張 勇，解建坤，肖 飛

（1 南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210017；2 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210031）

城市軌道交通在我國經(jīng)歷了10 多年的大力發(fā)展，現(xiàn)已逐步成為國民出行的主要工具，加強(qiáng)了城市間的交流。然而，在城市軌道交通運(yùn)輸普及的同時(shí)，其噪聲問題也越來越受到人們的關(guān)注，并直接影響到司乘人員的乘坐體驗(yàn)［1-5］。近些年，地鐵車輛運(yùn)營速度等級(jí)不斷提升，關(guān)于地鐵噪聲問題的投訴也不斷增多，不利于我國市域軌道交通的快速發(fā)展。因此，我國相關(guān)業(yè)內(nèi)人員對(duì)軌道車輛車內(nèi)噪聲特性開展了大量的研究。

我國對(duì)高速列車噪聲和地鐵噪聲開展了較多的研究。朱妍妍等通過北京地鐵某線路的車外噪聲試驗(yàn)研究，掌握了車輛輻射噪聲及衰減特性。結(jié)果表明，車輛輻射噪聲在水平方向上的衰減特性趨向于點(diǎn)聲源衰減特性，其主頻在400～4 000 Hz頻段內(nèi)［6］。張捷等基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)高速列車車內(nèi)客室端部噪聲分布特性進(jìn)行分析研究，建議通過改變車內(nèi)空腔的聲學(xué)邊界條件，在一定程度上減小由于聲固耦合引起的客室端部異常噪聲［7］。張駿等針對(duì)250 km/h 動(dòng)車組車內(nèi)噪聲問題，使用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法，對(duì)車內(nèi)聲源特性及其貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析。結(jié)果表明，250 km/h 動(dòng)車組的客室端部噪聲源主要是輪軌噪聲，其次為氣動(dòng)噪聲［8］。

上述研究主要針對(duì)高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲特性，而對(duì)地鐵列車研究較少。故文中以某120 km/h速度等級(jí)的B 型地鐵列車為研究對(duì)象，對(duì)其車內(nèi)噪聲開展振動(dòng)噪聲與聲源識(shí)別測(cè)試，并對(duì)車內(nèi)噪聲特性及聲振傳遞特性進(jìn)行分析。

1 車內(nèi)噪聲特性分析

地鐵列車運(yùn)行時(shí)，受到輪軌表面不平順等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的輪軌噪聲。同時(shí)，由于空氣動(dòng)力學(xué)作用，會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲激勵(lì)車體壁板，引起車體壁板振動(dòng)并向車內(nèi)輻射噪聲。另外，轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)也會(huì)傳遞至車體，使之產(chǎn)生振動(dòng)輻射噪聲。車內(nèi)噪聲的水平和特征是直接影響車內(nèi)司乘人員的乘坐舒適度的，也是我們研究地鐵列車噪聲的重點(diǎn)內(nèi)容和重要指標(biāo)。

將地鐵列車的車廂分為5 個(gè)區(qū)域，分別為司機(jī)室區(qū)域、客室前區(qū)域、客室中區(qū)域、客室后區(qū)域和貫通道區(qū)域。在每個(gè)區(qū)域的車體縱向中心線上距離地板面1.2 m 高度處布置噪聲測(cè)點(diǎn)，如圖1 所示，圖中紅色標(biāo)記表示噪聲傳感器位置，共計(jì)5 個(gè)噪聲傳感器。噪聲測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2 所示。

圖1 車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)（示意圖）

圖2 車內(nèi)噪聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

通過在地鐵列車車廂內(nèi)各個(gè)區(qū)域布置噪聲傳感器，測(cè)試列車運(yùn)行時(shí)的車內(nèi)噪聲。

地鐵列車由于往返于相鄰的城市以及之間的區(qū)縣，距離短且站點(diǎn)較多，因此地鐵列車的運(yùn)行速度遠(yuǎn)不如高速列車，其速度一般在60～120 km/h。列 車分 別以 速 度60、80、100、120 km/h 勻 速運(yùn) 行時(shí)，車內(nèi)各個(gè)區(qū)域噪聲水平如圖3 所示。

