黃旭煒 周 宇 韓延彬 木東升 張聰聰

(1. 同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上海; 2. 同濟(jì)大學(xué)上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yán)重的區(qū)域之一。目前部分已運(yùn)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(jié)構(gòu)和部件來降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)，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(jìn)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(yù)測模型，模擬在軌行區(qū)噪聲源最近的軌道上鋪設(shè)道床吸音板，在噪聲傳播路徑的軌行區(qū)結(jié)構(gòu)上貼覆吸音材料等措施的降噪情況，分析單獨(dú)上述某一措施以及綜合上述兩種措施的降噪效果。分析結(jié)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(shè)計(jì)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(shè)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(yàn)仿真模型的準(zhǔn)確性，選取與仿真分析車站同等條件的某既有運(yùn)營線路車站進(jìn)行列車進(jìn)出站噪聲測試，其中測點(diǎn)位于站臺一側(cè)列車進(jìn)、出站端及站臺中部。測試包括單側(cè)列車進(jìn)出站時(shí)站臺區(qū)端部、中部的噪聲以及無列車時(shí)的噪聲兩種工況。分析時(shí)去除背景噪聲(如停車后的廣播聲和屏蔽門開關(guān)聲)以得到進(jìn)出站時(shí)以車輛-軌道為主的噪聲。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由某次列車進(jìn)出站引起的輪軌噪聲將呈增大趨勢，如圖2所示。

圖2 單側(cè)列車進(jìn)出既有車站的時(shí)域噪聲數(shù)據(jù)

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(jìn)出站速度不高，但已經(jīng)發(fā)生噪聲超標(biāo)的現(xiàn)象。實(shí)測列車進(jìn)出站噪聲瞬時(shí)達(dá)到83～85 dB(A)，因此有必要考慮對車站站臺進(jìn)行降噪。

1. 2 可行的降噪措施

城市軌道交通降噪措施應(yīng)在靠近噪聲源以及噪聲傳播路徑等處設(shè)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(jié)構(gòu)上貼附吸音材料和吸音膜等。結(jié)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(cè))或半鋪(只布置在軌道兩側(cè)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(cè)的玻璃上貼覆多孔吸音膜，可進(jìn)一步在噪聲傳播途徑上降低其能量。

3) 列車上方車站通風(fēng)道底部：通風(fēng)道底部為混凝土結(jié)構(gòu)，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(fēng)、振動(dòng)、車輛空調(diào)高溫影響較頻繁，其使用可靠性和穩(wěn)定性尚缺驗(yàn)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(shè)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(shí)測和仿真預(yù)測相結(jié)合的方法來實(shí)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(yàn)可靠的基礎(chǔ)上，可采用仿真預(yù)測的方法進(jìn)行分析。

1. 3 車輛條件

本文進(jìn)行仿真預(yù)測的列車為A型車，其中轉(zhuǎn)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(diǎn)聲源進(jìn)行處理，同時(shí)考慮1個(gè)輪對的2個(gè)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(gè)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(xué)軟件中生成噪聲預(yù)測模型，從而進(jìn)行車站站臺噪聲預(yù)測。

車站站臺有限元建模時(shí)，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(shè)置為變截面形式。計(jì)算中考慮同一時(shí)刻只有一側(cè)軌道上存在列車進(jìn)出站的情況，因此僅在站臺一側(cè)的軌行區(qū)設(shè)置聲源。同時(shí)，道床吸音板和屏蔽門玻璃貼覆吸音膜只布置在聲源一側(cè)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(jìn)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(yù)測軟件中劃分聲學(xué)網(wǎng)格和場點(diǎn)網(wǎng)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(cè)軌行區(qū)的上方生成場點(diǎn)網(wǎng)格，如圖5所示。圖5中的參考點(diǎn)為仿真結(jié)果輸出點(diǎn)，參考點(diǎn)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(diǎn)網(wǎng)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(chǎn)生一定影響，使得廣播聲聲能量改變，影響站臺參考點(diǎn)的噪聲。因此，本文分析屏蔽門玻璃貼覆吸音膜降噪效果時(shí)考慮了站臺廣播，并分別對有、無站臺廣播干擾兩種工況進(jìn)行仿真分析。廣播聲源為點(diǎn)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(yù)測模型檢驗(yàn)

