（环境工程专业论文）高架轨道交通对声环境的影响评价与预测研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 结构振动产生的二次辐射噪声。根据已有研究表明高架结构噪声虽然在总噪声中 所占贡献量不大，但由于高架结构声辐射的复杂性，限制了传统意义上的声屏障 在铁路高架结构上应用的总体降噪效果。因此预测分析高架结构的噪声辐射对高 架结构线路区段的声屏障设计及噪声预测具有重要的意义。 关键词：高架桥：城市轨道交通；噪声预测；结构噪声；统计能量分析 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t h l1 e n ty e a 鹅，w i mn l e 锄e l 贸a t e dp r o c e s so f u r b a l l i z a c i o ni i l ( m i l l a 锄dt h er a p i d 出i v e l o p 】 n 咖o fn 1 0 d 锄劬n 叩1 0 r t a t i o n ，w 撕锄da i rp 0 1 o na 托p m d l l c e d ，a tn l e s a m e 出a e n o i p o l h l t i o na r ea l p d u c e d o i l r r 即t l y ，n l e 倘cn o i s ep o l 蜥o n i l l l h e 曲a n 就i v 心d 嫩e n th 够b e c o m eap 曲h cl 妣羽，s e d 叭l s l ym r e a t e n st op 咖l e - s h e a l m 锄dn o 咖a ll i 角t h en o i s e 删c d 筋m0 p 锄临i g 讹s 耐0 _ 哪l yi m p a c t r e s i d 饥t ；，眦d 曲u sc o n t r o l 锄dp 憾vc l ：l t i o no fr a i l 仃a 丘i cn o i s ep o l m o ni sv e r y i m p o r t a l l t e 潲s 毗蛐n o i s en o to n l ya 任e c t s 也eh 舶o f r e s i d l 斑sa l o n gm el i l l c ， b u ta l s 0d 懿t 1 1 嘁sb l m d i n g s i i lt l l er a i l 仃a n 印1 0 r ts 骖m ，n l em a i l li m p a c to n 粤0 吼d l i n 锱a n i ao v 商h e a d1 i i l e si s1 1 0 i s ep o l l u t i o n ，趾dm ei 玎1 p a c to nu n d e 礓舯m l dl i n 销， m a i l l l yi ：s 啊跏o n 觚dn o i s e ：峭e db y 啊跏o no fm es c c 加d a 巧s 臼m c t i l r e t h i sp a p l 嚣 m a i l l l yi 0 c u s 髓锄m ee l e v a 锄仃a i l ll i i l en o i s eg e 蝴t e d 缸帆n l | 埘吣仃a l i ni m p a c to n t l l ea c o u s t i ce n _ v i r m m e n t t 扯sp a p l e r 丘r s tr c v i e w so n 廿l eb a s i so f al 鹕em 毗l b 盯o fr e l a 伽l i 钯咖，跚m m s u pt l l ed 眦n e s t i c 觚di n t 黜a t i o n a lr a i l 倘cn o i s ep r e d i c t i o nm e l o do fo w 羽l e a d1 i i l 懿 a n dr e s e ；1 1 c hs t a t u s s o n d ，廿l i sp a p e rd i s c u s sa b o u tm eb 嬲i cd e 觚t i o no f 舯i s ea n dn o i s e - r e l a t e d e v 山撕( n 函t e r l i a a c c o r d i n gt or a i l 舰伍cn o i s es o u r c eg 铋e r a t e d 舶mm ed i f i ! 