高速铁路噪声控制技术进展与展望
特别策划高速铁路噪声控制技术
进展与展望
伍向阳，张格明，董孝卿，刘兰华，高攀，李晏良
（中国铁道科学研究院集团有限公司，北京100081）
摘要：我国高速铁路主要从动车组和基础设施两方面进行噪声控制，以降低高速铁路噪声影
响。大西高铁综合试验段开展的自主化噪声控制技术测试表明：复兴号动车组车外主要噪声源
仅集中在受电弓和轮轨区域，车头、车厢连接等车外噪声源已得到有效控制；复兴号动车组运
行辐射噪声低于CRH380动车组运行辐射噪声1~2dB（A），低于欧盟TSI及UIC等国际标准限值
3dB以上。声屏障顶端干涉技术附加降噪约2dB，轨道吸声板平均降噪约2dB（A），减载式声
屏障与普通直立式声屏障降噪效果基本一致，有效降低声屏障表面气动载荷约15%。
关键词：大西高铁；高速铁路；噪声控制；综合试验；复兴号动车组
中图分类号：U238；U270.16；TU112.3文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）06-0035-08 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.06.035
1概述
截至2020年底，我国高速铁路运营里程已达3.79万km，其中设计速度350km/h等级高速铁路已建成1.36万km，运营速度和运营里程均为世界第一。随着高速铁路路网密集化、动车组运行高速化，噪声问题已成为高速铁路运营中面临的主要问题［1］。我国铁路部门高度重视噪声控制技术研究，在高速铁路自主探索、引进消化吸收再创新到全面自主创新整个发展过程中［2］，不断研发噪声控制技术。为验证自主化噪声控制技术的有效性，中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）组织在大西高铁综合试验段开展了系统性科研试验，以噪声专项试验为基础，阐述我国高速铁路噪声控制技术现状，并从动车组和基础设施两方面，对相关降噪措施的效果进行分析。
基金项目：国家发展和改革委员会专项（发改产业〔2014〕1373）；
中国铁路总公司科研试验专项（铁总科技函〔2013〕
931）；中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划
项目（N2019G047）
第一作者：伍向阳（1984—），男，副研究员。
E-mail：
通信作者：张格明（1967—），男，研究员。
E-mail：
2动车组噪声控制技术
动车组运行辐射噪声是指以空气为介质，由动车组运行时各噪声源向外传播的噪声。国际上一般根据ISO3095《Acoustics—Railway application—Measurement of noise emitted by railbound vehicles》规定的方法测试动
车组运行辐射噪声，用于评价整车噪声性能。而动车组噪声控制技术是为了降低动车组运行辐射噪声以及环境噪声排放，针对动车组各噪声源采取的控制措施。因此，最大限度地降低动车组运行辐射噪声是动车组噪声控制的根本目的之一。
2.1国内外动车组运行辐射噪声控制要求
为有效控制动车组运行辐射噪声，国内外均相继实施了动车组运行辐射噪声考核机制，作为新型动车组准入条件。
（1）国际铁路联盟（International Union of Railways，UIC）于2002年8月颁布《确保高速列车技术兼容性的措施》（第二版）（UIC660-2002），规定了300km/h高速列车运行辐射噪声限值。欧洲联盟（简称欧盟）于2008年颁布《关于跨欧高速铁路系统铁路车辆子系统
互联互通技术规范》（2008/232/EC），规定了时速250、300、350km动车组运行辐射噪声限值，2014年12月，欧盟对TSI2008/232/EC进行补充修订，发布了《机车车辆噪声子系统互联互通技术规范》（1304/2014EU），但没有改变动车组运行辐射噪声限值。
（2）我国与国外略有不同，欧盟和UIC针对动车组同一运行速度均只有1个限值，我国高速铁路早期动车组运行辐射噪声无法满足国外标准，因此，根据国外高速铁路运行辐射噪声限值、我国动车组运行辐射噪声影响现状及未来噪声控制技术发展要求，2014年中国铁路总公司颁布《CRH系列动车组噪声等评价指标暂行规定》（铁总科技〔2014〕210号，简称210号文），设置了3档评价指标，其中过渡（合格）指标适用于在2016年底前完成型式试验的新型动车组，之后仅执行优、良2档。同年，中国铁路总公司针对复兴号动车组运行辐射噪声控制颁布《时速350公里中国标准动车组暂行技术条件（修订内容）》（铁总科技〔2014〕291号，简称291号文），规定了复兴号动车组300km/h和350km/
