城市軌道交通車站軌行區(qū)降噪措施仿真分析*

黃旭煒 周 宇 韓延彬 木東升 張聰聰

(1. 同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海; 2. 同濟大學上海市軌道交通結構耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室，201804，上海//第一作者，碩士研究生)

城市軌道交通車站站臺是受噪聲影響較嚴重的區(qū)域之一。目前部分已運營的城市軌道交通車站站臺軌行區(qū)通過采取浮置板、減振器扣件等減振結構和部件來降低結構振動，但在車站軌行區(qū)靠近噪聲源、噪聲傳播路徑等處尚未考慮空氣降噪措施，因此有必要針對車站軌行區(qū)的降噪措施進行研究和分析。

本文以某城市軌道交通車站為研究對象，建立車站站臺區(qū)有限元模型，并生成噪聲預測模型，模擬在軌行區(qū)噪聲源最近的軌道上鋪設道床吸音板，在噪聲傳播路徑的軌行區(qū)結構上貼覆吸音材料等措施的降噪情況，分析單獨上述某一措施以及綜合上述兩種措施的降噪效果。分析結果可為城市軌道交通車站站臺區(qū)和軌行區(qū)的降噪措施設計和選型提供參考。

1 城市軌道交通車站軌行區(qū)建模

1. 1 車站條件和軌道條件

以某城市軌道交通車站為仿真分析對象，其中線路為鋼輪鋼軌制式，車站為地下終端站、島式站臺和曲線軌道，站臺設置屏蔽門，車站軌道采用浮置板軌道和減振扣件，如圖1所示。

圖1 某城市軌道交通車站站臺平面圖

為了解既有車站噪聲情況，并檢驗仿真模型的準確性，選取與仿真分析車站同等條件的某既有運營線路車站進行列車進出站噪聲測試，其中測點位于站臺一側列車進、出站端及站臺中部。測試包括單側列車進出站時站臺區(qū)端部、中部的噪聲以及無列車時的噪聲兩種工況。分析時去除背景噪聲(如停車后的廣播聲和屏蔽門開關聲)以得到進出站時以車輛-軌道為主的噪聲。結果發(fā)現(xiàn)，由某次列車進出站引起的輪軌噪聲將呈增大趨勢，如圖2所示。

圖2 單側列車進出既有車站的時域噪聲數(shù)據

從圖2可以看出，輪軌噪聲起出了等效聲級的最大容許限值80 dB(A)[2]，即使列車進出站速度不高，但已經發(fā)生噪聲超標的現(xiàn)象。實測列車進出站噪聲瞬時達到83～85 dB(A)，因此有必要考慮對車站站臺進行降噪。

1. 2 可行的降噪措施

城市軌道交通降噪措施應在靠近噪聲源以及噪聲傳播路徑等處設置，目前車站軌行區(qū)采用的降噪措施包括：①在靠近噪聲源處(即輪軌界面最近的地方)的道床采用道床吸音板；②在噪聲傳播路徑的軌行區(qū)結構上貼附吸音材料和吸音膜等。結合該車站站臺軌行區(qū)橫斷面圖，可行的降噪措施布置如圖3所示。

1) 軌道：軌道區(qū)可以采用道床吸音板。吸音板為表面具有吸音尖劈形式的多孔板，可以全鋪(布置在軌道中間和兩側)或半鋪(只布置在軌道兩側或中間)在軌道上，因其靠近輪軌噪聲源頭，能起到較好的吸收輪軌噪聲的效果。

圖3 車站軌行區(qū)降噪措施布置示意圖

2) 屏蔽門：屏蔽門具有一定的隔聲作用，如在朝向列車一側的玻璃上貼覆多孔吸音膜，可進一步在噪聲傳播途徑上降低其能量。

3) 列車上方車站通風道底部：通風道底部為混凝土結構，可在此處安裝蜂窩狀吸音板或噴涂礦物纖維吸音材料，但這些吸音措施距離列車頂部較近，受列車風、振動、車輛空調高溫影響較頻繁，其使用可靠性和穩(wěn)定性尚缺驗證，還存在安全隱患，故本文不予考慮。

