城市軌道交通噪聲分析及其控制措施

□江 茂□李 軍

重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院 重慶 400047

城市軌道交通噪聲分析及其控制措施

□江 茂□李 軍

重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院 重慶 400047

列舉了城市軌道車輛噪聲的主要類型、產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，從軌道結(jié)構(gòu)和高架線路等方面分析了噪聲的控制措施，同時探討了國內(nèi)外城市軌道車輛噪聲的預(yù)測模式和研究方向。

軌道交通；噪聲；控制

我國城市軌道交通雖起步較晚，但近年來隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，我國城市軌道交通建設(shè)已步入繁榮發(fā)展期，極大地緩解了城市交通壓力，但也不可避免地給城市帶來噪聲污染。研究者開始注重軌道交通與城市環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，將控制軌道交通噪聲作為改善乘客舒適性和城市環(huán)境保護(hù)的重要課題。

筆者介紹了城市軌道交通噪聲聲源的分類和基本特性，對主要噪聲聲源的傳播與衰減特性、頻率特性及其影響因素作了詳細(xì)闡述，并歸納總結(jié)了城市軌道車輛噪聲的控制措施及相關(guān)減噪材料的使用情況，最后對城市軌道交通噪聲預(yù)測技術(shù)的研究成果進(jìn)行綜述，指出了該領(lǐng)域還需進(jìn)一步研究的問題。

1 城市軌道交通噪聲的主要類型

軌道交通噪聲主要包括列車運(yùn)行時軌道接觸噪聲、車輛非動力系統(tǒng)噪聲（車輛空氣壓縮機(jī)、空調(diào)機(jī)、電動機(jī)等）、牽引動力噪聲、接觸網(wǎng)與受電弓之間產(chǎn)生的摩擦噪聲、地下鐵道的地面承載噪聲及橋梁結(jié)構(gòu)二次振動引起的噪聲輻射等，城市軌道交通產(chǎn)生的噪聲是上述噪聲的綜合效果，并且受列車運(yùn)行狀態(tài)和軌道設(shè)備狀態(tài)的影響。現(xiàn)有研究表明，當(dāng)列車行駛速度低于250 km/h時，主要表現(xiàn)為輪軌噪聲；當(dāng)列車行駛速度高于250 km/h時，主要表現(xiàn)為空氣動力噪聲。城市軌道交通一般的運(yùn)行速度是60～80 km/h，所以輪軌噪聲是城市軌道交通噪聲的主要來源[1]。

2 城市軌道交通噪聲的基本特性

2.1 噪聲產(chǎn)生機(jī)理

輪軌噪聲是車輛行駛時車輪與鋼軌的接觸而產(chǎn)生的噪聲，輪軌噪聲又分為三類：滾動噪聲、沖擊噪聲和摩擦噪聲[1-2]。

（1）滾動噪聲。由于車輪踏面和鋼軌表面粗糙及凹凸不平，車輪在鋼軌上滾動時所發(fā)出的噪聲。

（2）沖擊噪聲。車輪通過鋼軌接頭、道岔、軌縫時所產(chǎn)生的沖擊噪聲或車輪踏面擦傷剝離后在鋼軌上運(yùn)行時沖擊而產(chǎn)生的噪聲[1]。

（3）摩擦噪聲。當(dāng)列車通過小曲率半徑時，由于車輪受轉(zhuǎn)向架約束，不能正切于鋼軌運(yùn)行，引起車輪沿著鋼軌滾動時產(chǎn)生橫向滑動，由此產(chǎn)生輪軌接觸表面的粘著和空轉(zhuǎn)，引起車輪共振而產(chǎn)生強(qiáng)的窄頻帶尖叫噪聲[3]。

牽引電動機(jī)噪聲由空氣動力噪聲、電磁噪聲及機(jī)械噪聲組成，其噪聲強(qiáng)弱與電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速有關(guān)，通常有明顯的規(guī)律性。齒輪傳動裝置的噪聲則發(fā)生在輪齒交替嚙合時，嚙合處既有滾動也有滑動，造成齒與齒之間產(chǎn)生沖擊和摩擦，使齒輪箱產(chǎn)生振動而發(fā)出噪聲。空氣壓縮機(jī)噪聲主要是空氣壓縮機(jī)的部件之間沖擊和摩擦造成的，由進(jìn)氣口輻射的空氣動力噪聲、運(yùn)動部件產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和電動機(jī)噪聲組成[4]。

