基于文献数据和现场测试结果，对高速铁路和常导高速磁浮的近场噪声特性及二者垂向声源指向性进行了对比。分析结果表明，由于常导高速磁浮与高速铁路的驱动机理和噪声源组成不同，二者在近场的噪声特性有较大区别。在线路或导轨等高处的近场位置，常导高速磁浮的噪声要小于高速铁路噪声。随着行车速度的提高，磁浮线路车外辐射噪声的主要能量向高频移动，高速磁浮噪声在高频范围内的增加速度要大于高速铁路的增加速度。垂向声源指向性对比结果表明，在高速行车条件下，气动噪声为常导高速磁浮主要声源。 Based on literature data and field test results, the near field noise characteristics and vertical source directivity of high speed railway and high speed electric-magnetic suspension (EMS) maglev are compared. The results show that the near field noise characteristics of high speed EMS maglev and high speed railway are quite different due to their different driving mechanism and noise source composition. In the near field position at the height of the line or guide way, the noise of the high speed maglev is less than that of the high speed railway. With the increase of traffic speed, the main energy of noise radiated outside the maglev line moves to the high frequency, and the increase rate of high speed maglev noise in the high frequency range is greater than that of high-speed railway. The comparison of vertical source directivity shows that aerodynamic noise is the main source of high speed maglev under the condition of high speed driving.
基于文献数据和现场测试结果，对高速铁路和常导高速磁浮的近场噪声特性及二者垂向声源指向性进行了对比。分析结果表明，由于常导高速磁浮与高速铁路的驱动机理和噪声源组成不同，二者在近场的噪声特性有较大区别。在线路或导轨等高处的近场位置，常导高速磁浮的噪声要小于高速铁路噪声。随着行车速度的提高，磁浮线路车外辐射噪声的主要能量向高频移动，高速磁浮噪声在高频范围内的增加速度要大于高速铁路的增加速度。垂向声源指向性对比结果表明，在高速行车条件下，气动噪声为常导高速磁浮主要声源。
常导高速磁浮，高速铁路，噪声，近场
Shaolin Wang1,2, Peng Liu1, Jizhao Liu1,2, Weifan Wu1, Xuhong Hu1,2
1China Railway Design Corporation, Tianjin
2National Engineering Research Center for Digital Construction and Evaluation of Urban Transit, Tianjin
Received: Nov. 9th, 2022; accepted: Jan. 4th, 2023; published: Jan. 13th, 2023
Based on literature data and field test results, the near field noise characteristics and vertical source directivity of high speed railway and high speed electric-magnetic suspension (EMS) maglev are compared. The results show that the near field noise characteristics of high speed EMS maglev and high speed railway are quite different due to their different driving mechanism and noise source composition. In the near field position at the height of the line or guide way, the noise of the high speed maglev is less than that of the high speed railway. With the increase of traffic speed, the main energy of noise radiated outside the maglev line moves to the high frequency, and the increase rate of high speed maglev noise in the high frequency range is greater than that of high-speed railway. The comparison of vertical source directivity shows that aerodynamic noise is the main source of high speed maglev under the condition of high speed driving.
Keywords:High Speed EMS Maglev, High Speed Railway, Noise, Near Field
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对于常导高速磁浮线路方案设计、环保设计、行车组织设计和隧道断面设计，噪声是关键影响因素，要实现高速磁浮的车外噪声控制，需要掌握常导高速磁浮的噪声源特性。常导磁浮列车与高速列车相比，由于其驱动原理和车型尺寸的不同，二者的噪声源有很大的区别，现有高速铁路的车外噪声控制设计方法，并不完全适合常导高速磁浮。通过对比常导高速磁浮和高速铁路的噪声源特性，可为常导高速磁浮的车外噪声控制设计提供有益参考。
