歐 陽 昭

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

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地鐵運(yùn)行對(duì)周邊建筑物振動(dòng)噪聲影響研究

歐 陽 昭

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

基于實(shí)際地鐵線路地下區(qū)間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)建筑物樓板三向振動(dòng)和室內(nèi)噪聲在時(shí)域和頻域內(nèi)作了初步分析，總結(jié)歸納了振動(dòng)傳播規(guī)律，并采用相干函數(shù)詳細(xì)分析了樓板各向振動(dòng)與對(duì)應(yīng)點(diǎn)噪聲之間的頻域特征和相干關(guān)系，辨別出產(chǎn)生建筑物二次輻射噪聲的主要振動(dòng)方向及其頻譜分布特點(diǎn)。

地鐵，振動(dòng)，二次輻射噪聲，頻譜分析，1/3倍頻程，相干分析

近年來，地鐵在我國得到了迅猛發(fā)展，成為了許多城市公共交通的主干力量，但其在給市民的出行帶來諸多方便的同時(shí)，也不可避免地給沿線居民的生活造成了許多困擾，其中最為突出的便是振動(dòng)問題和噪聲問題。與傳統(tǒng)的地鐵高架線路相比，地鐵地下線路周邊建筑物內(nèi)的噪聲主要由線路地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)導(dǎo)致的地面建筑物二次振動(dòng)引發(fā)，其聲源更加復(fù)雜和分散，傳播的過程難以得到控制，后期治理難度大。

目前，國內(nèi)外對(duì)地鐵運(yùn)行引起周邊環(huán)境振動(dòng)噪聲問題進(jìn)行了較為廣泛的理論和實(shí)測(cè)研究，其中振動(dòng)問題多集中于振動(dòng)在土體中的傳播方面[1，2]，對(duì)建筑物內(nèi)部的實(shí)測(cè)分析較為有限。此外，目前國內(nèi)對(duì)于建筑物振動(dòng)和二次噪聲相關(guān)性的討論還有所欠缺，常見的研究方法是在最大Z振級(jí)與最大聲級(jí)散點(diǎn)圖的基礎(chǔ)上擬合得到兩者的線性關(guān)系[3]，此法忽略了橫縱兩向的影響，在頻域方面也沒有細(xì)致討論。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，分析了地鐵周圍建筑物振動(dòng)噪聲的特性和傳播規(guī)律，并根據(jù)相干函數(shù)在頻域內(nèi)的分布特點(diǎn)及峰值大小評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)三向振動(dòng)的聲輻射特點(diǎn)，確定了室內(nèi)二次輻射噪聲的主要貢獻(xiàn)源，為以后采取有針對(duì)性的減振降噪措施提供參考。

1 振動(dòng)噪聲實(shí)測(cè)介紹

本文對(duì)某實(shí)際地鐵線路沿線的5個(gè)典型地下區(qū)段進(jìn)行了實(shí)測(cè)，各測(cè)試斷面均位于區(qū)間內(nèi)，線路埋深在14 m左右，測(cè)試環(huán)境包含住宅區(qū)及廠區(qū)，建筑物以低層磚混結(jié)構(gòu)為主。建筑物結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試在線路上方各樓層樓板中心部位進(jìn)行布點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置垂向(鉛垂方向)、橫向(水平垂直于地鐵延伸方向)、縱向(水平沿地鐵延伸方向)共3個(gè)傳感器。噪聲測(cè)試均在密閉的室內(nèi)進(jìn)行，選擇與振動(dòng)測(cè)點(diǎn)相同位置進(jìn)行布點(diǎn)。當(dāng)列車通過時(shí)，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)和噪聲聲壓級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集，各區(qū)段采集過程中通過列車不少于10列。

2 振動(dòng)實(shí)測(cè)分析

2.1 建筑物振動(dòng)響應(yīng)

本文共得到5個(gè)測(cè)試斷面共68組列車駛過隧道的有效數(shù)據(jù)，取其中1個(gè)典型斷面的實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度平均值進(jìn)行分析。按照我國標(biāo)準(zhǔn)GB 10070—1988城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[4]將測(cè)量得到的建筑物各向振動(dòng)加速度值按式(1)換算成加速度級(jí)，統(tǒng)計(jì)得到各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)如表1所示。

(1)

由表1可知，列車通過時(shí)，建筑物內(nèi)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)呈現(xiàn)以下特征：

1)三向振動(dòng)中垂向振動(dòng)的加速度級(jí)最大，縱向振動(dòng)要遠(yuǎn)小于垂向和橫向振動(dòng)，說明列車運(yùn)行時(shí)周邊建筑物的結(jié)構(gòu)振動(dòng)以垂向振動(dòng)為主。

