不同軌道參數(shù)對地鐵車輛車內噪聲的影響

湯繼新 周俊召 劉 艷* 羅雁云

(1.寧波市軌道交通集團有限公司，315101,寧波； 2.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海 ∥ 第一作者，高級工程師)

為了解決城市軌道交通對沿線環(huán)境產(chǎn)生的振動噪聲問題，國內外學者對城市軌道交通振動與噪聲進行了多方面研究，也在實際運營中采取了一系列減振降噪措施，取得了一定的效果。但隨之而來的問題是，越來越多的乘客反映在對軌道結構采取減振措施之后，車內噪聲存在增大的現(xiàn)象[1-2]，本文針對這一問題開展研究。

由于理論研究較為復雜，因此，本文采取現(xiàn)場測試的方法，研究實際運營狀態(tài)下空車時段地鐵車輛的噪聲現(xiàn)狀，分析列車運行速度、軌道結構型式及鋼軌幾何線型等參數(shù)對車內噪聲的影響特性、原因及程度，從而為降低地鐵列車車內噪聲提供依據(jù)，以改善旅客乘車環(huán)境。這對提升軌道交通車輛市場競爭力具有重要意義。

1 試驗研究方法

本文采用試驗研究的方法，按照一定的地鐵車輛內部噪聲級和頻譜的測量條件，獲得可再現(xiàn)和可比較的測量結果，從而表征車輛的內部噪聲，實現(xiàn)研究車內噪聲在軌道結構及鋼軌幾何線形等不同參數(shù)影響下的特征規(guī)律。

試驗車輛采用地鐵6B型車，車輛編組為四動兩拖?，F(xiàn)場測試按照文獻[3-4,7]的要求，在以軌道結構或鋼軌平縱向幾何線型為變量對車內噪聲的影響規(guī)律進行研究時，使線路周圍建筑物等大型反射結構，甚至背景噪聲等可能改變車內噪聲的因素(如扣件、剛度等)盡量保持一致或相似，因此選取某城市軌道交通2號線(以下簡為“2號線”)7個不同區(qū)段進行車內噪聲測試。2號線各區(qū)段分組如表1所示。其中A、B、C、D區(qū)段均采用DTIII2型扣件，其豎向靜剛度為21～25 MN/m；E、F區(qū)段采用ZB扣件，其豎向靜剛度為10～12 MN/m。

表1 2號線各區(qū)段分組表

為了更好地觀測車內噪聲的分布，在車內布置了一系列測點。根據(jù)EN ISO 3381:2011《Railway applications—Acoustics—Measurement of noise inside railbound vehicles》、EN ISO 3095：2005《Railway applications—Acoustics—Measurement of noise emitted by railbound vehicles》，及GB/T 3449—2011《聲學 軌道車輛內部噪聲測量》等標準中對傳聲器布置的規(guī)定，參考車內人耳高度，確定站立區(qū)傳聲器高度距車輛地板1.5 m，坐姿區(qū)域傳聲器距車輛地板1.2 m，具體布置如圖1所示。對于拖車，除布置上述測點外，在司機所在位置布置傳聲器(見圖1中的“測點1”)，高度為人耳所在位置，距離座椅0.1 m以內。測試列車在以20 km/h、40 km/h及該區(qū)段最高允許速度60 km/h通過所選7個區(qū)段，以實測所有測點的噪聲信號。

圖1 車內噪聲測點布置圖

2 結果對比分析

對列車運行激發(fā)的車內噪聲進行分析時，首先計算各測點在計算頻率下的實際聲壓級，然后對各個頻率下的噪聲聲壓級進行有限值累積，從而獲得總聲壓級。根據(jù)A計權曲線的特點，處于1 000 Hz以內的低頻聲壓級削減較多[5]、高頻聲壓級削減較少，這改變了線性聲壓級具有的部分特性。因此，在分析車內噪聲特性時，采用線性聲壓級進行研究。

2.1 不同軌道結構下車內噪聲聲壓級對比

為了說明不同軌道結構對車內噪聲的影響，選取 A、C、E、G等4個區(qū)段進行分析。上述4個區(qū)段皆處于直線段，且4個區(qū)段的軌道結構類型分別為高檔鋼彈簧浮置板、普通整體道床、減振扣件整體道床、預制橡膠浮置板和中檔鋼彈簧浮置板。各測點的噪聲總聲壓級見表2。線性計權聲壓級曲線見圖2。

表2 不同軌道結構下各測點的噪聲平均總聲壓級表

由表2可知，高檔鋼彈簧浮置板軌道區(qū)段(A)車內噪聲略小于預制橡膠浮置板和中檔剛彈簧浮置板區(qū)段(G)及減振扣件區(qū)段(E)；且不同軌道結構下A計權聲壓級相差不大，平均差值為1.9 dB(A)。