h速度时运行辐射噪声限值，与210号文优、良级限值一致。国内外动车组运行辐射噪声限值对比见表1。
由表1可知，210号文和291号文规定的动车组运
行辐射噪声优级限值与欧盟和UIC规定基本一致，但考
虑到欧盟和UIC规定动车组运行辐射噪声限值是基于标
贵族学校小说准有砟轨道，而我国时速300km及以上等级高速铁路
普遍采用无砟轨道，型式试验在运营线路开展，相关研
究表明动车组在无砟轨道运行辐射噪声高于有砟轨道3dB（A）左右［3］，因此，在相同轨道条件下，我国动车组运行辐射噪声评价良级限值与欧盟和UIC规定基本
材料化学专业就业前景一致，优级限值较国外严格3dB（A）左右。2.2复兴号动车组噪声控制技术及噪声源分布
2.2.1动车组噪声控制技术
为进一步降低动车组运行辐射噪声，作为全部自主知识产权的复兴号动车组，从顶层设计开始，对噪
声控制提出了更高要求，并在整车设计过程中，为降低轮轨噪声和气动噪声两大主要噪声，对噪声源实施了大量控制措施［4］。
2.2.1.1降低轮轨噪声
（1）减小转向架簧下质量和优化悬挂参数，优化轮
表1
国内外动车组运行辐射噪声限值对比
轨匹配关系，降低轮轨动力作用，进而降低轮轨噪声。
（2）研发并应用新型高速列车约束阻尼降噪车轮，降低车轮噪声。
2.2.1.2降低气动噪声（1）采用受电弓气动噪声源控制技术，减少受电弓杆件数量，对受电弓弓头、支座、基座等结构采用流线型设计，优化受电弓安装及导流方案，全面降低受电弓气动噪声。
（2）优化流线型头型导流设计，控制流动分离和尾涡脱落，降低头部气动噪声。
（3）车间风挡采用包覆方案优化设计，避免结构突变产生的气动噪声。
（4）车体表面平顺化设计，降低车门、车窗、车
顶空调、车顶天线等车体表面不平顺产生的气动噪声。
2.2.2噪声源分布
为验证复兴号动车组运行辐射噪声性能，在大西高铁综合试验段开展了车外噪声源定量化识别试验。声源识别试验采用66通道阵列，布设在桥梁区段，阵列中心距近侧线路中心线水平距离7.9m 、轨面以上1.85m ，阵列孔径3.65m （见图1）。为消除高速铁路运动声源特征产生的影响，满足高速铁路宽屏噪声源特性识别要求，在Beamforming 原理的声阵列技术基础上，采用高速多普勒频移修正和迭代反卷积计算方法，以保障200~5000Hz 频带分析范围，覆盖高速铁路噪声主要频带［5］。
CR400AF 和CR400BF 动车组以不同速度通过测
点时，整车噪声源分布以及声功率随运行速度变化见图2—图4，由图可知：
（1）复兴号动车组运行速度在200km/h 及以下时，噪声源主要分布在下部轮轨区域，动力车转向架区域噪声高于拖车转向架区域，上部受电弓区域噪声源声强级较低，整车噪声源声功率随运行速度的1.8次方左右呈正比变化，与传统轮轨噪声源声功率随运行速度的2次方呈正比变化基本一致，分析表明动车组运行速度为200km/h 及以下时，主要噪声为轮轨噪声。
（2）动车组运行速度为200~300km/h 时，受电弓、头车排障器等关键气动部位噪声源增幅显著，整
车噪声源声功率随运行速度约2.5~2.6次方呈正比变化，
分析表明噪声以轮轨噪声为主，但气动噪声开始凸显。
图1
大西高铁综合试验复兴号动车组声源识别测点布置图
（a ）200km/h
（b ）250km/h
（初三数学教学计划
c ）300km/h
（d ）350km/h
图2
CR400AF 动车组车外噪声源分布
（3）动车组运行速度为300~350km/h 时，受电弓开始成为声强级最高的噪声源，受电弓与头车第一转向架等关键区域逐步成为主要噪声源，整车噪声源声功率随运行速度约4.5~4.8次方呈正比变化，逐渐接近气动噪声变化规律。但动车组头部、尾部、车体、车顶以及车厢连接等传统车外气动噪声源，在动车组提速过程中噪声贡献并不显著，主要声源集中在上部受电弓区域与下部轮轨区域，表明复兴号动车组在头型优化、车体平顺化等方面取得显著成效。
对受电弓区域以及轮轨区域噪声源变化规律进一步分析（见图5），可知：
（1）复兴号动车组轮轨区域声功率随速度变化：运行速度为200~300km/h 时，轮轨区域声功率随运行速度约2.4~2.5次方呈正比变化，噪声源以轮轨滚动噪声为主，但气动噪声开始明显增大；运行速度为300~350km/h 时，轮轨区域声功率随运行速度约4.3~4.4次
