第460期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《降噪有新招》
讲座题目：透视新科技——降噪有新招
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：刘兰华，中国铁道科学研究院研究员。
辜小安，中国铁道科学研究院研究员。
讲座时间：2023年5月29日～6月4日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——降噪有新招
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是胜春。一提起轨道交通，我们以往的记忆往往是隆隆的列车声，听起来有点吵，而近些年我们发现身边的这个轨道交通越来越发达了，但是噪声却越来越低了。那在这背后到底是什么样的科学技术，支撑它的降噪呢？让我们一起走进今天的节目。轨道交通这个概念很宽泛，从火车、地铁、轻轨到近些年出现的各类新型轨道交通系统，都在这个范畴内。自诞生以来，轨道交通便以其准时、舒适、安全、环保等众多优势，而成为人们出行的优先选择。人流越集中的地方，对轨道交通线路的密集度要求越高，这就对在城市中穿行的轨道交通的降噪提出了严峻的挑战。首先，我们给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，这两位都是来自中国铁道科学研究院的研究员，一位是刘兰华，另一位是辜小安女士，欢迎两位！主持人好！轨道交通当中这个噪声到底是从哪儿产生的？
轨道交通噪声，它要引起噪声主要包括两大系统，第一大系统就是我们的车辆系统，就是我手上拿的这是一个车辆系统。第二大系统就是轨道系统，从车辆系统来讲它主要包括一个车体，第二个是下面有一个转向架。对车辆系统来讲核心的一个部件就是这个转向架，车体下面这个转向架。这个转向架我们俗称就是走行部，走行部它承载的整个车体的一个荷载，同时包括我们轮轨相互（撞）击（的）力，它要传递一个荷载，这个荷载震动要传递到咱们轨道上面，就会容易产生一个噪声。轨道系统涉及的比较多，但是我们这个轨道系统相对是比较简单，一般来说轨道系统包括钢轨、扣件、道床等等组成部分。由于列车与轨道的结构都很复杂，能产生噪声的源头是非常多的。车体与转向架之间、转向架与轮对之间、钢轮与钢轨之间，以及轨道上钢轨与轨枕、轨枕与道床之间都是由连接线连接起来的，其间的缝隙都会在列车行驶过程中发生摩擦和碰撞，所有这些位置都是轨道交通噪声的源头。
噪声这个词我们并不陌生，但是对于轨道交通当中的这个噪声，到底我们该怎么理解，两位能给我们解释一下吗？简单地理解，这个轨道交通的噪音它基本都是由振动引起的。我们日常生活当中说的这个噪音，主要是指的我们超过国家排放标准，引起咱们人的正常工作、学习、生活对他们带来影响的一些声音，我们都称为噪音。我们国家规定的相应的这个标准是什么，能给我们介绍一下吗？现在是这样，咱们有一个声环境质量标准。这个标准是分不同功能区划，就是所在的区域它不同，它的标准限制是不同的，这个标准限制主要还是要考虑它对人的工作、学习、休息、睡眠这样的等等的这些影响来确定的。目前基本上像在咱们的居住区域，基本上控制在白天是60分贝，夜间是50分贝这样的标准限值。比如打个比方，60分贝，50分贝，平时生活当中应该怎么理解它呢？比如像咱们现在交流说话，大概就是60分贝，然后如果要是咱们在马路边上有一辆大卡车过，那个声音差不多80分贝。比如说咱们枪声，那这个可能就是140分贝，这个就会对人的耳朵会产生一种疼痛的感觉了。比如说像我们谈话这个声音，这个场的声音当中，在夜间尤其在小区当中就是不被允许的了，要在50分贝以下。是。
