翻譯：透過道岔優化改善列車噪音問題

原文(英)

在歐洲，鐵路噪音正透過噪音地圖的建置與相關的基礎設施來改進，以抑制列車通過造成的外部成本，例如在貨運繁忙或高速密集的鐵路線兩側，逐漸裝設了隔音牆與隔音窗，降低鐵路對居民生活的衝擊。其中，列車通過道岔產生的噪音是鐵路不受歡迎的來源，特別是鄰近住宅的路段；近期透過實驗室的技術，發現了高阻尼聚氨酯複合材料(High-Damping Polyurethane Composites)的潛力，並已經在奧地利國鐵(Österreichische Bundesbahnen, ÖBB)的路線上進行實地測試。

道岔噪音對於鐵路減噪的過程是一種挑戰，尤其是具備固定開口岔心的道岔更是如此，例如在道岔附近可以很清楚聽到列車車輪通過岔心與翼軌的物理聲響。當然，採用可動式岔心可以消除列車行經岔心產生的衝擊噪音，因為基本上沒有軌道間隙，但可動式岔心的成本非常高，通常被應用在高速路線與重載路線上。作為降低鐵路整體噪音的一環，此一計畫將探討如何透過道岔開口改造改變聲學特性，讓它至少改變其聲音特性或減少音量程度，而不直接影響道岔原本的結構。

初期構想

雖然新道岔的幾何構造可以完美匹配車輪通過岔心與翼軌時的滾動特性，透過漸變過渡最大程度減少物理衝擊與由此產生的噪音，但是道岔使用一段時間後，因為磨耗與長期反覆承重，岔心跟翼軌的形狀會逐漸偏離原本的樣子。所以，輪軌衝擊噪音在道岔生命週期持續增加之後，會逐漸出現不一樣的聲響，在現場就能用聽覺辨認出來。

另外，以高錳鋼打造的岔心與翼軌總成在面向道碴的底部表面會有空腔處，這是鑄造過程中必經的過程，可以有效減少材料與其零件的總重量。然而這個空腔結構意味著列車行經道岔時將產生如同鐘擺一樣的振動，在如同脈衝一樣的衝擊特性之下，它會產生長時間的寬頻輻射(Wide-Band Radiation)回音。

岔心鑄造結構空腔與阻尼填充材料
© Martin Quirchmair, Thomas Titze, Uwe Ossberger and Harald Loy

高阻尼複合材料的導入

本計畫的基本理念是採用奧鋼聯鐵路系統(Voestalpine Railway Systems)製造的標準預鑄轉轍器模組，並採用格茲納材料(Getzner Werkstoffe)開發的高阻尼複合材料把道岔底部的空腔填滿，用來降低聲壓等級(Sound Pressure Level)，但這個構想必須在不影響整體性能與可維護度的前提之下完成。其中，聚氨酯的機械特性本身就是可以高度客製化，因此也有助於開發出一種既具有高阻尼性(高損耗係數)又具有穩定基質的材料，用於嵌入高密度填充物，進一步提高阻尼效果。

在選擇適當的填充材質時，主要關注對象是能確保高密度的複合材料，但又盡可能易於處理。 在最初的原型中，使用礦物填充材料在實驗室測試中取得了成功，但事實證明這種材料在處理時具有挑戰性，必須獲得充分的清洗與乾燥過程，以確保與聚氨酯之間具有良好的黏著力。所以，為了著眼於未來的量產經濟性，需要變更其填充材料，用金屬材料取代礦物材料，如此不需要經過額外處理就能填充進去。

測量構想

為了確保在實驗室裡面與在現場實測結果之間的最佳對照，測量上就必須採用一種同時適合室內與室外的裝置，因此採用脈衝槌作為實驗模組分析裝置，用來測量道岔模組在撞擊時產生的聲音輻射。為了確保實驗時可以產生更廣泛的聲音頻率，將採用兩種不同的槌子進行觀測，其中軟質的大槌可以提供100赫茲的低頻衝擊、硬質小槌可以提供較高頻的衝擊。