砾m t p a n s ，廿1 eu r b 觚r a i l 仃a 街cn o i s ei sd i v i d e di n t o 姗c a t e g o r i e s s i n “t 强鲫l s ，m e h 眈a r d s ：胁m 证b a l lr a i lt r a 咀s p o r ta r e 锄a l y z c d ，a n dr a i l 仃a 伍cn o i s ec o n 缸o lm c t h o d sa r c 黜撕z e d t h r o u 曲t l l ec o m p a r a t i v es t l l d yo f a1 a 蹭en u n l b e ro f p r o d i c t i o nm e t h o d s ， m et r a i l ：【n o i s ep 做l i c t i o nm e 廿1 0 d si n 廿l i sp 印e ra r ep r o p o s e d ，a n du s i n ge x i s t i n g l i t c r 砷l l r t 0v 甜匆廿1 ev a l u e s t b s tr e s u l t ss h o wt 1 1 a tm ep r o p o s e dp r c d i c t i o nm e 吐l o di s f e 舔i b l e 1 1 1 吼a c c o r d i n gt om es p e c i a ln a t u r eo f o v e r h e a d1 i n e sa n ds t a t i s t i c a l 吼盯g y a n a l y s i s ( s e a ) p r i n c i p l e s ，m e 硼m o ra p p l ys o u n da n d 、，i b r a t i o ns 证m l a t i o ns 0 脚a r c 沈阳理工大学硕士学位论文 a u t 0 s 勘屹t 0p r e d i c t 璩s o u 田【da n dv i b r 撕o nc o n d i t i o n so fm eb d d g es 仃u 咖r e ，t t l e 删t sf o r 删e c tp l 砒m i n g ，d e s i g n ，c o n s 协l c t i o n 锄d 、，i b 豫：t i o nn o i s ec o n t r o lm 韶s u r 髓 i s i n l p 供t a n t f 埘l y ，础n gt 0e x a m p l e ( f e 弱i b n i 锣s t u d yr c p o r t s 自o m 锄s h a nt 0h a ic i h e n 曲 o nt h e 梳n o i s ep r e d i c t i o na 诳i u a 缸o n 锄d 锄a l y s i s ，n l em l t l l o fc ( 难l b i n e dw i t l lt h e 既i v m m m e 删b 赦k j 梦砌v a l 器，a 砌y z e da n df 0 l 。e c 嬲t e d 也ea ：m s 缸c 锄州删m l e l l ! t 砸饥m dt h es 黜i 行y ep i d i n t s ，舭dt a k e n 雄i p r o p r i a 胞n o i s ec c 咀白的lm 黝圆玎髓们h o l i g ：h m e 妣蛐m 黝尽a 鲫髑，s 铋s i t i v ep o i 施o f 岫n o i v 亦煅m e e t u n d e n 啊l ：0 n m 舶t ais l a n d 莉sl i m i t s t h e 脚i n 啦r o d i m to fn 瑚崦n o i s e 舶md e v a 稍砌nl 妇i sm ew h e e l - 砌 i s e ，削腑w e dm i e 鲫咖妯| r y 协d i a t i o n 加i s ec a 吣e db ym i ee l 洲s t r u c t i ：啪 稍嘶撕o n e 虹s 6 n g 曲m i 懿s h o ws 白删n o i s es h a 他i s 锄a l li nl j i 璩t o t a l i 的i c ( 小喇b u 缸o n ，b 峨b 联擞l s eo ft h ee l 吼，a t e dc o m p l e x i t ) ro fa c o 砸嫩c 船d i a d o n ，枷d o 玎暇l 代翊i u c d o nn d i s ee f o c to ft ：h e 剐删b a m e ri l l 也ee l e v 砒c dr a i ls 1 羽觚珀毗弓i sl i m i t 酣 ，1 1 b h e 托f o r e 删啦柏dm 斌y s i s 蛐m c t u r en o i s em d i a d o n 缸峨t h e 们，e r h 翰dl i n 销i s 删s i _ 班j 6 i 明n 触嘲1 db 舡t i 盯d 耐龋锄dn d 删舐o n k e ”i d r d s ：v i “i u 税；u r b 觚r a i l 打觚s i t ；n o i s e 删i c t i o n ；蛐m c t m e - b o n 地n o i s e ；s t a 矗s l i c a l 既i e 理秒砌河s 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景与意义 随着我国国民经济的发展，城市规模不断扩大，流动人口大量流入城市，使 城市交通面临着严峻的形势。现代城市迫切需要有一个与现代化生活相适应的交 通体系，形成与城市发展相协调的综合交通格局。