隔振道床對(duì)地鐵車輛噪聲影響分析

孫 坤，葛劍敏

(同濟(jì)大學(xué) 聲學(xué)研究所，上海 200092)

隔振道床對(duì)地鐵車輛噪聲影響分析

孫 坤，葛劍敏

(同濟(jì)大學(xué) 聲學(xué)研究所，上海 200092)

通過對(duì)某城市地鐵車輛噪聲測試分析，得到地鐵經(jīng)過一般整體道床、橡膠減振墊浮置板道床、中量級(jí)浮置板道床和重量級(jí)浮置板道床時(shí)，車體內(nèi)外聲場空間分布以及噪聲頻譜特性。結(jié)果表明，列車通過一般整體道床道床所產(chǎn)生的噪聲聲壓級(jí)為4種道床中最低，通過減振墊浮置板道床產(chǎn)生的噪聲聲壓級(jí)最高。隔振設(shè)計(jì)的浮置板道床使車內(nèi)噪聲增加，主要加強(qiáng)200 Hz頻段以下的噪聲，通過重量級(jí)浮置板道床時(shí)100 Hz～200 Hz車內(nèi)低頻噪聲聲壓級(jí)最高，與中量級(jí)浮置板道床工況數(shù)據(jù)對(duì)比表明車內(nèi)低頻噪聲強(qiáng)度與鋼彈簧浮置板道床的隔振效果呈正相關(guān)。

聲學(xué)；軌道交通；隔振道床；浮置板道床；車室噪聲

城市軌道交通具有方便快捷、安全準(zhǔn)時(shí)等特點(diǎn)，在改善城市道路交通方面發(fā)揮了重要作用。隨著各大城市軌道交通的迅速發(fā)展，地鐵已作為人們出行必不可少的交通工具之一。然而軌道交通其固有缺點(diǎn)，即噪聲問題突出，隨著人們生活水平的提高以及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)乘坐舒適性提高了要求，對(duì)車內(nèi)噪聲越來越關(guān)注，地鐵車內(nèi)噪聲已成為衡量地鐵車輛質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

在目前開建的地鐵項(xiàng)目中，出于減振設(shè)計(jì)的考慮，在不同線路區(qū)段中往往是幾種道床的組合。本文通過地鐵運(yùn)行經(jīng)過不同道床時(shí)車室內(nèi)外噪聲特性試驗(yàn)與分析，探討目前廣泛采用的四種類型道床對(duì)地鐵噪聲的影響，對(duì)地鐵降噪具有一定的參考價(jià)值。

1 地鐵車室噪聲以及道床類型

1.1 地鐵車室噪聲來源

根據(jù)車內(nèi)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，可以將其分為氣動(dòng)噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲，車室內(nèi)噪聲的主要組成有輪軌噪聲、空調(diào)機(jī)組噪聲、牽引設(shè)備噪聲、氣動(dòng)噪聲和其它電氣設(shè)備噪聲等[1]。圖1為車內(nèi)主要噪聲來源。

在列車正常運(yùn)行的大多數(shù)路段，由鋼軌和車輪的表面粗糙而引起的滾動(dòng)噪聲是最主要的?？照{(diào)機(jī)組噪聲主要是由空調(diào)壓縮機(jī)噪聲和空調(diào)出風(fēng)口噪聲兩者組成，因空調(diào)出風(fēng)口直接與車廂內(nèi)部相連，故其對(duì)車內(nèi)聲場有較大影響。氣動(dòng)噪聲往往在行駛速度大于100 km/h時(shí)才加以考慮[2]，而軌道車輛最高時(shí)速為80 km/h，故氣動(dòng)噪聲不作為地鐵車室內(nèi)主要噪聲源。其它電氣設(shè)備噪聲包括滑動(dòng)式車門噪聲、車內(nèi)照明系統(tǒng)噪聲、廣播噪聲等，對(duì)車內(nèi)聲場的貢獻(xiàn)度較小，一般不予以考慮。

圖1 軌道車輛車內(nèi)噪聲主要噪聲源

1.2 試驗(yàn)道床

城市軌道交通線路不可避免地會(huì)穿越一些振動(dòng)敏感區(qū)域，故在軌道交通工程建設(shè)實(shí)施的過程中必須考慮線路開通運(yùn)行后車輛通過時(shí)引起周圍結(jié)構(gòu)振動(dòng)的問題。目前在建線路根據(jù)需要在不同區(qū)段建設(shè)不同類型道床。