2)建筑物的垂向和橫向振動(dòng)都有顯著的增長(zhǎng)，增幅在5 dB～7 dB左右，縱向振動(dòng)的增長(zhǎng)最不明顯，和環(huán)境背景振級(jí)的差值不超過1 dB，說明列車運(yùn)行對(duì)上方建筑物的影響主要體現(xiàn)在垂向和橫向。

3)樓層越高，振動(dòng)級(jí)的增幅越小，以垂向振動(dòng)為例，其在1層，2層，3層的振級(jí)分別增加了6.67 dB，6 dB，4.86 dB，說明樓層越高，樓板振動(dòng)受列車影響越不明顯。

4)隨著樓層的升高，樓板各向振動(dòng)都有所衰減，其中橫向振動(dòng)的衰減速率最快，從1層傳遞至3層時(shí)其振級(jí)減小了8.14 dB，除去環(huán)境振動(dòng)的自然衰減值外仍有3.5 dB的額外衰減量。

表1 實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)匯總表 dB

2.2 建筑物振動(dòng)頻譜特性

圖1為列車通過上述典型測(cè)試地段時(shí)，線路上方某幢居民樓底層樓板的垂向、橫向、縱向振動(dòng)加速度響應(yīng)及對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線。從樓板振動(dòng)加速度的幅頻特性曲線可以看出，樓板垂向、橫向、縱向加速度所含頻率成分主要集中在100 Hz以內(nèi)，其中，樓板垂向振動(dòng)加速度幅值頻率為63 Hz，橫向和縱向加速度幅值頻率均為50 Hz，可知地鐵列車引起的建筑物結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要以頻率低于100 Hz的低頻振動(dòng)為主，其中尤以50 Hz～63 Hz振動(dòng)最為顯著。

3 二次輻射噪聲實(shí)測(cè)分析

為了了解地鐵運(yùn)行引起的建筑物二次輻射噪聲的頻率特征，對(duì)列車經(jīng)過時(shí)段的室內(nèi)噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程分析，比較分析兩者在各個(gè)1/3倍頻帶上的聲壓級(jí)差異。

圖2為室內(nèi)實(shí)測(cè)噪聲與背景噪聲的1/3倍頻程對(duì)比圖，由圖可知，無列車時(shí)，1樓的噪聲聲壓級(jí)在50 Hz處達(dá)到最大，而2樓和3樓的噪聲聲壓級(jí)最大的頻段中心頻率均在20 Hz以下，列車通過時(shí)，各樓層噪聲聲壓級(jí)最大的頻段中心頻率均在50 Hz～63 Hz之間。

建筑物實(shí)測(cè)噪聲在31.5 Hz～500 Hz的頻段內(nèi)增長(zhǎng)明顯，且以40 Hz～63 Hz的增長(zhǎng)最為顯著，對(duì)比背景噪聲的增量可達(dá)10 dB～20 dB，而在500 Hz以上的頻段內(nèi)，實(shí)測(cè)噪聲與背景噪聲的值基本一致，差值在2 dB以內(nèi)，這說明地鐵引起的周邊建筑物二次輻射噪聲主要為31.5 Hz～500 Hz的中低頻噪聲。

通過對(duì)比各樓層的二次噪聲1/3倍頻程圖可以看出，在噪聲的主頻段上(50 Hz～63 Hz)，2樓噪聲的聲壓級(jí)增量最大，受列車的影響最為顯著。

4 振動(dòng)與噪聲相干分析

4.1 相干分析方法

相干函數(shù)可以說明兩個(gè)信號(hào)之間在頻域上的相干程度，可以根據(jù)相干函數(shù)結(jié)果判斷某一輸入信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的影響程度，并通過比對(duì)判斷此輸出信號(hào)的主要來源以及各輸入信號(hào)的貢獻(xiàn)大小。對(duì)于一個(gè)確定信號(hào)x(t)，其自相關(guān)函數(shù)可按式(2)定義，根據(jù)Wiener-Khintchine關(guān)系，其自功率譜密度函數(shù)即自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，見式(3)[5]：

(2)

(3)

相應(yīng)的，兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)及互功率譜密度函數(shù)可按式(4)及式(5)進(jìn)行定義[5]：

(4)

(5)

基于以上定義，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相干函數(shù)定義為[5]：

(6)

相干函數(shù)的數(shù)值越大，表明輸入信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的影響越大[5]。因此，將樓板各方向的振動(dòng)信號(hào)作為輸入信號(hào)，相對(duì)應(yīng)的噪聲信號(hào)作為輸出信號(hào)，結(jié)合功率譜密度函數(shù)來得到樓板各方向振動(dòng)和噪聲的頻域特征及相干程度，從而判斷建筑物二次噪聲中結(jié)構(gòu)各向振動(dòng)的貢獻(xiàn)大小。

