低噪声车辆减速器降噪效果预测分析

屠志平，张广勋，安 岩，马天宇

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京 100081；2.兰州铁路局集团有限公司电务段，甘肃 兰州 730070）

1 引言

驼峰编组站作为铁路货物运输的核心枢纽，是货物列车车辆中转、集结、解体和编组的场所，其作业效率高低直接影响着我国铁路货运运输的效率。车辆减速器（以下简称减速器）作为驼峰编组站的主要调速设备[1]，用于对驼峰溜放车组的速度控制。在调车作业过程中，减速器会产生高频高声压级的制动噪声和阀箱的排气噪声，严重影响周边的居住环境及职工工作环境。为了解决因减速器设备在调车作业过程中对周边环境的噪声污染问题，国内的一些研究机构提出了解决方案，但这些方案或是效果不理想，或是结构不成熟，或是使用寿命短、造价高等原因，都没有达到实际使用的要求。国外当前应用较为成功的是德国蒂森公司生产的TW 型减速器，其制动梁采用夹板、阻尼层加基梁的方式，实际使用的降噪效果较好。在梳理国内外解决方案和借鉴有关成功经验的基础上，我们研制出低噪声车辆减速器，并对低噪声减速器的降噪效果进行了科学监测研究[2]。

2 噪声测试情况简介

2.1 噪声测试依据

在梳理国内外有关噪声测试评价标准基础上，驼峰编组站以GB 12348-2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》[3]作为厂界噪声测试依据，GB 3096-2008《声环境质量标准》[4]作为周边居民区噪声评价标准依据，参考文献[5]机器设备噪声测量，对减速器设备噪声进行测试。

根据《工业企业厂界环境噪声排放标准》和《声环境质量标准》规定，若驼峰编组场周边有居民居住，则应按2 类声环境功能区进行划分，要求环境噪声等效声压级限值昼间为60dB，夜间为50dB；若驼峰编组场周边没有居民居住，则应按3 类声环境功能区进行划分，要求环境噪声等效声压级限值昼间为65dB，夜间为55dB。

2.2 测试对象及内容

某典型驼峰编组站（下文简称某编组站）一部位减速器共有2 线束，二部位减速器有6 线束，三部位减速器有30 股道，在三部位减速器区域周边不远处有居民小区，属于比较典型的2 类声环境功能区驼峰编组站。其中，在二部位第1 线束安装了低噪声减速器，其余都为普通减速器。因此，为了能对低噪声减速器设备进行降噪效果的比较，选择该驼峰编组站二部位1 线束和2 线束的减速器作为测试对象。分别测试普通减速器与低噪声减速器在作业时的噪声，分析噪声频率特征及传播规律和预测低噪声减速器的降噪效果。

2.3 测试方法及仪器

按照GB 12348-2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》规定的测试方法，对某编组站厂界噪声进行24h 连续监测；按照GB3096－2008《声环境质量标准》规定的检测方法，对某编组站周边居民楼外环境进行24h 连续定点监测；利用噪声测试仪采集溜放车组通过减速器区段的噪声，即在溜放车组距离减速器一定距离开始采集数据，在溜放车组驶出减速器一定距离后停止采集数据，并记录溜放车组通过时噪声的时域信号。根据测试方法，选择合适的测试仪器，如表1 所示。

表1 各测试点噪声测试仪器Tab.1 The Noise Measuring Instrument at Each Test Point

2.4 噪声测试布点情况

为了测试低噪声减速器和普通减速器的噪声，分别选择了5个测试点，如表2 所示。其中普通减速器的第2、3、4、5 测点分别与低噪声减速器第1、2、3、5 测点共用，在16m 处增加低噪声减速器第4 测点，测点距离地面为1.2m。由于受现场测试条件的限制，无法布置更多的测点。

