郭建強(qiáng)，孫召進(jìn)，劉宗財(cái)，朱雷威

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司工程研究中心，山東 青島 266111）

地鐵車內(nèi)噪聲影響因素分析與改善

郭建強(qiáng)，孫召進(jìn)，劉宗財(cái)，朱雷威

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司工程研究中心，山東 青島 266111）

地鐵車輛的主要噪聲源是輪軌噪聲，該噪聲經(jīng)過隧道壁面的反射，在隧道內(nèi)形成混響聲場，然后透過車體結(jié)構(gòu)傳遞到車內(nèi)，影響車內(nèi)乘坐舒適性。研究經(jīng)典理論和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對輪軌噪聲影響因素的定性論述，通過國內(nèi)地鐵實(shí)測數(shù)據(jù)，定量分析各因素對車內(nèi)噪聲的具體影響程度。在此基礎(chǔ)上，提出地鐵車內(nèi)噪聲綜合控制建議，供地鐵線路規(guī)劃設(shè)計(jì)參考。

聲學(xué)；地鐵；粗糙度；軌道衰減率；混響；隔聲量

城市地鐵車輛運(yùn)營速度通常在60 km/h～80 km/h，相關(guān)研究已證明，該速度級下的主要噪聲源為輪軌噪聲[1]。而輪軌噪聲的產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，影響因素很多，對各因素的綜合控制措施，通常決定了輪軌噪聲的大小。運(yùn)營環(huán)境方面，地鐵車輛主要在隧道內(nèi)運(yùn)行，并且地鐵隧道大都是單線隧道，截面積小，隧道內(nèi)混響較大，輪軌噪聲經(jīng)隧道壁面的多次反射后，噪聲級加強(qiáng)，對車內(nèi)噪聲的影響進(jìn)一步加大。另外，為減小地鐵線路對周邊環(huán)境的影響，很多路段軌道板采用減振結(jié)構(gòu)，能夠有效減小車輛運(yùn)行振動向路基方向的傳遞。但是，從能量守恒的角度考慮，多余的能量必然要傳遞到車輛結(jié)構(gòu)中，因此常常導(dǎo)致車輛的低頻振動和噪聲問題更加突出。地鐵車輛本身具有快速乘降、載客量大、成本控制嚴(yán)格等特點(diǎn)鮮明，同時受整車密封性、噪聲控制產(chǎn)生的附加質(zhì)量、高性能降噪材料價(jià)格昂貴等因素影響，給整車降噪設(shè)計(jì)帶來很大的挑戰(zhàn)。

本文針對地鐵車輛噪聲面臨的諸多問題，以運(yùn)營狀態(tài)車內(nèi)噪聲為目標(biāo)，系統(tǒng)研究了影響因素的作用，并從標(biāo)準(zhǔn)完善，控制措施等方面提出改善建議。

1 輪軌噪聲的頻率成份構(gòu)成

英國南安普頓大學(xué)振動噪聲研究所（ISVR）的David Thompson教授在其專著《Railway Noise and Vibration》中[1]，對輪軌噪聲進(jìn)行了深入研究后，提出輪軌噪聲的大小與速度的3次方成正比，也就是說，車輛運(yùn)營速度提高1倍，輪軌噪聲增加約9 dB。同時，Thompson教授利用Twins軟件分解出車輪噪聲、鋼軌噪聲、軌枕噪聲的主要頻段，如圖1所示，各部分噪聲的主要頻率為：

1)軌枕噪聲：400 Hz以下；

2)鋼軌噪聲：500 Hz～1 000 Hz；

3)車輪噪聲：1 250 Hz以上。

圖1 輪軌噪聲的主要頻率成分構(gòu)成[1]

國內(nèi)某地鐵線路實(shí)測結(jié)果表明，由于軌道線路條件的差異，同一列車輛在不同路段區(qū)間的噪聲頻譜差異很大，鋼軌和軌枕噪聲對應(yīng)的峰值較為明顯，由于采用了阻尼車輪，輪對噪聲對應(yīng)的峰值不顯著。根據(jù)噪聲頻率特性，可以將軌道大致分為三種類型，如圖2所示。