由于轨道交通具有运量大、污 染低等优点，广泛的被城市交通建设所采用，成为我国城市交通体系发展的重点。 我国城市轨道交通事业的迅猛发展，使轨道交通的振动和噪声污染成为影响 城市环境的突出因素。过量的振动和噪声严重影响城市居民的正常工作和休息， 降低工作效率，危害身心健康。目前，城市轨道交通振动和噪声问题已成为人们 日益关注的扰民和公害问题。 城市轨道交通的振动和噪声的污染防治，对于城市轨道交通的建设和经济与 环境协调可持续发展等方面具有重要的意义。随着城市轨道交通的大量建设，以 及噪声防治相关法律的强制实施，减振降噪在城市轨道交通的建设中将变的越来 越重要。 城市轨道交通按其铺设方式可以分为地下、地面和高架线路三种。高架轨道 交通作为一种经济、高效、安全的快速交通模式，已成为城市轨道交通建设的全 球性的趋势。相对于其它方式的交通类型的优势有如下几个方面： ( 1 ) 高架轨道交通建设占用土地少，充分利用空间结构，并且建设周期短。 ( 2 ) 与普通线路形式相比，高架轨道交通是在完全封闭的系统中运行的，安 全性比较好。 ( 3 ) 同地面线与地面道路交通相互交错的线路相比，高架轨道交通更为高效 和快捷。 高架轨道交通大多穿越或位于居民区和闹市区，因此振动噪声对周围环境的 影响变得十分突出。振动噪声问题是建设高架轨道交通的最大障碍，能否将振动 沈阳理工大学硕士学位论文 与噪声控制在最低限度内，是高架轨道交通在城市建设可行与否的关键。 城市交通拥堵问题日益成为影响城市正常运转的重大问题，高架轨道交通是 解决该问题的重要方式。高架轨道交通在运行过程中产生的噪声，影响沿线居民 的正常工作和生活，降低高架轨道交通噪声污染成为建造高架轨道交通必须解决 的问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 目前国内外的相关研究主要集中在轮轨噪声的模拟和预测研究。然而根据已 有的实验研究显示，距离轨道梁底7 m 处由结构振动产生的的噪声高达6 5 8 5 d b 。 因此，对高架轨道结构的振动和噪声辐射的特性进行模拟和预测研究，对于优化 轨道结构的设计方案，选择合理的减振降噪措施，促进高架轨道交通事业的快速 发展具有重要的现实意义。 由于高架桥梁结构的复杂性和辐射条件的复杂性，以及诸多不确定因素的影 响，故目前对列车在高架线路运行高架桥梁结构产生的结构噪声问题的研究还比 较少。国外只有日本在高架结构噪声方面有一些比较多的研究，其他国家对此的 研究相对较少。世界各国各自制定了符合本国特点的轨道交通噪声的预测模型， 其中比较典型的预测模型有日本的北陆法和德国的s d 试1 0 3 模式。 日本在高速铁路噪声预测领域做了许多工作，研究出了很多噪声预测分析技 术，其中具有代表性的为日本在建设北陆新十线时，采用的北陆法。北陆法将列 车运行产生的噪声按照声源产生的部位分成4 个部分，分别为集电系噪声、车辆 下部噪声、空气动力噪声和构筑物噪声。通过分别计算受声点接受的每一部分噪 声级后，再用能量叠加的方法计算总的噪声级。在高架区间列车运行产生的噪声 中，高架结构振动产生的二次辐射噪声十分重要，由于高架结构的声源位置比较 高，噪声影响的范围比较大，故在计算中不能忽略；北陆法在总的噪声级计算中 包含了高架线路的结构噪声，而非高架线路( 路堤线路等) ，在北陆法的计算中 则排除高架区间结构噪声的影响，如下式( 1 1 ) 。 三总= l o l g ( 1 0 仉1 妇+ 1 00 。1 船+ 1 0 “1 上，+ 1 0 n 1 “) ，1 1 、 第1 章绪论 式中：动集电系噪声( d b ) ； k 车辆下部噪声( d b ) ； 乙空气动力噪声( d b ) ； 如构筑物噪声( d b ) 。 构筑物噪声，主要以高架结构振动产生的噪声为主，北陆方法将构筑物噪声 视为无指向性的有限长线声源。声源的计算位置位于高架桥下面中心，考虑声反射 作用的影响，在计算时需增加一个虚声源，位置与前者成镜像的关系，如图1 1 所示。声源的长度即为列车的长度z 。受声点的噪声厶为两者作用的和。 图1 1 高架结构构筑物噪声辐射示意图 f i g 1 1s c h 锄t i cs t f l l c t m 鼍珞c l 吼僵t e ds 觚l c t l l 坞m d i 撕o nn o i s e 厶= 1 0 l g ( 1 0 0 1 k 1 + 1 0 0 1 b 2 ) ( 1 2 ) 式中：上棚构筑物直接辐射的噪声( d b ) 。 上位地面反射的构筑物噪声( d b ) 。 北陆方法按集电系噪声、车辆下部噪声、空气动力噪声和构筑物噪声进行预 测计算，符合高速铁路噪声构成的特点，比按照单一声源计算的方法更加合理和 可靠。北陆法可以为我国高速铁路和客运专线铁路噪声的预测提供计算参考，但 是由于我国车辆的选型和铁路线路形式与北陆新干线有所不同，应进一步结合我 国铁路的特点对源强等参数进行适当的调整。北陆法构筑物噪声声源的简化方法 较为简单，需要按照声屏障、梁体和桥墩等进一步细化，分别研究各部分的噪声 辐射特点，确定相关源强参数和模拟方法，提高预测结果的可靠性【l 】。 s d m l 0 3 是德国最重要的研究成果之一，也是德国评价铁路噪声最有代表性的 沈阳理工大学硕士学位论文 规范之一。 