1 引言

山陽公司運(yùn)營(yíng)的新干線全線于1975年通車，連接大阪和Hakata，途經(jīng)神戶、岡山、廣島、小倉(cāng)等諸多日本西部大城市（圖1）。該線路擁有300多輛機(jī)車，日均客流量達(dá)15萬人次，在開通之初，機(jī)車都是“0系列”類型（圖2），時(shí)速為 210 km/h。隨后又開發(fā)出若干新車型，運(yùn)行速度得以提高，如今山陽新干線絕大部分機(jī)車運(yùn)行速度在270km/h以上。1997年研制的“Nozomi 500”系列車型（圖3）的時(shí)速達(dá)300 km/h，是當(dāng)今世界上最快的列車，從Shin-Osaka到Hakata，相距554 公里，只需要2個(gè)小時(shí)17分鐘即可到達(dá)。圖4顯示了從Shin-Osaka到Hakata之間，不同時(shí)期不同型號(hào)機(jī)車的最高時(shí)速和通行時(shí)間。

圖1 山陽新干線走向

圖4 山陽新干線的提速

該線的主要特點(diǎn)是穿梭于人口密集地區(qū)，并且鄰近沿線布局有大量的建筑物（圖5）。因此，為了保證周圍建筑物不受干擾，給居民的日常生活創(chuàng)造一個(gè)宜人的生活環(huán)境，新干線需采用了非常嚴(yán)格的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，通過新技術(shù)的采用，可以保證在提高機(jī)車運(yùn)行速度的同時(shí)，又不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖5 山陽新干線沿線情況

2噪聲防治對(duì)策

2.1新干線噪聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

通過對(duì)實(shí)測(cè)噪聲水平進(jìn)行平均，就可以獲得新干線的噪聲水平，也稱之為標(biāo)準(zhǔn)噪聲值。具體來講，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，需要測(cè)量每一機(jī)車在雙向道路上的最高噪聲水平，并且還要連續(xù)紀(jì)錄20輛機(jī)車。最后獲得的噪聲值與“等效連續(xù)噪聲水平” [equivalent continuous noise level (LAeq)]有所不同，后者主要應(yīng)用于環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)，并不考慮機(jī)車的通行密度（operating density）。

在那些噪聲高于 75 dB的居住區(qū)，考慮到新干線機(jī)車的通行密度，如果按照LAeq來衡量，這一指標(biāo)相當(dāng)于55 dB，必須采取一定的噪聲防治措施。而且，機(jī)車的最大噪聲不能超過75 dB。

2.2機(jī)車噪聲防治措施

（1）低噪聲的受電弓系統(tǒng)（current collection system）

大部分新干線機(jī)車都配備兩套受電弓系統(tǒng)。在高速運(yùn)行時(shí)，受空氣動(dòng)力學(xué)因素影響，受電弓系統(tǒng)會(huì)發(fā)出強(qiáng)大噪聲。由于噪聲源在列車頂部，通過在軌道附近設(shè)置噪聲屏障很難消除這種噪聲。因此，需要在產(chǎn)品開發(fā)和研制階段來尋求解決方法。

減少空氣動(dòng)力學(xué)噪聲非常重要，特別是在列車加速階段，噪聲強(qiáng)度的增長(zhǎng)率是列車時(shí)速增長(zhǎng)率的六倍，因此，在引進(jìn)500系列車型的同時(shí)，也開發(fā)出“低噪聲受電弓系統(tǒng)”。如圖6所示，翼型受電弓系統(tǒng)由流線型部件構(gòu)成，受電弓頂部的高度降低至與絕緣體一樣高。圖7顯示出500系列機(jī)車低噪聲氣流收集系統(tǒng)的效果。與傳統(tǒng)列車相比，采用這一技術(shù)可以大約降低3個(gè)分貝。

圖6 低噪聲受電弓系統(tǒng) 圖7 低噪聲受電弓系統(tǒng)的降噪效果

（2）平滑的機(jī)車車體

除了氣流收集系統(tǒng)之外，列車車體還有其他空氣動(dòng)力學(xué)噪聲源，列車車體有許多相對(duì)粗糙的表面，例如車門、車窗等設(shè)備。與以往列車相比，500系列機(jī)車的表面做到盡可能地平整、光滑，以最大限度地降低空氣動(dòng)力學(xué)噪聲。

圖8 “光滑”500系列車的車體表面

2.3沿線噪聲防治措施

（1）聲屏障

圖9是山陽新干線高架鐵路的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖。在運(yùn)營(yíng)初期，該線路兩側(cè)建造了大量各種類型的聲屏障。但是后來，鑒于周圍的具體環(huán)境發(fā)生了許多變化，產(chǎn)生了一些新需要，因地制宜地進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)。

圖9 山陽新干線高架鐵路的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

防治噪聲的一個(gè)通常做法就是提高聲音屏障的高度，通過“新干線周邊噪聲預(yù)測(cè)模型”[1]來建立預(yù)測(cè)方程，進(jìn)而決定聲屏障的具體高度。最近采用了由聚碳酸酯（polycarbonate）制成的透明隔音板來作為聲屏障材料，這樣做的好處是乘客可以透過聲屏障來盡情地瀏覽周圍的風(fēng)光，而不會(huì)受到視線阻礙的影響（圖10）。