綜上所述，城市軌道交通車站軌行區(qū)可行的降噪措施為鋪設道床吸音板和屏蔽門玻璃貼覆吸音膜。由于道床吸音板已在既有城市軌道交通車站中有使用案例，因此道床吸音板的降噪效果采用現(xiàn)場實測和仿真預測相結合的方法來實現(xiàn)。因屏蔽門玻璃貼覆吸音膜目前尚未有使用案例，因此，在模型檢驗可靠的基礎上，可采用仿真預測的方法進行分析。

1. 3 車輛條件

本文進行仿真預測的列車為A型車，其中轉向架中心距為15 700 mm，車輛固定軸距為2 500 mm。仿真中，車輪作用在鋼軌上引發(fā)的噪聲源，可采用單極子點聲源進行處理，同時考慮1個輪對的2個車輪分別作用在兩股鋼軌上的工況，這樣鋼軌上則具有2個噪聲源。

1. 4 模型建立

采用有限元方法建立車站站臺整體模型，再將車站站臺有限元模型輸入到聲學軟件中生成噪聲預測模型，從而進行車站站臺噪聲預測。

車站站臺有限元建模時，考慮該車站線路為曲線，因此將車站模型沿線路方向的橫截面設置為變截面形式。計算中考慮同一時刻只有一側軌道上存在列車進出站的情況，因此僅在站臺一側的軌行區(qū)設置聲源。同時，道床吸音板和屏蔽門玻璃貼覆吸音膜只布置在聲源一側的軌行區(qū)。仿真工況如表1所示，仿真降噪措施參數(shù)如表2所示。

表1 車站站臺噪聲仿真工況

表2 車站站臺降噪措施仿真參數(shù)

將前4種工況與未采取降噪措施的工況5進行對比得到降噪效果。車站空間模型、噪聲源和降噪措施布置位置如圖4所示。

圖4 車站站臺空間模型

將上述車站有限元模型在噪聲預測軟件中劃分聲學網格和場點網格,并定義流體材料和吸音板多孔材料屬性和聲源邊界條件。此處將島式站臺定義為噪聲分析區(qū)域，并將島式站臺及左右兩側軌行區(qū)的上方生成場點網格，如圖5所示。圖5中的參考點為仿真結果輸出點，參考點距離站臺頂面1.2 m，距離站臺邊緣0.5 m。

圖5 車站站臺場點網格劃分

此外，由于屏蔽門玻璃貼覆吸音膜處于車站站臺邊緣，采用該措施可能會對站臺廣播產生一定影響，使得廣播聲聲能量改變，影響站臺參考點的噪聲。因此，本文分析屏蔽門玻璃貼覆吸音膜降噪效果時考慮了站臺廣播，并分別對有、無站臺廣播干擾兩種工況進行仿真分析。廣播聲源為點聲源形式，作用位置為站臺區(qū)頂部。

2 車站軌行區(qū)噪聲預測模型檢驗

2. 1 半鋪吸音板的降噪效果現(xiàn)場實測

由于城市軌道交通既有車站中已經有半鋪道床吸音板的案例(在中間有凸臺的浮置板基礎上，將道床吸音板鋪設在軌道兩側)，因此，為了檢驗本文所建模型的有效性，分別對軌行區(qū)采用整體道床、浮置板，以及采用浮置板和道床吸音板的既有車站進行了站臺噪聲現(xiàn)場實測[2]。實測測點位置與工況同本文1.1中所述，連續(xù)測量10次列車進出站等效A聲級，求出10次進出站等效A聲級的算術平均值，并將其作為該位置的噪聲水平，進一步對比有無列車的工況從而得到列車進出站的噪聲增量。既有車站站臺在列車進出站時的噪聲增量測試結果如表3所示。

表3 既有車站站臺現(xiàn)場噪聲增量測試結果

由表3可知:A線1號站和2號站背景噪聲和列車在進出站時的站臺噪聲水平基本接近，但1號站的平均噪聲增量要低于2號站，可認為是吸音板和浮置板軌道結構的綜合降噪結果,則道床吸音板(半鋪)+浮置板的綜合降噪水平為2.4～4.1 dB(A);B線3號站和4號站的背景噪聲和列車在進出站時的站臺噪聲水平基本接近，但3號站的平均噪聲增量要低于4號站，可認為是浮置板的單獨降噪的結果，浮置板的降噪水平為0.5～1.3 dB(A)。由此可分析推斷，單獨使用道床吸音板(半鋪)的降噪措施可降低站臺噪聲1.9～2.8 dB(A)。

