許平洋 陳 雷 夏小東

(長沙市軌道交通運營有限公司,410075,長沙∥第一作者,副總經(jīng)理)

城市軌道交通噪聲測試分析

許平洋 陳 雷 夏小東

(長沙市軌道交通運營有限公司,410075,長沙∥第一作者,副總經(jīng)理)

從噪聲原理、國家標準對噪聲源進行了闡述,結(jié)合長沙市軌道交通2號線列車司機室內(nèi)噪聲振動測試情況,利用CALIPRI輪軌外形檢測儀對輪軌進行檢查,并通過Matlab軟件對列車1軸左輪建立輪軌振動模型進行振動頻譜分析。結(jié)果表明,當列車以80 km/h速度級運行時,輪對周向磨損和軌道波磨是造成司機室噪聲增大的主要原因;車輪形狀發(fā)生改變是引起輪軌滾動噪聲和鋼軌振動噪聲的直接原因。

城市軌道交通; 軌道; 車輛; 噪聲

Author′s address Changsha Rail Transit Operation Co.,Ltd.,410075,Changsha,China

隨著我國城市化進程的加快,城市軌道交通以其舒適、安全、正點及快捷等特點受到人們的青睞。但是地鐵內(nèi)噪聲過大將影響司機以及乘客的舒適度。因此地鐵車內(nèi)噪聲控制成為城市軌道交通中亟待解決的重要課題之一。為此,本文從噪聲原理及國家標準對噪聲源進行了分析,結(jié)合長沙市軌道交通2號線噪聲情況,通過噪聲振動測試、輪軌檢查,以及利用Matlab仿真,得到長沙軌道交通2號線列車噪聲的主要來源。

1 車輛噪聲的形成機理

1.1 噪聲源

列車在運行過程中產(chǎn)生振動和噪聲,主要的噪聲源有輪軌噪聲、牽引及制動系統(tǒng)和車下懸掛電氣設備噪聲及其他噪聲等(見圖1)。

圖1 列車運行噪聲源分析

(1) 輪軌噪聲可以分為滾動噪聲、沖擊噪聲、尖嘯噪聲、鋼軌振動噪聲及道床振動噪聲。

(2) 牽引、制動系統(tǒng)和車下懸掛電氣設備噪聲包括:①主逆變器、輔助逆變器、制動電阻的冷卻風機噪聲;②牽引電機、齒輪箱高速運轉(zhuǎn)時的噪聲;③電磁噪聲;④制動噪聲。

(3) 其他噪聲主要有車頂空調(diào)噪聲、弓網(wǎng)摩擦噪聲及氣動噪聲等。

1.2 噪聲傳播途徑

地鐵運行中,噪聲通過固體和空氣進行傳播。因此車內(nèi)噪聲可分為固體聲和空氣聲兩大類。一種形式的固體聲指從設備及輪軌等噪聲源發(fā)出的噪聲,以振動形式傳播到車體構(gòu)架等處,從而在車體內(nèi)部振動,產(chǎn)生一次固體傳播噪聲;另一種形式的固體聲是從噪聲源以放射狀發(fā)出的噪聲,利用空氣為媒介,傳播到車體側(cè)墻、地板等處,使上下墻板、車內(nèi)地板、車窗等振動,從而使車體內(nèi)部空氣振動,進而產(chǎn)生二次固體傳播噪聲。隨不同頻率成分變化,固體傳播和空氣傳播噪聲能量的比例因車體結(jié)構(gòu)而有所差別?？諝饴暿窃肼曉窗l(fā)出的噪聲以空氣為媒介,從車窗、車體的縫隙傳播到車內(nèi)[1]。

1.3 噪聲主要影響因素

1.3.1 速度的影響

城市軌道交通噪聲由牽引噪聲、輪軌噪聲和氣動噪聲組成。按照牽引噪聲、輪軌噪聲和氣動噪聲占主導所對應的行駛速度稱之為聲學轉(zhuǎn)換速度,且該轉(zhuǎn)換速度與列車和軌道的狀態(tài)以及減振措施等有關。列車速度對各主要噪聲源的影響基本遵從圖2的規(guī)律[2]:當列車以小于35 km/h速度行進時,噪聲主要來源于牽引動力噪聲;當列車以35～250 km/h運行時,輪軌噪聲是主要噪聲來源;當列車運行速度大于250 km/h時,氣動噪聲逐漸突顯出來。

圖2 列車運行噪聲源及速度分區(qū)

1.3.2 輪軌關系及軌道的影響

輪軌關系及軌道狀態(tài)是的影響噪聲大小的主要因素[3]。其基本模型是典型的二階或高階非線性系統(tǒng),物理模型較為復雜。學術界雖對此有相當多的研究,但受限于數(shù)據(jù)獲取的不便利性及具體情況的差異性和復雜性,往往難以準確定位和實施緩解措施。輪軌關系及軌道對噪聲的影響見圖3。