衝擊點設置在理論岔心後面的350毫米處，大約是在車輪落下的位置，並對岔心產生45度角衝擊，以模擬地心引力與水平滾動的合力。為了評估其影響程度，實驗中分別記錄了代表移動數值的標準化振動速度(Vibration Velocity)，以及標準化(Normalised)為刺激力道(Excitation Force)的聲壓數值。其中，振動速度係透過水平與垂直的方向加速計的訊號積分結果來確定；另外針對聲音輻射(Acoustic Radiation)的觀測，設定在位於岔心400毫米處且與軌面高程一致的位置進行；因本研究主題著重於聲音輻射，故後續的探討將集中於標準化的聲壓數值上。

本研究採取漸進式的做法來分析改善後的岔心，最初為一般的預鑄岔心模組，分別架設在實驗室的阻尼與非阻尼彈性軸承上實驗，接著將同樣的預鑄岔心模組帶到戶外試驗場去，進行了相同的測量；第三步，則是直接安裝在現正運行的軌道上進行觀測，並確認列車通過時產生的噪音數據。本研究的預期成果，是預設隨著實驗的推進，普通道岔與阻尼道岔之間的差異會隨著環境逐漸趨於現實化而隨之降低，這樣的假設是基於道碴與枕木的加入造成的干擾，使岔心在實驗室中產生的自由震盪行為被抑制。

實驗室結果

首次測試是在格茲納材料的開發實驗室進行的。奧鋼聯製造的標準預鑄道岔是由軟彈簧支撐，以最大限度地減少與「底碴(Subsoil)」的耦合，軸承上總共裝置四個鋼彈簧，每個鋼彈簧的剛度約為 200 N/mm，使道岔的自由度完全不受限，在脈衝槌的刺激下自由震盪。每一次的衝擊進行五次，並將其平均值作為該種衝擊的振動傳遞聲紋(Transfer Spectrum)範圍。

在觀測完標準的預鑄道岔之後，接著再將礦物材質的聚氨酯複合材料填充到道岔的空腔之中，並重複觀測。實驗結果發現，附加阻尼從大約在100赫茲開始生效，而從大約700赫茲的頻率開始可以觀察到最大的差異。在實驗室環境的條件(Laboratory Conditions)下，觀察到測量聲紋上的加總級數(Sum Level)數值，顯現由於額外的阻尼填充物，使標準化刺激聲壓(Excitation-Normalised Sound Pressure)降低了85%。

脈衝槌測試岔心衝擊噪音
© Martin Quirchmair, Thomas Titze, Uwe Ossberger and Harald Loy

戶外測試結果

在實驗室測試並獲得正向的結果之後，本研究遂與奧地利國鐵合作計畫，在奧地利的鐵路路線上進行實地測試。雖然有好幾處成隊組成橫渡線的道岔段，被獲選為潛在的實驗示範場域，但最後發現下奧地利州(Niederösterreich)的南幹線普法夫斯塔滕(Pfaffstätten)橫渡線將進行抽換，是最適合的實驗地點。這一組橫渡線配置了奧聯鋼60E1 - R500 - 1:12道岔，本研究設定西行軌道的兩座道岔(W2、W3)維持傳統岔心、東行軌道的兩座道岔(W1、W4)則安裝了阻尼裝置，並如同前述，將礦物材質的填充物改成金屬材質的填充物，以利於處理與回收。

根據分階段測試計畫，位於帳篷小路(Zeltweg)的奧聯鋼工廠於2021年6月進行了預安裝(Pre-Installation)測試，並在下個月對普法夫斯塔滕的道岔進行抽換安裝。與實驗室的測試方式不同，預安裝測試是在工廠的道岔組裝台上進行的，岔心本身也是完全裝進整座道岔底座之中，所以預鑄岔心模組不會再像實驗室一樣自由震盪，而受到整座道岔的制約當中。基於對照目的，預安裝也特別將即將安裝在現場的W1道岔(有阻尼)與W2道岔(維持原設計)進行測試。

如同預期，研究結果顯示標準化聲壓差異低於實驗室測試結果，因為當岔心結合道岔底座時，整座道岔就會出現額外的阻尼來源。另外，噪音測量受限於工廠本身的運作噪音干擾，但透過去除環境條件的不確定因子之後，標準化刺激聲量等級(Excitation-Normalised Sound Level)的加總級數增加了60%。在主觀上，相較於對照組岔心在脈衝槌的衝擊之下有金屬響亮且有回音的聲音，帶有阻尼填充材的岔心則會產生另一種沉悶無回音的聲音。

