高速铁路噪声源分声源频谱计算方法与流程

本发明属于高速铁路噪声控制领域，特别是涉及一种高速铁路噪声源分声源频谱计算方法。

背景技术：

噪声源是高速铁路降噪措施研究与设计的重要参考依据之一。高速铁路噪声源具有多声源、频率特性复杂的特点，有效的噪声源数据应至少包含多个声源的频谱和位置信息，同时需满足工程实用性需求。我国高速铁路设计时参考的噪声数据取自早期建成的高速铁路现场测试结果，由于测试技术手段的限制等原因，该参考值仅为距离线路中心25m处的声压级，而非列车表面或列车等效包络面上的声源功率，且缺少频谱和位置信息，在降噪设计中无法作为声源使用。由于缺少可用的声源，工程设计人员无法有针对性地开展降噪措施设计与开发，在一定程度上导致部分铁路建成后环境噪声治理措施未能达到预期效果，被迫额外投入资金进行工程补救并拖延了工期。

声源辨识是通过测试取得声源较详细信息的重要手段，利用快速移动声源辨识技术能够析出高速铁路不同声源的空间位置和频谱。利用声源辨识技术获得的高速铁路噪声源是分布在等效包络面上的数千乃至上万个点声源，因此无法直接应用于工程设计。最新研究成果给出了列车表面29条线声源，由于其数量过多依然不适用于工程设计。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种能够提供有效噪声源、结果准确、实用性强的高速铁路噪声源分声源频谱计算方法。

为此，本发明的技术方案如下：

一种高速铁路噪声源分声源频谱计算方法，包括：S1确定列车长度和线路形式；S2确定通过高速铁路噪声源辨识获得的等效声源包络面上的每个点声源位置坐标、声强频谱和声源间距；S3将高速铁路声源按照高度划分为车辆下部、车辆上部和基础设施三个区域，确定每个区域垂向坐标范围；S4确定每个区域包含的点声源编号；S5计算每个区域对应的线声源功率频谱；S6计算每个区域对应的线声源位置。具体步骤如下：

S1、确定列车长度和线路形式：

列车长度为L，单位为m，线路形式为桥梁或路基；

S2、确定通过高速铁路噪声源辨识获得的等效声源包络面上的每个点声源位置坐标、声强频谱和声源间距：

高速铁路声源辨识结果为等效声源包络面上所有点声源位置坐标及声强频谱。声源辨识获得的点声源位置坐标为(X_s,i,Y_s,i,Z_s)，i＝1,2,......N_s，对应的声强频谱为I(X_s,i,Y_s,i,Z_s,f_j),j＝1,2,......N_f。其中，i为噪声源编号，j为频率编号，s表示噪声源，N_s为辨识获得的点声源个数，N_f为频率点个数，X_s,i为第i个点声源纵向(线路方向)坐标，Y_s,i为第i个点声源与轨顶的垂向距离；所有点声源与线路中心的水平距离相同，均为Z_s；f_j为第j个频率。声源辨识结果中所有点声源均匀分布，纵向相邻点声源间距为ΔX，垂向相邻点声源间距为ΔY。

S3、将高速铁路声源按照高度划分为车辆下部、车辆上部和基础设施三个区域，确定每个区域的垂向坐标范围：

车辆下部声源区域垂向坐标范围[A₁，A₂]；

车辆上部声源区域垂向坐标下限[B₁，B₂]；

基础设施声源区域垂向坐标下限[C₁，C₂]；

为使三个区域不重叠，应满足B₁>A₂，A₁>C₂。

车辆下部声源区域应包含钢轨、车轮、转向架及车头附近位置声源，车辆上部声源应包含列车顶部、导流罩、受电弓和及接触网附近声源，基础设施声源应包含道床以下基础设施产生的声源。实际声源位置与列车车型、车速等多个因素相关，应根据噪声源辨识结果云图，针对具体车次测试结果划分三个区域的范围。