浮置板軌道結(jié)構(gòu)是一種非常有效的隔振措施，其基本原理是在軌道上部建筑與基礎(chǔ)間插入一固有振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于激振頻率的線性諧振器，即將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置在橡膠或者彈簧隔振器上使軌道上部建筑與混凝土基底完全隔離。使其處于懸浮狀態(tài)，建立質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)，從而利用整個(gè)道床在減振墊或鋼彈簧上進(jìn)行慣性運(yùn)動(dòng)來隔離和衰減列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)。目前，國內(nèi)外使用的浮置板軌道按照支撐條件不同主要分為橡膠減振墊浮置板道床和鋼彈簧浮置板道床兩種，圖2為鋼彈簧浮置板道床原理圖[3]。

2 試驗(yàn)環(huán)境與內(nèi)容

本次試驗(yàn)車輛為B型車（三軌受流），四動(dòng)兩拖六輛編組，總長130 m，最高時(shí)速80 km/h。噪聲采集系統(tǒng)為B&K公司12通道3053-B模塊，東方噪聲與振動(dòng)研究所INV9206系列傳聲器。此外，在車底前后轉(zhuǎn)向架處布置傳聲器記錄輪軌噪聲級(jí)，車體表面貼有平面?zhèn)髀暺饔涗涇圀w表面噪聲。所有儀器均符合《ISO 3381-2005》[4]規(guī)定要求。所有噪聲測點(diǎn)布置于1號(hào)車體，測點(diǎn)具體位置見表1，測點(diǎn)分布如圖3所示。

圖2 鋼彈簧浮置板整體道床橫斷面示意圖

表1 噪聲測點(diǎn)布置

圖3 列車測點(diǎn)分布圖

試驗(yàn)線路全部位于地下段，總長24 km，共鋪設(shè)五種道床結(jié)構(gòu)，包括一般整體道床，浮置板道床，以及減振器扣件整體道床。其中，線路內(nèi)鋪設(shè)的浮置板道床有三種類型，分別為橡膠減振墊浮置板道床、中量級(jí)浮置板道床與重量級(jí)浮置板道床，后兩者均屬于鋼彈簧浮置板道床。減振器扣件整體道床鋪設(shè)于站臺(tái)內(nèi)，考慮到實(shí)際運(yùn)行時(shí)此段道床僅為列車?？奎c(diǎn)，并無全速運(yùn)行工況，故不考慮。線路工況見表2。

表2 線路工況

3 噪聲測試結(jié)果與頻譜分析

3.1 四種道床運(yùn)行噪聲空間分布

軌道車輛運(yùn)行至相鄰車站區(qū)間中部速度加至最大，約70 km/h，此時(shí)噪聲最大，故測試速度選取70 km/h。通過車外噪聲測試和車內(nèi)噪聲測試的重復(fù)性對(duì)比，表明不同的道床運(yùn)行條件下，隧道與車室內(nèi)均產(chǎn)生不同聲壓級(jí)的噪聲。車內(nèi)外各測點(diǎn)噪聲級(jí)分布變化規(guī)律趨于一致?？侫聲級(jí)由小到大工況為：一般整體道床；重量級(jí)浮置板道床；中量級(jí)浮置板道床；減振墊浮置板道床。

隧道環(huán)境下，輪軌噪聲、車體結(jié)構(gòu)輻射噪聲等經(jīng)過隧道壁面多次反射透射入車體內(nèi)，使車室噪聲顯著增大，圖4為車內(nèi)測點(diǎn)總A聲級(jí)空間分布。

圖4 70 km/h車內(nèi)測點(diǎn)A聲級(jí)分布

由圖4可知，車輛在不同道床運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)噪聲分布的變化規(guī)律是一致的，這是由于車內(nèi)各測點(diǎn)噪聲值與車輛結(jié)構(gòu)有關(guān)，符合預(yù)期。

車門區(qū)域測點(diǎn)聲壓級(jí)較座位區(qū)域普遍高0.8 dB(A)～1.2 dB(A)。車門區(qū)域測點(diǎn)聲壓級(jí)較大，由于地鐵車門較車體其他壁面隔聲量較小，此外，噪聲通過車門縫隙繞射進(jìn)入車內(nèi)。地鐵空調(diào)風(fēng)機(jī)位于S6測點(diǎn)上方，故此測點(diǎn)雖然位于座位區(qū)域，聲壓級(jí)比車門區(qū)域高0.8 dB(A)左右，表明在70 km/h運(yùn)行時(shí)，空調(diào)機(jī)組噪聲貢獻(xiàn)量小，輪軌噪聲是主要噪聲來源。這從聲壓級(jí)疊加原理上也能解釋：空調(diào)機(jī)組噪聲只有71 dB(A)，比70 km/h隧道內(nèi)運(yùn)行噪聲低13 dB(A)，根據(jù)聲壓級(jí)疊加原理，空調(diào)機(jī)組噪聲可忽略。