为计算一条线路或者一段线路上的交通辐射噪声，对车型相同、制动 车辆所占比例相同和速度相同的列车按照等级号i 分类。对于每一条线路j 或者每一 段线路k ，发射声级厶詹撤照下式计算： 广 厶，e = 1 0 l 剖1 0 乱“m 蛳珥训l + + + + ( 1 3 ) lj j 按照白天和夜间分别计算辐射的噪声级。式中引进了基准值5 1 d b ，为1 小时通 过一列l o o m 长的列车时，距离轨道中心线2 5 m ，离地高度3 5 m 处平地线路上的平 均a 声级。实际线路辐射的声级是在此基础上，按照实际的列车和线路的状况引入 修正值来进行计算的。” 德国s c h a l l 0 3 模式的思路不同于日本新干线的北陆法，此模式并未对噪声源进 行严格的分类而分别计算，而是将线路某一预测范围内按照一定原则分成若干段， 噪声源声级的计算是在噪声基准值5 l d b 的基础上对通过列车的类型、长度、速度、 桥梁结构和线路条件等影响因素进行修正后得出，预测点处的声级是在若干点源 声级的基础上通过对声传播的几何发散衰减、地面吸收衰减和空气吸收衰减等修 正后的声级进行叠加得出。s c h a l l 0 3 模式将分成的n 段线路的声源，都视为点声源， 存在和日本新干线北陆法相同的问题，将噪声源离散为点声源，在我孱列车车速 相对较低的情况下是不适合的，另外，将线路分为长短不一的若干段，也不利于 利用计算机系统的处理，故可操作性不强【2 】。 在车桥声振方面，n g a i ，k w 和n g ，c f 对高架铁路混凝土箱型梁进行了声振 测试，并验证了其理论分析的正确性。s 血n p s o n 等人采用统计能量分析法( s 勘吣 预测了既有结构的声功率辐射1 3 】。l 越，w k 等人对高架铁路噪声进行了大量测量， 并在此基础上对如岍和c r n 等几种预测方法进行了比较分析【4 】。詹森和汤普森嘲铂 h a n i s o n 等人嘲利用轨道模型计算输入功率输入到桥梁并结合一个简单的s e a 模型 计算桥梁的各个构件中的功率分配，计算的高架铁路结构噪声辐射在一个合理的 水平精度。基于此前的工作，汤普森和琼斯开发了一个称为n o r b e r t ( 铁路桥梁 和高架铁路结构噪音) 的预测模型忉。b e w e s 等人利用快速计算模型s e a 分析了铁 路振动功率传输到桥耦合振动的能量传播和噪声特性【s ，。 美国依利诺理工学院的朱光汉教授在随机振动的研究中，提出轨道不平顺随 机函数的谱密度函数，结合计算机技术模拟轨面不平顺随机函数，求解出列车和 第1 章绪论 桥梁结构振动的位移及加速度。此研究对列车通过桥梁时，桥梁结构的随机振动 分析有很大的改进，对后来的研究具有重要的意义f 9 】。 1 2 2 国内研究现状 我国铁道科学研究院的辜小安等学者在声波传播规律的基础上结合我国城市 轨道交通列车运行的实际情况，提出了适合我国城市轨道交通列车运行噪声的预 测模式，并且对北京、广州地铁地面和高架线路的实测结果与预测结果进行比较 分析，误差 1 6 d b ( a ) ，说明其提出的预测模式是可行的【t o 】。华东交通大学的房 建，雷晓燕以已有的城市轨道交通噪声预测模型为基础，提出改进的噪声预测模 型。并运用该预测模型对长春轻轨的噪声进行了预测分析。通过与实测值进行比 较得出，预测值与实际值的误差小于1 d b ( a ) ，表明其所提出的改进的预测模型可 准确反映长春轻轨的噪声级【l l ，。上海交通大学的胡新伟和武汉大学能源与动力工程 学院的龚超、柴启寅等使用结构有限元时程分析与间接边界元相结合的方法对轨 道桥梁结构的振动和噪声进行了研究【1 2 - ，】。北京交通大学的张旭，宋雷鸣以列车在 高架桥上运行的工况为例，建立了统计能量分析( s e a ) 模型，利用统计能量分析 软件对列车通过高架桥时的振动噪声进行了计算分析，得出列车通过高架桥的噪 声辐射能量集中在2 0 0 5 0 0 0 h z ，桥的声辐射总值比总的声辐射总值小大约4 d b 【t 4 l 。 上海市环境科学研究院的韩涛，毛东兴、刑绍文等针对国内具有代表性的莘闵线 轨道噪声旨进行空间数据采集，通过测试分析得到了城市轨道交通在整个影响区域 内的噪声特性【b 】。河北科技大学的沈洪艳，赵仁兴针对新建铁路专用线路的环境特 征，提出了铁路专用线声环境影响评价的程序、内容和方法【1 6 l 。上海交通大学的张 海滨，) 了泉等人将列车视为一个线声源，假设各处声功率强度相等，采用单极子 和偶极子传播模型拟合轻轨列车通过时的噪声，建立了高架轨道交通噪声辐射的 预测模型，并通过高架轨道交通线路附近的实测数据，分析了不同测点情形下的 模型适用性【- 7 】。 国内外研究表明，列车在高架线路上运行所产生的噪声主要成分是轮轨噪声， 其次是轮轨作用引发高架结构振动产生的二次辐射噪声，虽然高架桥的结构振动 产生的二二次辐射噪声在总的噪声影响中所占的比例不大，但是由于其噪声辐射复 沈阳理工大学硕士学位论文 杂特性及降噪的特殊要求，对其进行研究是十分必要的。对城市轨道交通的减振 降噪，国外正处于积极地研制开发阶段，我国从起步阶段就应把轨道减振降噪技 术对策作为重中之重对待，迎头赶上当今国际减振降噪的技术水平，吸取国外的 经验教训，以避免后期治理的危害。 