目前，已有的常导高速磁浮噪声测试研究主要围绕德国Emsland磁浮试验线和上海磁浮示范线进行。美国运输部联邦铁路管理局委托Hanson等在2001年~2002年现场实测了德国Emsland磁浮试验线上100 km/h~400 km/h的TR08列车运行时的声源及不同距离处噪声水平，测试了钢导轨、混凝土导轨、混合导轨、开关导轨等不同导轨类型以及和地面导轨、高架导轨线路型式的噪声特征 [
在高速铁路噪声源研究方面，基于我国拥有世界上最长的高速铁路运营里程这一独有条件，国内专家和学者开展了比较系统的现场测试工作。胡叙洪带领的团队系统的研究了高速铁路噪声源辨识测试技术，利用传声器阵列开展了一系列的高速铁路噪声源辨识与测试分析工作，获得了高速铁路噪声源频域特性、贡献量和等效声源 [
在常导高速磁浮与高速铁路噪声对比主要集中在噪声幅值方面。文献 [
本文通过开展现场测试，获得高速铁路近场噪声数据，并与公开的常导高速磁浮噪声数据进行对比，分析了常导高速磁浮与高速铁路近场噪声的幅值和频谱，同时进行了噪声源垂向指向性对比。
公开发表的常导高速磁浮的近场噪声数据绝大部分为噪声幅值，本文引用TB 10630-2019《磁浮铁路技术标准(试行)》给出的近场数据，其测点位置位于线路中心线6.5 m、与导轨面等高处 [
为获取高速铁路噪声近场噪声数据，在高速铁路桥梁地段开展了噪声测试。现场采用丹麦B & K公司144通道传声器阵列进行高速铁路车外声源辨识测试，如图1所示，阵列直径为5 m，距离线路中心9.8 m，阵列中心高于轨面1.2 m。本文取阵列位于钢轨表面处通道的测试数据。
图1. 丹麦B & K公司传声器阵列
常导高速磁浮在近场处的声压级倍频程频谱如图2所示。由图2可知，常导高速磁浮的近场噪声在各个频段的幅值整体上随着速度的增加而变大。
其中当行车速度从200 km/h增加到250 km/h时，噪声幅值在500 Hz、1000 Hz和2000 Hz有明显的增大。结合文献 [
图2. 常导高速磁浮在近场处的声压级频谱
另外，从图2可以看出，常导高速磁浮的近场噪声主要集中在1000 Hz和2000 Hz两个频段，随着行车速度的不同，对应的幅值最大的频段也不相同。其中行车速度为150 km/h时，噪声幅值在500 Hz最大，行车速度为430 km/h时，噪声幅值在2000 Hz最大，其他行车速度条件下，噪声均在1000 Hz最大，说明随着行车速度的提高，磁浮车外辐射噪声的主要能量向高频移动。
高速铁路在近场测点处的噪声时间历程如图3所示。从图中可以看出，近场测点处的声压级时间历程与列车结构呈现较强的关联性。以200 km/h的时程曲线为例，在列车通过过程中，第一个波峰对应头车一位转向架，第二个波峰对应头车二位转向架，第三个波峰对应2车的一位转向架，以此类推，在时程曲线中可以清楚的分辨出整列车的16个转向架。
高速铁路在近场测点处的声压级倍频程频谱如图4所示。由图4可知，高速铁路的近场噪声在各个频段的幅值均随速度的增大而变大。随着行车速度的不同，对应的噪声幅值最大的频段基本保持不变，即集中在1000 Hz和2000 Hz两个频段。这是因为对于高速铁路而言，轮轨区是能量占比最大的发声区域，并且轮轨噪声集中在1000 Hz和2000 Hz两个频段。因此，高速铁路近场噪声并未发生随行车速度增加而车外辐射噪声的主要能量向高频移动的现象。
为高速铁路与高速磁浮近场声压级的强度，利用常导高速磁浮在近场处的声压级频谱，获得其在距离线路6.5 m处的等效声压级，并参照有限长线声源的衰减公式 [
图3. 高速铁路在近场测点的时间历程
图4. 高速铁路在近场测点的声压级频谱
不同行车速度条件下，高速铁路与常导高速磁浮近场声压级频谱对比如图6所示。由图6可知，当行车速度为200 km/h时，高速铁路近场噪声在每个频段的幅值基本上要大于高速磁浮在对应频段的幅值，当行车速度为350 km/h时，在125 Hz、250 Hz和1000 HZ，高速磁浮近场噪声大于高速铁路近场噪声，在其他频段，高速磁浮近场噪声小于高速铁路近场噪声。对比两个速度条件下近场噪声的频谱可以发现，随着速度的提高，高速磁浮与高速铁路在高频部分的差值在减少，说明随着行车速度的增加，高速磁浮噪声在高频范围内的增加速度要大于高速铁路的增加速度。这有可能是因为随着速度的增加，高速铁路的噪声仍然以轮轨区噪声为主，高速磁浮以气动噪声为主，前者随速度的增加速度要小于后者的增加速度。
根据文献 [
图5. 高速铁路与高速磁浮近场声压级幅值
图6. 高速铁路与常导高速磁浮近场声压级频谱
其轮轨区域噪声源位置位于线路中心线轨顶面以上0.5 m处，高速磁浮的噪声源位于线路中心线6.5 m线路等位置处。从图中可以看出，随着角度的增加，高速铁路的垂向声源指向性变换规律与偶极子声源的分布规律较为接近，而高速磁浮的垂向声源指向性变换规律尤其是在高速条件下的变化规律与四极子声源的分布规律较为接近。这从另一方面说明，高速磁浮在高速条件下，四极子声源辐射能量占主导地位，即气动噪声为主要声源。
通过对高速铁路和常导高速磁浮的近场噪声特性以及二者垂向声源指向性进行对比，获得以下结论：
1) 由于常导高速磁浮与高速铁路的驱动机理和噪声源组成不同，二者在近场的噪声特性有较大区别，有必要开展针对性的噪声源辨识测试。
图7. 高速铁路与常导高速磁浮垂向声源指向性
2) 在线路或导轨等高处的近场位置，相同速度条件下，常导高速磁浮的噪声要小于高速铁路噪声。
3) 随着行车速度的提高，磁浮线路车外辐射噪声的主要能量向高频移动，高速磁浮噪声在高频范围内的增加速度要大于高速铁路的增加速度。
4) 在高速行车条件下，高速磁浮以四极子声源辐射能量占主导地位，气动噪声为主要声源。
中国工程院战略研究与咨询项目《超高速磁浮交通技术路径战略研究》(2022-XBZD-20)、中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题《我国高速磁浮铁路发展关键问题及战略研究》(N2021J033)、中国铁路设计集团有限公司科技开发课题《时速400公里高速磁浮噪声源辨识测试技术与噪声源特性研究》(2021A241009)、中国铁路设计集团有限公司科技开发课题《时速400~600公里高速磁浮声屏障技术研究》(2021A240902)。
王少林,刘 鹏,刘冀钊,伍卫凡,胡叙洪. 常导高速磁浮与高速铁路近场噪声对比与分析Comparison and Analysis of Near Field Noise between High Speed EMS Maglev and High Speed Railway[J]. 交通技术, 2023, 12(01): 8-15. https://doi.org/10.12677/OJTT.2023.121002