圖2 國內(nèi)某地鐵線路的噪聲典型頻譜

1)類型1：500 Hz～1 000 Hz頻段出現(xiàn)明顯峰值，為軌道輻射噪聲，是地鐵車輛噪聲的主要峰值；

2)類型2：無明顯峰值；

3)類型3：200 Hz以下、500 Hz～1 000 Hz出現(xiàn)兩個峰值，這是由于彈性軌道板和軌道輻射噪聲兩個因素造成的。

2 軌道特性對噪聲影響研究

2.1 輪軌粗糙度對噪聲影響研究

《ISO 3381-2005鐵路應(yīng)用-聲學(xué)-有軌車輛內(nèi)的噪聲測量》附錄A中，給出了鋼軌粗糙度極限譜。軌道車輛噪聲試驗(yàn)的軌道粗糙度應(yīng)低于該限值曲線，否則可能會導(dǎo)致異常噪聲問題[2]。

國內(nèi)某采用了彈性扣件的地鐵線路在運(yùn)營了一段時間后，出現(xiàn)噪聲和振動急劇加大的問題，車內(nèi)噪聲甚至超過90 dB(A)。經(jīng)測試，該問題是由于軌道出現(xiàn)嚴(yán)重波磨導(dǎo)致，測試結(jié)果表明，該路段軌道的粗糙度，不僅超過了ISO規(guī)定的限值，而且出現(xiàn)明顯峰值，結(jié)果如圖3所示。

圖3 國內(nèi)某地鐵線路的軌道波磨譜

2.2 軌道衰減率對噪聲影響研究

軌道輻射噪聲與軌道衰減率有關(guān)?！禕S EN 15461:2008+A1:2010鐵路應(yīng)用噪音排放軌道車輛通過噪聲測試用軌道動態(tài)特性描述》標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)規(guī)定了噪聲型式試驗(yàn)用軌道衰減特性測試方法[3]?！禝SO 3095-2013聲學(xué)鐵路應(yīng)用軌道機(jī)車車輛發(fā)射噪聲測量》中，規(guī)定軌道衰減率不得低于圖4所示的曲線[4]。

圖4 ISO3095規(guī)定的軌道衰減率下限

國內(nèi)某地鐵線路軌道垂向衰減率測試結(jié)果顯示，除1 250 Hz外，其他頻段垂向衰減率大都比ISO 3095的規(guī)定的下限值還低，尤其是在噪聲峰值對應(yīng)的400 Hz～800 Hz頻段，軌道的垂向衰減率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ISO 3095規(guī)定的下限值，可能是導(dǎo)致該頻段噪聲峰值突出的主要原因，如圖5所示。

奧地利Deutsch-Wagram線的實(shí)測結(jié)果表明[5]，通過在軌道上安裝阻尼片并安裝減振墊等對軌道進(jìn)行減振處理后，可有效降低軌道輻射噪聲，可降低400 Hz～800 Hz頻段噪聲10 dB左右，如圖6所示。

圖5 國內(nèi)某地鐵線路軌道垂向衰減率測試結(jié)果

圖6 (a)奧地利Deutsch-Wagram線軌道減振措施

圖6 (b)奧地利Deutsch-Wagram線軌道采取減振措施后降噪效果

2.3 浮置板道床對噪聲的影響

在某地鐵車輛試驗(yàn)期間，車輛經(jīng)過某些路段時，突然出現(xiàn)明顯的低頻“轟隆”聲，在頻譜圖上，該噪聲對應(yīng)低頻段，如圖7所示（橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為時間，顏色深淺為聲壓級大?。?，100 Hz以下，存在聲壓級較為突出部分。對照線路圖分析發(fā)現(xiàn)，該路段為浮置板道床結(jié)構(gòu)，結(jié)合輪軌噪聲理論，可以斷定該噪聲由浮置板道床引起。