1 3 本文主要的研究工作及内容 我国关于城市轨道交通建设项目的环境影响评价工作起步较晚，目前尚无一 套能十分准确的预测城市轨道交通的振动和噪声影响评价的方法和模式【1 8 l 。 虽然一些发达国家在铁路噪声预测方面进行了大量的研究工作，但是仍有一 些不足之处。在这些研究中一般预测的都是轮轨噪声，对于列车运行在不同线路 的噪声没有具体的研究，尤其是对于具有复杂辐射特性的高架轨道线路的噪声预 测，国内外的研究的很少。由于目前国内外对铁路桥梁噪声方面的研究不多，没 有详尽的公式，故在铁路噪声预测系统中，一般按取经验值或忽略不计的情况计 算，虽然其占总的噪声比例不是很大，但是由于其特殊的结构特性及噪声特殊的 分布特点，对其进行研究是必要的。 本文在总结和吸收前人研究成果的基础上，通过学习和研究国内外的先进噪 声评价与预测技术，综合考虑了铁路噪声的主要噪声源，优化现有的铁路噪声预 测模式，确立了本文的列车运行噪声预测方法。本文根据噪声源种类的划分，应 用统计能量分析s e a 法，对高架桥线路中的结构噪声进行了详细的分析。并应用已 有实测数据进行验证了本文采取的预测方法的可靠性，验证用此种预测方法是可 行的。进而应用到实际中，根据鞍山一海城城际铁路的可研报告，对此项目建成后 各敏感点噪声进行预测分析，对建设项目的规划、设计、施工、维护和振动噪声 控制措施等提供充分的科学依据，从而达到最优的结果，同时能够最合理、最大 限度地节约动迁费、工程建设费用等。 本论文完成的具体工作如下： 1 、学习和研究国内外的先进噪声评价与预测技术，确立本文的列车运行噪声 预测方法，通过查阅大量文献，确定了本模型预测的各参数值； 2 、认真学习了统计能量分析方法方面的理论知识，掌握了统计能量分析法的 第1 章绪论 基本原理，及应用此理论进行工程分析的过程。计算分析了统计能量分析中重要 参数，模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子、输入功率等； 3 、：研究了桥梁的结构，分析了桥梁构造并确定了桥梁结构的几何尺寸及各种 物理属性； 4 、对声振仿真软件血l t o s e a 2 进行认真的学习，掌握软件的建模方法和分析方 法，并利用a l l t 0 s b 屹软件对桥梁结构噪声进行预测分析； 5 、j 恨据鞍山一海城城际铁路实际情况进行，进行实例分析，结合对鞍山一海 城城际铁路敏感点调查及背景值的监测值，对线路运行后的噪声影响进行预测分 析，并根据实例分析的预测结果，提出相应的噪声控制措施。采取相应的减振降 噪措施后，使线路沿线敏感点的噪声值满足国家标准规定的极限值。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章城市轨道交通噪声综述 2 1 噪声的基本概念 2 1 1 声压、声强和声功率 目前，在声学测量中，直接测量声音的强弱较为困难，故常用声压来衡量声 音的强弱。我们把某一瞬时介质中的压强相对于无声波时压强的该变量称为声压， 用符号p 表示，其单位为帕斯卡( p a ) 。 声强是衡量声音强弱的物理量，其定义为在垂直于声波传播的方向上，单位 时间内通过单位面积的平均声能。声强通常用i 表示，单位为嘣，声强大小为 ，= 堡= 刖：( w m 2 )( 2 1 ) s p c 式中：矽声功率( w ) 3 s 面积( m 2 ) ； p 有效声压( m m 2 ) ； “质点振动速度有效值( i 眺) 。 声压或声强只反映空间某点的声学特性，不能代表声源本身的大小。反映一 个声源大小特性的物理量是声功率，我们把声源在单位时间内辐射的总声能称为 声功率，常用w 表示，单位为瓦( 聊，定义式为 形= i 胁 ( 2 - 2 ) 式中；卜围绕声源的传播面积。 2 1 2 声压级、，声强级和声功率级 声压级是声压的度量。声音的强弱变化和人的听觉范围是非常宽广的，用声 压的绝对值衡量声音的强弱是很不方便的，为此，人们考虑引用一个成倍比关系 第2 章城市轨道交通噪声综述 的对数量级，作为声音大小的常用单位；从声音的接收来讲，人的耳朵有一个很 “奇怪”的特点，当耳朵接到声振动以后，主观产生的“响度感觉”与强度的绝 对值并不成正比关系，而是更趋近于与强度的对数成正比。因此，我们将声压的 变化用一个对比关系的对数量级来表示，这就是声压级，其单位用d b ( 分贝) 表 示，其计算式为： 纠0 l g 专 ( 2 _ 3 ) 式中：z p 声压级，d b ； 功基准声压，在空气中p o = 2 x1 0 。5 p a 。 。 与声压相似，声强和声功率也可用声强级和声功率级表示。 厶_ 1 0 l 唔 ( 2 4 ) 式中：而为基准声强，是频率在1 0 0 0 h z 时的听阀声强，其值为l o 1 m 2 。 同理，声功率级的定义式为： 岛= 1 0 1 9 焉 ( 2 - 5 ) 式中：w o 为基准声功率，其值为1 0 1 2 w 。 声压级与声强级的关系为： 厶= 4 + 6( 2 6 ) 汪埘僻蚓 倍7 ， 式中：只大气压，砌； 沈阳理工大学硕士学位论文 2 1 3 频谱分析 人耳可听阀的频率范围大约是2 0 h z 到2 0 0 0 0 h z 。