JOJO声学

 高速铁路的噪声污染及控制技术

1. 引言

目前，噪声对环境的污染已经成了一个世界性的问题。它与空气污染、水污染一起被列为当今世界三大主要污染源。其中交通噪声占较大比重。而铁路的高速化大大激化了交通噪声污染。

自从1964年世界上第一条高速铁路在日本诞生以来，铁路高速化已成了当今世界铁路发展的一个重要趋势。高速铁路噪声与控制的研究也就成了国际学术界和各国政府十分关注的一个课题。我国也已于2003年12月顺利开通了第一条时速200km/h的铁路—秦沈快速客运专线，并且，包括京沪高速铁路在内的多条高速铁路(客运专线)均将开工。可以预见，未来5～10年间，我国铁路高速化进程将大大加速。高速铁路噪声污染问题是摆在我国铁路科研技术人员面前的一项崭新的课题。

列车在轨道上运行时所辐射的噪声，既有同于其它噪声的基本特点也有其本身的独特之处，综合起来，有以下特点：①铁路噪声属物理性污染，没有污染物，不会积累，它的能量最终转变为热能而耗散掉；②当声源停止，噪声污染就消失了；③铁路噪声具有流动性，列车运行到哪里噪声污染就被带到哪里。这跟其它工业噪声有很大区别，影响的人群更加广泛。

列车在运行过程中所辐射的噪声是由各种不同类型的噪声组合而成的。可以按噪声产生的机理及噪声产生的部位对铁路噪声进行分类识别。按发生部位的不同，如图1所示，可以分成以下四类：

①轮轨噪声

轮轨系统在轮轨表面粗糙度激励下，引起轮轨系统振动而发出的噪声。主要是指车轮、轨道所辐射的的噪声。轮轨噪声以中高频噪声为主，主要频率范围大约为400Hz~4000Hz。

②空气动力噪声

车体表面及其附属物附近的气流发出的噪声。气流遇到物体就会产生涡流，随时间变化的涡流会发出强烈的高频噪声。

③集电系统噪声

电弧噪声、受电弓架空气动力噪声和受电弓与导线的摩擦所发出的噪声。

④结构物噪声

轮轨振动向下传递到桥梁结构、线路附近的建筑等结构物，使结构物向环境辐射噪声。

列车运行速度的不同，不同声源对总噪声的贡献大小也不同，其中，轮轨噪声在各种运行速度下均占重要地位。空气动力噪声以及集电系统噪声只有运行速度达到200km/h以上时才会明显地表现出来，而且随速度的增加而迅速增加。至于结构物噪声，它的大小跟桥梁结构的材质及自重关系较大。现在，高速铁路桥梁通常采用混凝土结构，与钢桥相比，结构物噪声显著降低。

3. 降低高速铁路噪声的技术措施

降低高速铁路的噪声，可以提高车内的乘坐舒适性，同时也大大减少了对沿线居民的噪声干扰。下面，从不同类型的声源角度谈谈铁路噪声的控制问题。

3.1 降低轮轨噪声的措施

    降低轮轨噪声对降低总体噪声的贡献举足轻重。目前，人们提出了许许多多关于降低轮轨噪声的技术措施。但是，效果显著并真正实现了工程应用的降噪措施一是定期打磨钢轨、镟削车轮踏面，二是设置声屏障。

由于轮轨噪声由轮轨表面短波不平顺所激发，因此，改善轮轨表面几何状态，乃是降低轮轨噪声的根本措施。日本新干线采用钢轨打磨技术来改善钢轨表面几何状态，获得降噪约5分贝的良好效果（图2）。然而，这只能说在一定程度上降低了轮轨噪声对环境的污染。

在声反射面上敷设吸声材料也是降低轮轨噪声的措施之一。例如，在板式轨道的轨道板表面上、列车裙表面、声屏障表面以及列车地板下表面敷设吸声材料，能使轨道近旁以及车内的噪声明显降低，但对离轨道较远处的效果不明显。国际上，德国高速铁路（如法兰克福-科隆线）以及日本新干线有相关工程应用 ^[1，2]。

在德国和日本的高速铁路，有过采用弹性橡胶车轮来达到降低轮轨噪声的试验研究，并取得了一定的降噪效果。但是，由于位于轮腹和轮箍之间的橡胶块在高温状态下容易老化而失去弹性，从而丧失降噪效果。例如德国ICE高速列车曾发生弹性车轮失效而发生翻车的严重事故，之后，人们对弹性车轮的应用就变得非常谨慎了。但是，随着技术的发展，橡胶的热稳定性问题终会解决，弹性车轮的工程应用前景是光明的。

此外，研究人员还试图从优化列车、轨道结构参数设计的角度入手寻求降低轮轨噪声的方法。例如，有人试图通过降低轨道结构刚度来降低轮轨噪声。再如，有人试图通过降低列车的簧下质量来降低轮轨噪声。应该指出，单方面地改善轨道结构参数，或者单方面地改善列车结构参数，都未必能真正起到降低轮轨噪声的效果。必须认识到：列车与轨道是一个大系统中的两个子系统，任一个子系统参数的改变都必然会对另一个子系统产生影响，而轮轨噪声是车轮与轨道结构振动的综合声学表现。因此，必须从系统的观点出发，依据机车车辆—轨道耦合动力学理论，来考察列车结构参数和轨道结构参数对轮轨噪声的影响。目前，本文作者正开展这方面的研究，并已取得了一定的进展^[3~5]。其中，关于轨道刚度的初步的结论是：在工程应用范围内，降低轨道刚度，能有效降低轨道结构的振动，从而降低振动能量向沿线环境传播，但是，对轮轨噪声基本无影响。

3.2 降低空气动力噪声的措施

700系为降低车辆的空气动力噪声采取的其它若干技术措施同样取得了显著成效。一是在高于250 km/h 速度时启用闭合车门扶手与侧门之间间隙的罩；二是车体与车门之间的间隙在5 mm 内，用密封橡胶使间隙量变小。原有的新干线列车，如300 系车，其前端底部有一个大空隙，因而产生空气动力噪声，700系经改进后，使用了底罩以遮住空隙。前转向架不仅产生机械噪声，也产生空气动力噪声。高速运行时，空气动力噪声严重，故也用罩来隔断转向架的空气动力噪声。经过上述改进，700系车辆显著降低了空气动力噪声，比300 系车的空气阻力降低了15%，空气动力噪声降低10 分贝 以上。

3.3 降低集电系统噪声的措施

针对不同原因产生的集电系统噪声，可以采取以下技术措施：采用双受电弓，以降低电弧噪声；改善受电弓滑板的形状，以降低受电弓架空气动力噪声；提高接触网的拉力，以减少受电弓与接触网之间的摩擦噪声。此外，减少受电弓数目，也是减少集电噪声的措施之一。最近，日本开发出了功能类似于声屏障的所谓“受电弓罩”，对集电噪声进行隔离，收到了很好的效果^[2]。

3.4 降低结构物噪声的措施

理论与试验研究表明，结构物噪声属低频噪声，比其它类型的噪声要小，对总噪声的贡献最小。打磨钢轨等降低轨道振动的措施也适用于降低结构物振动，从而降低结构物噪声^[5]。此外，通过采用道床垫(有碴轨道)、板下大胶垫(板式轨道)、加大结构物重量等措施，可以进一步降低结构物噪声。