普法夫斯塔滕橫渡線配置情形
© Martin Quirchmair, Thomas Titze, Uwe Ossberger and Harald Loy

現場安裝觀測結果

在2021年7月，普法夫斯塔滕橫渡線抽換時，填充阻尼材料的W1與W4道岔被安裝上去，並在當年9月進行噪音測量，奧聯鋼在觀測之前紀錄了道岔幾何，以確保四座新抽換的道岔都還維持在最佳幾何形狀。由於南幹線(Südbahn)營運多種客貨運列車，包含奧地利國鐵最高級且行駛長途路線的銳捷列車(Railjet)與營運區域路線的城捷列車(Cityjet)，以及鼬鼠(Wiesel)推拉式雙層客車。於正常營運環境之下，銳捷列車會以160kph的速率通過道岔正位，城捷列車與鼬鼠則是以140kph的速率通過。

採用客運列車作為觀測目標的原因在於，客運列車的編組長度更加標準化，且本研究將重點放在對銳捷列車通過道岔時的噪音測量上，因為銳捷列車最能顯示添加填充阻尼材料前後的變化。然而礙於現地條件限制，受到道旁植栽與邊坡的位置特性，觀測時無法嚴格落實DIN/EN/ISO 3095標準的要求，這意味著麥克風安裝的位置與道岔之間的距離將會大幅縮短。另外除了麥克風之外，現場也安裝了聲學攝影機(Acoustic Camera)來記錄列車通過的狀況，其收音採用了位於單一麥克風之後的麥克風陣列(Microphone Array)。

為了進行評估分析，研究將採計順向的W3(無阻尼)與W4(有阻尼)道岔，以及逆向的W1(有阻尼)與W2(無阻尼)道岔，每一座道岔將會記錄四到六次銳捷列車的通過狀況。而透過單一麥克風的觀測結果顯示，順向道岔添加了填充阻尼材料之後，平均聲壓級數略降低了1.9分貝，但是逆向道岔則僅有降低0.2分貝。由於通過列車數量不足，且同一車種的發散範圍較大，其差異化也較小，所以評估之後認為有無添加阻尼的差異不大。

因為這項觀測是在2021年9月進行，其本質上是對新抽換的道岔進行噪音測量，岔心幾乎沒什麼磨損，所以車輪滾動的狀況都很平穩，在行進噪音上沒有特別的差異。而在此一階段，聲學攝影機的設置僅能顯現此一觀測方式的潛力，透過麥克風陣列來定位聲音來源，並將結果以聲紋或聲學影像的方式呈現。

現場麥克風架設位置
© Martin Quirchmair, Thomas Titze, Uwe Ossberger and Harald Loy

後續計畫

在普法夫斯塔滕橫渡線的觀測被視為是初步評估，做為未來研究的基礎，因為道岔在使用數年後就會開始損耗。另外因為第一次觀測的時候是道岔剛完成抽換的時間點，所以測到銳捷列車的噪音差異不明顯也不意外，主觀上的現場感受只有車輪滾動通過的聲音，並沒有什麼明顯的聲學差異。

而因為道岔裝設至今已有一段時間，所以在未來的觀測之中，將預期會出現越來越清晰的輪軌衝擊聲。基於上述假設，隨著時間的遞進，高阻尼聚氨酯複合材料的效益將越發明顯，可能將會測到有阻尼的道岔噪音數值遠低於傳統道岔的結果。奧聯鋼已定期測量道岔的幾何變化並監測磨損情形，一旦發現道岔已經開始出現明顯磨損之後，就會開始進行下一階段的現場觀測。以南幹線的營運狀況而言，下一次磨損程度達到可觀測的時間點將會在2024年的某一天。

軌道運輸系統噪音來源與根源解決方式彙整
© 新北市政府109年度自行研究報告「高架捷運系統噪音評估及隔音改善(以環狀線為例)」、筆者整理製作。