日本西部公司新干线噪声防治对策分析 - 文章

日本西部公司新干线噪声防治对策分析

作者：R Takahashi

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1 引言

山阳公司运营的新干线全线于1975年通车，连接大阪和Hakata，途经神户、冈山、广岛、小仓等诸多日本西部大城市（图1）。该线路拥有300多辆机车，日均客流量达15万人次，在开通之初，机车都是“0系列”类型（图2），时速为 210 km/h。随后又开发出若干新车型，运行速度得以提高，如今山阳新干线绝大部分机车运行速度在270km/h以上。1997年研制的“Nozomi 500”系列车型（图3）的时速达300 km/h，是当今世界上最快的列车，从Shin-Osaka到Hakata，相距554 公里，只需要2个小时17分钟即可到达。图4显示了从Shin-Osaka到Hakata之间，不同时期不同型号机车的最高时速和通行时间。

图1 山阳新干线走向

图4 山阳新干线的提速

该线的主要特点是穿梭于人口密集地区，并且邻近沿线布局有大量的建筑物（图5）。因此，为了保证周围建筑物不受干扰，给居民的日常生活创造一个宜人的生活环境，新干线需采用了非常严格的环境质量标准。事实上，通过新技术的采用，可以保证在提高机车运行速度的同时，又不会对环境产生负面影响。

图5 山阳新干线沿线情况

2噪声防治对策

2.1新干线噪声环境质量标准

通过对实测噪声水平进行平均，就可以获得新干线的噪声水平，也称之为标准噪声值。具体来讲，按照国家标准，需要测量每一机车在双向道路上的最高噪声水平，并且还要连续纪录20辆机车。最后获得的噪声值与“等效连续噪声水平” [equivalent continuous noise level (LAeq)]有所不同，后者主要应用于环境噪声评价，并不考虑机车的通行密度（operating density）。

在那些噪声高于 75 dB的居住区，考虑到新干线机车的通行密度，如果按照LAeq来衡量，这一指标相当于55 dB，必须采取一定的噪声防治措施。而且，机车的最大噪声不能超过75 dB。

2.2机车噪声防治措施

（1）低噪声的受电弓系统（current collection system）

大部分新干线机车都配备两套受电弓系统。在高速运行时，受空气动力学因素影响，受电弓系统会发出强大噪声。由于噪声源在列车顶部，通过在轨道附近设置噪声屏障很难消除这种噪声。因此，需要在产品开发和研制阶段来寻求解决方法。

减少空气动力学噪声非常重要，特别是在列车加速阶段，噪声强度的增长率是列车时速增长率的六倍，因此，在引进500系列车型的同时，也开发出“低噪声受电弓系统”。如图6所示，翼型受电弓系统由流线型部件构成，受电弓顶部的高度降低至与绝缘体一样高。图7显示出500系列机车低噪声气流收集系统的效果。与传统列车相比，采用这一技术可以大约降低3个分贝。

图6 低噪声受电弓系统图7 低噪声受电弓系统的降噪效果

（2）平滑的机车车体

除了气流收集系统之外，列车车体还有其他空气动力学噪声源，列车车体有许多相对粗糙的表面，例如车门、车窗等设备。与以往列车相比，500系列机车的表面做到尽可能地平整、光滑，以最大限度地降低空气动力学噪声。

图8 “光滑”500系列车的车体表面

2.3沿线噪声防治措施

（1）声屏障

图9是山阳新干线高架铁路的标准结构示意图。在运营初期，该线路两侧建造了大量各种类型的声屏障。但是后来，鉴于周围的具体环境发生了许多变化，产生了一些新需要，因地制宜地进行了相应的技术改进。

图9 山阳新干线高架铁路的标准结构

防治噪声的一个通常做法就是提高声音屏障的高度，通过“新干线周边噪声预测模型”[1]来建立预测方程，进而决定声屏障的具体高度。最近采用了由聚碳酸酯（polycarbonate）制成的透明隔音板来作为声屏障材料，这样做的好处是乘客可以透过声屏障来尽情地浏览周围的风光，而不会受到视线阻碍的影响（图10）。