S4、确定车辆下部、车辆上部和基础设施三个区域包含的点声源编号：

车辆下部区域包含的点声源编号组成集合I_A：

I_A＝{i|i满足A₁≤Y_s,i≤A₂且i∈{1,2,3,...,N_s}}；

车辆上部区域包含的点声源编号组成集合I_B：

I_B＝{i|i满足B₁≤Y_s,i≤B₂且i∈{1,2,3,...,N_s}}；

基础设施区域包含的点声源编号组成集合I_c：

I_c＝{i|i满足C₁≤Y_s,i≤C₂且i∈{1,2,3,...,N_s}}。

S5、计算每个区域对应的线声源功率频谱

声源辨识获得的点声源声强沿线路纵向分布不平均，需将其化简为沿线路纵向均匀分布的不相干线声源，用于声屏障等措施的降噪效果预测。

车辆下部区域线声源对应频率f_j的功率W_A(f_j)为：

$W_A\left(f_j\right)=10lg(\underset{i}{\Σ}\frac{I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·\mathrm{\Δ}X\·\mathrm{\Δ}Y}{L}\·\frac{1}{W_0}),(i\∈I_A,j=1,2,......N_f)$

式中，W₀＝1×10^-12；i∈Ι_A，表示取车辆下部点声源集合Ι_A所有元素参与计算。

车辆上部区域线声源对应频率f_j的功率W_B(f_j)为：

$W_B\left(f_j\right)=10lg(\underset{i}{\Σ}\frac{I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·\mathrm{\Δ}X\·\mathrm{\Δ}Y}{L}\·\frac{1}{W_0}),(i\∈I_B,j=1,2,......N_f)$

式中，i∈Ι_B，表示取车辆下部点声源集合Ι_B所有元素参与计算。

基础设施区域线声源对应频率f_j的功率W_C(f_j)为：

$W_C\left(f_j\right)=G_c\·10lg(\underset{i}{\Σ}\frac{I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·\mathrm{\Δ}X\·\mathrm{\Δ}Y}{L}\·\frac{1}{W_0}),(i\∈I_C,j=1,2,......N_f);$

式中，i∈Ι_C，表示取基础设施点声源集合Ι_C所有元素参与计算，G_c为线路形式因子，研究表明路基段基础设施噪声的贡献可以忽略，因此：

利用上述方法获得三个区域对应的线声源功率频谱。

S6、计算每个区域对应的线声源位置：

线声源位置包括高度和水平位置。首先以辨识所得点声源声强为权重系数，求得三组源强各自对应的等效线声源高度，

车辆下部源强的高度H_A为：

$H_A=\frac{\underset{j=1}{\overset{N_f}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·Y_{s,i}}{\underset{j=1}{\overset{N_f}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)},i\∈I_A;$

车辆上部源强的高度H_B为：

$H_B=\frac{\underset{j=1}{\overset{N_f}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·Y_{s,i}}{\underset{j=1}{\overset{N_f}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)},i\∈I_B;$

基础设施源强的高度H_C为：

$H_C=\frac{\underset{j=1}{\overset{N_f}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·Y_{s,i}}{\underset{j=1}{\overset{N_f}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)},i\∈I_C.$

所有线声源的水平位置相同，用Z_L表示，Z_L＝Z_s。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明根据高速铁路噪声源辨识测试获得的点声源位置和频谱，将高速铁路噪声源划分为车辆下部、车辆上部和基础设施三个区域，分别计算每个区域对应的列车表面等效线声源功率频谱和位置。该方法克服了现有高速铁路工程降噪设计中缺少有效声源的难题，可用于250km/h以上不同速度级高速铁路噪声源计算，其结果准确、工程实用性强，一般工程设计人员易于掌握，适用于高速铁路声屏障工程设计和噪声控制措施开发，提高了高速铁路降噪措施设计的有效性和合理性。

附图说明

图1为本发明的高速铁路噪声源分声源频谱计算方法的流程示意图；

图2为车辆下部、车辆上部和基础设施的区域划分及包含的点声源示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的方法进行详细说明。

实施例1

高速铁路甲适用于工程设计的简化噪声源分声源频谱计算案例：高速铁路甲线路形式为桥梁，通过列车长度L为200m；通过声源辨识已获得等效声源面上的6030个点声源坐标和每个点声源的频谱，频率点数15，对应频率依次为{200，315，400，500，630，800，1000，1250，1600，2000，2500，3150，4000，5000，6300}，纵向相邻声源间距1m，垂向相邻声源间距0.2m；要求划定车辆下部区域为轨面以下0.4m至轨面以上2m，车辆上部区域为轨面以上2.1m至轨面以上6m，基础设施区域为轨面以下0.5m至轨面以下3m；计算简化噪声源频谱和位置。