與表2中A計權聲壓級情況不同，圖2在低于200 Hz頻率段內，高檔鋼彈簧浮置板軌道區(qū)段(A)的車內噪聲聲壓級明顯大于普通整體道床軌道區(qū)段(C)的車內噪聲；在低頻段內，減振扣件軌道區(qū)段(E)測得的車內噪聲低于高檔鋼彈簧浮置板軌道區(qū)段(A)，而浮置板道床(A)的隔振效率遠高于減振ZB扣件。因此，減振軌道結構在低頻噪聲范圍內會使車內噪聲聲壓級增大，且隔振效率越高，車內噪聲聲壓級越大。

圖2 不同軌道結構下車內噪聲線性計權聲壓級曲線

圖3為3種采用減振措施的軌道結構與普通整體道床的1/3倍頻程對比曲線。圖3驗證了采用減振軌道結構，會在低頻噪聲范圍內使車內噪聲聲壓級明顯增大；高檔鋼彈簧浮置板軌道(A)線性聲壓級最大，預制橡膠浮置板和中檔鋼彈簧浮置板區(qū)段(G)和減振扣件區(qū)段(E)次之，普通整體道床(C)最小。

圖3 不同軌道結構下車內噪聲 1/3倍頻程對比圖

高檔鋼彈簧浮置板軌道(A)車內噪聲線性聲壓級最為突出，且在25～250 Hz范圍內，呈低頻特性。預制橡膠浮置板和中檔鋼彈簧浮置板區(qū)段(G)的車內噪聲線性聲壓級明顯大于其余3種軌道結構，且出現(xiàn)在800 Hz和 1 600 Hz附近，呈中頻特性。相比于普通整體道床，減振扣件區(qū)段(E)在63 Hz低頻段之前，其車內噪聲線性聲壓級明顯增大。

由此可見，采用減振措施，會使車內噪聲在低中頻段出現(xiàn)線性聲壓級增大的現(xiàn)象，但由于A計權使得低頻部分被明顯削弱，因此，高檔鋼彈簧浮置板軌道(A)的車內噪聲A計權聲壓級反而小于E、G區(qū)段。

2.2 不同車廂位置車內噪聲聲壓級對比

針對上述情況，車廂位置的不同也可能引起車內噪聲差異。為排除其對結果的影響，根據(jù)各測點在不同頻率下噪聲的實際聲壓級，對各個頻率的聲壓級進行有限值累計獲得總聲壓級。各測點的噪聲總聲壓級見表3。各測點的頻率曲線見圖4。

表3 同一軌道結構及車速下各測點的噪聲總聲壓級

圖4 列車車速為40 km/h時各測點的頻率曲線

表3中，列車車內坐姿區(qū)域測點為3、5、8、10、13、15，其余位置測點均位于站立區(qū)。由表3可知，Tc和Mp兩車廂相鄰的測點噪聲相差3.8 dB(A)，其頻率特性也有所差別，這可能與拖車的聲壓級特征峰值主要為50 Hz、而動車的聲壓級特征峰值主要為25 Hz有關，進一步體現(xiàn)了A計權對聲壓級特性的影響。此外，拖車內坐姿區(qū)域噪聲為1 dB(A)，略大于站立區(qū)域,且車廂站立區(qū)域轉向架對噪聲的影響不大；動車內總體上坐姿區(qū)域與站立區(qū)域噪聲基本相同，但帶受電弓的站立區(qū)域噪聲約4 dB(A)，明顯小于其他位置，這可能是由于受電弓導致該處結構振動特性改變所致。

總體而言，在列車運行過程中，車內不同場點噪聲主要頻帶集中在0～200 Hz范圍內，呈低頻特性。無論是動車還是拖車、站姿區(qū)域還是坐姿區(qū)域，以及是否存在轉向架，其對噪聲大小影響差值均在5 dB(A)以內，位于帶司機室的拖車和受電弓處噪聲最小。由此可見，同一車速下車內噪聲大小受到車廂結構及其所處位置的影響較為明顯。