影響車輛輪軌噪聲的因素很多,如：鋼軌類型、軌枕墊剛度、軌枕墊損耗因子、軌枕類型、軌枕間距、道碴剛度、道碴損耗因子、車輪偏差、鋼軌偏差、車輪粗糙度、非規(guī)則鋼軌粗糙度、列車速度、軸重及環(huán)境溫度等。其中，車輪粗糙度、軌枕剛度、軌枕類型及鋼軌粗糙度等因素對噪聲影響都很明顯。軌道對噪聲影響最大,因此,軌道在整個項目噪聲控制中也起主要作用。

圖3 輪軌關系及軌道對噪聲的影響

1.3.3 運行環(huán)境的影響

車輛在地面上行駛,一般沒有周圍障礙物時運行環(huán)境近似為半自由聲場;車輛在隧道內(nèi)運行時,運行環(huán)境近似為混響聲場。隧道運行比地面運行時的噪聲大。根據(jù)城市軌道交通列車國家噪聲標準,司機室噪聲在隧道內(nèi)比在隧道外允許增加5～9 dB (A)。

2 噪聲控制的國家標準

目前，國內(nèi)針對城市軌道交通列車制造和運營的噪聲控制主要遵從兩個標準:ISO 3381—2005 《聲學-軌道機車車輛內(nèi)部噪聲測量》,ISO 3095—2005 《聲學-鐵路車輛輻射噪聲的測量》。噪聲控制的國家標準見表1。

表1 噪聲控制的國家標準

3 長沙軌道交通2號線噪聲狀態(tài)

長沙軌道交通2號線列車采用中國中車株洲電力機車有限公司生產(chǎn)的B型車,每列為6節(jié)編組。隨著列車運行時間和公里數(shù)的增加,在2號線經(jīng)過人民東路至長沙大道區(qū)間(簡為人長區(qū)間)時司機室內(nèi)噪聲問題逐漸凸顯。因此在人長區(qū)間對2號線列車進行了噪聲測試研究。

3.1 噪聲測點布置

(1) 車外測點布置。傳感器放置在距軌道中心水平距離7.5 m處的列車司機室外側(cè),分別設置距軌面高為1.2 m的測點a和距軌面高為3.5 m的測點b(見圖4)。

(2) 車內(nèi)測點布置。在列車司機室中心線上,離司機室內(nèi)地面高1.2 m處布置1個測試點c。

3.2 噪聲測試工況條件

列車以80 km/h速度級在隧道內(nèi)正線運行,測試區(qū)間為人長區(qū)間上行線,以及近似為半自由聲場的試車線。同時,對輪對進行了鏇修,以及對鋼軌進行了打磨等工況都做了測試。具體工況見表2。

圖4 車輛外測點圖

工況運行區(qū)間運行速度/(km/h)輪對是否鏇輪鋼軌是否打磨備注工況1試車線0否否新車工況2試車線0否否已運行8個月工況3試車線0否否已運行9個月工況4試車線0是否已運行10個月工況5人長區(qū)間79．8否否已運行10個月工況6人長區(qū)間79．7否否已運行10個月工況7人長區(qū)間79．8否否已運行10個月工況8人長區(qū)間79．7是否已運行10個月工況9人長區(qū)間79．7否是已運行10個月工況10人長區(qū)間79．8是是已運行10個月

3.3 噪聲測試結(jié)果

一般采用A聲級計權(quán)對地鐵噪聲進行評價。人耳聽音的頻率范圍為20 Hz到20 kHz,高低相差1 000倍。為方便,通常把寬廣的聲音頻率變化范圍劃分為若干較小的段落,將一個倍頻程劃分為3個頻程,即1/3倍頻程。此處對監(jiān)測點1/3倍頻程中心頻處的A聲級進行分析。

3.3.1 試車線測試結(jié)果

通過噪聲測量得到列車車內(nèi)測點的噪聲頻譜,并對監(jiān)測點1/3倍頻程中心頻處的A聲級進行分析。分析結(jié)果如圖5所示。其中，測點的總聲壓級為:

式中:

Lpi——第i聲源的聲壓級,i=1～n。

測點的總聲壓級計算結(jié)果如表3所示。

表3 各測點不同工況下總聲壓級 dB(A)

圖5 不同工況下3個測點的頻譜圖

(1) 對3個監(jiān)測點在工況1、2、3、4下的總聲壓級進行對比可以看出,各工況下測點的噪聲頻譜變化規(guī)律相似,在低頻范圍內(nèi)聲壓級較低,峰值基本出現(xiàn)在630 Hz左右;

