北京5号线高架结构辐射噪声分析与研究
2011-02-23 19:52
北京地铁5号线高架结构的辐射噪声分析与实验研究
【摘 要】在试验和分析噪声源特性的基础上,对由结构噪声和轮轨噪声引起的高架结构附近的噪声传播规律进行研究,应用声学理论建立列车通过高架桥梁时的噪声预测模型。在北京地铁5号线高架桥梁试验段进行的现场噪声测试结果表明:用模型计算出的声压值与实测值的误差基本控制在5%以内,模型较为真实地反映了轨道交通高架结构附近的声场分布;在高架桥梁任一竖直平面内,较强的噪声级主要集中在桥梁的中部;梯形轨枕轨道具有良好的减振降噪作用,在低频处的振动速度最大值可降低70%以上,结构辐射噪声最大可降低2·4 dB。
【关键词】辐射噪声;高架桥梁;噪声预测;模型;噪声分析;轨道交通
北京地铁5号线中有12·9 km路段采用地面结构和高架结构,占总长度的47%。新建的北京地铁机场线线路总长度的70%都是高架结构。因此,由轨道交通引起的噪声辐射对环境的影响被人们越来越关注。目前,国内外已经有大量的相关研究成果,如文献[1—3]把统计能量方法应用于铁路桥梁噪声辐射的预测研究;文献[4—6]应用边界元方法对高架轨道桥进行了噪声场和频谱的计算分析;文献[7]和文献[8]分别采用现场试验的方法对高架结构的振动与噪声对环境的影响进行了研究。
现场试验的方法能够真实地反映高架结构附近声场及噪声的传播规律,能够弥补理论分析的不足。但仅采用现场试验的方法对城市轨道交通辐射噪声进行研究,则所研究的声场区域有限,并且对于未建成的新线路,无法采用试验方法进行研究。因此了解轨道交通高架结构的噪声辐射规律以及对其噪声场进行预测,对合理控制噪声非常必要。本文正是在试验的基础上,对高架结构附近的噪声传播规律进行研究。并且依据声学基础理论计算方法,建立了当列车通过高架桥梁时的噪声预测模型。利用该模型能较准确地预测城市轨道交通高架结构的声场分布情况,对于研究桥梁结构辐射噪声传播规律及噪声控制具有一定的参考意义。
1、声场的分析
1·1 噪声源
对于轨道交通高架结构,其主要噪声源包括轮轨噪声、结构噪声、设备噪声(包括集电系统噪声)和空气动力噪声,如图1所示。
1·2 噪声辐射模型
高架结构辐射噪声是由若干噪声源组合产生,依据文献[9],将Lt表示为
式中:LR,LS,LA分别为轮轨噪声、结构噪声和空气动力噪声。
当车辆从高架结构上经过时,可将车辆和高架结构分别看成沿线路方向的线声源,它们符合柱面波的发散规律[10]。
1·3 声波的衰减
声波衰减的原因主要为几何发散和空气吸收。不同的气象条件,如风、温度、雨和雾等,也会影响声波的发散。当声波沿地面传播时,地面的起伏、各种建筑物和人造屏障也会对声波的传播造成不同程度的影响。
我国环境行业保护标准《环境影响评价技术导则—声环境》(HJ/T2·4—1995)中分别列出的声波几何发散衰减的基本公式如下。
1)无限长线声源
无限长线声源的声波几何发散公式为
L(r) = L(r0)-10 lg(r/r0) (2)
式中:L(r)和L(r0)分别是距离声源r和r0处的声压级。
2)有限长线声源
假设线声源长度为l0,在垂直于线声源的中心线上,L(r)和L(r0)分别为距离r和r0处的声压级,则声波几何发散的公式为
2、声场测试
为研究列车经过高架结构时的辐射声场,在北京地铁5号线梯形轨枕高架桥实验段进行了现场测试。该处桥梁形式为3×27 m的3跨连续箱梁,梁底距离地面5·2 m,箱梁梁高1·7 m。
测试处高架桥上铺设了普通整体道床和梯形轨枕2种不同的轨道形式。测点分布在连续梁中跨梯形轨枕一侧,如图2所示。从垂直于桥梁中心线开始,每间隔6·25 m、离地面1·2, 2·7, 4·2和5·7m处分别布置9列4排测点。测试结果如图3所示。
可见,最大A计权噪声级从距离地面1·2到5·7 m逐渐增大,这是由于梁底测点受到结构噪声的影响,距离梁底越远,就越容易受到轮轨噪声绕射的影响。在4·2和5·7 m高度处,距桥梁中心线6·25到25 m处,最大A计权噪声级随着距离的增加而减小。在1·2和2·7 m高度处,距桥梁中心线6·25到12·5 m处A计权噪声级仍呈继续增加趋势,但是增长速率放缓;距桥梁中心线12·5到25m处, A计权噪声级随距离增加而减小;距桥梁中心线25到50 m处,所有噪声级呈波动衰减。
为比较不同轨道结构对高架桥梁辐射噪声的影响,在高架桥梁跨中梁底距离地面不同高度处,分别测量了列车经过梯形轨枕和普通整体道床时的平均噪声级,结果如图4所示。其中,梯形轨枕上经过的列车平均车速为60 km·h-1,普通整体道床上经过的列车平均车速为40 km·h-1。由图中可见,虽然梯形轨枕上经过的列车车速高于普通整体道床上的列车车速,但前者梁下A计权噪声级水平比后者低0·8~2·4 dB (A),说明梯形轨枕对高架结构具有减振降噪的作用。