方呈正比变化，噪声源由轮轨滚动噪声和气动噪声共同组成，且随运行速度提高气动噪声贡献更大。
（2）复兴号动车组受电弓区域（含受电弓升弓区和降弓区）噪声源声功率随运行速度约5.5~6.1次方呈正比变化，基本符合气动偶极子源随运行速度的6次方呈正比变化。
通过上述分析表明：我国要发展更高速度高速铁路，动车组车外噪声源控制首要工作是降低受电弓、轮轨区域气动噪声源的影响。
为进一步验证复兴号动车组运行辐射噪声控制效果，对比京沪高速铁路先导段CRH380系列新出厂动车组与大西高铁综合试验段复兴号动车组运行辐射噪声（见图6）。结果表明，复兴号动车组以300km/h 和350km/h 运行时，CR400AF 动车组运行辐射噪声低于同平台CRH380A 动车组运行辐射噪声1~2dB ，CR400BF 动车组运行辐射噪声低于同平台CRH380B
世界上最快的跑车动
（a ）轮轨区域
（b ）受电弓区域
注：AR 1、AR 2及A F 分别为CR400AF 动车组轮轨区域以及集电系统噪声源声功率随速度变化拟合系数；BR 1、BR 2及B F 分别为CR400BF 动
车组轮轨区域以及集电系统噪声源声功率随速度变化拟合系数
图5
复兴号动车组车外主要噪声源声功率随运行速度变化
（a ）200km/h
（b ）250km/h
（c ）300km/h
（d ）350km/h
图3
CR400BF 动车组车外噪声源分布
注：A 1、A 2、A 3为CR400AF 动车组车外噪声源声功率随速度变化拟合系数；B 1、B 2、B 3为CR400BF 动车组车外噪声源声功率随速度变化拟
合系数
图4复兴号动车组车外噪声源声功率随运行速度变化
车组运行辐射噪声1~2dB 。
复兴号动车组运行辐射噪声与国内外标准规定的运行辐射噪声限值对比情况见图7。不难看出，在无砟轨道条件下，复兴号动车组以300km/h 运行时，运行辐射噪声可同时满足291号文优级限值、欧盟TSI 2008/232/EC 以及UIC 660-2002限值要求；以320km/h 运行时，运行辐射噪声可满足欧盟TSI 2008/232/EC 限值要求；以350km/h 运行时，运行辐射噪声可满足291号文
优级限值要求。考虑到无砟轨道和有砟轨道对动车组运行辐射噪声的影响差异，复兴号动车组在无砟轨道运行时，其运行辐射噪声已低于国外运行辐射噪声限值，处于世界领先水平。
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3基础设施噪声控制技术
与动车组噪声控制技术相比，我国高速铁路在基
础设施噪声控制技术应用方面相对滞后，控制措施比较单一，主要以直立式声屏障为主。为改变这一局面，
提升基础设施降噪性能和环境适应性，在大西高铁综合试验段首次采用声屏障顶端干涉器、轨道吸声板、减载式声屏障等新型基础设施降噪措施［6］。
3.1声屏障顶端干涉器
声屏障顶端干涉器主要基于声波干涉原理在直立式
声屏障基础上获得附加降噪效果。通过设计合理的顶端结构，让2个相位相反的声波在一定位置相遇，互相抵消，从而达到消声的目的［7］。基于上述降噪原理及铁路噪声源特性，大西高铁综合试验段声屏障顶端干涉器设计利用特定腔室结构产生干涉声波，以降低声屏障顶
部衍射声。干涉器高度为0.480m ，宽度为0.565m ，底部凹槽宽度为0.232m ，底座凹槽高度为0.090m ，试验时在大西高铁综合试验段普通2.950m 高路基插板式金属声屏障上安装，试验最高速度为250km/h （见图8）。
复兴号动车组以200~250km/h 分别通过路基、路基直立式声屏障以及路基直立式声屏障+顶端干涉器区段时，距近侧线路中心线25m 、轨顶面以上5m 处列车通过等效声级对比见图9。
测试结果表明，动车组以200~250km/h 运行时，2.95m 高路基声屏障插入损失为12~14dB ，加装顶端干涉器区段可达14~16dB ，顶端干涉器附加降噪约2
dB 。
图8大西高铁综合试验段声屏障顶端干涉器
图
7复兴号动车组运行辐射噪声与国内外标准规定的运行辐射噪声限值对比
春天最后一个节气是
图9
顶端干涉器、路基直立式声屏障以及路基对照断面噪声对比
图6
复兴号动车组与CRH380动车组运行辐射噪声对比

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