城市軌道交通噪聲控制方法及其對策研究1前言 城市軌道交通噪聲污染是個非常復雜的問題。它與車輛噪聲、輪軌噪聲、軌道結構、路基、橋梁結構、車輛運行速度以及周邊環境都有密切關系,解決城市軌道交通噪聲問題是一個綜合的系統工程。 本文針對北京城市鐵路地面軌道交通線噪聲產生的基本規律、噪聲影響程度的評估方法,從理論上進行了研究;對不同道路結構類型、不同車速和行駛方向產生的噪聲,進行了現場實測,取得了關于軌道交通噪聲理論計算所需要的重要參考數據。根據理論計算結果及消聲設備的消聲原理和性能特點,提出了北京城市鐵路地面軌道交通線噪聲控制對策。按所提出的控制方法在北京城市鐵路地面軌道交通線沿線實施后,其噪聲值完全控制在國家有關噪聲標準范圍內,降噪效果達到了預期的目標。2城市軌道交通噪聲的理論計算與實測分析 影響城市軌道交通噪聲輻射大小的因素很多,但最重要的有兩個,一是列車自身的噪聲輻射,這主要由列車的牽引噪聲(主要取決于電機噪聲)、空調噪聲以及車體的噪聲輻射;另一個是輪軌噪聲,這主要來源于輪軌的摩擦、撞擊以及輪軌的阻尼特性、路基、道床等因素。本文主要針對輪軌噪聲進行研究。2.1城市軌道交通噪聲的理論計算 根據聲傳播理論,軌道交通噪聲可看作為一不相干的有限長的線聲源。根據不相干有限長線聲源的理論,垂直距離線聲γ處的聲強I為:
2.2北京城市軌道交通噪聲的計算與分析 北京城市鐵路是北京市第一條地面輕軌交通線,全長41km,沿途有許多居民住宅區,屬于環境噪聲敏感地段。2.2.1列車7.5m處軌道交通噪聲值L0值的確定 根據軌道交通噪聲計算式(6),需要提供車速為60km/h時距離鋼軌7.5m處列車的A計權噪聲級L0,而該值通常需要由實驗確定。城市鐵路道路結構一般有三種類型:地面線路、高路堤線路和高架線路,本研究重點選擇了具有這三種不同道路結構類型特點的軌道交通噪聲情況進行了現場實測。噪聲實測值分別見圖一、圖二、圖三。 由圖可知:軌道交通道路結構不同,其噪聲輻射水平也不同,以地面線路最低,高架線路最高;隨著車速的增加,噪聲輻射水平呈增加的趨勢;距鋼軌的距離越遠,噪聲輻射水平越小。 考慮到車速不同,輻射噪聲不同的影響因素,通常在計算平均輻射噪聲值時,取55~70km/h之間測量值的平均值,作為相當于車速為60km/h、距離鋼軌7.5m處的列車軌道交通噪聲基準值L0。本研究綜合上列三圖的實測結果,對車速為60km/h、距離鋼軌7.5m處不同線路結構的軌道交通噪聲基準值L0取值如下:地面線路:L0=84.6dBA(實測平均值)≈85dBA(基準值)高路堤線路:L0=89.2dBA(實測平均值)≈89dBA(基準值)高架線路:L0=91.6dBA(實測平均值)≈92dBA(基準值) 另外,對于不同車速,由于r=7.5m處的實際測量值與基準噪聲值的偏差也不一樣,因此在計算軌道交通噪聲時需要對車速修正。2.2.2軌道交通噪聲衰減與距離增加的關系 表2給出了軌道噪聲隨距離衰減的實測值與基準噪聲值L0的比較,從而使經過距離修正后的噪聲值更接近實測值。 圖四為軌道交通噪聲衰減與距離增加的關系。由圖可見,隨著距離的增加,軌道噪聲的影響大幅度下降,當遠離鋼軌120m時,軌道交通噪聲的影響已被衰減了12dBA。2.2.3軌道交通噪聲的頻率特性 由高路堤段上、下行線實測的軌道交通噪聲頻譜圖(圖五、六)可看出,軌道交通噪聲具有兩個明顯的峰值,一個在低頻,一個在中頻。