4.2 相干分析結(jié)果

樓板垂向振動(dòng)與室內(nèi)噪聲的相干函數(shù)如圖3a)所示。由圖可知垂向振動(dòng)和室內(nèi)噪聲在53 Hz處的相干函數(shù)值最大，達(dá)到0.716，并在75 Hz,163 Hz和230 Hz處出現(xiàn)局部峰值，說明樓板的垂向振動(dòng)對(duì)室內(nèi)噪聲的獨(dú)立貢獻(xiàn)主要集中在以這四個(gè)頻點(diǎn)為中心的局部頻段上，且以45 Hz～55 Hz的頻段最為突出。

樓板橫向振動(dòng)與室內(nèi)噪聲的相干函數(shù)如圖3b)所示。與垂向計(jì)算結(jié)果相比，橫向振動(dòng)與室內(nèi)噪聲的相干函數(shù)在全頻率范圍內(nèi)都有所減小，函數(shù)值分布也更為集中，其最大相干函數(shù)值僅為0.271，在150 Hz～280 Hz外的頻帶上則基本接近于0。此外，其在53 Hz，163 Hz和230 Hz處的峰值與垂向結(jié)果相重合，但相干函數(shù)值有明顯減小，特別是在53 Hz處其峰值僅為0.118，相較同頻率下的垂向相干函數(shù)值減小約83.5%。

樓板縱向振動(dòng)與室內(nèi)噪聲的相干函數(shù)如圖3c)所示。由圖可以得知，縱向振動(dòng)與室內(nèi)噪聲的相干性極不明顯，在全頻率范圍內(nèi)其相干系數(shù)均小于0.1，最大峰值出現(xiàn)在110 Hz處，對(duì)應(yīng)的相干系數(shù)僅為0.108。

綜上，地鐵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的建筑物二次噪聲與樓板的垂向振動(dòng)

相干關(guān)系明顯，其影響作用在45 Hz～55 Hz范圍內(nèi)最為顯著，這一頻段也是建筑物垂向振動(dòng)最突出的頻段，說明豎向振動(dòng)信號(hào)在頻域上的局部峰值會(huì)引起室內(nèi)噪聲的局部峰值，樓板的垂向振動(dòng)是產(chǎn)生室內(nèi)二次噪聲的主要原因。

5 結(jié)語

在該實(shí)際地鐵線路地下區(qū)間斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析的基礎(chǔ)上，得出了以下結(jié)論：1)地鐵運(yùn)行引起的建筑物樓板振動(dòng)以垂向和橫向?yàn)橹鳎瑢?duì)于本文實(shí)測(cè)的低層磚混結(jié)構(gòu)建筑，樓層越高，樓板振動(dòng)受列車影響越不明顯，且以橫向振動(dòng)的衰減速率最快。2)地鐵引起的建筑物結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要以頻率低于100 Hz的低頻振動(dòng)為主，峰值頻段為50 Hz～63 Hz。3)地鐵引起的周邊建筑物二次輻射噪聲主要為31.5 Hz～500 Hz的中低頻噪聲，其峰值頻段為40 Hz～63 Hz。4)建筑物的二次噪聲與建筑物樓板的垂向振動(dòng)相干性最為明顯，其重點(diǎn)影響頻率為45 Hz～55 Hz，與樓板垂向振動(dòng)的主振頻率相重合，因此可以考慮采取以控制建筑物豎向振動(dòng)為主的隔振措施來進(jìn)行噪聲控制。

[1] 徐忠根，任 氓，楊澤群，等.廣州市地鐵一號(hào)線振動(dòng)傳播對(duì)環(huán)境影響測(cè)定與分析[J].環(huán)境技術(shù)，2002(4):12-14.

[2] 謝偉平，孫洪剛.地鐵運(yùn)行時(shí)引起的土的波動(dòng)分析[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003,22(7):1180-1184.

[3] 儲(chǔ)益萍.地鐵引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲及其相關(guān)性分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2011(4):85-88.

[4] GB 10070—1988,城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] J.S.Bendat，A.G.Poersol.相關(guān)分析和譜分析的工程應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1983.

Study on the impact of metro operation upon surrounding architectural vibration noise

Ouyang Zhao

(InstituteofRailwayandUrbanMassTransit,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Based on actual underground subway measurement data, the paper preliminarily analyzes three dimensional vibrations and indoor noise of architectural slab within time domain and frequency domain, summarizes vibration propagation law, specifically analyzes spectral characteristics and relevant relationship of floor slab vibration and indoor noise, and finally identifies major vibration direction and its frequency distribution features of secondary radiation noise.

metro， vibration， secondary-radiation noise， spectrum analysis， 1/3 octave， coherence analysis

2014-12-04

歐陽昭(1991- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)06-0130-03

U270.16

A