对于站场厂界及周边居民区的环境噪声监测，由于某小区刚好位于下行驼峰调车场三部位减速器作业区域，对小区的噪声污染最大。在布置环境噪声监测时，充分考虑这些情况。因此，选择的厂界噪声测点位于三部位减速器驼峰编组站的边界，即厂界噪声测点距离一部位减速器中心位置约为360m，距离二部位减速器中心约为210m，距离三部位减速器中心约为110m，测点的布置则按照GB 12348-2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》要求，将噪声测试仪的探头布置在厂界外1.0m、高度1.2m 处；至于居民区小区环境噪声测点，本测试选择了离三部位减速器最近的该居民区的25 号楼和26 号楼的不同高度楼层，其中，26 号楼距离一部位减速器中心约为400m，距离二部位减速器中心约为270m，距离三部位减速器中心约为200m，该楼每个楼层高度为3m，此楼第3 层与驼峰调车场平面高度基本一致。噪声测试仪探头的测点布置在25 号楼的6 楼和13 楼窗外1.0m 处，26 号楼的3 楼和 18 楼窗外 1.0m 处，如图 1 所示。

表2 减速器设备噪声测点布置Tab.2 Arrangement of Noise Measuring Points of Vehicle Retarder

图1 某编组站噪声测试布点示意图Fig.1 Schematic Diagram of Noise Test Layout of a Marshalling Station

3 测试数据分析方法

3.1 噪声传播规律曲线拟合

在对减速器进行噪声测试时，根据测点布置的情况，记录了5 组数值（xi，y）i。为了得到噪声传播规律，通过数值曲线拟合的方法，求得一条近似的拟合曲线。由于声压级采用对数表示方式，因此，采用对数曲线进行拟合，如式（1）所示。根据曲线拟合[6]的最小二乘法原理，拟合等效A声级Leq的传播规律，拟合公式为：

式中：A—衰减系数；

B—等效距离为1m 处的Leq回归值；

x—到减速器的距离。

为了计算方便，设y=Leq（x）、z=lg（x），则式（1）转化为一次多项式：

为了使点（zi，yi）大多数落在该直线或在其附近，必须使其下式Q（A，B）取得极小值，即：

式（4）改写成矩阵形式，得：

把测得的数值代入式（5），可以求出拟合曲线的A、B值，代入式（1），可以得出设备噪声的传播规律曲线。

3.2 噪声数值修正

依据铁计44 号文《铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见（2010 年修订稿）》，对噪声进行垂直指向性修正和地面效应声衰减修正[7-8]。

当测点到声源的方向与水平面的夹角均小于24°，垂直指向性修正Ct，θ按下式计算：

式中：θ—声源到预测点方向与水平面的夹角，单位为°。

地面效应声衰减Cg，i按照下式计算：

式中：h—传播路程的平均离地高度，m；

d—声源至接收点的距离，m。

根据以上两公式，获得各噪声预测点的修正量，并把噪声的传播规律进行修正，如式（8）所示。

式中：IL—沟堑的插入损失。

3.3 噪声预测

在某编组站进行全场安装低噪声减速器后，预测驼峰编组站厂界噪声、居民区环境噪声的等效声级，预测公式如下[9]：

式中：Leq，n（x）—n部位声源传至距离为x预测点后的声级；Leq，b（x）—相应预测点处溜放车组通过但无制动噪声的声级；NT，n—时间段T内n部位通过的车辆数；aT，n—时间段T内n部位通过车辆的制动比例；t—平均每次制动的时长，s。

4 设备降噪效果分析

4.1 减速器噪声传播规律分析

为了比较低噪声减速器的降噪效果，选择二部位第1、2 线束的减速器进行测试。通过噪声测试，记录测试数据，并根据拟合曲线的数值分析方法，计算衰减系数A和回归值B，如表3、表4所示。把A、B值代入式（1），得到普通减速器和低噪声减速器的噪声传播规律曲线方程，如下：

