随着世界高速铁路向更高速度发展，噪声已成为高速铁路运营面临的关键问题之一。本文总结了中国在高速铁路噪声控制领域的创新性工作与成效，结合中国CR400动车组在更高速度等级时的噪声源分布特征，文章从车体轻量化、转向架包覆、车体表面平顺化及低阻力受电弓等方面提出CR450动车组噪声控制的重点优化方向，并建议同步推进基础设施减振降噪产品的推广应用，从“车-线-传播途径”等方面开展全方位系统性攻关，明确中国更高速度等级高速铁路噪声防治的要求和发展方向。
1 国内外高铁噪声控制要求
国内外对于高速铁路噪声影响有不同的标准和评价指标，主要包括机车车辆的运行辐射噪声标准、铁路噪声排放标准和声环境质量标准等。列车的运行辐射噪声是反映机车车辆噪声性能的重要指标，国际上一般采用国际标准化组织《声学轨道机车车辆发射噪声测量》中的方法进行测试，但不同国家采用的评价参数存在一定差异。
欧洲部分国家，如奥地利、芬兰和意大利等，通常将列车运行辐射噪声最大值（LAmax）作为评价量，同时也将其作为铁路噪声排放的评价量。德国、法国等主要欧盟国家和中国早期均采用距离外侧轨道中心25m、轨面以上3.5m处的列车通过暴露声级（TEL）或等效连续A计权声压级（LAeq）。2013年，ISO3095修改为仅采用LAeq，中国基于此标准转化的GB/T 5111—2024也做出了相应修改。日本新干线则使用距离线路25m的地面以上1.2m高度处的列车通过最大声级作为评价量，并且考虑了传播途径上的噪声控制措施影响。
在机车车辆噪声限值方面，2002年国际铁路联盟（UIC）颁布的《确保高速列车技术兼容性的措施》（ UIC660—2002），提出了300km/h高速列车的运行辐射噪声限值为91dB（A）。欧盟2008年颁布的相关规定也提出了相应的噪声限值。而中国在2014年，结合高速铁路发展水平，发布了《CRH系列动车组噪声等评价指标暂行规定》和《时速350公里中国标准动车组暂行技术条件》等文件，提出了“优级”和“良级”不同的评价限值要求。欧盟及中国动车组的运行辐射噪声限值对比统计见表1。
表 1 国内外列车车辆噪声限值比较
2 中国高速铁路噪声控制技术研究进展
2.1 动车组减振降噪技术研究
CR400动车组作为中国自主研发、具有完全自主知识产权的新一代高速列车，在顶层设计之初即对其声品质提出了严苛要求，并结合轮轨噪声、气动噪声两大主要噪声源机理，开展了系统的噪声控制技术研究。
2.1.1 轮轨噪声
CR400动车组采取全新的转向架构造、悬挂连接与牵引方式，通过减小转向架簧下质量、优化转向架与车体之间的悬挂参数，实现整车的轻量化设计；采用920mm大轮径及磨耗型踏面，优化轮轨匹配关系，使列车运行更为平稳。通过有效降低了轮轨动力作用，进而降低了轮轨振动噪声。
为降低车轮噪声，中国研发了约束阻尼车轮（图1），经测试，与无约束的裸车轮相比，车轮噪声可降低约3dB（A）。目前，该低噪声车轮已大量应用于CR400动车组。
图1 国产约束阻尼车轮
2.1.2 气动噪声
根据图2动车组气动噪声源仿真计算结果，气动噪声源主要分布于车头、转向架、车厢连接处、受电弓等车体结构不平顺区域。CR400动车组重点从流线型头型、平顺化车身及低阻力受电弓三个方面开展气动优化设计。
图2 气动噪声源分布仿真示意
1）头型优化：与CRH380系列动车组相比，CR400动车组车体高度相对提高。为有效降低车体截面增大引起的阻力和气动噪声增大问题，CR400动车组重点针对头车外形开展了导流设计。通过优化头车细长比、车头前端与水平面夹角等参数，开展不同头型结构下的流阻和气动噪声仿真分析，最终形成气动阻力降低约10%、气动噪声有效减小的流线型车头。
2）车身优化：提高车体表面的平顺性、减少凹凸结构，采取的措施包括利用半封闭包覆式风挡优化车厢间连接方式，针对车门、车窗等进行平顺化处理。
3）受电弓优化：一方面，通过减少受电弓杆件数量，并对弓头、弓臂、支座进行流线型设计，降低气动激扰；另一方面，设计下沉式弓盆，受电弓底座落入弓盆内，既可以减小底座的气动噪声，又可借助弓盆外形对噪声源形成遮挡。根据图3对有无弓盆的受电弓区域气动噪声仿真结果，在距离外轨中心线25m的轨上3.5m处，优化后的受电弓气动噪声贡献量可降低约3dB（A），其中600Hz以上高频成分降低显著。
图3 优化前后受电弓气动噪声频谱变化
为验证CR400动车组噪声控制措施总体效果，开展了不同车型的噪声对比试验研究。图4的对比结果表明，相同速度级下CR400动车组较同平台的CRH380系列动车组噪声进一步降低1~2dB（A）。
图4 中国不同类型动车组列车噪声对比