2.2 噪聲影響因素

城市軌道交通的噪聲級與車輛的性能、軌道系統(tǒng)的特性及所處位置和區(qū)域的不同有關(guān)，而軌道位置是影響城市軌道交通噪聲的決定性因素[5]。在城市立體軌道交通中，采用地下軌道形式所引起的振動和噪聲最小，聲源主要來自于行駛在地下軌道的車輛與軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動，由此激發(fā)地鐵隧道的振動、地下及墻壁的振動和室內(nèi)二次輻射的噪聲，屬于頻段為16～250 Hz的低頻噪聲。地面噪聲是地鐵輻射和地面環(huán)境噪聲的綜合，噪聲大小處于地下軌道和高架結(jié)構(gòu)噪聲之間。高架結(jié)構(gòu)噪聲幅值最大，當(dāng)車輛經(jīng)過高架橋時，車輪相互作用產(chǎn)生的振動傳遞給支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)將噪聲向周圍建筑物傳播，并與周圍交通噪聲混合形成較高的噪聲，當(dāng)車輛經(jīng)過高架橋時，噪聲會提高2～10 dB[6]。

3 降噪措施

3.1 軌道結(jié)構(gòu)

根據(jù)城市軌道交通噪聲頻率特性的研究成果，在1 700 Hz以下頻段，以鋼軌的振動噪聲為主，在1 700 Hz以上頻段，車輪振動噪聲占主導(dǎo)地位[7]，因此大量關(guān)于降噪措施的研究都集中在治理輪軌噪聲上。影響輪軌噪聲的因素主要有軌道聲學(xué)粗糙度和垂向、橫向軌道衰減率，其中軌道衰減率是對軌道噪聲輻射影響最大的參數(shù)，軌道聲學(xué)粗糙度對輪軌噪聲的最大貢獻(xiàn)則可達(dá)8.5 dB[8]，所以輪軌噪聲采用優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)和合理選擇軌道結(jié)構(gòu)等主動性措施來控制。

李建斌[2]依據(jù)減振降噪軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則，對傳統(tǒng)的三級軌道減振降噪措施（一般減振、較高減振、特殊減振）做了增加，在原有的較高減振和特殊減振之間加入高等減振措施。高等減振措施能降噪8～15 dB，它是通過采用扣件或道砟墊來實現(xiàn)的。特殊減振措施的降噪效果一般在15 dB以上，在噪聲敏感環(huán)境區(qū)域采用特殊減振軌道結(jié)構(gòu)，如橡膠浮置板道床或鋼彈簧浮置板整體道床。

練松良等[9]研究了減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)相較普通軌道結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)勢，提出了不同的軌道結(jié)構(gòu)，其減振降噪的能力也不同，針對降噪要求不同的地區(qū)，應(yīng)選擇不同類型的軌道結(jié)構(gòu)。減振降噪軌道結(jié)構(gòu)主要是無砟軌道、彈性扣件、彈性支承塊和浮置板，對于有特殊減振要求的0類地區(qū)（如醫(yī)院、文教區(qū)），采用可更換式彈性軌枕直接連接軌道或浮置板軌道；對于一般減振要求的1類地區(qū)，采用彈性支承塊式整體道床軌道；對于其它地區(qū)，考慮到軌道和車輛的運(yùn)行要求，建議采用彈性扣件。

3.2 高架線路

高架結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)相比具有建設(shè)周期短、費(fèi)用低的優(yōu)勢，是今后城市軌道交通建設(shè)的重要發(fā)展方向，因而國內(nèi)外研究者也逐漸從較成熟的輪軌噪聲控制措施研究轉(zhuǎn)移到橋梁結(jié)構(gòu)噪聲上。沈保紅[10]、賀建良等[11]研究了上海軌道交通3號線的噪聲特性，發(fā)現(xiàn)列車通過時的主要噪聲頻率范圍是1 000 Hz以下。韓江龍等[12-15]總結(jié)得出橋梁結(jié)構(gòu)的頻率主要分布在0～300 Hz范圍內(nèi)，且當(dāng)列車以不同的速度經(jīng)過時，不同測點(diǎn)位置的峰值頻率多集中在50 Hz。劉加華[16]對上海軌道交通3號線實測數(shù)據(jù)分析，得出橋梁結(jié)構(gòu)噪聲峰值頻率出現(xiàn)在80～125 Hz。