普通减速器噪声传播规律曲线方程：

定义 2[9] Hom-Jordan李代数(L,[·,·]L,α,δ)由空间L,一个二元双线性运算L×L→L满足

低噪声减速器噪声传播规律曲线方程：

通过减速器噪声传播规律曲线方程可知，普通减速器在等效距离为1m 处等效声级统计均值为131.38dB（A），低噪声减速器在等效距离为1m 处等效声级统计均值为103.13dB（A），低噪声减速器在等效距离1m 处计算得到的统计降噪效果可达28dB（A）；普通减速器在距离16m 处噪声的等效声级统计均值为111.84dB（A），低噪声减速器在距离16m 处噪声的等效声级统计均值为86.49dB（A），低噪声减速器在距离16m 处统计降噪效果25.35dB（A）；普通减速器在距离19.2m 处噪声的等效声级统计均值为110.55dB（A），低噪声减速器在距离19.2m 处噪声的等效声级统计均值为85.39dB（A），低噪声减速器在距离19.2m 处统计降噪效果25.25dB（A）。

表3 普通减速器噪声测试统计表Tab.3 General Vehicle Retarder Noise Test Statistics

表4 低噪声减速器噪声测试统计表Tab.4 Low Noise Vehicle Retarder Noise Test Statistics Table

从表3 和表4 统计的结果来看，普通减速器噪声衰减系数为-16.23，低噪声减速器噪声衰减系数为-13.82，这是由于普通减速器制动噪声声能集中的频段为2kHz 至10kHz 的高频段，高频噪声随距离的衰减速度更快。

4.2 噪声频谱分析

为了比较普通减速器与低噪声减速器的噪声频谱，选择测试条件较为相近的对象进行分析。因此，本例选择普通减速器的测点距离为10.8m，低噪声减速器的测点距离为9.6m，减速器各制动一次、溜放车辆的重量为重车的两次测试结果进行比较，如图2 所示。

图2 普通减速器与低噪声减速器噪声频谱对比Fig.2 Comparison of Noise Spectrum Between Ordinary Vehicle Retarder and Low Noise Vehicle Retarder

从图2 的噪声频谱图可知，在低于1.6kHz 频段，普通减速器与低噪声减速器产生的噪声频谱较为接近，而在1.6kHz 及以上的高频段，普通减速器产生的噪声声压级大幅高于低噪声减速器产生的声压级。因此，低噪声减速器在高频段比普通减速器降噪效果明显。

4.3 噪声时域信号分析

图3 普通减速器噪声时域信号Fig.3 Ordinary Vehicle Retarder Noise Time Domain Signal

图4 低噪声减速器噪声时域信号Fig.4 Low Noise Vehicle Retarder Noise Time Domain Signal

普通减速器对14 辆溜放车组进行多次制动、测点距离为10.8m 处所产生噪声信号，如图3 所示。低噪声减速器对2 辆溜放车组进行多次制动、测点距离为9.6m 处所产生噪声信号，如图4 所示。

从图3 噪声时域信号来看，普通减速器对溜放车组进行了多次制动，制动所产生噪声的最大声级均比无制动时的声压级高出40dB（A）以上。从图4 噪声时域信号来看，低噪声减速器进行了多次制动，多次制动所产生噪声的最大声级比无制动时的声压级最大不超出23dB（A）。从噪声时域信号来看，低噪声减速器相比于普通减速器，噪声声压级有明显的降低，降噪效果较好。

5 站场降噪效果预测

5.1 站场车流量、制动时间等参数分析

2017 年3 月15 日，对某编组站驼峰车流量进行统计，统计结果为：一部位从（9～13）点通过溜放车辆数为541 辆，对溜放车辆进行制动次数为222，制动占比为41.03%；二部位从（11～19 点）通过溜放车辆数为1092 辆，对溜放车辆进行制动次数为437，制动占比为40.02%；三部位从12 点到19 点通过溜放车辆数为931辆，对溜放车辆进行制动次数为434，制动占比为46.61%；减速器单次平均制动时间约为1.17s。