2.2 基础设施减振降噪技术研究
2.2.1 声屏障
声屏障是从传播途径降低列车运行噪声对环境影响的最常见措施。近年来，国内研发了多款新型声屏障，包括减载式声屏障、阻尼式声屏障、超高强混凝土-微孔陶粒复合声屏障、混凝土中空式声屏障等。
图5的减载式声屏障通过将单元板设计为倒V形结构，在单元板之间预留气流通道，达到削弱列车脉动风压对声屏障作用力的效果。试验结果表明，减载式声屏障的立柱应力减载率可达到30%以上。
图5 减载式声屏障
阻尼式声屏障是一种利用阻尼结构削弱列车脉动风压载荷传递的新型声屏障，其安装示意图见图6。通过设置层间阻尼、单元板与基础之间的解耦阻尼、单元板与立柱之间的安装阻尼等，有效减小了列车通过脉动风压对立柱的冲击。试验结果表明，其立柱动应力约为普通金属插板式声屏障的1/4~1/3。
图6 阻尼式声屏障安装示意
超高强混凝土-微孔陶粒复合声屏障属于一种新型的非金属声屏障（图7），其特点是所采用的微孔陶粒吸声材料直接裸露于声屏障内表面，采用三维网状孔结构且表面设计为W形尖劈，可提高材料的吸声效果，无需额外使用易折损的纤维类吸声材料，具有更好的耐候性。试验结果表明，该声屏障在800Hz以上中高频段具有较好的降噪性能。
图7 超高强混凝土-微孔陶粒声屏障
此外，在声屏障顶端安装附加降噪器也是提升声屏障噪声控制效果的重要措施（图8）。声屏障顶端降噪器通常采用干涉或吸声等消声原理，在声屏障顶端形成声学“软边界”条件，降低经由声屏障顶部的绕射声。试验结果表明，声屏障顶端降噪器附加高度小于一块声屏障单元板，但附加降噪效果可达到2dB（A）。
图8 声屏障顶端降噪器
为满足特定区域的降噪需求，部分高速铁路在重点噪声控制区段选择安装封闭式声屏障（图9）。封闭式声屏障降噪效果最高可达到20dB（A），有效实现了高铁“静音”。但为满足消防安全要求，全封闭声屏障需设置排烟口，这将降低相应区段的降噪效果。同时，由于其面临更为突出的气动效应，建设成本和维护难度相对更大，因此多应用于低速或限速区段。
图9 封闭式声屏障
2.2.2 轨道吸声板
由于轮轨噪声源距离轨道板较近，在无砟轨道线路中，轨道板的声反射是导致列车运行辐射噪声较高的重要因素之一。相关学者对一种天然页岩陶粒和高强水泥制作的无砟轨道吸声板进行了现场试验，试验速度为250~300km/h时，距离外侧轨道中心线25m的轨面以上3.5m测点处列车运行辐射噪声可降低约2dB（A）。此外，研究人员还测试了聚合微粒轨道吸声板和泡沫铝轨道吸声板的降噪效果（图10）。尽管轨道吸声板能有效降低列车运行辐射噪声，但考虑其对轨道排水、线路维护以及长期运营安全性的影响，相关措施仅开展了试验研究，尚未在高速铁路运营线路上得到应用。
图10 轨道吸声板示意图
2.2.3 钢轨阻尼吸振器
钢轨阻尼吸振器是一种有效的吸振结构，通过在轨腰上镶嵌高阻尼材料达到降低钢轨振动和噪声的目的，目前该技术多应用于地铁线路。相关研究表明，在列车速度为120km/h时，钢轨阻尼吸振器在630~1600Hz频段降噪效果显著。
3 结论
根据CR400动车组噪声源识别结果，轮轨区域、受电弓区域以及车身不平顺位置是噪声源主要分布区域。
为减小轮轨振动辐射噪声，需从材料、结构等方面开展整车轻量化方案设计，并结合整车平稳性结构优化以及动轮黏着特性匹配设计，合理降低轮轨作用力。同时，应继续深化轮轨关系、弓网关系、流固关系等对列车噪声源影响规律研究，借鉴和吸收国内外先进的研究成果和经验，加强噪声源头控制，提升新一代动车组声品质和国际竞争力。
在噪声源控制基础上，进一步结合噪声源特性变化规律和线路边界条件，同步推进基础设施减振降噪产品的升级和推广应用，确保更高速度高速铁路噪声满足国家相关法律法规及标准限值要求，推动中国铁路高质量发展。
本文作者：刘兰华、李志强、周铁军、伍向阳
作者简介：刘兰华，中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所，研究员，研究方向为铁路噪声振动控制。
论文全文发表于《科技导报》2024年第20期，原标题为《中国高速铁路噪声控制研究进展》，本文有删减，欢迎订阅查看。
内容为【科技导报】公众号原创，欢迎转载
白名单回复后台「转载」
《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的成果报道、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、智库观点、科技评论、热点专题、综述、论文、学术聚焦、科学人文等。
热门跟贴