根据5号线测试数据和应用线性内插法,做出声场的等压线分布图如图5所示。声场的范围为距离桥梁中心线一侧的6·25到50 m之内,距离地面高度为1·2到5·7 m之间。从图中可见,由于梁面对声波的反射作用,在桥梁附近形成了桥上和桥下2个声场,距离桥中心线约12 m之外的反射作用明显减弱。
在距桥梁中心线6·25 m、距地面高度1·2 m处,分别测量了列车经过梯形轨枕和普通整体道床时A计权噪声级的变化情况,结果如图6和图7所示。
由图5和图6可得如下结论。
(1)列车经过梯形轨枕时的最大A计权噪声级略低于经过普通整体道床时的最大噪声级。
(2)列车经过梯形轨枕时,测点的A计权噪声级到达最大A计权噪声级的时间较长,如从69·5 dB (A)上升到最大A计权噪声级用了6 s;列车经过普通整体道床时,测点的A计权噪声级从69·9 dB (A)上升到最大A计权噪声级仅用了2·5 s。当列车通过高架桥测试截面之后,梯形轨枕侧的噪声级衰减较快。
(3)从整体上来看,列车经过梯形轨枕和普通整体道床时, 69 dB (A)以上的A计权噪声级分别持续了约8和9 s。
以上分析再次验证了梯形轨枕轨道对降低轨道交通高架结构的辐射噪声水平有一定的作用。
3、噪声预测模型
结合试验数据和声波传播基本公式,以上面提到的的试验截面为例,讨论并建立声场的预测模型。
由于地铁车辆的速度仅有60 km·h-1,噪声主要为轮轨及结构振动而产生的辐射噪声,声场中可以认为只有2个线声源。在低速行驶状况下,声源辐射的噪声以低频为主,因此空气吸收的衰减很小,可忽略不计。另外,由于试验场地地面平坦,天气条件较好,可以认为声波的主要衰减因素为几何发散。
根据试验结果和轮轨与桥梁之间的几何关系,考虑轮轨噪声的绕射,噪声源影响的区域如图3所示。假设在阴影内的任一点只受结构噪声影响,而阴影外的受声点都受到2个声源的共同作用。
假如受声点在阴影区域之外,则式(1)变为
Lt=10 lg(10LR/10+10LS/10) (6)
如受声点在阴影区域内,则式(1)变为
Lt= LS (7)
假设声源长度为27 m (桥梁1跨的长度),以距离桥梁12·5 m处测量的声压级为参考声压级,即L(r0),以式(3)—式(5)预测得出的估算值与实测值A计权声压级的比较结果见表1—表4。可见,估算值与实测值误差除一点超过5%以外,其他点的误差均在5%以内,因此,可以用估算值近似的模拟噪声场的声压级分布。然后,分别以梁底实测噪声级和轨道附近实测噪声级作为结构噪声和轮轨噪声的参考噪声级,以式(3)—式(5)分别求出声场中任意点的LS和LR,将式(6)和式(7)进行叠加,即可求出声场中任意一点的综合噪声级。将声场中具有相同噪声级的点连接起来,就可绘制出声场的等声压线图,结果如图8所示。
可见,最大噪声级主要分布在轮轨处,因此轮轨噪声是主要噪声源。由于未考虑声波的绕射,在结构噪声区域和复合噪声区域的分界线附近出现了一定的突变。在距离桥梁中心线30 m内的竖直平面,噪声级先在一定范围内随着距离地面高度的增加而增加;当超过此范围后,噪声级则随着高度的增加而减小。
4、振动与噪声分析
为了研究高架结构辐射噪声与结构振动的关系,在测试截面相应位置同时记录了当列车经过时,桥梁的振动加速度级与A计权噪声级的变化时程。加速度传感器布置在桥面中心位置,接收噪声的麦克风布置在桥梁截面中心距离底面0·3 m处,如图9所示。
为了更直观地反映结构物振动与辐射噪声之间的关系,将测量的振动加速度级转化为振动加速度,再由辛普森积分将振动加速度转化为振动速度。由于测量的A计权噪声级是主观的物理量,无法真实反映声压的变化情况,因此,通过减去A计权声压级各频率的计权衰减值,然后应用声压与空气质点振动速度之间的线性关系,解出空气质点的振动速度。当列车分别经过梯形轨枕(70 km·h-1)和普通整体道床(53·9 km·h-1)时,桥面振动速度频谱和空气质点振动速度频谱分析如图10所示。
可见,桥面振动速度峰值主要出现在频率0·85和2 Hz处,空气质点的振动速度峰值出现在频率1·42 Hz处。因此,频率0·85~2 Hz范围内的桥面振动是引起结构辐射噪声的主要原因。同时,桥面振动速度和空气质点的振动速度随着频率的增加快速衰减。在2 Hz频率处有相干函数最大值,为0·91,说明辐射噪声主要是由该频率处的桥面振动产生的。因此,控制桥梁结构辐射噪声主要是控制结构的低频振动。虽然列车经过梯形轨枕时的车速远大于经过普通整体道床时的车速,但是引起的桥面振动速度最大值和空气质点的振动速度也小于和略小于后者。
