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(nèi)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(nèi)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(nèi)噪聲的影響特性、原因及程度，從而為降低地鐵列車車內(nèi)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(nèi)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(nèi)部噪聲，實現(xiàn)研究車內(nèi)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。現(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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)噪聲的分布，在車內(nèi)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(nèi)部噪聲測量》等標準中對傳聲器布置的規(guī)定，參考車內(nèi)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(nèi)。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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)噪聲聲壓級對比

為了說明不同軌道結構對車內(nèi)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(nèi)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(nèi)，高檔鋼彈簧浮置板軌道區(qū)段(A)的車內(nèi)噪聲聲壓級明顯大于普通整體道床軌道區(qū)段(C)的車內(nèi)噪聲；在低頻段內(nèi)，減振扣件軌道區(qū)段(E)測得的車內(nèi)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(nèi)會使車內(nèi)噪聲聲壓級增大，且隔振效率越高，車內(nèi)噪聲聲壓級越大。

圖2 不同軌道結構下車內(nèi)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(nèi)使車內(nèi)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(nèi)噪聲 1/3倍頻程對比圖

高檔鋼彈簧浮置板軌道(A)車內(nèi)噪聲線性聲壓級最為突出，且在25～250 Hz范圍內(nèi)，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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)不同場點噪聲主要頻帶集中在0～200 Hz范圍內(nèi)，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(nèi)，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(nèi)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(nèi)噪聲聲壓級對比

地鐵列車車內(nèi)不同位置測點變化趨勢基本一致，車內(nèi)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(nèi)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(nèi)噪聲起主導作用，因此，建議車內(nèi)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(nèi)噪聲的主要因素，且隨著車速的提高，車內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)噪聲聲壓級頻率在1 000 Hz左右；當車速為40 km/h時，車內(nèi)噪聲聲壓級頻率在800 Hz左右；當車速為60 km/h時，車內(nèi)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(nèi)噪聲起主要作用。

2.4 不同幾何線型下車內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)噪聲線性聲壓級頻率在40～300 Hz范圍內(nèi)，且明顯大于直線段。

圖7 不同鋼軌幾何線型下的車內(nèi)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(nèi)整體噪聲均在4 dB(A)以內(nèi)，相差不大；但采用減振措施會使車內(nèi)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(nèi)，且主要頻帶集中在0～200 Hz范圍內(nèi)，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(nèi)；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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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。