蔽了高速列车自身行驶产生的噪声。所以，声屏障在高铁上不是降低噪声，而是制造噪声。

 

四、现场初步测试结果   

我们组织了广东境内的清远和花都部分高铁路段噪声现场测试。由于花都为广州北站，一般高铁列车都会在此停车。这些列车进站时都会放慢车速。所以，可能在花都测试路段的列车速度达不到350km/h，而在清远五一码头测点，其列车运行速度应该达到350km/h。

其测试结果如下：

   http://s2/middle/5ec1b004ga1b5ebbb9db1&6901、测试点一：松园路靠近京广铁路一侧（无声屏障）

测试结果：

 

 

测点离高铁路基大约40米，测试高度1.2米左右。

 

测试点二：武广高铁高架桥与三华村三华路交汇处（有声屏障）

 

测试结果：

 

 

测点离高铁路基40米左右，测试高度1.2米左右。

 

 

测点三：清远离五一码头2000米处（无声屏障）

 

测试结果：

  

本底噪声	70dB（A）
高铁经过时的噪声	88dB（A）

 

测点离高铁大约35米，测试高度1.2米左右。

 

测点四：清远五一码头（有声屏障）

 

 测试结果：

 

本底噪声	70dB（A）
高铁经过时的噪声	94dB（A）

测点离高铁35米左右，测试高度1.2米左右。

 

 

五、结论

综上所述，我们得出如下结论：

1、由于高铁列车高速运行产生巨大气流冲力作用在声屏障上，其屏体强烈振动产生的“再生噪声”比高铁本身的运行噪声要高。初步测试结果表明：高铁（350km/h）安装了声屏障的噪声比没有安装声屏障的噪声高出5-8dB(A)。

 2、采用声屏障来降低高铁噪声方法是错误的。它不仅不能降低噪声，而且放大高铁运行的噪声；同时声屏障长期周期性的受强气流冲击，使用寿命也给高铁安全运行带来了隐患。

 3、我国运行的动车组（250km/h）声屏障使用情况如何，有待国内同行验证。

 

  高铁在我国作为一项快速发展的新技术，存在着一些有待完善提高和攻克的地方。高铁的噪声问题就是一项哦待解决的课题。从事噪声研究领域和设计的同行们，应共同努力探索另外行之有效的高铁噪声治理新途径、新方法，为我国的高铁发展作出新贡献。

参考文献：

 

[1]文环凌，公路声屏障设计中的几个技术参数的确定方法，第十一届全国噪声与振动控制工程学术会议。

[2]张曙光，350km//h高速列车噪声机理、声源识别及控制，中国铁道科学 2009年第一期