5、结 论
(1)由二维声场模型计算得出的声场预测值与实测值的误差基本控制在5%以内,较为真实的反映了轨道交通高架结构附近的声场分布。
(2)由于不同的噪声源对声场的贡献不同,因此,噪声级在桥梁附近随距离增加而增大,在距离桥梁较远处,随着距离增加而减小。
(3)梯形轨枕轨道具有良好的减振降噪作用,在低频处的振动速度最大值可降低70%以上,对于结构辐射A计权噪声最大可降低2·4 dB (A)。
(4)对等声压线图的分析表明,在任一竖直平面内,较强的噪声级主要集中在被测试的声场空间中部。如该声场中存在建筑物,则建筑物中部受噪声影响较大。
(5)高架结构辐射噪声主要由结构振动的低频引起,因此控制高架结构辐射噪声主要是控制桥梁结构的低频振动。
参考文献
[ 1 ] REMINGTON P J, WITTIG L E. Prediction of the Effectiveness of Noise Control Treatments in Urban Rail Elevat-
ed Structures [J]. Journal of the Acoustical Society of America, 1985, 78 (6): 2017-2033.
[ 2 ] BEWESA O G, THOMPSONA D J. Calculation of Noise from Railway Bridges and Viaducts: Experimental Valida-
tion of a Rapid Calculation Model [J]. Journal of Sound and Vibration, 2006, 293: 933-943.
[ 3 ] 王重实,王凤勤,高淑英.高速铁路桥梁噪声预测方法的探讨[J].西南交通大学学报, 2001, 36 (2): 166-168.
[ 4 ] JEAN P. A Variational Approach for the Study Outdoor Sound Propagation and Application to Railway Noise [J].
Journal of Sound and Vibration, 1998, 212 (2): 275-294.
[ 5 ] JEAN P, GABILLETUSING Y. A Boundary Element Approach to Study Small Screens Close to Rails [J]. Journal
of Sound and Vibration, 2000, 231 (3): 711-719.
[ 6 ] 朱彦,陈光冶,林常明.城市高架轨道桥辐射噪声的计算与分析[J].噪声与振动控制, 2005 (3): 37-41.
[ 7 ] XIA He, GAO Fei, WU Xuan, et al. Running Train Induced Vibrations and Noises of Elevated Railway Structures
and Their Influences on Environment [J]. Frontiers Architecture Civil Engineering in China, 2009, 3 (1): 9-17.
[ 8 ] CHUA D K H, KOH C G, LO K W, et al. Performance of Urban Rail Transit System: Vibration and Noise Study
[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 1997 (6): 67-75.
[ 9 ] 焦大化.日本高速铁路噪声预测方法[J].铁道劳动安全卫生与环保, 2007, 34 (1): 35-38.
[10] MANDULA J, SALAIOVA B, Koval′akvoa M. Prediction of Noise from Trams [J]. Applied Acoustics, 2002,
63 (4): 373-389.
[11] 国家环境保护部. HJ/T 2·4—1995环境影响评价技术导则—声环境[S].北京:中国环境科学出版社, 1996.
[12] 辜小安,刘扬.城市轨道交通列车运行噪声预测模式的确定[J].铁道劳动安全卫生与环保, 2004, 31 (1): 10-12