2. 2 半鋪吸音板的降噪效果仿真預測

對圖3、圖4所示模型中采用半鋪吸音板的工況進行噪聲預測。車站三維模型仿真云圖以頻率為變量進行顯示，為了便于直觀顯示半鋪吸音板的降噪效果，分別取300 Hz、500 Hz和800 Hz 3個頻率對吸音板半鋪前后站臺上方1.2 m處參考點的噪聲聲壓進行了仿真分析，如圖6所示。輸出參考點處各頻率下的噪聲聲壓級降低情況如圖7所示。

圖6 吸音板半鋪前后參考點處噪聲聲壓級云圖截圖

圖7 半鋪吸音板前后參考點處的噪聲聲壓級降低情況

從圖6～7可見，車站站臺的軌行區(qū)半鋪道床吸音板可使站臺噪聲在4 kHz以下頻段降低噪聲0.5～2.5 dB(A)，與現(xiàn)場實測的半鋪道床吸音板降低噪聲1.9～2.8 dB(A)基本一致，表明建立的仿真模型符合實際情況，因此可進一步預測分析道床吸音板(全鋪)和屏蔽門玻璃貼覆吸音膜兩種降噪措施單獨采用和綜合采用的作用效果。

3 車站軌行區(qū)降噪措施效果分析

3. 1 鋪設道床吸音板

圖8顯示了300 Hz、500 Hz和800 Hz 3種頻率情況下，站臺軌行區(qū)采用全鋪道床吸音板前后的噪聲聲壓級云圖；其輸出參考點處各頻率下的噪聲聲壓級降低情況如圖9所示。

圖8 吸音板全鋪前后參考點處噪聲聲壓級云圖截圖

圖9 全鋪吸音板前后參考點處的噪聲聲壓級降低情況

從圖8～9可見，在車站內軌道區(qū)全鋪道床吸音板可使站臺噪聲降低1.5～5.2 dB(A)。降噪效果：①對于50～250 Hz低頻噪聲，全鋪道床吸音板可降低站臺區(qū)噪聲1.5～2.6 dB(A)；②對于250～2 000 Hz的中高頻輪軌噪聲，全鋪道床吸音板可降低站臺區(qū)噪聲4.0～5.2 dB(A)；③對于2 000 Hz以上高頻噪聲，全鋪道床吸音板可降低站臺區(qū)噪聲3.3～4.0 dB(A)。

3. 2 屏蔽門玻璃貼覆吸音膜

屏蔽門玻璃貼覆吸音膜工況下，站臺局部區(qū)域噪聲預測結果如圖10～11和表4所示。

圖10 無降噪措施、有廣播時站臺局部區(qū)域噪聲聲壓級云圖(1 000 Hz)截圖

圖11 屏蔽門玻璃貼覆吸音膜且有廣播時站臺局部區(qū)域噪聲聲壓級云圖(1 000 Hz)截圖

工況右側站臺局部區(qū)域噪聲/dB(A)左側站臺局部區(qū)域噪聲/dB(A)300 Hz1 000 Hz300 Hz1 000 Hz未采取降噪措施64.166.458.363.6無站臺廣播屏蔽門玻璃貼覆吸音膜61.864.056.061.2降噪值2.32.42.32.4未采取降噪措施78.080.572.377.9有站臺廣播屏蔽門玻璃貼覆吸音膜76.178.670.375.9降噪值1.91.92.02.0