針對高架結(jié)構(gòu)噪聲特性，最常采用的減振措施是對橋梁結(jié)構(gòu)和梁體的減振和隔振，如橋梁支座采用橡膠支座，以避免系統(tǒng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。葛世平[17]等從橋梁結(jié)構(gòu)上提出三點(diǎn)措施：①采用框架式防振隧道結(jié)構(gòu)，其換算的振動加速度可降低噪聲8～15 dB；②在隧道襯砌內(nèi)側(cè)設(shè)置隔振層，避免軌道與隧道的直接接觸；③采用雙箱梁或多箱梁等。此外，對于高架線路上的車輛也應(yīng)增設(shè)裙板在車底設(shè)置吸聲結(jié)構(gòu)。

3.3 設(shè)置聲屏障

聲屏障是對噪聲傳播途徑進(jìn)行控制，多設(shè)立在城市交通敏感地帶。聲屏障的設(shè)置需要充分考慮聲波的傳播原理及注意密封的安裝問題，其材料大多采用透明夾層復(fù)合安全玻璃、卡普隆板、不透明的彩色塑鋼板、德國產(chǎn)吸聲王及WSR型吸聲板等[18]。根據(jù)不同的降噪要求，可分別采用吸聲式、隔聲式或組合式聲屏障。根據(jù)景觀設(shè)計的需要，可設(shè)計成直立型、折角型、弧面型或全封閉型聲屏障。同時，可在聲屏障靠近噪聲源一側(cè)采用吸聲涂層，以減少聲反射[19]。在軌道線路兩側(cè)種植樹木，形成天然屏障，也可以起到降噪效果。

4 城市軌道交通噪聲的預(yù)測模型

目前，城市軌道交通噪聲預(yù)測模型的研究已成為國際學(xué)術(shù)界和各國政府關(guān)心的一大課題，鐵路噪聲預(yù)測模型方法的研究成果可應(yīng)用在城市軌道交通噪聲的預(yù)測研究中。

軌道交通噪聲的預(yù)測主要根據(jù)列車類型、列車流量、軌道結(jié)構(gòu)、軌道兩側(cè)的環(huán)境及背景噪聲等多種因素確定[20]，所建立的預(yù)測模型均根據(jù)共同的思路聲源-聲波-受聲點(diǎn)，利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，計算出受聲點(diǎn)處輪軌噪聲的A聲級和等效聲級。

4.1 美國

美國采用的鐵路噪聲預(yù)測模型[20-21]較為成熟和有效，在歐盟國家有較大的影響。當(dāng)車輛通過速度低于200 km/h時，受聲點(diǎn)的暴露聲級為輪軌噪聲和牽引噪聲的能量和。當(dāng)行車速度高于200 km/h時，受聲點(diǎn)的暴露聲級為輪軌噪聲、牽引噪聲和空氣噪聲的能量和。美國聯(lián)邦運(yùn)輸管理局提出了單列列車運(yùn)行一次時的暴露聲級計算式為：

其中，輪軌噪聲為：

牽引噪聲為：

空氣動力噪聲為：

式中：LmSEi為列車在規(guī)定狀態(tài)下（速度、編組、軌道磨耗等）距軌道中心線15 m處的暴露聲級，dB；m為距聲源距離，m；Di為聲源到受聲點(diǎn)之間的距離，m；G為大地衰減；AS為考慮地面吸收衰減和屏障作用后的修正值。

4.2 日本

日本提出的北陸法[21]是以石井子安的預(yù)測方法為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一套預(yù)測模型，這一方法將列車運(yùn)行時產(chǎn)生的噪聲源大致分為輪軌、構(gòu)筑物、集電系和車輛上部空氣動力噪聲，其中列車速度低于15 km/h時車輛上部空氣動力噪聲較小，可忽略。北陸法將列車的子聲源視為無指向性的有限長線聲源，這一方法提出的聲級計算式為：