对于如此广阔的范围，为研 究问题方便，在声学中一般把声频范围划分成若干个小区间，称其为频程，也叫 频段或频带。 倍频程数n 和频率f 的关系是： 2 协卅g ：鲁 弘8 ， 式中：五，五任一频程的上限和下限频率，h z ； 刀倍频程数，正实数。当n - l 3 时，称为1 3 倍频程；当n _ l 时， 称为1 倍频程；当嗍时，称为2 倍频程。 各倍频程的中心频率值厂是指该倍频程的上限频率和下限频率的几何平均值， 即厂= 石五，鲈= 以一z 称为绝对带宽。 可见，当倍频程数目万一定时，绝对带宽随中心频率的增加按一定的比例增 加。工程中采用三分之一倍频程频带宽，下表为1 3 倍频程的上、下限频率和中心 频率刚，见表2 1 。 一 表2 1 三分之一倍频程频带分布 1 a b l e 2 10 n e 曲砌o c t g 啪b a n dd i s 缸m 嘶 单位；h z 第2 章城市轨道交通噪声综述 2 1 4 噪声的评价量 噪声评价量的种类较多，噪声评价量主要有：a 声级、等效连续a 声级、最 大声级、累计百分声级、噪声评价等级数( n r 曲线) 等。下面简介一些与轨道噪 声有关的比较常用的噪声评价量。 1 、a 声级 a 声级是指用声级计的a 计权网络测得的声级，单位为分贝，记作d b ( a ) 。a 声级用来模拟人耳对5 5 d b 以下低强度噪声的频率特性，它能够较好地反映人对噪 声的主观评价。a 声级广泛应用于噪声计量中，已经成为国际标准化组织和绝大 多数国家评价噪声的主要指标。 2 、等效连续a 声级 等效连续a 声级是将声场某点在一段时间内暴露的几个不同a 声级，用能量 平均的方法，以一个a 声级表示该时间段内噪声强度的大小，这个声级称为该点 在这段时间内的等效连续a 声级，用厶r 表示，单位是d b ，通常用符号k 表示。 k 删文去p 川j q 哪 一般在实际测量时，多半是间隔读数，即离散采样的，因此上式可改写为： 协秒埘，l o ( 2 - 1 0 ) 3 、最大声级 轨道交通噪声的评价量主要是等效连续a 声级，但是由于轨道交通噪声具有 时间上的间歇性的特性，在有无列车通过时的情况下，其声压的相差非常大。特 别是日通过车次比较少的线路，列车通过时的等效连续a 声级与a 声级相差很大。 在这种情况下，对轨道交通声环境影响评价除了要使等效连续a 声级值满足有关 沈阳理工大学硕士学位论文 的标准外，还要考虑列车通过时的a 声级值，也就是要使最大声压级也控制在某 个限值内。 4 、累积百分声级 累积百分声级是一种统计百分数声级。其定义为在规定的测量时间t 内所测 得的声级中，有n 的时间超过某一声级如值，则这个值称为累积百分声级，单 位为d b ( a ) 。累积百分声级用来表示随时间起伏无规噪声的声级分布特性。三j d 相 当于噪声的平均峰值，岛相当于噪声的统计平均值，三如相当于噪声的本底值。累 积百分声级可以用来测量、评价由多声源组成的、能量分布随时间变化的城市环 境噪声和交通噪声鲫。 5 、噪声评价等级数( n r 曲线) 噪声评价等级数是将所测噪声的倍频程带声压级与标准的n r 曲线进行比较， 用所测的最高的n r 值表示此噪声源的噪声等级。n r 曲线上的代号是曲线通过中 心频率l 慨的声压级，适用于中心频率从3 1 5 8 0 0 0 h z 的9 个倍频带。用n r 曲线可以评价噪声对听力损伤、使人烦恼程度和语言干扰等。 2 1 5 城市各类区噪声标准 我国目前尚无评价城市轨道交通噪声的环境标准，目前监测、评价城市轨道 交通噪声环境评价影响的技术依据主要参照铁路边界环境噪声限值及其测量方 法( c 眼1 2 5 2 5 ) 、城市区域环境噪声标准( g b 3 0 9 6 ) 及城市区域环境噪声 监测方法( ( b 厂r 1 4 6 2 3 ) 【笠l 。各类声环境功能区规定的环境噪声等效声级限值e 2 3 1 ， 见表2 2 。 第2 章城市轨道交通噪声综述 2 2 城市轨道交通噪声 2 2 1城市轨道交通噪声的特点 城市轨道交通的运行时间代表了由轨道交通运行所产生的噪声影响时间段， 一般是在5 ：o o 2 3 ：0 0 之间。在这个时间段内，列车的运行间隔决定了轨道交 通噪声的影响频繁度。轨道交通的噪声是间断的，不连续的。这是轨道交通与普 通道路交通噪声的不同点，普通道路交通属于分散型噪声，由众多行驶的机动车 共同影响，控制难度较大c 2 4 】。 2 2 2 城市轨道交通噪声的分类 城市轨道交通噪声是由不同类型的噪声组合而成的，本文按噪声产生部位可 将其分为轮轨噪声、集电系噪声、空气动力噪声和轨道结构噪声等【2 5 1 瞰】，铁路噪声 声源示意图见图2 1 。 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 1 铁路噪声声源示意图 f i g 2 1s 瓤锄旧吐cd i a g 阳mo f r 碉w a yn 试m 1 、轮轨噪声 轮轨噪声是由于钢轨与车轮之间相互作用，造成车轮和轨道的振动而产生的， 由滚动噪声冲击噪声和啸叫声3 种类型组成【2 7 】，以低中频成分为主，其峰值频率 主要集中在1 2 5 2 0 0 伽z 。 ( 1 ) 滚动噪声 滚动噪声是轮轨间接触时发出的噪声，影响其发生的最主要因素是车轮踏面 和轨道踏面的表面粗糙不平顺。