由于該峰值比400 Hz～800 Hz間的噪聲峰值小10 dB(A)以上，因此對A計(jì)權(quán)噪聲總值影響不大，但主觀聽覺不舒適感很強(qiáng)烈，對比分析圖8所示浮置板道床與非浮置板道床的車內(nèi)噪聲頻譜特性曲線，浮置板道床對應(yīng)的峰值為80 Hz左右，幅值相對突出，產(chǎn)生較為明顯的聽覺感受。

圖7 浮置板道床導(dǎo)致的低頻噪聲三維圖

圖8 浮置板道床與非浮置板道床噪聲頻譜

3 隧道環(huán)境對噪聲影響研究

為了對比隧道環(huán)境對車輛噪聲的影響，本文從兩方面進(jìn)行了研究：一是測試隧道內(nèi)混響時間，從理論上計(jì)算混響產(chǎn)生的附加聲壓級；二是用同一輛地鐵車輛，分別測試相同速度級下在隧道和明線運(yùn)行時的車內(nèi)噪聲，對比兩者的差異。測試結(jié)果表明，在400 Hz以上頻段，混響產(chǎn)生的附加聲壓級的理論計(jì)算值與實(shí)測值較為接近，而車輛在隧道內(nèi)運(yùn)行時噪聲比明線運(yùn)行時高11 dB(A)～20 dB(A)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 隧道和明線噪聲對比

4 車輛隔聲性能對噪聲影響研究

為了滿足乘客快速上下車的需求，很多地鐵車輛選擇了內(nèi)移門結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的車門在車輛設(shè)計(jì)時很難保證密封性，對車輛噪聲影響較大。實(shí)車隔聲量測試結(jié)果表明，內(nèi)移門下部區(qū)域隔聲量只有22 dB，在高頻有明顯的漏聲問題，而塞拉門結(jié)構(gòu)整體隔聲性能較好，測試結(jié)果如圖10所示。線路測試結(jié)果表明，換裝塞拉門后，車內(nèi)噪聲可降低3 dB(A)～5 dB(A)。

圖10 內(nèi)移門和塞拉門隔聲量對比

5 地鐵車內(nèi)噪聲改善建議

5.1 關(guān)于地鐵車輛噪聲標(biāo)準(zhǔn)修訂

目前，地鐵車輛噪聲限值及測試方法主要執(zhí)行《GB 14892-2006城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了車輛中部位置的噪聲限值，且對測試線路等條件規(guī)定很模糊。隨著國內(nèi)城市軌道交通的快速發(fā)展，該標(biāo)準(zhǔn)已難以滿足工程應(yīng)用的需要，作者建議從以下幾方面進(jìn)行完善：

1）測試條件：采用相關(guān)ISO標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，明確噪聲試驗(yàn)用線路和軌道條件，車輛的噪聲型式試驗(yàn)，不一定要在正線上進(jìn)行，而應(yīng)該在滿足試驗(yàn)條件的線路上進(jìn)行測試；

2）完善車輛不同區(qū)域限值標(biāo)準(zhǔn)：對車輛中部、端部、車間連接處的噪聲限值應(yīng)進(jìn)行不同的限定；

3）以明線試驗(yàn)結(jié)果作為車輛考核指標(biāo)，隧道試驗(yàn)結(jié)果作為地鐵系統(tǒng)整體考核指標(biāo)：目前標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了明線和隧道兩項(xiàng)指標(biāo)，而隧道環(huán)境是車輛系統(tǒng)無法控制的，會帶來明線達(dá)標(biāo)，隧道運(yùn)行不達(dá)標(biāo)的情況；另外，有些地鐵正線全部為隧道環(huán)境，存在無法進(jìn)行明線測試的問題。

5.2 關(guān)于地鐵線路噪聲控制

地鐵線路規(guī)劃和建設(shè)過程中，建議從以下五方面采取噪聲控制措施：

1）線路建設(shè)時，應(yīng)綜合考慮環(huán)境減振和車輛降噪的要求，謹(jǐn)慎選擇軌道減振結(jié)構(gòu)。建議盡量采用剛度較大的減振結(jié)構(gòu)，降低低頻噪聲對車輛的影響；