低頻主要在50~63Hz,中頻主要在500~1000Hz。本研究,主要針對500~2000Hz頻率段的軌道交通噪聲,進行控制對策及其方法研究。3城市軌道交通噪聲控制對策3.1城市軌道交通噪聲控制的主要措施 (1)合理規劃。通常線路的選擇既要考慮充分發揮城鐵交通的作用和經濟利益,同時也要盡量避開居民集中的地區,例如美國芝加哥的城鐵就修建在高速公路的中間,距離公路兩旁的建筑物很遠,其噪聲影響顯然低于公路交通噪聲。在城市發展規劃中,居民住宅和醫院、學校等噪聲敏感建筑物應遠離地鐵,以避免遭受噪聲的影響。 (2)發展低噪聲車輛。車輛噪聲是軌道交通重要的噪聲源,它主要由電機、風扇、壓縮機和車體本身的振動產生。因此開發低噪聲電機和低噪聲風扇產品,做好壓縮機的隔聲和消聲器,提高車體的隔聲、利用阻尼和隔振技術降低車體的輻射噪聲,是降低城市車輛交通噪聲的有效措施,采取這些措施后,可使車輛本身的噪聲至少降低10dBA。 (3)降低輪軌噪聲。輪軌噪聲是軌道交通噪聲的一個主要噪聲源。它主要是由車輪與鐵軌的撞擊和摩擦產生。降低輪軌噪聲主要措施包括給車輪和鐵軌加阻尼材料,橡膠車輪,短軌換長軌,以減少接縫,降低鐵軌本身的振動,給車輪加裙邊等。采取這些措施后,也可使輪軌噪聲降低8～10dBA。 (4)修建聲屏障。當聲波在傳播的途徑中遇到障礙物時,會產生輻射,有相當一部分聲音能量被反射回來,只有部分聲能繞過障礙物傳到另一邊,從而使噪聲得到降低。因此聲屏障是降低傳播途中聲能量的重要措施。 (5)建筑物隔聲。在許多情況下,當環境條件受到限制,也可考慮建筑物隔聲,特別是門窗的隔聲是主要的措施,一般的隔聲量也能達到20～30dBA。 (6)綠化減噪。綠化減噪措施是一種生態降噪的措施。通常100m的林帶,約有10dBA的降噪效果,因此在條件許可的環境下,可以和聲屏障結合起來,既起到吸聲的效果,又可以美化環境。3.2城市鐵路聲屏障工程實施及效果評估3.2.1聲屏障的原理 聲屏障是設于噪聲源和受保護噪聲敏感點之間的聲學障板,是用來降低噪聲對噪聲敏感點局部環境污染的重要措施之一。 當交通噪聲遇到聲屏障后產生反射,只有部分聲能越過聲屏障頂端繞射到其背面,在背面形成聲影區。聲屏障設計的基本原則是使受聲點(噪聲敏感區)處于聲影區內,即聲屏障能夠阻擋聲源的直達聲,使繞射聲盡量減少為原則。 聲屏障繞射的聲衰減取決于噪聲的聲程差和聲源的噪聲頻率。聲程差越大,聲衰減越大。聲程差和受聲點離聲屏障的距離以及聲屏障材料的聲學性能等因素有關。聲屏障越高,聲源和受聲點離聲屏障越近,則聲程差越大。有限長度的聲屏障還應同時考慮屏障長度方向兩端的繞射聲衰減。此外,噪聲的頻率越高,繞射的聲衰減也越大。 聲屏障的設計目標值即為聲屏障的插入損失。通常,城市鐵路列車編組為4節列車,每列車輛總長約100m,每列車相當于一個流動的線聲源,保護噪聲敏感點的聲屏障的長度大于列車的長度,因此在計算聲屏障的插入損失時采用無限長線聲源的計算方法。3.2.2北京城市鐵路交通噪聲聲屏障控制措施 為使噪聲控制做到技術和經濟合理,北京城鐵吸收了國內外先進的技術,在聲屏障的結構形式和材質等方面做了重點研究。聲屏障的結構形式。按噪聲敏感地帶與線路的實際關系及隔聲要求,將全線的聲屏障設計為三種形式,即全封閉式、半封閉式和直立式。 