由于车轮踏面和钢轨的表面粗糙和凹凸不平，当 车轮在钢轨上滚动时，对钢轨产生冲击，使钢轨和车轮产生受迫振动而向外辐射 出噪声。滚动噪声与运行速度的2 次、3 次方成正比，它与车轮的重量也有关系。 滚动噪声是一种连续的噪声。 ( 2 ) 冲击噪声 第2 章城市轨道交通噪声综述 冲击噪声是指车轮通过钢轨接头、道岔部分或者擦伤的车轮在钢轨上滚动时， 由于产生剧烈的冲击而辐射的噪声。冲击噪声与滚动噪声的不同之处在于其产生 的冲击：是较大的且是不连续的。它与列车运行时的速度有关，是一种周期性的噪 = j b 户o ( 3 ) 啸叫声 啸叫声是车辆通过小曲率半径轨道、道岔时或者车辆制动时引起的较高频率 的刺耳的强噪声。由于铁路系统现多采用大半径曲线、长钢轨无缝线路及焊接接 头打磨等技术，冲击噪声基本得到了有效的控制【2 8 ，。 2 、集电系噪声 集电系噪声主要由电弧噪声、受电弓系统气动噪声和受电弓滑动噪声组成。 电弧噪声是受电弓与导线之间发生脱离，产生离线现象而发出的电火花声， 由于线路、车辆结构等多方面的因素，在车辆运行时，容易产生因受电弓脱离导 线而形成电火花声。 受电弓系统产生的气动噪声是由构成受电弓的各种杆件与风摩擦产生的噪 声。受电弓罩对降低受电弓系统的气动噪声具有明显的效果。 受电弓滑动噪声是列车在高速运行时，受电弓的滑板与接触线之间滑动而产 生的机械振动噪声，噪声值与运行的速度成正比。受电弓滑动噪声远远小于其他 两种噪声脚】。 3 、空气动力噪声 空气动力噪声主要产生于车体结构表面，是列车运行时对空气的扰动而产生 的，气流黏滞性在车辆表面引起附面层压力变化，激发表面振动，它与车辆的外 观轮廓和车速有关。空气动力噪声主要来源于车辆顶部的空调装置和通风装置。 列车在隧道内高速行驶时会形成强大的爆破声，对环境造成很大的干扰【3 0 1 。 4 、轨道结构噪声 轨道结构噪声是列车在通过地下隧道、高架线路或地面线路时，由于轮轨表 沈阳理工大学硕士学位论文 面的相互作用，把产生的振动能量传递给地基、桥梁结构、轨道等，使地下结构、 桥梁、附近建筑物墙壁产生振动进而辐射噪声。列车通过高架桥梁时，轮轨会激 发桥梁结构的各个构建产生振动，形成二次辐射噪声。由于高架轨道结构的声源 位置较高，所以轨道结构噪声产生的影响范围也较大。这种桥梁结构振动产生的 噪声是普通线路中所没有的，代表了桥梁噪声的特点。因此铁路桥梁噪声比普通 线路噪声增加了一种桥梁结构噪声，对于没有采取任何噪声防护措施的桥梁，噪 声往往高于一般线路的噪声s 】。 城市轨道交通产生的噪声是各种噪声的综合效果，并且受列车运行状态和轨 道设备等因素的影响。在产生噪声的众多因素中，其所占的比重各不相同。荷兰 学者d i 缸c hmg 通过研究得出，当列车的运行速度低于6 0 l c i 们i 时，列车牵引电机 及辅助设备噪声占主要的成分；当列车以6 蛐2 0 0 l a n ：l l l 速度运行时，轮轨噪声 占主要的成分；当列车运行速度高于2 0 0 b ：油时，空气动力噪声占主要的成分。日 本高速铁路的噪声测试资料分析表明：当列车以2 1 0 虹汕的速度运行时，总的噪声 值为8 0 d b 。其中，轮轨噪声为7 8 d b ，集电弓噪声为7 4 d b ，桥梁结构噪声为7 1 d b ， 空气动力噪声为7 0 d b 。此研究表明，列车以不同的运行速度运行时，其噪声的组成 也是不一样的【3 z 】。 城市轨道交通的运行是间歇的、不连续的，其引起的振动与噪声不是全天候 的。由于我国城市轨道交通一般的运行速度在6 0 8 蛐之间，所以城市轨道交 通噪声主要来是列车运行时的轮轨噪声。高架线路运行中的列车见图2 2 。 图2 2 高架桥上运行中的列车 f i g 2 2t r a i n sm n n i n go nt h ev i a d u c t 第2 章城市轨道交通噪声综述 2 2 3 城市轨道交通噪声对人体的危害 城市轨道交通的运行给沿线的物理环境及生态环境带来了许多不利的影响严 重威胁着人们的正常生活和身心健康。噪声对人的影响是一个十分复杂的问题，不 仅与噪声的性质有关，还与每个人的心理、生理以及社会生活等多方面因素有关。 若长时间生活在噪声值超过国家规定的标准限值的环境中，就会对人体造成极大 的伤害，对人体造成的危害主要表现在以下几个方面。 1 、对睡眠的干扰 噪声会干扰人的睡眠，连续噪声可以减低睡眠的深度，使熟睡变为轻睡，睡 眠质量降低，熟睡时间变短。突然的环境噪声可以使人惊醒，破坏睡眠质量。 2 、对听力的影响 长j 弭工作和生活在强噪声环境下的人们，听觉器官持续不断的受到强噪声的 刺激，耳朵容易发生器质性病变，导致听力下降，形成噪声性耳聋。 3 、对健康的危害 “ 人长时间暴露在强噪声环境中，会损害人体心血管系统，出现血压增高、心 跳次数增加，心率不齐等症状；紊乱人体的神经系统功能，经调查发现，长期生 活在高噪声环境中的人群，容易出现头痛、头昏、失眠、耳鸣、记忆力减退等神 经衰弱综合症；对人体消化系统产生不利影响，产生胃功能紊乱，食欲不振等症 状：还会影响人体内分泌系统，以及损害女性生理机能等。 4 、对工作的影响 由于噪声的干扰，容易使人心情烦躁，产生疲劳，注意力不集中，反应迟钝， 使工作效率下降。