在工作、学习中，如果环境中持续有60分贝以上的噪音，人就会出现心烦意乱，精神难以集中的情况。而在夜间如果人经常被噪音惊醒，不仅容易患上神经衰弱等疾病，由此引发的心脑血管疾病概率也将大幅提高。除此以外，噪音还可能造成听力衰退、视力衰退、内分泌紊乱、精神失常等诸多症状，对人们的日常生活和健康的影响非常广泛。我们知道了这个噪声的源头，接下来两位给我们分析一下，我们该怎么去降噪？从降噪这个技术路线来讲，我们还是国内外的技术路线都是基本一样的，第一方面从源头上控制，这个技术是最直接有效。因为刚才说到了我们的声音，基本上是由物体的振动引起的，所以我们降噪主要是去从控制它振动的这个角度来采取各种措施。从我们车体这一块，转向架是它很关键的一个部件，在转向架里头我们涉及到很多的一些减震部件，它有一系弹簧，二系弹簧，这个都是降低振动，控制噪声的一个很重要的一个技术措施。对于城市轨道交通的话，主要是车辆的通过车轮与钢轨的接触，产生的振动引起的噪声。在噪声源的降低上，首先我本来这一辆车，基本上咱们是几十吨重一辆车，作用到一个轮对上，基本上现在是16吨左右，16吨17吨这样子的。咱们想象一下一个16吨17吨的荷载，要滚动着作用到钢轨上，如果要是能够减少一点，直接作用到硬碰硬的轮和轨接触的话，那振动就会降低，噪声也会降低。这样的话，一个是我把这个车体的重量减轻。比如说我看看能不能从16吨17吨的轴重降到14吨，有的现在已经最低到11吨的轴重这样子的。这不会改变我们机车的安全性吧？
它首先是安全的前提下，做一些比如说我原来最早的，我这个车辆的材料用的是不锈钢，比较重。那么我后来改成铝合金比较轻，还有包括我转向架上用的一些材料，我也降低它的重量，这样整体的车体的轴重就会比较轻。荷载也会比较低一点，这样就会使得这个作用力低一点的话，它的振动和噪声也会低一点，这是一个控制的方式。第二个，就是我在这个车体和转向架之间，有一个弹簧系统，这个叫做二系弹簧。那么我这个弹簧系统就能够缓冲，我车体作用到这个转向架上的作用力，荷载。这个是我们老的机车是没有的吗？这个老的机车原来的弹簧系统，可能针对咱们荷载，针对它的频率，就是考虑（不那么）周到一些，然后我需要来针对性的设计，我的这个这个弹簧系统，应该是个什么样的固有频率，什么样的尺寸等等，就这些强度等等这些。所以这先降低一次它的荷载，然后在这个轴箱和车轮和转向架之间还有一个一系弹簧，再降一次它的振动荷载的冲击，这是从源头上降低它的振动。
列车上的转向架承载着车身，连接着轴箱和钢轮。在列车受到颠簸时，十数吨的车身重量，就会砸向这些结构发出噪声。在各个结构之间加装弹簧组件，可以减少振动的传递，由此达到减震降噪的效果。过去我们看到老式的列车的时候，一进站的时候总有咣当咣当咣当这种声音，这些年我们看高铁的发展的时候，发现这种咣当的声音没有了。确实是这样，但这个也是随着咱们科学进步的一个发展，所以这种现象可能就咣当咣当这个声音的现象就越来越少了。在我们行业内来讲，它使用了一个无缝线路的技术，以前刚才我们提到的轮轨噪声里面，很大的一部分就有一个轮轨冲击的噪声。这个轮轨冲击的噪声，就是咱们列车过轨道的时候，以前钢轨之间都有一个接头，这个接头它相当于一个凸起的部分，你车轮碾上去。撞击它的声音。对，这个声音是比较大的，但是现在我们采用无缝线路技术以后，接头就很小很小了，所以撞击上去引起的震动相对来说比以前要小。