聲屏障的吸聲部分為HA-S型吸聲板或波浪吸聲板,透明部分為夾膠玻璃或耐力板。波浪吸聲板內部吸聲材料采用無緘憎水玻璃布包裹離心玻璃棉,隔聲指數STC≥30;夾膠玻璃結構的兩外側玻璃厚5mm,中間為0.76mm厚的膠膜,隔聲指數STC≥30;耐力板采用透明耐光板,隔聲指數STC≥25。全線共設置單側聲屏障6.4km,全封閉聲屏障756m,總計43249m2。3.2.3聲屏障降噪處理方案圖七為典型段的城市軌道交通噪聲控制聲屏障外觀圖。表3列出了聲屏障的形式、點位、屏障高度及長度。3.2.4實施效果評估 通過北京市環境保護監測中心對建成的聲屏障效果的抽查監測,結果表明被保護的敏感點目標白天城鐵交通噪聲均低于《交通干線兩側白天70dBA的環境噪聲標準》,各敏感點的等效聲壓級在56.2dBA-66.2dBA的范圍內。平均降噪效果基本達到了預期的目標,特別是全封閉的聲屏障的降噪效果可達30dBA以上(見表4)。4結論 北京城市鐵路的聲屏障工程是首次對軌道交通噪聲傳播的規律及治理進行了理論的探討和實際的應用,結果表明聲屏障示范工程是成功的。 軌道交通不同道路結構的噪聲輻射水平不同,以地面線路最低,高架線路最高。在車速為60km/h、距離鋼軌7.5m處不同線路結構的軌道交通噪聲基準值L0取值如下:地面線路:L0=84.6dBA(實測平均值)≈85dBA(基準值)高路堤線路:L0=89.2dBA(實測平均值)≈89dBA(基準值)高架線路:L0=91.6dBA(實測平均值)≈92dBA(基準值) 當距離很遠時,噪聲隨距離的衰減是符合點聲源的衰減規律的,即距離增加一倍,衰減約6dBA。 城市鐵路的聲屏障工程減噪效果明顯,敏感點的噪聲平均下降了近10dBA,達到了城市區域環境噪聲標準的要求。尤其是全封閉聲屏障的效果特別明顯,降噪效果達到30dBA以上。參考文獻:[1]《北京市城市軌道交通工程環境影響報告書》.1997.[2]《輕軌交通車輛通用技術條件》.CJ/T5021-95.[3]《地下鐵道設計規范》.GB50157—2003.[4]《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》.2002.[5]《城市區域環境噪聲標準》.GB/3096-1993.
2.2北京城市軌道交通噪聲的計算與分析 北京城市鐵路是北京市第一條地面輕軌交通線,全長41km,沿途有許多居民住宅區,屬于環境噪聲敏感地段。2.2.1列車7.5m處軌道交通噪聲值L0值的確定 根據軌道交通噪聲計算式(6),需要提供車速為60km/h時距離鋼軌7.5m處列車的A計權噪聲級L0,而該值通常需要由實驗確定。城市鐵路道路結構一般有三種類型:地面線路、高路堤線路和高架線路,本研究重點選擇了具有這三種不同道路結構類型特點的軌道交通噪聲情況進行了現場實測。噪聲實測值分別見圖一、圖二、圖三。 由圖可知:軌道交通道路結構不同,其噪聲輻射水平也不同,以地面線路最低,高架線路最高;隨著車速的增加,噪聲輻射水平呈增加的趨勢;距鋼軌的距離越遠,噪聲輻射水平越小。 考慮到車速不同,輻射噪聲不同的影響因素,通常在計算平均輻射噪聲值時,取55~70km/h之間測量值的平均值,作為相當于車速為60km/h、距離鋼軌7.5m處的列車軌道交通噪聲基準值L0。