圖5為車外測點(diǎn)總A聲級(jí)空間分布，表明不同軌道運(yùn)行下，車外噪聲分布變化規(guī)律也是趨于一致的。70 km/h運(yùn)行時(shí)，車體表面噪聲在111 dB(A)～114 dB(A)之間，轉(zhuǎn)向架處測點(diǎn)更接近輪軌噪聲源，較車體表面噪聲稍大。

試驗(yàn)結(jié)果表明，4種道床無論上下行，D1測點(diǎn)噪聲級(jí)均比D2測點(diǎn)高1 dB(A)以上，分析應(yīng)為試驗(yàn)車廂選取帶列車駕駛室的首節(jié)車廂，由于車尾與其他車廂連接的鉗定作用，可以抑制后置轉(zhuǎn)向架處車輪振動(dòng)，而駕駛室車頭部分并無連接，故駕駛室處輪軌噪聲更大。因此，相較于乘客區(qū)，駕駛室需要考慮更多的降噪措施。

圖5 70 km/h車外測點(diǎn)A聲級(jí)分布

3.2 四種道床運(yùn)行噪聲頻譜

車內(nèi)外各測點(diǎn)噪聲級(jí)分布變化規(guī)律趨于一致，各測點(diǎn)噪聲級(jí)相對(duì)大小穩(wěn)定，可以排除測試的偶然性。選取車體后部區(qū)域S7、BM3、D2測點(diǎn)反應(yīng)地鐵經(jīng)過在四種道床時(shí)，各頻段噪聲“輪軌—車體表面—車內(nèi)”傳遞變化規(guī)律。

由圖6—圖9可知，地鐵在4種道床運(yùn)行條件下噪聲集中在400 Hz～800 Hz，峰值均出現(xiàn)在500 Hz頻段處，車內(nèi)測點(diǎn)噪聲頻帶變化趨勢與轉(zhuǎn)向架處測點(diǎn)處吻合更好，表明車內(nèi)主要噪聲源為輪軌噪聲，與3.1結(jié)論相符。

圖6 一般整體道床運(yùn)行下噪聲級(jí)1/3倍頻程頻譜曲線

列車通過浮置板道床時(shí)，噪聲級(jí)在125 Hz頻段均出現(xiàn)明顯的谷，減振墊浮置板道床車體表面噪聲與轉(zhuǎn)向架處噪聲在100 Hz～315 Hz頻段差異最大。不同道床運(yùn)行下噪聲由車外向車內(nèi)傳遞過程的差異性在低頻體現(xiàn)明顯，而在中高頻則趨于一致。

圖7 減振墊浮置板道床運(yùn)行下噪聲級(jí)1/3倍頻程頻譜曲線

圖8 中量級(jí)浮置板道床運(yùn)行下噪聲級(jí)1/3倍頻程頻譜曲線

圖9 重量級(jí)浮置板道床運(yùn)行下噪聲級(jí)1/3倍頻程頻譜曲線

3.3 噪聲頻譜對(duì)比分析

圖10—圖12給出四種道床運(yùn)行下車室內(nèi)外噪聲級(jí)1/3倍頻程頻譜對(duì)比曲線。相對(duì)于一般整體道床，出于隔振目的設(shè)計(jì)的三種浮置板道床主要影響200 Hz頻段以下的噪聲的產(chǎn)生于傳播。車輛行駛經(jīng)過浮置板道床地段時(shí)的1/3倍頻程車內(nèi)噪聲級(jí)在200 Hz以下范圍內(nèi)產(chǎn)生明顯峰而經(jīng)過一般整體道床時(shí)沒有，經(jīng)過一般整體道床各頻段噪聲級(jí)均為最小。

圖10 車內(nèi)噪聲級(jí)1/3倍頻程A聲級(jí)頻譜曲線對(duì)比

圖11 車體表面噪聲級(jí)1/3倍頻程A聲級(jí)頻譜曲線對(duì)比

圖12 轉(zhuǎn)向架處噪聲級(jí)1/3倍頻程A聲級(jí)頻譜曲線對(duì)比

隔振道床不管是橡膠墊浮置板還是鋼彈簧浮置板，其根本性的支撐方式?jīng)]有變化，只是支撐材料與剛度不同，因此三種浮置板道床頻譜變化規(guī)律相似，噪聲的低頻成分更多。其中，隔振設(shè)計(jì)低的減振墊浮置板道床產(chǎn)生的噪聲問題最大，其對(duì)中高段噪聲都有顯著加強(qiáng)，而隔振設(shè)計(jì)高的重量級(jí)浮置板道床加強(qiáng)低頻噪聲的同時(shí)，在1 250 Hz頻段處也產(chǎn)生加強(qiáng)峰，但在輪軌噪聲主峰頻段區(qū)域與一般整體道床幾乎相等，因而總聲壓級(jí)比一般整體道床略高。在100 Hz～200 Hz范圍內(nèi)，中量級(jí)浮置板道床低頻噪聲總體略低于重量級(jí)浮置板道床，這是由于兩種浮置板道床結(jié)構(gòu)相同而剛度不同，中量級(jí)浮置板道床的隔振設(shè)計(jì)頻率更高。圖10表明，經(jīng)過隔振設(shè)計(jì)高的重量級(jí)浮置板道床，車內(nèi)100 Hz～200 Hz低頻噪聲級(jí)最高，表明鋼彈簧浮置板道床隔振效果與車內(nèi)低頻噪聲強(qiáng)度呈正相關(guān)，即隔振越好，車內(nèi)低頻噪聲越大。

