高速鐵路長隧道出口列車噪聲特性量測與分析

发布者： 发布时间：2014/12/16 阅读：53次

高速鐵路長隧道出口列車噪聲特性量測與分析

在本文中，討論了高速鐵路長隧道口（長度3060m）的列車出隧道時的噪聲增加量、頻率特徵變化量、聲壓級時間變化特徵及隧道降噪量預估。

                                         闕秀明、梁志堅

                                        香港新光國際有限公司

1. 前言

在戶外自由聲場行駛的軌道列車噪聲，如同在一個半無響室的噪聲源，其聲波可以自由的向空中輻射，而沒有反射聲波。但是當軌道列車在隧道中行駛時，由於隧道表面多係由低吸聲能力的水泥結構所組成，以致於隧道內存在著極長的混響時間(reverberation time)，原先向空中自由輻射的聲音能量被隧道所包覆，在隧道內經多重反射疊加後，造成隧道內聲壓級大幅增加，此一現象除了會增加車廂內噪聲導致乘客舒適度降低，在隧道內向前傳播的聲波能量，也會集中在隧道出口向外輻射，導致隧道出口噪聲有明顯增加的趨勢。

2. 隧道口噪聲增量的評估方法

評估隧道口噪聲增量最簡單也最為實務的方法，就是進行實地噪聲比對量測。使用兩組麥克風，於相近地點及短時間內量測同一列車組的噪聲，其中一組麥克風（測點P）置放於隧道口附近量測隧道出口列車噪聲，另外一組麥克風置放於隧道口數百公尺遠處（測點F）的自由聲場，且該麥克風較不受隧道口噪聲影響。本次量測隧道長度為3060m，列車入隧道及出隧道平均車速分別約為275 km/h及279 km/h。參考圖一，為此次的列車噪聲量測示意圖，其中測點P係在隧道出口，測點F係遠離隧道出口。測點P的位置與隧道出口相距約23m，由於非常靠近隧道出口因此可明顯偵測到隧道出口噪聲的影響。測點F的位置與隧道出口相距約175 m，因此測點F受到隧道出口噪聲的影響輕微。由於測點P與測點F的相對直線距離約152 m，因此假設高鐵列車在測點P至測點F這一段距離內其車速並未有明顯改變。

圖一 隧道口列車噪聲量測位置示意圖

3. 量測結果與分析

(1)隧道出口列車噪聲頻譜增量特徵

在本次總計量測了出隧道五個班次列車噪聲，由於測點P及測點F與近軌中心線的的相對座標不同，難以直接進行隧道出口列車噪聲增量比較，因此需將測點F修正至與測點P相同座標後之測點F’，此處測點F採用線性聲源修正至測點F’的噪聲修正量為2.6 dB(A) (= 10*log(((13.9+4.5))/(5.6+4.5))。

圖二為測點P及測點F’的隧道出口列車最大音量頻譜LASmax及噪聲增量頻譜DLASmax，經比較隧道口測點P及自由聲場測點F’的列車全頻域平均噪聲級，列車出隧道口最大音量增量3.9 dB(A)，與同方向進出隧道的列車車廂內噪聲增量4.0 dB(A)幾乎一致。據此判斷，如果在隧道內鋪設大量且具有高吸聲係數的吸聲材料應可有效減低隧道內的反射聲音、混響時間、車廂內噪聲及隧道出口噪聲。然而如果考慮低頻音量影響，對於沒有頻率加權的隧道出口列車噪聲增量則僅有1.7 dB，就此分析頻帶(20 Hz ~ 20 kHz)而言仍非顯著。

於圖二中可以觀察到在31個1/3倍頻帶中，除了3個頻帶(40Hz, 50 Hz, 20000Hz)的增量為負值，基本上其餘每一個頻帶皆有大小不等的噪聲增量。其中在頻帶2000Hz處有最大的噪聲增量6.4 dB(A)，而在此頻帶的兩側頻帶1600 Hz及2500 Hz的噪聲增量亦分別高達為5.2 dB(A)及5.8 dB(A)，遠大於全頻域的噪聲增量3.9 dB(A)。此外，上述三個頻帶非但其隧道出口噪聲增量有較大值，而且就噪聲絕對值而言，此三個頻帶也是屬於有較大值的區域。在列車噪聲減量設計中，應是要最優先被考慮的頻帶。在頻帶31.5 Hz ~ 80 Hz的5個低頻帶中的列車噪聲增量僅在-0.7 dB(A) ~ 1.3 dB(A)之間，在31個分析頻帶中其增量相當不明顯，是屬於比較特別之處，究其原因可能係在隧道出口上方設立了一個緩衝結構--豎井，見圖三，降低了此低頻帶的隧道列車出口噪聲。然而在頻帶20 Hz 及25 Hz，隧道口列車噪聲頻譜增量卻依然分別有4.5 dB(A)及4.7 dB(A)，有明顯增加，因此對於與微壓波密切相關的低於20 Hz的超低頻噪聲仍需要進一步的量測及研究其變化。