本研究綜合上列三圖的實測結果,對車速為60km/h、距離鋼軌7.5m處不同線路結構的軌道交通噪聲基準值L0取值如下:地面線路:L0=84.6dBA(實測平均值)≈85dBA(基準值)高路堤線路:L0=89.2dBA(實測平均值)≈89dBA(基準值)高架線路:L0=91.6dBA(實測平均值)≈92dBA(基準值) 另外,對于不同車速,由于r=7.5m處的實際測量值與基準噪聲值的偏差也不一樣,因此在計算軌道交通噪聲時需要對車速修正。2.2.2軌道交通噪聲衰減與距離增加的關系 表2給出了軌道噪聲隨距離衰減的實測值與基準噪聲值L0的比較,從而使經過距離修正后的噪聲值更接近實測值。 圖四為軌道交通噪聲衰減與距離增加的關系。由圖可見,隨著距離的增加,軌道噪聲的影響大幅度下降,當遠離鋼軌120m時,軌道交通噪聲的影響已被衰減了12dBA。2.2.3軌道交通噪聲的頻率特性 由高路堤段上、下行線實測的軌道交通噪聲頻譜圖(圖五、六)可看出,軌道交通噪聲具有兩個明顯的峰值,一個在低頻,一個在中頻。低頻主要在50~63Hz,中頻主要在500~1000Hz。本研究,主要針對500~2000Hz頻率段的軌道交通噪聲,進行控制對策及其方法研究。3城市軌道交通噪聲控制對策3.1城市軌道交通噪聲控制的主要措施 (1)合理規劃。通常線路的選擇既要考慮充分發揮城鐵交通的作用和經濟利益,同時也要盡量避開居民集中的地區,例如美國芝加哥的城鐵就修建在高速公路的中間,距離公路兩旁的建筑物很遠,其噪聲影響顯然低于公路交通噪聲。在城市發展規劃中,居民住宅和醫院、學校等噪聲敏感建筑物應遠離地鐵,以避免遭受噪聲的影響。 (2)發展低噪聲車輛。車輛噪聲是軌道交通重要的噪聲源,它主要由電機、風扇、壓縮機和車體本身的振動產生。因此開發低噪聲電機和低噪聲風扇產品,做好壓縮機的隔聲和消聲器,提高車體的隔聲、利用阻尼和隔振技術降低車體的輻射噪聲,是降低城市車輛交通噪聲的有效措施,采取這些措施后,可使車輛本身的噪聲至少降低10dBA。 (3)降低輪軌噪聲。輪軌噪聲是軌道交通噪聲的一個主要噪聲源。它主要是由車輪與鐵軌的撞擊和摩擦產生。降低輪軌噪聲主要措施包括給車輪和鐵軌加阻尼材料,橡膠車輪,短軌換長軌,以減少接縫,降低鐵軌本身的振動,給車輪加裙邊等。采取這些措施后,也可使輪軌噪聲降低8～10dBA。 (4)修建聲屏障。當聲波在傳播的途徑中遇到障礙物時,會產生輻射,有相當一部分聲音能量被反射回來,只有部分聲能繞過障礙物傳到另一邊,從而使噪聲得到降低。因此聲屏障是降低傳播途中聲能量的重要措施。 (5)建筑物隔聲。在許多情況下,當環境條件受到限制,也可考慮建筑物隔聲,特別是門窗的隔聲是主要的措施,一般的隔聲量也能達到20～30dBA。 (6)綠化減噪。綠化減噪措施是一種生態降噪的措施。通常100m的林帶,約有10dBA的降噪效果,因此在條件許可的環境下,可以和聲屏障結合起來,既起到吸聲的效果,又可以美化環境。3.2城市鐵路聲屏障工程實施及效果評估3.2.1聲屏障的原理 聲屏障是設于噪聲源和受保護噪聲敏感點之間的聲學障板,是用來降低噪聲對噪聲敏感點局部環境污染的重要措施之一。 當交通噪聲遇到聲屏障后產生反射,只有部分聲能越過聲屏障頂端繞射到其背面,在背面形成聲影區。