浮置板自振頻率較低[5]，對(duì)地基及其周圍隔振效果較好，但車輛本身動(dòng)態(tài)的振動(dòng)響應(yīng)將隨著頻率降低而增大。隨著車輛局部的振動(dòng)激勵(lì)、導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的聲輻射以及封閉車廂內(nèi)的低頻聲混響的加劇，車內(nèi)噪聲無疑也將增加。

4 結(jié)語

通過速度70 km/h地鐵運(yùn)行于四種道床車室內(nèi)外的噪聲測試分析，試圖找出隔振道床引起地鐵車輛噪聲的變化規(guī)律，研究得出：（1）地鐵運(yùn)行于不同道床時(shí)，車內(nèi)平均聲壓級(jí)繞82.2 dB(A)～86.3 dB(A)上下波動(dòng)的特性，噪聲集中在400 Hz～800 Hz，峰值均出現(xiàn)在500 Hz頻段。

（2）通過不同道床總A聲級(jí)由小到大工況為：一般整體道床；重量級(jí)浮置板道床；中量級(jí)浮置板道床；減振墊浮置板道床，隔振道床使車內(nèi)噪聲增加。

（3）浮置板道床主要加強(qiáng)200 Hz頻段以下的噪聲，經(jīng)過減振墊浮置板道床產(chǎn)生的噪聲問題最大，經(jīng)過重量級(jí)浮置板道床100 Hz～200 Hz車內(nèi)低頻噪聲聲壓級(jí)最高，與中量級(jí)浮置板道床工況數(shù)據(jù)對(duì)比表明，車內(nèi)低頻噪聲強(qiáng)度與鋼彈簧浮置板道床隔振效果呈正相關(guān)。

[1]耿烽，左言言.地鐵鋁合金車輛的車內(nèi)噪聲控制及噪聲響度評(píng)[J].中國鐵道科學(xué)，2011，32(6)：114-118.

[2]SOETA Y,SHINMOKURA R.Survey of interior noise characteristics in various types of trains[J].Applied Acoustics,2013,74(10):1160-1166.

[3]孫曉靜，劉維寧，張寶才.浮置板軌道結(jié)構(gòu)在城市軌道交通減振降噪上的應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15(8)：65-69.

[4]ISO3381-2005-鐵路設(shè)施聲學(xué)有軌車輛車內(nèi)的噪聲[S].2005.

[5]肖安鑫，田野，鋼彈簧浮置板軌道對(duì)車內(nèi)噪聲影響的實(shí)測與分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012，32(1)：51-55.

Influence of Vibration Isolation Rail Track Beds on the Noise of Subway Carriages

SUN Kun,GE Jian-min
(Institute ofAcoustics,Tongji University,Shanghai 200092,China)

The noise in the carriages is tested and analyzed in the Metro of a domestic city.The spatial distributions of sound pressure level(SPL)and the noise frequency spectral characters of the internal and external noises,when the train is travelling through 4 kinds of track beds,are obtained respectively.The 4 kinds of the track beds include ordinary track bed,rubber floating slab track bed,medium-weight steel-spring floating-slab track bed and heavyweight steel-spring floating-slab track bed.The results indicate that the SPL of the interior noise for the ordinary track bed is the lowest,and the SPL of the interior noise for the rubber floating-slab track bed is the highest.The floating-slab track with the vibration isolation design makes the carriage noise increasing,and the noise in the frequency band below 200 Hz is mainly enhanced.The SPL of the interior noise of the carriage,when it traveling through the heavyweight floating slab track bed,is the highest in the low frequency bend of 100 Hz-200 Hz.Comparison of the results with those of the medium-weight floating track bed in operation condition shows that the intensity of the low frequency internal noise of the carriage has a positive correlation with the vibration isolation effect of the steel-spring floating-slab track bed.

acoustics;rail transit;vibration isolation;floating slab track bed;carriage noise

U270.6

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.014

1006-1355(2017)05-0067-04+174

2017-03-27

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016YFB1200500）

孫坤(1992－)，男，山西省忻州市人，碩士研究生，研究方向?yàn)樵肼暸c振動(dòng)控制。

葛劍敏，男，博士生導(dǎo)師。

E-mail:jmge163@163.com