5.2 站场背景噪声分析

测试站场背景噪声时，选择二部位测试点距离减速器为10.8m 进行测试。通过测试，在没有明显噪声源时，站场环境噪声的等效声级为36dB（A）；当溜放车辆通过减速器但无制动时，该段时间内的等效声级为66dB（A），每节车辆从一部位行驶至停车位平均耗时约为100s。设车辆经过噪声的传播衰减系数为-15，溜放车辆通过但不制动时，对厂界噪声的贡献约为48.5dB（A），对居民区贡献约为46.5dB（A）。

此外，考虑撞击声噪声、机车鸣笛噪声、列车牵引噪声、减速顶噪声等，对厂界噪声的等效声级修正为49.0dB（A），居民区环境噪声的等效声级修正为47.0dB（A）。

5.3 噪声预测分析验证

根据图1 的站场测试布点情况，通过式（6）和式（7），计算噪声修正系数，如表5 所示。

表5 各测点对不同位置声源的噪声修正Tab.5 The Noise Correction of Each Measuring Point to the Sound Source at Different Positions

某编组站驼峰调车场居民区的3 楼测点低于站场水平面，因此，对3 楼噪声预测时需要引入沟堑损失修正项IL，经试验，沟堑插入损失修正项定为-6.28dB（A）。由于某编组站二部位只装了一线束低噪声减速器，在计算时可以忽略低噪声减速器产生噪声，只考虑普通减速器产生的噪声，并把计算得到的预测值以及噪声测试的实测值，如表6 所示。从表6 可知，噪声的实测值与计算所得的预测值基本上一致，说明所采用的预测参数的设定基本合理，预测结果是可靠的。

表6 各测点噪声的实测值及预测值Tab.6 The Measured and Predicted Values of the Noise at Each Measuring Point

5.4 全场降噪效果预测

通过对某编组站的厂界噪声和小区环境的噪声测试，测试结果显示，因减速器产生的噪声严重超出噪声标准所规定的值，引起了周边居民的强烈不满和抗议。为了解决噪声污染问题，站场计划采用低噪声减速器方案，并对方案的可行性进行预测。

根据前文预测参数修正原则，对全站安装低噪声减速器后的环境噪声状况进行预测，预测的结果记录，如表7 所示。

表7 各部位到测点噪声预测值Tab.7 The Predicted Value of Noise From Each Position to the Measuring Point

通过以上的预测值，进一步对站场的厂界噪声和居民区不同楼层噪声测点的昼、夜等效声级进行预测，预测按式（9）进行计算，计算结果，如表8 所示。根据GB 12348-2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》和GB3096－2008《声环境质量标准》要求，安装低噪声减速器后，站场的噪声污染问题得到了大大的缓解。

表8 安装低噪声减速器后站场噪声预测Tab.8 Station Noise Prediction after Installation of Low Vehicle Retarder

6 结论

解决因减速器产生的噪声问题，研发出低噪声减速器，从噪声源上进行解决减速器噪声问题是根本路径。通过对某编组站噪声进行监测及分析，若在编组站全场安装低噪声减速器，将能够很好地达到降噪效果。

具体结论如下：

（1）通过监测某编组站的厂界昼间和夜间噪声水平，噪声均严重超标，昼间最大超标达19.6dB（A），夜间最大超标达32.5dB（A）；

（2）通过对低噪声减速器和普通减速器的噪声测试，低噪声减速器相比于普通减速器，能有效降低了1.6kHz 以上的高频噪声，降噪效果明显，平均降噪效果约为30dB（A）；

（3）通过计算分析，预测若全场改造为低噪声减速器后，厂界及小区环境的噪声水平均具有明显的降低。厂界昼间和夜间环境噪声基本满足GB 12348-2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》要求；小区环境昼间和夜间环境噪声也基本满足GB3096－2008《声环境质量标准》要求。