噪声分散人们的注意力，使人难于思考，不仅影响工作效率， 而且容易产生失误和差错，进而引起事故发生【3 3 】【3 4 】。 2 3 控制措施 根据城市轨道交通噪声的形成机制和特点，降低噪声应从四个方面考虑：一 是针对噪声源研究降低噪声源强度的办法，使其向外辐射的声波能量尽可能低； 二是在噪声的传播途径上采取措施，尽可能增大衰减；三是受声物的控制；四是 合理规划轨道交通布局。 沈阳理工大学硕士学位论文 豳2 3 城市轨道交通噪声降噪措施示意图 f i g 2 3 咖r a i l 嘣c n o i s e 删蛐蛳蝴s c h 锄而c 2 3 1 控制噪声源 l 、轨道噪声的控制。主要是通过控制轨道的结构，对钢轨采取减振措施实现 的。研究表明，影响轨道结构振动特性的主要参数是质量、阻尼和刚度等。城市 轨道交通通过改变轨道结构的振动参数来控制振动，从而起到控制噪声的作用。 表2 3 轨道噪声控制采取的主要措施 t l f b l e2 3r a i ln o i c o n t r o lm s l l 坞8t a k e nb ym em a i n 序号轨道噪声控制采取的主要措施 优化轨道结构，采用重型钢轨，铺设无缝线路 采用新型轨道结构，如浮置板式的轨道结构 选用合适的道床形式 打磨钢轨和车轮作用面，使其表面平滑、光洁，降低滚动噪声 在车轮上设谐振消声器，在轨道车辆转向架上采用橡胶轮胎来降低轮轨噪声 高架轨道结构尽量采用箱形混凝土梁，少采用钢梁，桥梁支座采用橡胶支座， 桥梁两侧设置隔音板 1 8 1 2 3 4 5 6 第2 章城市轨道交通噪声综述 2 、车辆噪声的控制。对车辆噪声采取的具体控制措施【3 5 1 如下表2 4 。 表2 4 对车辆噪声采取的主要控制措施 t a b l e 2 4 0 f v 出c l cn o i c o n 僦m 嘲u 潞洳b y 也e 瑚i n 序号车辆噪声采取的主要控制措施 利用结合面间摩擦阻尼和材料内摩擦阻尼抑制机车、车辆车体结构振动 合理设计列车外观，使机车头部流线化，列车外表面尽量平滑 采用弹性车轮、充气橡胶车轮，在车轮上设弹性橡胶元件 采用直线电机牵引，尽量减少集电弓的数量，安装集电弓外罩 进行车辆轻量化设计，减少车辆自重 采用盘式制动代替闸瓦制动，改善踏面状态； 采用粉末冶金烧结闸瓦代替铸铁闸瓦等 2 3 2 控制噪声的传播途径 1 、设置声屏障。声屏障是一种降低噪声的有效措施。声屏障的主要功能是阻 止直达噪声的传播、隔离透射声、衰减衍射声，使噪声得以衰减。所谓声屏障是 用隔声结构作屏障，设置于声源和接受点之间，阻挡噪声直接传播到接受点的降 噪设备。在城市轨道交通地面线路和高架线路中使用声屏障可以阻挡大部分声源 的辐射传播。在轨道交通两侧设置声屏障时要尽量长些，声屏障越长，降噪效果 就越好。目前国内用于城市轨道交通线路声屏障的形式，主要有普通直立式、半 封闭式和全封闭式。直立式高度一般为2 2 5 m ，半封闭式一般为5 5 6 5 m 。声 屏障的类型见图2 4 。一般路堤式声屏障在声影区内的降噪效果在7 6 1 0 9 d b ( a ) ， 桥梁声屏障降噪效果在8 3 9 6 d b ( a ) 之间；全封闭式路堤声屏障降噪效果可以高 达2 7 8 d b ( a ) 。 1 2 3 4 5 6 沈阳理工大学硕士学位论文 ( a ) 全封闭式 ( b ) 直立式 图2 4 声屏障的类型 f i g 2 4 ，n l et y p eo fs o l l n db a 耐e r 2 、绿化降噪。在道路两侧地面进行绿化，栽植树木和草皮以降低噪声。从遮 隔和减弱城市噪声的需要考虑，配植树木应选用常绿灌木与常绿乔木树种的组合， 并要求有足够宽度的林带，以便形成较为浓密的“绿墙”。通过植物对声波的反 射和吸收作用，减少声波的能量，能够有效减低交通噪声。 3 、吸声材料和吸声结构降噪。吸声降噪，指采用吸声的材料吸收噪声、降低 噪声强度的方法。地下车站采用吸声材料和吸声结构，粘附于墙壁或悬挂空中， 做吸声处理，如大面积空间吸声体和穿孔板共振吸声结构，道床侧面装置采用吸 声材料，车站内采用倒l 形声屏障站台；利用管道包扎来消除管道系统的噪声。通 过设置车轮隔声罩和在车辆两侧设置下裙边并在内侧设置吸声材料，在隧道内、 车内靠近声源的一侧采用吸声涂层等措施，可减少噪声反射，降低噪声。 4 、隔音结构降噪。在轨道沿线修建低隔声墙和隔音罩，都能起到切断或减弱 空气声的传播途径，降低噪声的目的。安装屏蔽门是减少候车( 厅) 站台因列车行 驶带来噪声的一个行之有效的手段r ，。 2 3 3 控制受声物 在对噪声源及其传播途径采用控制措施的同时，还可以通过对线路两侧的建 筑采取加厚墙体，提高其面密度；墙体外表面设吸声层，提高其吸收线路噪声的 能力，使其隔声能力增强；在面向线路一侧的建筑物的门窗安装吸声材料，减少 辐射入室内的噪声。另外还可以通过调整建筑物的功能和布局，加大噪声敏感点 2 n 第2 章城市轨道交通噪声综述 与轨道之间的距离，减小了线路噪声对敏感设施的干扰，达到降噪的效果【，s 】。 2 3 4 合理规划城市轨道交通 在实施上述主要控制措施的同时，还应考虑城市轨道交通的合理规划。考虑 轨道交通对环境的影响，轨道交通系统的运行，将带来新的环境问题，如噪声、振 动等，影响周围居民的生活质量。