從圖10～11和表4可見，屏蔽門玻璃貼覆吸音膜后站臺局部區(qū)域噪聲聲壓級有所降低，具體表現(xiàn)如下：

1) 無論有無車站廣播，車站左、右側站臺區(qū)在采用屏蔽門玻璃貼覆吸音膜時降噪效果基本相同。

2) 300 Hz工況時，無廣播情況下屏蔽門玻璃貼覆吸音膜的降噪效果為2.3 dB(A)；有廣播情況下降噪約1.9 dB(A)。

3) 1 000 Hz工況時，無廣播情況下屏蔽門玻璃貼覆吸音膜的降噪效果為2.4 dB(A)；有廣播情況下降噪約1.9 dB(A)。

4) 屏蔽門玻璃貼覆吸音膜降噪主要針對1 000 Hz以下的低頻噪聲。在250～1 000 Hz內，屏蔽門玻璃貼覆吸音膜可降低站臺測點噪聲1.8～2.4 dB。

3. 3 道床吸音板+屏蔽門玻璃吸音膜綜合措施

車站站臺軌行區(qū)綜合采用全鋪道床吸音板和屏蔽門玻璃吸音膜時的噪聲降噪效果如圖12～13所示。

根據圖12～13可知：對于50～250 Hz低頻噪聲，綜合降噪措施可降低站臺噪聲2.0～3.5 dB(A)；

圖12 采用綜合降噪措施前后參考點處噪聲聲壓級云圖

圖13 采用綜合降噪措施前后參考點處噪聲聲壓級降低情況

對于250～2 000 Hz的中高頻噪聲，綜合降噪措施可降低站臺噪聲4.0～7.0 dB(A)；對于2 000 Hz以上的高頻噪聲，綜合降噪措施可降低站臺噪聲3.5～4.5 dB(A)。

結合兩種降噪措施單獨作用的仿真結果，可以確定綜合降噪措施下全鋪道床吸音板的降噪貢獻量為73%～84%，屏蔽門玻璃吸音膜的降噪貢獻量為16%～27%。

3. 4 降噪措施注意事項

從上述分析可知，道床吸音板和屏蔽門玻璃吸音膜都對站臺軌行區(qū)的降噪有效，在具體使用時，還應該注意：

1) 為提高降噪效果，針對道床吸音板，建議保持一定的吸音面積和厚度。盡量采取全鋪道床吸音板，若遇到凸臺浮置板則只能鋪設在軌道兩側，如圖14所示。吸音板在軌道中間鋪設時，應與兩側軌底各保留一定距離，從而不影響扣件、鋼軌的正常使用與軌道的正常檢查。吸音板在軌道兩側鋪設時，建議根據兩側條件進行設計。當軌旁有第三軌時，在不影響第三軌和排水溝功能的前提下保持一定的吸音效果，如控制吸音板的高度防止影響列車與第三軌之間的受流；根據第三軌的支架位置間隔布置吸音板；避免吸音板覆蓋到排水溝。

圖14 凸臺浮置板情況下道床吸音板鋪設示意圖

2) 在屏蔽門玻璃上貼覆吸音膜時，在不影響活動門開啟的情況下，固定門和活動門的玻璃上均可進行粘貼，這樣可提供較多的吸音面積。但由于空間位置的限制，以及出于避免增加屏蔽門玻璃負擔的考慮，建議吸音膜厚度控制在2 mm以內。

4 結論

本文以某城市軌道交通車站為原型建立有限元模型并生成噪聲預測模型，通過與現(xiàn)場實測數(shù)據對比驗證了模型的合理性，對全鋪道床吸音板與屏蔽門玻璃貼覆吸音膜兩種降噪措施在單獨和綜合使用時的降噪效果進行了仿真預測，得到如下結論：

1) 對半鋪道床吸音板降噪工況進行仿真，對采取相同措施的車站進行現(xiàn)場測試；仿真結果表明4 kHz頻段以下站臺噪聲降低了0.5～2.5 dB(A)；實測結果表明4 kHz頻段以下噪聲降低了1.9～2.8 dB(A)。仿真和實測結果基本一致，驗證了模型的有效性。

2) 全鋪道床吸音板的仿真結果表明，對于50～250 Hz低頻噪聲，可降低1.5～2.6 dB(A)；對于250～2 000 Hz的中高頻輪軌噪聲，可降低4.0～5.2 dB(A)；對于2 000 Hz以上的高頻噪聲，可降低3.3～4.0 dB(A)。50～4 000 Hz全頻段內降噪1.5～5.2 dB(A)。

3) 屏蔽門玻璃貼覆吸音膜仿真結果表明，降噪主要針對1 000 Hz以下的低頻噪聲，在250～1 000 Hz頻段內，可降低站臺測點噪聲1.8～2.4 dB(A)。

4) 綜合降噪措施的仿真結果表明，對于50～250 Hz低頻噪聲，可降低2.0～3.5 dB(A)；對于250～2 000 Hz的中高頻噪聲，可降低4.0～7.0 dB(A)；對于2 000 Hz以上高頻噪聲，可降低3.5～4.5 dB(A)；50～4 000 Hz全頻段降低噪聲2.0～7.0 dB(A)。在全頻段內，全鋪道床吸音板的降噪貢獻量為73%～84%，屏蔽門玻璃貼覆吸音膜的降噪貢獻量為16%～27%。