2）適當(dāng)提高道路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，保證線路的平順性；

3）選擇振動衰減率大的軌道和安裝結(jié)構(gòu)形式，同時建議對鋼軌進(jìn)行阻尼減振處理或聲屏蔽處理。歐洲的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，這些措施能夠有效減小400～800 Hz頻段的軌道聲輻射，有助于車內(nèi)外噪聲控制；

4）制定軌道定期打磨和車輪定期鏇修流程，保證軌道和車輪的粗糙度；

5）隧道環(huán)境內(nèi)，采取適當(dāng)?shù)奈暣胧?。建議適當(dāng)采用吸聲道床、吸聲隧道壁等結(jié)構(gòu)，以降低隧道內(nèi)混響噪聲

5.3 關(guān)于地鐵車輛噪聲控制

車輛采購和設(shè)計(jì)制造時，選擇密封和隔聲性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，提高車輛的隔聲降噪性能，建議采用塞拉門并加強(qiáng)車輛過線孔密封等措施。

6 結(jié)語

地鐵車內(nèi)噪聲是整個地鐵系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，主要噪聲源是輪軌噪聲，隧道內(nèi)混響和車體結(jié)構(gòu)隔聲性能也會影響車內(nèi)噪聲。因此，地鐵車內(nèi)噪聲的控制，應(yīng)從線路和車輛兩方面進(jìn)行綜合治理，其中降低輪軌噪聲是根源。本文在對車內(nèi)噪聲綜合影響因素研究的基礎(chǔ)上，提出了一些噪聲控制建議，但這些建議的落實(shí)，需要地鐵公司、高校和科院院所、線路建設(shè)方、車輛制造企業(yè)加大研究投入，提出高效、經(jīng)濟(jì)的綜合解決方案。

[1]DAVID THOMPSON.Railway Noise and Vibration[M].Elsevier Science,2008:12-36.

[2]ISO 3381-2005鐵路應(yīng)用-聲學(xué)-軌道車輛內(nèi)部噪聲測量[S].

[3]BS EN 15461-2008+A1-2010鐵路應(yīng)用噪聲排放軌道車輛通過噪聲測試用軌道動態(tài)特性描述[S].

[4]ISO 3095-2013聲學(xué)鐵路應(yīng)用軌道機(jī)車車輛發(fā)射噪聲測量[S].

[5]KOLLER,GUNTHER.“Noise barrier”directly on the rail[R].01207180,DVV Media Group,2010:8-12.

Analysis and Improvement of the Factors Influencing Interior Noise of the Metro

GUO Jian-qiang,SUN Zhao-jin,LIU Zong-cai,ZHU Lei-wei
（National Engineering Research Center for High-speed EMU of CRRC,Qingdao Sifang Co.Ltd.,Qingdao 266111,Shandong China)

The main noise source of the Metro is the wheel-rail noise.This noise will generate a reverberation sound field in the tunnel after reflecting from the tunnel’s wall and then penetrating the carriage’s structure into the carriage,which will affect the riding comfort.In this paper,the qualitative statements of the influence factors of the wheel-rail noise in classical theories and the relevant standards are studied.The test data acquired in the domestic Metro lines is used to quantitatively analyze the influence of each factor on the noise inside the carriage.On this basis,suggestions for comprehensive control of the noise inside the Metro are put forward.This work may provide a reference for the subway route planning.

acoustics;metro;roughness;rail attenuation rate;reverberation;sound insulation amount

TU112.3

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.018

1006-1355(2017)05-0084-04

2017-03-09

地鐵噪聲影響因素及控制技術(shù)研究（2017CCB111）

郭建強(qiáng)（1980－）：男，山東省青島市人，博士生，主要研究方向?yàn)檐壍儡囕v噪聲控制。

E-mail:guojianqiang@cqsf.com