圖二  長隧道(長度3060m)列車出口LASmax頻譜及隧道出口噪聲增量頻譜

圖三  隧道口上方設立豎井（圓圈處）

(2)隧道出口列車噪聲變化

以每筆5 ms高速取樣率下仔細觀察隧道出口列車噪聲級，LAeq(5ms)，於圖四中可清楚分辨出列車由隧道口出來時其噪聲級斜率以較緩慢的速率4 dB(A)/s上升，與圖五中列車行駛於自由聲場時的噪聲級斜率以較高的速率25 dB(A)/s上升，或是與圖六中列車穿越短隧道(長度240 m)出口噪聲斜率變化特徵，皆有明顯的差異(距離近軌中心線約25 m)。究其原因可能在於當列車於長隧道中行駛時，原先在戶外行駛時向周圍自由輻射的列車噪聲被侷限於向隧道口方向傳播，當列車尚遠離隧道口時，隧道口列車噪聲已開始提早逐漸增加，因此當列車駛出隧道口時，其噪聲級早已建立，導致其噪聲級上升斜率變小。此一現象，亦可證明列車噪聲經由隧道內的多次反射導致隧道出口列車噪聲增加的現象。

圖四 出隧道列車噪聲(測點P)特性LAeq(5ms)

圖五 行駛於自由聲場下的列車噪聲級LAeq(5ms)

圖六 出短隧道(長度240 m)列車噪聲特性LAeq(5ms)

4. 隧道降噪預測

由於隧道內部構造多屬於剛性的聲學材料，例如：水泥拱壁及水泥道床等，剛性的聲學性材料其吸聲係數極小，容易將聲音反射，產生大量的反射聲音，導致隧道內混響時間及噪聲級大幅增加，以及增加隧道內及隧道出口噪聲。欲降低隧道內混響時間，最有效的方法就是在隧道內拱壁及道床表面鋪設大量吸聲材料，為了有最佳的效果，吸聲材料的吸聲係數頻率特性必須符合列車噪聲頻率特性。有關隧道內降噪量NR(noise reduction)的理論估算方式，可使用以下方法[2]：

NR=Lp1- Lp2=10 log(RT2/RT1) (1)

此處：

Lp1:改善前隧道內噪聲級

Lp2:改善後隧道內噪聲級

RT1：改善前隧道內室內常數

RT2：改善後隧道內室內常數

室內常數RT的計算方式如下，

RT1=Sa/(1-a) (2)

此處：

S:室內表面積

a：平均沙賓吸聲係數，a=å(Si ai)/S

ai：第i片吸聲材料的吸聲係數

Si：第i片材料表面積

在公式(1)中，係考量列車於隧道內行駛的實際狀況，因此於公式(2)中，考量整列列車座落於隧道內，室內表面積包含列車表面，其它計算資訊如下所述：

n 隧道噪聲材料鋪設長度：310 m

n 隧道內部軌道面以上內部淨空面積90 m2

n 隧道內部周長（含拱壁、道床）35.22 m

n 列車長度304 m

n 列車外觀截面積：12.37 m2

n 列車外觀周長：14.06 m

在三種厚度CEMCOM材料的吸聲係數、拱壁/道床其吸聲頻率特性，以及計算隧道出口降噪量時所使用的隧道出口噪聲頻譜，如表一所示。在三種厚度吸聲材料及不同鋪設週長下的隧道降噪量預估結果，見表二，此處所稱的週長係指鋪設於隧道橫段面(拱壁或道床)的長度，其鋪設沿隧道方向為隧道長度310 m。由表三結果可知，基本上，隧道所鋪設的吸聲材料面積愈大其降噪量就愈多，如果僅就降低隧道出口噪聲增量3.5 dB(A)而言，若採取厚度60mm的吸聲材料，其鋪設週長至少為5.5 m，若採取厚度80mm或100mm的吸聲材料，則其鋪設週長至少為4.5 m。

表一 材料吸聲係數

表二  預估隧道降噪量

吸聲材料厚度(mm)

註：此處所稱的週長係指鋪設於隧道橫段面的長度，

其鋪設範圍為於隧道口起算長度310 m。

5. 結論

高速鐵路列車以車速約為280 km/h離開隧道口（長度3060 m）時，經由實地量測驗證列車隧道出口噪聲因列車輻射噪聲在隧道內多次反射後，導致隧道出口噪聲增加，其噪聲增加總量約為3.9 dB(A)，且以2000 Hz附近的頻帶噪聲增量較為顯著，約5.2 ~ 6.4 dB(A)。因此如以具有高吸聲率之非金屬材料（以本案而言主要頻率範圍為400 Hz ~ 5000 Hz）且具有高耐燃等級、有適當反光率、耐風壓、適當抗壓之吸聲材料鋪設於隧道拱壁內，應可有效降低隧道內反射聲音及列車隧道出口噪聲增量。在本長隧道的出口處，因設置豎井，於較低頻帶(31.5 Hz ~ 80 Hz)的隧道出口列車噪聲增量在-0.7 dB(A) ~ 1.3 dB(A)之間，換而言之，於隧道出口設置豎井時，應可有效抑制隧道出口列車較低頻帶噪聲增量。然而在頻帶20 Hz 及25 Hz，隧道口列車噪聲頻譜增量卻依然分別有4.5 dB(A)及4.7 dB(A)，並未有明顯減少，因此對於與微壓波密切相關的低於20 Hz的超低頻噪聲(infrasound)仍需要進一步的量測及研究其變化。

6. 參考資料

[1] “高速鐵路短隧道出口列車噪音特性與改善預估”，量測資訊，第133期, 2010/5, 頁49-52。

[2] Leo L. Beranek and Istvan L Ver, editor, Noise and Vibration Control

Engineering, Principles and Applications, 1992.