2.3 不同車速下車內噪聲聲壓級對比

地鐵列車車內不同位置測點變化趨勢基本一致，車內噪聲整體呈現(xiàn)隨列車速度的增加，噪聲聲壓級增加的趨勢。不同車速行駛狀態(tài)下，各測點的噪聲聲壓級對比見圖5。由圖5可知，車輛起動且處于定置狀態(tài)時比背景狀態(tài)下車內噪聲聲壓級平均增加了18.46 dB(A)；車速由0 提高到60 km/h(最高允許速度)時，噪聲聲壓級增加量分別為9.56 dB(A)、2.98 dB(A)、1.09 dB(A)，這與車速變化非線性相關。由此可見，車輛在定置狀態(tài)下，其附屬設備產(chǎn)生的噪聲對車內噪聲起主導作用，因此，建議車內設備都可以采用線性電機牽引以避免部分噪聲的產(chǎn)生[7]；而在車輛運行狀態(tài)下，設備噪聲不再成為主要噪聲，輪軌噪聲成為影響車內噪聲的主要因素，且隨著車速的提高，車內噪聲變化趨于緩慢。

圖5 不同車速下各測點的噪聲總聲壓級

不同車速下各測點的1/3倍頻程曲線如圖6所示。由圖6可知，車速處于不同狀態(tài)下，車內噪聲頻段主要集中在20～80 Hz的低頻段；車速大于0時，其在315～3 150 Hz的中高頻段存在明顯噪聲波動。由此可見，相比于背景噪聲，不同車速都會在低頻段25 Hz頻率處產(chǎn)生明顯的噪聲，因此，低頻段的全局噪聲聲壓級峰值應為列車的固有特性。

圖6 不同車速下的車內噪聲1/3倍頻程曲線

而在列車運行過程中，需注意中頻段產(chǎn)生的局部噪聲峰值主要為輪軌噪聲。當車速為20 km/h時，車內噪聲聲壓級頻率在1 000 Hz左右；當車速為40 km/h時，車內噪聲聲壓級頻率在800 Hz左右；當車速為60 km/h時，車內噪聲聲壓級頻率在500 Hz左右。車速為20 km/h時，噪聲聲壓級次峰峰值最為明顯，且該輪軌噪聲峰值基本呈隨車速提高而頻率減小的趨勢，這些不同車速下的特征頻率應對車內噪聲起主要作用。

2.4 不同幾何線型下車內噪聲聲壓級對比

當車輛處于直線段時，各測點的噪聲平均總聲壓級為74.22 dB(A)，當車輛處于曲線段時，各測點的噪聲平均總聲壓級為75.50 dB(A)。由此可見，曲線段車內噪聲聲壓級略大于直線段，約為1.28 dB(A)。不同的鋼軌幾何線型下車內噪聲頻域特性如圖7所示。由圖7可知，曲線段主峰頻率為75 Hz，而直線段為25 Hz；曲線段與直線段的次峰頻率分別為800 Hz和650 Hz；曲線段車內噪聲線性聲壓級頻率在40～300 Hz范圍內，且明顯大于直線段。

圖7 不同鋼軌幾何線型下的車內噪聲頻域特性圖

當頻率在300 Hz以下時，主要噪聲源為輪軌噪聲，該噪聲是列車在曲線線路上運行時，輪緣與鋼軌緊貼、摩擦等因素引起振動而產(chǎn)生的輻射噪聲。通常線路曲線半徑越小，輪軌相互作用越劇烈[6]，因此，建議在線路規(guī)劃時期，盡量選擇較大的曲線半徑。

3 結論

1) 采用不同軌道結構下，列車車內整體噪聲均在4 dB(A)以內，相差不大；但采用減振措施會使車內噪聲在局部頻段發(fā)生變化；在25～75 Hz低頻段和315～1 600 Hz中頻段，采用減振措施的區(qū)段線性聲壓級都存在明顯增加，且隔振效率越高，聲壓級越大。

2) 在列車運行過程中，車廂不同位置處噪聲聲壓級變化范圍處于5 dB(A)以內，且主要頻帶集中在0～200 Hz范圍內，呈低頻特性，位于帶司機室的拖車和受電弓處噪聲最小。

3) 車速從0提高到60 km/h時，噪聲聲壓級變化量在14 dB(A)以內；隨著車速從0開始增加，噪聲聲壓級快速增大；當車速大于40 km/h后，聲壓級逐步緩慢增長；不同車速下車內出現(xiàn)的噪聲峰值頻率不同，隨著車速提高，噪聲聲壓級峰值頻率變小。

4) 基于輪軌噪聲的影響，相較于直線段，曲線段車內噪聲聲壓級增大約1 dB(A)，建議線路盡量采用較大的曲線半徑。

綜上所述，采用減振措施并不是隔振效率越高越好，這可能會引起較大的車內噪聲變化；應該著重研究不同減振措施以及不同車速對車內噪聲的影響頻段，從系統(tǒng)的角度出發(fā)綜合考量選取最為合適的減振降噪措施。