圖3 車內(nèi)噪聲水平

由圖3 可知，車內(nèi)司機(jī)室噪聲最小、貫通道噪聲最大，客室后端部噪聲明顯高于客室前和客室中，差值約2 dBA 左右。這說明車內(nèi)噪聲顯著的區(qū)域是貫通道區(qū)域，貫通道隔聲性能薄弱會(huì)導(dǎo)致其噪聲顯著，并且還會(huì)傳遞至車輛端部。列車運(yùn)行速度每增加20 km/h，車內(nèi)噪聲增大1～3 dBA，且速度越高，車內(nèi)噪聲的相對(duì)增加值則越大。

以噪聲最顯著的貫通道區(qū)域?yàn)槔o出了靜置狀態(tài)下和以不同速度運(yùn)行下的噪聲1/3 倍頻程譜如圖4 所示。圖4 中，橫坐標(biāo)為1/3 倍頻程中心頻率，縱坐標(biāo)為聲壓級(jí)。其余區(qū)域的噪聲1/3 頻譜特性和貫通道區(qū)域類似，故不在此處給出。

圖4 貫通道區(qū)域噪聲頻譜

由圖4 可知，靜置狀態(tài)下，車內(nèi)噪聲中高頻寬頻特征明顯，主要能量集中在中心頻率為100～4 000 Hz 的1/3 倍頻帶；列車分別以速度60、80、100、120 km/h 勻速運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)噪聲頻譜規(guī)律相似，主要能量集中在中心頻率為500～1 000 Hz 的1/3 倍頻帶，其中在中心頻率為630、800 Hz 的1/3倍頻帶內(nèi)尤為顯著。

2 噪聲源識(shí)別

明確車內(nèi)噪聲水平及特征后，還需要識(shí)別其噪聲來源，進(jìn)而獲得車內(nèi)噪聲形成機(jī)理，提出切實(shí)有效的改善措施。

聲源識(shí)別通常采用基于平面波聲源模型和波束形成的球形陣列聲源識(shí)別方法。這是一種球諧函數(shù)聲場(chǎng)分解與重構(gòu)，快速實(shí)現(xiàn)全方位識(shí)別和聲源可視化的一種聲源識(shí)別方法。文中運(yùn)用B&K 公司制造的剛性球形陣列系統(tǒng)進(jìn)行車內(nèi)聲源識(shí)別（頻率范圍100 Hz～12 kHz），其構(gòu)成主要包括50 個(gè)傳聲器以及12 個(gè)攝像頭，如圖5 所示。

圖5 聲源識(shí)別測(cè)試

列車以120 km/h 速度勻速運(yùn)行時(shí)，客室后端聲源識(shí)別結(jié)果如圖6 所示，云圖結(jié)果以動(dòng)態(tài)范圍3 dBA 的形式給出。其中圖6（a）為全頻段（50 Hz～5 kHz）A 計(jì)權(quán)聲壓云圖。圖6（b）和圖6（c）分別為客室后端顯著頻段630 Hz 和800 Hz 頻段內(nèi)的聲源識(shí)別結(jié)果。由圖可見，客室后端無論是全頻段（50 Hz～5 kHz）噪聲還是顯著頻段噪聲，均主要來源于左右兩側(cè)車門的下部區(qū)域，與車門下部的隔聲和密封有關(guān)。因此，在對(duì)地鐵列車車內(nèi)噪聲進(jìn)行降噪優(yōu)化時(shí)，一方面需要重點(diǎn)關(guān)注列車車門的隔聲性能，另一方面車門和車體連接處的密封性也需要得到保障，避免輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲通過縫隙泄漏至車內(nèi)。