(2) 新車運行以及列車運行8個月、9個月、10個月后3個測點的噪聲頻譜均未發(fā)生很大變化,總聲壓級也基本相同,說明列車運行10個月內(nèi)并未導致車輛的整體性能、隔聲性能發(fā)生變化;

(3) 工況4進行了鏇輪,但是靜態(tài)下3個測點的噪聲頻譜趨勢并未發(fā)生明顯改變,說明鏇輪并不影響靜態(tài)下的噪聲值;

(4) 靜態(tài)下,司機室內(nèi)監(jiān)測點c的噪聲最大。車外7.5 m遠、高度1.2 m處的噪聲比高度3.5 m處的噪聲大,說明車外噪聲隨高度的升高而減小。

3.3.2 正線測試結(jié)果

車輛在隧道內(nèi)正線運行時,其噪聲組成更為復雜。司機室監(jiān)測點c的1/3倍頻程中心頻處的聲壓級如圖6所示。

圖6 測點c頻譜圖

根據(jù)式(1),得到測點c在各工況下的總聲壓級(見表4所示)。

表4 測點c各工況總聲壓級 dB(A)

從圖6和表4中可以看出:

(1) 對80 km/h速度下正線噪聲進行了3次測試(即工況5、6、7)。通過對比測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),總聲壓級相差不多。因此,本次試驗的結(jié)果具有一定的可靠性。

(2) 通過對工況7和工況8的試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),列車進行整體鏇輪后,測點c的噪聲值總聲壓級顯著降低了14.7 dB(A)。這表明車輪狀態(tài)對噪聲值的影響巨大。而且降幅較大范圍出現(xiàn)在400～1 250 Hz范圍內(nèi),降幅最大的頻段在630 Hz處。

(3) 通過對工況7和工況9的試驗結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),進行鋼軌打磨后,測點c的噪聲值總聲壓級明顯降低3.7 dB(A)。這說明鋼軌的狀態(tài)對噪聲影響較大。

(4) 通過工況7和工況10的試驗結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),鏇輪和鋼軌打磨相互配合后,測點c的噪聲值總聲壓級降低更加明顯,降幅達到15.7 dB(A)。這說明鏇輪和打磨鋼軌相互結(jié)合可以有效地降低噪聲。

4 噪聲源診斷

在靜態(tài)狀態(tài)下,3個監(jiān)測點的噪聲沒有明顯變化。這說明列車在運行的10個月內(nèi)狀態(tài)相差不多,列車車體的隔聲性能良好,整體性能(包括剛性)也沒有變化。根據(jù)對鐵路運行環(huán)境噪聲的測量,當列車速度在250 km/h之上時,氣動噪聲占主導;當列車速度在300 km/h以上時,集電系統(tǒng)噪聲是列車的主要噪聲源[4]。2號線運營速度最高為80 km/h,因此不考慮氣動噪聲和集電系統(tǒng)噪聲。實測結(jié)果顯示,改變鋼軌狀態(tài)和車輪狀態(tài)后,司機室的噪聲有明顯降低,應著重考慮軌道振動噪聲和輪軌噪聲,因此,需要對軌道和輪對進行檢查。

4.1 軌道檢查

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，人長區(qū)間軌道有波磨,但其幅值λ較小(λ在 30～50 mm范圍內(nèi)),且車輛運營速度為80 km/h。假設理想狀態(tài)下列車以80 km/h的速度在此軌道運行,輪對振動頻率f=v/λ。當λ=0.03 m時,輪對振動頻率為740.7 Hz;當λ=0.05 m時,輪對振動頻率為444.4 Hz。因此,軌道波磨造成的噪聲頻率范圍粗算為444.4～740.7 Hz。由實車測得的噪聲頻譜分析可知,在630～800 Hz頻段內(nèi)的噪聲變化較為明顯。這和軌道波磨產(chǎn)生的噪聲頻段一致。

4.2 車輪圓跳動檢查

2014年11月12日,2號線運營公司車輛部專業(yè)技術人員采用CALIPRI輪軌外形檢測儀對列車的輪對進行了圓跳動檢測。現(xiàn)將圓跳最大的1軸左輪踏面按照360°進行平面展開(見圖7)。