辜女士，在您的记忆当中也有这个咣当咣当的轨道时代。对。这个变化您又是作为研究者，这个感受是什么样？确实是，在我刚刚参加工作以后，当时坐的还是绿皮火车。坐绿皮火车的时候，会感受到这种咣当咣当的声音，实际上它主要是钢轨，它每隔25米或12.5米它有一个接缝，有一个接缝当时是为了热胀冷缩留一个接缝，所以每（次）车轮驶过接缝的时候，钢轨的接缝的时候，它就会咯噔一下咯噔一下，所以这样的话咱们坐在车里，因为每过25米或12.5米，它就要有一个撞击声。现在随着整个技术的发展，随着咱们包括整个铸造业的发展，还有钢轨焊接技术的发展，包括因为咱们要是焊接成长钢轨，从厂房到现场的安装也需要运输等等，这种系统的技术进步。所以现在咱们的无缝线路已经延长到一公里（千米）或者500米，才有一个接缝。这样的话咱们的车辆，以滚动的方式和钢轨接触，所以没有和接缝的刚才您提到的撞击声，在轨道上面一个是咱们刚才最早提到的无缝线路，减少接头撞击声。然后还有一个就是保持轨道的平顺路，轨道越平我的这个振动会越低，噪声也会越小。现在高铁的这个轨道的垂向的不平顺度控制在两毫米，这两毫米是个什么概念？
相当于咱们一块钱硬币的厚度，就整个线路一千公里（千米），就比如说北京到上海1300公里，整条线路上我的轨道的不平顺度，只是一个钢币厚。对，一个一元的钢币的厚度，要保持在误差不能超过这么小。这个精度是非常高的。非常高，这两毫米从降噪的角度来讲，这又意味着什么呢？跟传统比较。这样子的话，传统的它可能可以是10毫米或者20毫米的不平顺度。同样的速度下，咱们比如说都是同样160（千米每小时）吧，如果仅仅考虑这个轨道不平顺的话，那它至少可以有个5分贝左右的一个降噪效果，是很可观的。所以这是一个轨道的平顺度的一个考虑，还有一个刚才提到的，就是说我在扣件上，我让钢轨和轨枕连接的扣件位置上，我可以用弹性扣件，这样也能降低一下它的振动影响。我在这个轨枕的下方，也可以加橡胶垫就是减震措施，在道床下面也可以再加弹性支撑。就像我们平时穿的运动鞋底下加了个气垫儿一样，这样的道理，起到了减震的效果。对，这样就是一个弹性的连接，而不是一个硬碰硬的一个冲击了。你看我作为一个记者来讲，非常幸运，我们国家的第一辆高铁，通车的时候，当时我就坐在车上，当时给我们的直观感受就是，这怎么不像火车，怎么这么安静？那这个安静还有哪些方面的变化，导致在车内的乘客感受的这种安静呢？
对于咱们现在的高铁，从早期的和谐号动车组，到现在咱们的复兴号动车组，在车的一个是车辆的轻型化上做了很多工作，这样能够减少从车体作用到转向架作用到钢轨上的荷载冲击力，减少了荷载的冲击力振动，实际上也可以降低轮轨噪声的水平，这是一个。第二个，就是咱们的整个车辆的隔声性能做了很多工作。隔音系统。隔音系统就是咱们整个车厢的密封也做的很好，隔声的材料和吸声材料，包括做了很多阻尼，就是降低振动幅度的阻尼材料也做了很多。没错，您刚才提到这个窗户我们是最直接的，过去的绿皮火车是可以随时拉开这个车窗，跟下边人招手再见的，现在高铁绝对是打不开窗户的。所以在这块做了很多的工作以后，咱们想想现在高铁的车内的噪声水平，应该说在同样速度下，因为速度越高的话噪声肯定是越大。在同样的速度下，不仅是能够满足咱们一些相关国内外的一些标准要求，而且如果要是和同样水平的国外的车内噪声比较的话，咱们可能还是属于比较领先的位置。车内，所以您觉得很安静。这个技术具体的指标，比如说现在我们国家的技术比较先进的高铁设备，车内达到多少分贝？一般不会最不好的位置，不会超过70（分贝），一般是在65～68（分贝）之间。这是个什么概念？