式中：LZ為車輛總噪聲級，dB；LR為車輛下部噪聲級，dB；LS為構(gòu)筑物噪聲級，dB；LP為集電系噪聲級，dB；LA為車輛上部空氣動力噪聲，dB。

高飛等[22]通過在北京軌道交通5號線高架橋試驗段進(jìn)行的現(xiàn)場噪聲測試結(jié)果表明，用北陸法模型計算出的聲壓值與實測值的誤差基本控制在5%以內(nèi)，模型較為真實地反映了軌道交通高架結(jié)構(gòu)附近的聲場分布。

4.3 中國

我國嚴(yán)格按照環(huán)境保護(hù)部2009年4月1日實施的HJ453—2008《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》規(guī)定選擇預(yù)測方法、預(yù)測范圍、預(yù)測時段、預(yù)測量與評價量。這一方法將列車運(yùn)行時產(chǎn)生的噪聲源視為點(diǎn)聲源，列車通過受聲點(diǎn)的等效聲級計算式[23]為：

式中:Leq，i為受聲點(diǎn)列車運(yùn)行噪聲等效聲級，dB；T為預(yù)測時間，h；n為T時段內(nèi)通過的列車數(shù)；tj為第j列車通過時段的等效時間，h；LPO，j為參考點(diǎn)第 j列車通過時段內(nèi)最大垂向指向性方向上的噪聲輻射源強(qiáng)，dB；Cij為噪聲修正項，包括列車速度修正量、線路和軌道結(jié)構(gòu)修正量、垂向指向性修正量；A為聲波傳播途徑引起的衰減量，dB，包括幾何發(fā)散衰減、空氣吸收衰減、地面效應(yīng)引起的衰減、屏障插入引起的衰減等。

我國并沒有關(guān)于跨座式單軌噪聲預(yù)測的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，劉蘭華[24-26]等驗證了HJ453—2008對跨座式單軌有適用性，將重慶軌道交通3號線現(xiàn)場試驗的列車輻射噪聲源強(qiáng)特性、垂向分布、傳播衰減、速度特性等結(jié)果代入修正方法中，計算得出的預(yù)測值誤差在1.7 dB以內(nèi)，小于HJ453—2008中有關(guān)修正原則獲得的預(yù)測值與實測值的誤差（2.0～4.6 dB）。

5 結(jié)束語

目前，國內(nèi)外已經(jīng)對噪聲源基本特性、傳播規(guī)律及控制措施進(jìn)行了大量研究，并且取得了一定的研究成果。對于城市軌道交通噪聲的預(yù)測模式及分析方法目前還沒有統(tǒng)一的技術(shù)準(zhǔn)則，國外的預(yù)測模式較為成熟，我國的預(yù)測技術(shù)相對于美國、日本等起步較晚，雖然可借鑒鐵路噪聲的預(yù)測方法，但很多方法存在設(shè)備昂貴、系統(tǒng)復(fù)雜、精確度不高等問題[10]。

城市軌道交通噪聲問題可以從以下幾個方面繼續(xù)研究。

（1）大多數(shù)國家都沒有明確提出地鐵引起二次輻射噪聲頻率范圍，如何確定低頻噪聲及控制地鐵引起的室內(nèi)二次輻射噪聲是值得研究的課題。

（2）城市軌道交通根據(jù)區(qū)域地形的特點(diǎn)選擇地下結(jié)構(gòu)還是高架結(jié)構(gòu)，而高架結(jié)構(gòu)相對于地下結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢。在高架結(jié)構(gòu)的降噪措施研究中，是否設(shè)置加筋肋和修改截面形式，以及箱型梁、槽型梁和T型梁[12]的對比目前還是研究空白。

（3）軌道交通的高速發(fā)展為減振降噪材料提供了廣闊的市場。研發(fā)新材料是未來必將迎接的挑戰(zhàn)，高阻尼發(fā)泡吸聲材料、高阻尼隔聲材料及軌道交通橡膠減振彈性元件[26]是應(yīng)重點(diǎn)開展研究的項目。

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Themain typesof noisesin urban rail vehicle,themechanismof production and influencingfactors werespecified.Thenoisecontrol measureswereanalyzed fromtheaspectsof rail structureand elevated lines.At thesametime,theprediction modeand research direction of thenoiseof urban railcar werediscussed.

Rail Transit；Noise；Control

TH122；U239.5

B

1672-0555（2017）03-044-04

2017年2月

江茂（1993—），女，碩士研究生，主要研究方向為城市軌道交通噪聲控制

（編輯：啟 德）