圖7 1軸左輪踏面按照360°進行平面展開

由圖7可見,車輪圓跳動為0.275 mm,符合《長沙市軌道交通2號線轉(zhuǎn)向架維修手冊》中車輪圓跳小于0.5 mm的要求。

4.3 車輪振動頻率粗算分析

車輪表面出現(xiàn)長度不同的層狀磨損,且呈現(xiàn)灰白交替狀。這種層狀磨損痕跡最長的長度為25～30 mm范圍內(nèi),即λ=25～30 mm。假設此列車以80 km/h的速度在光滑的平直軌道行走,則輪對振動頻率f=v/λ。當λ=0.025 m時,輪對振動頻率為822.2 Hz;當λ=0.03 m時,輪對振動頻率為685.2 Hz。因此,車輪層狀磨損造成的噪聲頻率范圍為685.2～822.2 Hz。實車測試發(fā)現(xiàn)車輪進行鏇修后,噪聲總聲壓級明顯降低,而且降低最多的頻段主要集中在630～1 250 Hz頻率段,與粗算所得的車輪磨損噪聲頻率685.2～822.2 Hz基本一致,因此車輪磨損是噪聲增大的原因之一。

4.4 輪軌振動頻譜精算分析

假設輪與軌接觸為點接觸,軌道為平滑面,則單一考慮輪對的不平順對振動的影響,通過Matlab軟件對列車1軸左輪建立輪軌振動模型。假定左輪以80 km/h的速度在光滑軌道上運行,得到其輪軌的振動波形見圖8 a),振動波長l=πD=2.634 m,振動周期t=l/v=0.118 s。

利用matlab仿真軟件對圖8 a)振動波形進行振動頻譜分析。通過圖8 b)可以看出,輪對的不平順引起的振動頻率在600～700 Hz之間。這說明該頻段即為產(chǎn)生輪軌振動噪聲的主要頻段。這也是列車噪聲產(chǎn)生的原因。

綜上所述,車輪圓跳、車輪表面磨損及車輪形狀發(fā)生改變是引起輪軌滾動噪聲和鋼軌振動噪聲的直接激勵源,是造成司機室內(nèi)噪聲增大的重要原因。

5 結(jié)論

(1) 通過對試車線進行的實車靜態(tài)噪聲測量可知,其噪聲頻譜在低頻范圍內(nèi)聲壓級較低,峰值基本出現(xiàn)在630～800 Hz范圍內(nèi)。

(2) 研究結(jié)果說明，列車在運行10個月內(nèi)并未導致車輛的整體性能及隔聲性能發(fā)生變化。這為列車噪聲診分析提供了車況依據(jù)。

(3) 進行鋼軌打磨后,測點的噪聲值降低了3.7 dB(A)。對列車進行整體鏇輪后,測點的噪聲值降低了14.7 dB(A)。鏇輪和鋼軌打磨相互配合后,測點的噪聲值總聲壓級降低更加明顯,降幅達到15.7 dB(A)。因此，鏇輪和打磨鋼軌相互結(jié)合可以有效

降低噪聲。這也表明造成長沙地鐵車輛噪聲的主要來源是輪軌滾動噪聲和鋼軌振動噪聲。

(4) 對列車輪對進行測量,發(fā)現(xiàn)車輪出現(xiàn)明顯圓跳動。經(jīng)頻譜分析及Matlab軟件模擬分析發(fā)現(xiàn),圓跳及車輪形狀發(fā)生改變是引起輪軌滾動噪聲和鋼軌振動噪聲的直接原因。

(5) 查找導致輪對周向磨損和軌道波磨的原因,加強輪軌檢查、輪軌磨耗分析及定期鏇輪和鋼軌打磨,從而降低輪軌噪聲是下一步要進行的重要工作。

[1] 龍華煒,何小軍.SFM05型地鐵動車噪聲預測及聲學貢獻度分析 [D].長沙:中南大學,2010.

[2] 黃莎.高速列車車外氣動噪聲數(shù)值模擬研究[D].長沙:中南大學,2010.

[3] 陳向東.輪軌振動、噪聲模型及預測[D].大連:大連交通大學,2004.

[4] 馬龍.高速鐵路集電系統(tǒng)噪聲及治理措施研究[C]∥中國鐵道學會環(huán)保委員會.中國鐵道學會環(huán)保委員會噪聲振動學組年會交流論文集.北京:《中國學術期刊》電子雜志社,2008:22-25.

Analysis of Urban Mass Transit Noise Test

XU Pingyang, CHEN Lei, XIA Xiaodng

Theories on noise principle and requirements of national standards for metro noise are described.According to the noise and vibration testing in vehicle driver′s cab on Changsha metro Line 2,CALIPRI wheel/rail profile tester is used to inspect the wheel/ rail condition,and through software Matlab,a wheel/rail vibration model based of the left wheel of the first shaft is built for vibration spectrum analysis.The result shows the circumferential wear of wheel and track abrasion is the main reason for the increase of cab noise,and wheel shape changes are the direct reason for wheel/rail rolling noise and rail vibration noise.

urban mass transit; track; metro vehicle;noise

U 270.1+6

10.16037/j.1007-869x.2016.12.025

2016-02-05)