2. 1 半鋪吸音板的降噪效果現(xiàn)場實(shí)測

由于城市軌道交通既有車站中已經(jīng)有半鋪道床吸音板的案例(在中間有凸臺的浮置板基礎(chǔ)上，將道床吸音板鋪設(shè)在軌道兩側(cè))，因此，為了檢驗(yàn)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(jìn)行了站臺噪聲現(xiàn)場實(shí)測[2]。實(shí)測測點(diǎn)位置與工況同本文1.1中所述，連續(xù)測量10次列車進(jìn)出站等效A聲級，求出10次進(jìn)出站等效A聲級的算術(shù)平均值，并將其作為該位置的噪聲水平，進(jìn)一步對比有無列車的工況從而得到列車進(jìn)出站的噪聲增量。既有車站站臺在列車進(jìn)出站時(shí)的噪聲增量測試結(jié)果如表3所示。

表3 既有車站站臺現(xiàn)場噪聲增量測試結(jié)果

由表3可知:A線1號站和2號站背景噪聲和列車在進(jìn)出站時(shí)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(rèn)為是吸音板和浮置板軌道結(jié)構(gòu)的綜合降噪結(jié)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(jìn)出站時(shí)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(rèn)為是浮置板的單獨(dú)降噪的結(jié)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(dú)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(yù)測

對圖3、圖4所示模型中采用半鋪吸音板的工況進(jìn)行噪聲預(yù)測。車站三維模型仿真云圖以頻率為變量進(jìn)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(gè)頻率對吸音板半鋪前后站臺上方1.2 m處參考點(diǎn)的噪聲聲壓進(jìn)行了仿真分析，如圖6所示。輸出參考點(diǎn)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(diǎn)處噪聲聲壓級云圖截圖

圖7 半鋪吸音板前后參考點(diǎn)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(shí)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(shí)際情況，因此可進(jìn)一步預(yù)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(dú)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(shè)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(diǎn)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(diǎn)處噪聲聲壓級云圖截圖

圖9 全鋪吸音板前后參考點(diǎn)處的噪聲聲壓級降低情況

從圖8～9可見，在車站內(nèi)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(yù)測結(jié)果如圖10～11和表4所示。

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

工況右側(cè)站臺局部區(qū)域噪聲/dB(A)左側(cè)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(cè)站臺區(qū)在采用屏蔽門玻璃貼覆吸音膜時(shí)降噪效果基本相同。

2) 300 Hz工況時(shí)，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(shí)，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(nèi)，屏蔽門玻璃貼覆吸音膜可降低站臺測點(diǎn)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(shí)的噪聲降噪效果如圖12～13所示。

根據(jù)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(diǎn)處噪聲聲壓級云圖

圖13 采用綜合降噪措施前后參考點(diǎn)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(jié)合兩種降噪措施單獨(dú)作用的仿真結(jié)果，可以確定綜合降噪措施下全鋪道床吸音板的降噪貢獻(xiàn)量為73%～84%，屏蔽門玻璃吸音膜的降噪貢獻(xiàn)量為16%～27%。

3. 4 降噪措施注意事項(xiàng)

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(shí)，還應(yīng)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(shè)在軌道兩側(cè)，如圖14所示。吸音板在軌道中間鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)與兩側(cè)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(cè)鋪設(shè)時(shí)，建議根據(jù)兩側(cè)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)軌旁有第三軌時(shí)，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(jù)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(shè)示意圖

2) 在屏蔽門玻璃上貼覆吸音膜時(shí)，在不影響活動(dòng)門開啟的情況下，固定門和活動(dòng)門的玻璃上均可進(jìn)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(fù)擔(dān)的考慮，建議吸音膜厚度控制在2 mm以內(nèi)。

4 結(jié)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(yù)測模型，通過與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比驗(yàn)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(dú)和綜合使用時(shí)的降噪效果進(jìn)行了仿真預(yù)測，得到如下結(jié)論：

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

2) 全鋪道床吸音板的仿真結(jié)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(nèi)降噪1.5～5.2 dB(A)。

3) 屏蔽門玻璃貼覆吸音膜仿真結(jié)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(nèi)，可降低站臺測點(diǎn)噪聲1.8～2.4 dB(A)。

4) 綜合降噪措施的仿真結(jié)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(nèi)，全鋪道床吸音板的降噪貢獻(xiàn)量為73%～84%，屏蔽門玻璃貼覆吸音膜的降噪貢獻(xiàn)量為16%～27%。