具体计算步骤如图1：

S1、确定列车长度和线路形式

列车长度L＝200，

线路形式为桥梁；

S2、确定高速铁路声源辨识获得的点声源位置坐标、声强频谱和声源间隔

每个点声源的位置坐标为(X_s,i,Y_s,i,Z_s)，i＝1,2,......6030，

对应的声强频谱为I(X_s,i,Y_s,i,Z_s,f_j),j＝1,2,......15，

频率f_j依次为200，315，400，500，630，800，1000，1250，1600，2000，2500，3150，4000，5000，6300，

声源间距ΔX＝0.2m，ΔY＝0.2m。

S3、将高速铁路声源按照高度划分为车辆下部、车辆上部和基础设施三个区域，确定每个区域垂向坐标范围

根据声源辨识云图(略)划分三个区域垂向坐标范围：

车辆下部声源区域垂向坐标范围[-0.4，2]；

车辆上部声源区域垂向坐标下限[2.1，6]；

基础设施声源区域垂向坐标下限[-3，-0.5]。

S4、确定每个区域包含的点声源编号

如图2：

车辆下部区域包含的点声源编号组成集合I_A：

I_A＝{i|i满足-0.4≤Y_s,i≤2且i∈{1,2,3,...,6030}}；

车辆上部区域包含的点声源编号组成集合I_B：

I_B＝{i|i满足2.1≤Y_s,i≤6且i∈{1,2,3,...,6030}}；

基础设施区域包含的点声源编号组成集合I_c：

I_c＝{i|i满足-3≤Y_s,i≤-0.5且i∈{1,2,3,...,6030}}。

S5、计算每个区域对应的线声源功率频谱

车辆下部区域线声源在频率f_j的功率W_A(f_j)为：

$W_A\left(f_j\right)=10\lg (\underset{i}{\Σ}\frac{I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·1\·0.2}{200}\·\frac{1}{{10}^{-12}}),(i\∈I_A,j=1,2,\mathrm{......15});$

车辆上部区域线声源在频率f_j的功率W_B(f_j)为：

$W_B\left(f_j\right)=10\lg (\underset{i}{\Σ}\frac{I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·1\·0.2}{200}\·\frac{1}{{10}^{-12}}),(i\∈I_B,j=1,2,\mathrm{......15});$

基础设施区域线声源在频率f_j的功率W_C(f_j)为：

$W_C\left(f_j\right)=10\lg (\underset{i}{\Σ}\frac{I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·1\·0.2}{200}\·\frac{1}{{10}^{-12}}),(i\∈I_C,j=1,2,\mathrm{......15}).$

获得三个区域对应的线声源功率频谱。

S6、计算每个区域对应的线声源位置：

车辆下部源强的高度H_A为：

$H_A=\frac{\underset{j=1}{\overset{15}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·Y_{s,i}}{\underset{j=1}{\overset{15}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)},i\∈I_A;$

车辆上部源强的高度H_B为：

$H_B=\frac{\underset{j=1}{\overset{15}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·Y_{s,i}}{\underset{j=1}{\overset{15}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)},i\∈I_B;$

基础设施源强的高度H_C为：

$H_C=\frac{\underset{j=1}{\overset{15}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)\·Y_{s,i}}{\underset{j=1}{\overset{15}{\Σ}}\underset{i}{\Σ}I(X_{s,i},Y_{s,i},Z_s,f_j)},i\∈I_C.$

所有线声源的水平位置相同，用Z_L表示，Z_L＝Z_s。

将本发明计算得到的高速铁路线声源功率频谱和线声源位置代入工程中广泛使用的直立式声屏障插入损失公式，即可分别得到车辆下部、车辆上部和基础设施声源插入损失，进一步计算得到声屏障总插入损失，因此可以在声屏障工程设计阶段准确预测声屏障降噪效果。还可将线声源功率频谱和线声源位置导入声学仿真模型，预测轨道吸音板、隧道内吸声结构、折角式声屏障、半封闭或全封闭式声屏障等多种高速铁路降噪措施的降噪效果，对于合理选择和设计高速铁路噪声控制措施具有重要指导意义。