聲屏障設計的基本原則是使受聲點(噪聲敏感區)處于聲影區內,即聲屏障能夠阻擋聲源的直達聲,使繞射聲盡量減少為原則。 聲屏障繞射的聲衰減取決于噪聲的聲程差和聲源的噪聲頻率。聲程差越大,聲衰減越大。聲程差和受聲點離聲屏障的距離以及聲屏障材料的聲學性能等因素有關。聲屏障越高,聲源和受聲點離聲屏障越近,則聲程差越大。有限長度的聲屏障還應同時考慮屏障長度方向兩端的繞射聲衰減。此外,噪聲的頻率越高,繞射的聲衰減也越大。 聲屏障的設計目標值即為聲屏障的插入損失。通常,城市鐵路列車編組為4節列車,每列車輛總長約100m,每列車相當于一個流動的線聲源,保護噪聲敏感點的聲屏障的長度大于列車的長度,因此在計算聲屏障的插入損失時采用無限長線聲源的計算方法。3.2.2北京城市鐵路交通噪聲聲屏障控制措施 為使噪聲控制做到技術和經濟合理,北京城鐵吸收了國內外先進的技術,在聲屏障的結構形式和材質等方面做了重點研究。聲屏障的結構形式。按噪聲敏感地帶與線路的實際關系及隔聲要求,將全線的聲屏障設計為三種形式,即全封閉式、半封閉式和直立式。 聲屏障的吸聲部分為HA-S型吸聲板或波浪吸聲板,透明部分為夾膠玻璃或耐力板。波浪吸聲板內部吸聲材料采用無緘憎水玻璃布包裹離心玻璃棉,隔聲指數STC≥30;夾膠玻璃結構的兩外側玻璃厚5mm,中間為0.76mm厚的膠膜,隔聲指數STC≥30;耐力板采用透明耐光板,隔聲指數STC≥25。全線共設置單側聲屏障6.4km,全封閉聲屏障756m,總計43249m2。3.2.3聲屏障降噪處理方案圖七為典型段的城市軌道交通噪聲控制聲屏障外觀圖。表3列出了聲屏障的形式、點位、屏障高度及長度。3.2.4實施效果評估 通過北京市環境保護監測中心對建成的聲屏障效果的抽查監測,結果表明被保護的敏感點目標白天城鐵交通噪聲均低于《交通干線兩側白天70dBA的環境噪聲標準》,各敏感點的等效聲壓級在56.2dBA-66.2dBA的范圍內。平均降噪效果基本達到了預期的目標,特別是全封閉的聲屏障的降噪效果可達30dBA以上(見表4)。4結論 北京城市鐵路的聲屏障工程是首次對軌道交通噪聲傳播的規律及治理進行了理論的探討和實際的應用,結果表明聲屏障示范工程是成功的。 軌道交通不同道路結構的噪聲輻射水平不同,以地面線路最低,高架線路最高。在車速為60km/h、距離鋼軌7.5m處不同線路結構的軌道交通噪聲基準值L0取值如下:地面線路:L0=84.6dBA(實測平均值)≈85dBA(基準值)高路堤線路:L0=89.2dBA(實測平均值)≈89dBA(基準值)高架線路:L0=91.6dBA(實測平均值)≈92dBA(基準值) 當距離很遠時,噪聲隨距離的衰減是符合點聲源的衰減規律的,即距離增加一倍,衰減約6dBA。 城市鐵路的聲屏障工程減噪效果明顯,敏感點的噪聲平均下降了近10dBA,達到了城市區域環境噪聲標準的要求。尤其是全封閉聲屏障的效果特別明顯,降噪效果達到30dBA以上。參考文獻:[1]《北京市城市軌道交通工程環境影響報告書》.1997.[2]《輕軌交通車輛通用技術條件》.CJ/T5021-95.[3]《地下鐵道設計規范》.GB50157—2003.[4]《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》.2002.[5]《城市區域環境噪聲標準》.GB/3096-1993.