图10 透明声屏障

（2）对钢轨表面进行打磨

在机车运行时，机车车轮与轨道之间产生的摩擦噪声主要是由于轨道较为粗糙造成的。因此通过定期打磨钢轨，就可以达到显著改善粗糙度、降低摩擦噪声的目的。如图11所示，SPENO型 32头钢轨打磨车（ SPENO 32 heads rail grinding car）正在工作。打磨车工作一次可以去除钢轨表面0.3mm的杂质厚度，为了控制噪声，每年要对300km的钢轨进行抛光。另一方面，由于道岔结构复杂，打磨车不能够对其进行打磨，因此，道岔经常得不到打磨。现在6头钢轨打磨车（6 heads rail grinding car）可以解决上述问题（图12）。图13是钢轨打磨后噪声减轻的效果分析图。当道岔被打磨后，在距离轨道25m远的地方，噪声峰值可以降低大约2 dB。

图13 道岔钢轨打磨后的降噪效果

（3）在隧道内部安装吸声材料

由于日本人口稠密，即使在隧道入口附近，也常常布局有大量居住区，更有必要采取隔音措施。轨道交通噪声有多个来源不止一处，既需要测量隧道出入口附近的噪声，也需要测量机车自身的噪声，如图14所示。因此，在特定情况之下，测量得到的噪声水平要比一般情况下高。来自隧道出入口的噪声是机车运行过程中由于反射而产生的噪声回音。由于混凝土吸收声音的能力不如道碴，因此在混凝土板式轨道的隧道（slab track tunnels）测量到的噪声水平要高于在有碴轨道的隧道（ballast track tunnels）的噪声水平。

图14 隧道洞口的噪音

有两种方法可以降低隧道出入口的噪声，一种是在隧道内部安装吸音材料，另外一种方法则是设置隔音板。目前已经开展了在混凝土路面隧道里安装吸音材料的实地试验。图15反映了这项工作以及试验效果。结果很明显，来自隧道出入口的噪声水平下降了2– 4 dB。而且，这项试验中所采用的吸音材料是由陶瓷制成的，为了加强对新干线隧道内部压力的抵御能力，还应用了铝合金材料进行了加固。

（a）隧道内壁的吸声材料（b）降噪效果
（i）安装吸声材料之前（ii）安装吸声材料之后
图15 隧道洞口降噪测试

3降低次声（低频音波，INFRASOUND）的措施

3.1在新干线旁边测量次声

当列车高速进入隧道，就会在隧道内部产生压缩波，并且沿着隧道以声波速度传播，当到达远处的隧道出口时，就会产生脉冲波，并且在隧道出口处向外围继续传播，这种脉冲波被称之为“微压波（micro-pressure wave）”[2]。在距离新干线20m的距离，其强度可达101–102 Pa。由于新干线全线隧道众多，因此，微压波是其中一个不可忽视的重要问题。图16是微压波形成机理的示意图。

图16 微压波形成机理

微压波含有大量的低于10 Hz的低频噪声，其性质与次声类似。有时候会给住宅内部的设施以及周围的建筑物带来环境问题，例如门窗会发生剧烈的晃动和摇摆。特别是日式房屋中的拉阖门（fusuma）和障子(shoji)，它们均是由木头和纸张制作而成，质量很轻，很容易因此而损坏。虽然到目前为止，日本还不存在次声的环境质量标准，但是要未雨绸缪，考虑到以后提速的需要，仍然需要采取必要的措施。

3.2车辆的噪声防治措施

为了有效避免微压波的产生，新干线的机车截面面积较小，车体头部趋于细长的流线型。图17显示了不同车型截面面积的大小和车体头部的长度。与300系列机车相比，500系列机车车体的截面面积是它的90%，而长度则扩大了1倍。通过上述改进措施，500系列机车在时速300 km/h 时所产生的微压波仅相当于300系列机车在时速km/h时的水平（图18）。

3.3沿线的噪声防治措施

为了降低微压波，还需要在隧道入口处安装防护罩（tunnel entrance hood）。山阳新干线隧道的截面面积是63.4 m2，这一指标远远小于欧洲高速列车的尺寸。通过在山阳新干线隧道的入口安装80–100 m2的防护外罩，并且在适当地方设置几扇窗户，可以有效缓解隧道压力的突然增加进而降低从对面入口所发射过来的微压波的强度。目前，防护罩已经在山阳新干线大约一半的隧道中安装，长度在10-50m之间不等。

4 结论

从轨道车辆和线路两个方面来降低新干线的噪声，目的是最大限度地降低噪声和次噪声。上述措施在能够满足列车的高速运行的同时，还保证一定的环境质量。对于日本铁路行业来说，在保证轨道交通线路的高速运行的同时，又不牺牲周围居民的生活环境质量，是必须努力追求的目标。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/3/2006)


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