圖6 聲源識(shí)別結(jié)果

3 轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動(dòng)噪聲傳遞特性分析

如前文所述，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的振動(dòng)噪聲是車內(nèi)噪聲的主要來源。在列車一位轉(zhuǎn)向架軸箱、構(gòu)架、車體外地板，二位轉(zhuǎn)向架軸箱、構(gòu)架、車體外地板、齒輪箱、牽引電機(jī)等位置布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，在一位轉(zhuǎn)向架車輪區(qū)域、二位轉(zhuǎn)向架車輪區(qū)域、二位轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)區(qū)域布置噪聲測(cè)點(diǎn)，具體如圖7 所示。圖中，紅色標(biāo)記表示噪聲測(cè)點(diǎn)，藍(lán)色標(biāo)記表示振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。

圖7 振動(dòng)噪聲測(cè)點(diǎn)示意圖

列車在高架區(qū)間以速度120 km/h 勻速運(yùn)行時(shí)，一位轉(zhuǎn)向架區(qū)域、二位轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲與車內(nèi)噪聲的對(duì)比頻譜如圖8 所示。

圖8 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲傳遞特性

由圖8 可知，列車在高架區(qū)間運(yùn)行時(shí)，無論客室前端或客室后端，車內(nèi)噪聲均在400～450 Hz 和680～720 Hz 這2 個(gè)頻率范圍內(nèi)存在局部峰值，峰值頻率分別為430 Hz 和710 Hz 左右，而一位轉(zhuǎn)向架區(qū)域和二位轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲同樣在上述2 個(gè)頻率范圍內(nèi)存在局部峰值?？褪叶瞬吭肼暫娃D(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲在頻譜分布上規(guī)律一致，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲對(duì)客室端部噪聲存在明顯貢獻(xiàn)。

列車在高架區(qū)間以速度120 km/h 勻速運(yùn)行時(shí)，一位轉(zhuǎn)向架區(qū)域和二位轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動(dòng)與車內(nèi)噪聲的頻譜特性對(duì)比如圖9 所示。

由圖9 可知，列車在高架區(qū)間運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)噪聲在400～450 Hz 和680～720 Hz 頻率范圍內(nèi)存在局部峰值，一位轉(zhuǎn)向架區(qū)域和二位轉(zhuǎn)向架區(qū)域的振動(dòng)同樣在上述2 個(gè)頻率范圍存在局部峰值。雖然經(jīng)過一系減振、二系減振之后輪軌振動(dòng)傳遞至車體的能量已有大幅衰減，但是車體在400～450 Hz和680～720 Hz 頻率范圍內(nèi)的局部峰值依舊明顯。因此，輪軌振動(dòng)傳遞和輪軌噪聲一樣，對(duì)車內(nèi)噪聲具有重要貢獻(xiàn)?？刂栖噧?nèi)400～450 Hz 和680～720 Hz 頻率范圍的噪聲，從聲源處需要控制輪軌振動(dòng)噪聲，從路徑上則需要提高車體隔聲、降低車體振動(dòng)。

圖9 轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動(dòng)傳遞特性

4 結(jié) 論

以某120 km/h 速度等級(jí)的B 型地鐵為研究對(duì)象，對(duì)其車內(nèi)噪聲開展振動(dòng)噪聲與聲源識(shí)別測(cè)試，并對(duì)其車內(nèi)噪聲特性及聲振傳遞特性關(guān)系進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）車輛運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)司機(jī)室噪聲最小、貫通道噪聲最大，客室后端部噪聲明顯高于客室前和客室中，差值約2 dBA 左右。

（2）列車運(yùn)行速度每增加20 km/h，車內(nèi)噪聲增大1～3 dBA，且速度越高，車內(nèi)噪聲的相對(duì)增加值則越大。

（3）客室后端無論是全頻段（50 Hz～5 kHz）噪聲還是顯著頻段噪聲，均主要來源于左右兩側(cè)車門的下部區(qū)域。因此，在對(duì)地鐵列車車內(nèi)噪聲進(jìn)行降噪優(yōu)化時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注列車車門的隔聲特性及密封性。

（4）轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動(dòng)噪聲在400～450 Hz 和680～720 Hz 這2 個(gè)頻率范圍對(duì)客室端部噪聲貢獻(xiàn)明顯?？刂戚嗆壵駝?dòng)噪聲，提高車體隔聲、降低車體振動(dòng)是客室端部噪聲控制的關(guān)鍵。