从国际上这个水准来讲。应该说是比较先进的水平了，比较领先的水平了。因为它是这样，现在国际上定的一些标准基本上都是在300公里（千米每小时），时速以下的车内的限值，它可能是不能超过65（分贝）这样的限值。咱们现在是已经350（千米每小时）了速度，速度越高基本上像从300（千米每小时）提到350（千米每小时）这个升级水平，车内可能会提高到2到3分贝，这样子的。咱们现在基本上也能控制在整个车内的大部分区域，能控制在68（分贝）之下，这个也是咱们国家现在的一个标准限制要求。综合来看，轨道交通的降噪，就是通过减少列车与轨道各个零件的碰撞摩擦来达到的。在连接车体与转向架、钢轨与轨枕等部件的时候，加装专门设计的减震弹簧等结构，尽可能减少各部分零件间的刚性接触，到平顺度和铺设无缝钢轨来减少钢轮与钢轨间的碰撞摩擦，这些都需要对轨道和车体进行大幅度的优化。新技术的诞生，给新建线路的降噪提供了解决方案，但新的轨道和列车技术难以应用到已有线路上。截至2019年9月中国已有39个城市开通轨道交通，线路运营里程6300余千米，全国铁路营业里程达将近14万千米。如此庞大的既有线路如何降噪，是摆在业界面前的又一难题。
现在我们新的高铁做得非常好，那我们对旧的线路的改造，在降噪方面有哪些打算？刚才提到了我们控制路线还是这三个方面，但既有运营的这些线路，可能我们对它的车，线，可能改造的空间比较有限，所以我们重点还是从你传播途径去考虑。那从声音的传播途径上，我们是怎么做到降噪的呢？从传播途径方面，这个传播途径目前最通俗的做法就是在（源头）和保护目标的传递路径方面，我们设置一个人为或者人工的一个障碍物，这个障碍物，我们就一般就叫声屏障，对声音起到一定的阻隔或者吸隔声的一个作用，这个屏障我们叫声屏障。声音在空气中是以声波的形式向外传播的，但在遇到障碍物的时候，声音的传播会有很多奇妙的现象。当我们在空旷的室内说话时，自己能听到回音，而隔壁房间听不到，这就是声音被障碍物隔离，并且部分反射了回来，而对着柱子说话时，柱子后面的人也能听到。这就是声音在传播中发生了绕射，也就是声音绕过了障碍物。为了减少轨道列车对附近居民的影响，声屏障的作用就是要阻挡声波的直达声，并且尽可能不让声音绕到声屏障的后面，声音无法直接到达的区域被形象的称为声影区。
说到了声屏障，两位也可以给我们介绍一下，它具体阻噪的原理是什么？好，声屏障它组成主要是一个隔声材料和一个吸声材料。隔声材料，就是要阻挡声音从声源这个方向透射到接收者方向，就比如说我现在我这是火车，您那是受声点，我中间。我这是目标保护。您是保护目标，我中间要通过加一个声屏障，把这个声音阻挡掉。那么我需要有一个比较足够的隔声量的隔声材料，让我这个声音的透射尽量地少，这样到您那就衰减得比较多了，这是一个。第二个，我还要保证我的声能量有一定的吸收，我这个声能量的吸收就靠吸声材料，我能把声音转化成热能把它吸收掉。就像这个录音棚里的隔音板一样，吸音板一样。对，就像咱们的录音棚里，会加很多吸声材料，它就是让整个的声音不在这个声场里面混响。如果我的这个声屏障不加吸声材料的话，我声源会在和车体之间来回反射，这样的话会使得声源放大了，不是降低了是放大了，所以，从材料上它会既有隔声材料，又有吸声材料。从结构上，就根据保护目标的需要，我可以设立，如果我的保护目标是矮层的一层建筑，然后我在上面再设一个，比如三米高的声屏障。根据我的绕射声的原理，保护目标，一二层高的保护目标完全在声影区范围内，就可以起到保护作用。但是现在因为刚才你也提到，就是随着轨道交通的建设，两侧大家为了出行方便，会有很多建很多的高楼，这个高楼我如果再采用这个直立式的声屏障，显然对那些高层起不到遮挡的作用了，那我只能是一个是加高声屏障的高度，但是我结构也有要求，它有安全要求，我可能就是一个半封闭的一个声屏障。