圖10 透明聲屏障

（2）對(duì)鋼軌表面進(jìn)行打磨

在機(jī)車運(yùn)行時(shí)，機(jī)車車輪與軌道之間產(chǎn)生的摩擦噪聲主要是由于軌道較為粗糙造成的。因此通過定期打磨鋼軌，就可以達(dá)到顯著改善粗糙度、降低摩擦噪聲的目的。如圖11所示，SPENO型 32頭鋼軌打磨車（ SPENO 32 heads rail grinding car）正在工作 。打磨車工作一次可以去除鋼軌表面0.3mm的雜質(zhì)厚度，為了控制噪聲，每年要對(duì)300km的鋼軌進(jìn)行拋光。另一方面，由于道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，打磨車不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行打磨，因此，道岔經(jīng)常得不到打磨。現(xiàn)在6頭鋼軌打磨車（6 heads rail grinding car）可以解決上述問題（圖12）。圖13是鋼軌打磨后噪聲減輕的效果分析圖。當(dāng)?shù)啦肀淮蚰ズ?，在距離軌道25m遠(yuǎn)的地方，噪聲峰值可以降低大約2 dB。

圖13 道岔鋼軌打磨后的降噪效果

（3）在隧道內(nèi)部安裝吸聲材料

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區(qū)，更有必要采取隔音措施。軌道交通噪聲有多個(gè)來源不止一處，既需要測(cè)量隧道出入口附近的噪聲，也需要測(cè)量機(jī)車自身的噪聲，如圖14所示。因此，在特定情況之下，測(cè)量得到的噪聲水平要比一般情況下高。來自隧道出入口的噪聲是機(jī)車運(yùn)行過程中由于反射而產(chǎn)生的噪聲回音。由于混凝土吸收聲音的能力不如道碴，因此在混凝土板式軌道的隧道（slab track tunnels）測(cè)量到的噪聲水平要高于在有碴軌道的隧道（ballast track tunnels）的噪聲水平。

圖14 隧道洞口的噪音

有兩種方法可以降低隧道出入口的噪聲，一種是在隧道內(nèi)部安裝吸音材料，另外一種方法則是設(shè)置隔音板。目前已經(jīng)開展了在混凝土路面隧道里安裝吸音材料的實(shí)地試驗(yàn)。圖15反映了這項(xiàng)工作以及試驗(yàn)效果。結(jié)果很明顯，來自隧道出入口的噪聲水平下降了2– 4 dB。而且，這項(xiàng)試驗(yàn)中所采用的吸音材料是由陶瓷制成的，為了加強(qiáng)對(duì)新干線隧道內(nèi)部壓力的抵御能力，還應(yīng)用了鋁合金材料進(jìn)行了加固。

（a）隧道內(nèi)壁的吸聲材料 （b）降噪效果
（i）安裝吸聲材料之前 （ii）安裝吸聲材料之后
圖15 隧道洞口降噪測(cè)試

3降低次聲（低頻音波，INFRASOUND）的措施

3.1在新干線旁邊測(cè)量次聲

當(dāng)列車高速進(jìn)入隧道，就會(huì)在隧道內(nèi)部產(chǎn)生壓縮波，并且沿著隧道以聲波速度傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)遠(yuǎn)處的隧道出口時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生脈沖波，并且在隧道出口處向外圍繼續(xù)傳播，這種脈沖波被稱之為“微壓波（micro-pressure wave）”[2]。在距離新干線20m的距離，其強(qiáng)度可達(dá)101–102 Pa。由于新干線全線隧道眾多，因此，微壓波是其中一個(gè)不可忽視的重要問題。圖16是微壓波形成機(jī)理的示意圖。

圖16 微壓波形成機(jī)理

微壓波含有大量的低于10 Hz的低頻噪聲，其性質(zhì)與次聲類似。有時(shí)候會(huì)給住宅內(nèi)部的設(shè)施以及周圍的建筑物帶來環(huán)境問題，例如門窗會(huì)發(fā)生劇烈的晃動(dòng)和搖擺。特別是日式房屋中的拉闔門（fusuma）和障子(shoji)，它們均是由木頭和紙張制作而成，質(zhì)量很輕，很容易因此而損壞。雖然到目前為止，日本還不存在次聲的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但是要未雨綢繆，考慮到以后提速的需要，仍然需要采取必要的措施。

3.2車輛的噪聲防治措施

為了有效避免微壓波的產(chǎn)生，新干線的機(jī)車截面面積較小，車體頭部趨于細(xì)長(zhǎng)的流線型。圖17顯示了不同車型截面面積的大小和車體頭部的長(zhǎng)度。與300系列機(jī)車相比，500系列機(jī)車車體的截面面積是它的90%，而長(zhǎng)度則擴(kuò)大了1倍。通過上述改進(jìn)措施，500系列機(jī)車在時(shí)速300 km/h 時(shí)所產(chǎn)生的微壓波僅相當(dāng)于300系列機(jī)車在時(shí)速km/h時(shí)的水平（圖18）。

3.3沿線的噪聲防治措施

為了降低微壓波，還需要在隧道入口處安裝防護(hù)罩（tunnel entrance hood）。山陽新干線隧道的截面面積是63.4 m2，這一指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于歐洲高速列車的尺寸。通過在山陽新干線隧道的入口安裝80–100 m2的防護(hù)外罩，并且在適當(dāng)?shù)胤皆O(shè)置幾扇窗戶，可以有效緩解隧道壓力的突然增加進(jìn)而降低從對(duì)面入口所發(fā)射過來的微壓波的強(qiáng)度。目前，防護(hù)罩已經(jīng)在山陽新干線大約一半的隧道中安裝，長(zhǎng)度在10-50m之間不等。

4 結(jié)論

從軌道車輛和線路兩個(gè)方面來降低新干線的噪聲，目的是最大限度地降低噪聲和次噪聲。上述措施在能夠滿足列車的高速運(yùn)行的同時(shí)，還保證一定的環(huán)境質(zhì)量。對(duì)于日本鐵路行業(yè)來說，在保證軌道交通線路的高速運(yùn)行的同時(shí)，又不犧牲周圍居民的生活環(huán)境質(zhì)量，是必須努力追求的目標(biāo)。