我感觉不是纯直立的，上面有弧度。对，它这样的话就是要对高层的建筑，把声音尽量是纳入到这个声屏障内，就是内部区域，而不是向外扩散。导向被保护对象之外（的方向）。对，所以这也是一种结构，这个可能是对一些中高层的，敏感建筑还能在声影区里面。如果再高层，比如说两侧就已经是十几层，20几层的高楼了，我只能是全封闭声屏障。目前我们国内外从这个机构形式来讲，身屏障主要包括直立式的，比如说两米高，三米高。因为这个身屏障基本上立在线路边上，轨道边上两米三米高，有的时候可能我们顶部再加一个（折）角，或者加一个顶端的一个干涉装置，可以进一步提高它的一个效果。另外还有一些框架式的，框架式的半封闭和全封闭，这个效果可能比我们刚才说的直立式的就更好了，但是它的代价可能相对就更高了。像我们北京地铁的13号线，就原来的轻轨13号线，它是20年前建设的，但那时候可能就没有考虑身屏障等很多的一些降噪技术，这些技术都是我们在后面它运营以后，根据沿线它的一个影响的程度，根据我们控制的一个要求，都是后面重新给它加上去的。它大部分都是高架线路，沿线的居民点也比较密集，高层建筑也比较多，它应该截止到目前应该有三四个区段都是采用了一个全封闭的身屏障结构形式，它的大体的控制效果基本能达到15分贝吧。有的可能做的更好一点，效果会更高，重点还是从传播途径上去考虑，如果说传播途径上我们还是控制的满足不了要求，这种情况下可能我们就要对咱们老百姓的一些建筑装一些隔声窗。这个隔声窗主要是确保我们老百姓在室内的一个使用功能，比如说不影响你睡觉，不影响你休息，从这个角度去保证我们室内的一些噪声的一些环境。
随着相关技术的发展，轨道交通的速度越来越快。目前，我国复兴号动车组列车的运营速度已达时速350千米，新建成的北京大兴机场地铁线的运营速度也已经达到时速160千米。速度越高噪音就越大。面对速度越来越高的轨道交通，降噪技术又会面临什么样的挑战呢？可能未来我们要面临的比较艰巨的任务，就是随着速度不断的提升，这个噪音越来越大，我们要攻克的这个难关是这样吗？噪声跟速度确实密切相关的，但是这个噪声我们刚才也提到了，它的种类不一样。随着速度的提高，我们的研究发现，可能气动噪声它的构成会也会越来越高。但气动噪声这一块，可能是我们今后需要重点研究的一个方向，为什么重点研究？一个是它的速度高，它的构成要高。第二，从控制技术难度来讲，气动噪声的控制技术，可能比我们轮轨噪声要大，所以这一块确实是今后我们需要重点关注的一个方向。未来我们的降噪的工程和技术的研发，是达到一个什么样的标准，会是我们期望的理想值？
从我个人的理解，因为这个东西可能是随着我们技术的发展，包括人民的需求它这个噪声影响这个（理想值），应该是一个动态变化的。但我个人觉得以下几个方面可能值得关注一下，第一个重要的还是源和传播途径这一块。就是我们轨道的契合度，包括车厢的密封程度，包括车辆行驶的这个流线型，跟空气的这种阻碍度。对，这个也是随着咱们科学进步的提升，它是一个总体的提升，不是某一项技术的改变。从传播途径来讲，更应该关注一些新的新型的吸隔声材料，包括吸隔声的结构。第二个方面，可能从降噪技术的应用来讲，可能今后降噪技术，可能不单单是源或者传播途径，可能还是一个综合的技术。比如说我源，可能我需要采用十种源的降噪，同时还要考虑传播途径的降噪，可能还是一个综合的技术应用。第三个方面，可能对我们今后降噪这一块，可能特别是咱们一些既有的一些线路，轨道交通线路，可能需要关注一个运营维护状态的一些技术。这个运营维护状态的技术，主要是我们怎么去确保它在轮轨的状态，始终处在一个比较良好的状态。像我们刚才提到的，如果轮轨不平顺，它的这个轮轨噪声会增加很多。要（是）我们日常养护维修当中，一直把它这个轮轨状态保持的很好的话，我们就可以把这部分的噪声降低到比较低，控制到一个可以接受的一个范围。
今天我们非常感谢两位来到我们演播室当中，共同跟我们聊聊轨道交通的降噪，我们也共同期望着我们城市轨道交通未来更安静，但同时更安全。好，感谢您收看我们今天的《透视新科技》，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
