地鐵車輛不同速度通過曲線段車內(nèi)噪聲研究

張凱軒，周勁松，宮　島

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海　201804)

近年來，地鐵車輛已經(jīng)成為國內(nèi)各大城市的主要交通工具之一。隨著人們生活水平的提高以及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)乘坐舒適性[1]提出了更高要求，對(duì)車內(nèi)噪聲[2-3]越來越關(guān)注。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)地鐵車輛內(nèi)部噪聲進(jìn)行了仿真[4-7]及試驗(yàn)[8-9]研究，但是大部分研究都是針對(duì)直線區(qū)段，對(duì)地鐵車輛通過曲線段時(shí)車內(nèi)噪聲試驗(yàn)研究并不多見，而不同車速下通過曲線段的車內(nèi)噪聲研究則更少。本文以某地鐵正線運(yùn)營車輛為研究對(duì)象，采用多通道噪聲測(cè)試與分析系統(tǒng)[10]，測(cè)試了地鐵車輛以不同速度通過曲線段時(shí)客室和司機(jī)室的噪聲，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，得出其噪聲水平及頻率特性，為車輛運(yùn)營及設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取某地鐵實(shí)際運(yùn)行線路中的曲線區(qū)段(曲線半徑350m,曲線段長(zhǎng)400m)，采用實(shí)際運(yùn)營的B型地鐵列車，六節(jié)編組(四動(dòng)兩拖)，帶司機(jī)室拖車長(zhǎng)19.65m、動(dòng)車長(zhǎng)19.00m、寬2.89m，接觸網(wǎng)供電，車輛最高運(yùn)行速度為80 km/h，運(yùn)行線路為全隧道線路。依據(jù)GB/T 3449—2011《聲學(xué)-軌道車輛內(nèi)部噪聲測(cè)量》在司機(jī)室中心高1.2m處及客室中心高1.6m處分別布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1　測(cè)點(diǎn)布置示意圖

試驗(yàn)設(shè)備包括丹麥B&K4189聲傳感器(量程6～20kHz)、丹麥B&K2671傳聲器前置放大器(量程6～50 000Hz)、丹麥B&K LAN-XI數(shù)據(jù)采集模塊、測(cè)速雷達(dá)、筆記本電腦、屏蔽信號(hào)線(防止信號(hào)干擾)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

列車以不同速度(50km/h、55km/h、60km/h、65km/h)進(jìn)入該曲線段時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，駛出該曲線段時(shí)停止采集。為減小測(cè)試誤差，采集多組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有效數(shù)據(jù)篩選。

2　司機(jī)室噪聲特性分析

列車以不同速度經(jīng)過曲線段時(shí)，司機(jī)室測(cè)點(diǎn)時(shí)域信號(hào)如圖3所示。為了分析各信號(hào)在各個(gè)頻率段的分布特性，對(duì)其進(jìn)行頻域分析，如圖4、圖5所示。

圖2　試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖3　司機(jī)室測(cè)點(diǎn)時(shí)域信號(hào)

圖4　司機(jī)室測(cè)點(diǎn)頻譜圖(0～1 000Hz)

圖5　司機(jī)室測(cè)點(diǎn)頻譜圖(0～100Hz)

由圖4可知，車速50km/h時(shí)司機(jī)室測(cè)點(diǎn)的噪聲以低頻成分(100Hz以下)為主，而在中頻(340Hz及560Hz左右)出現(xiàn)局部峰值；車速55km/h時(shí)噪聲仍以低頻為主，但中頻成分峰值向后延遲(360Hz及580Hz左右)；車速60km/h時(shí)噪聲中頻成分峰值不但進(jìn)一步向后延遲(420Hz及670Hz左右)，而且幅值也明顯提升，達(dá)到低頻成分最大幅值的2/3；而車速65km/h時(shí)噪聲中頻成分峰值出現(xiàn)在440Hz及710Hz左右，并且最大幅值已經(jīng)與低頻成分相當(dāng)，達(dá)到0.36Pa。

結(jié)合車速及頻譜特性分析可知，100Hz以下噪聲主要是車體板件的結(jié)構(gòu)噪聲，頻率是由車輛結(jié)構(gòu)的振動(dòng)固有屬性所決定，不隨車速的變化而變化。幅值因車速提高導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)振動(dòng)加劇而變大。而在60～80Hz范圍內(nèi)，隨著車速的升高，噪聲的幅值反而出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。300～800Hz的中頻成分主要為輪軌噪聲，其頻率分布與鋼軌波磨的波長(zhǎng)、車輪不圓階次、車速等因素有關(guān)，頻率和幅值隨車速的提升有明顯的提升。

圖6為列車不同速度通過曲線段時(shí)司機(jī)室噪聲測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)后的1/3倍頻程頻譜圖。可以看出，不同速度測(cè)點(diǎn)的噪聲峰值集中在63～80Hz、400～800Hz及6 300～8 000Hz范圍內(nèi)。在63～80Hz范圍內(nèi)，噪聲聲壓級(jí)隨著車速的提升而減小，該部分噪聲主要為車輛結(jié)構(gòu)噪聲；在400～800Hz范圍內(nèi)，噪聲聲壓級(jí)隨著車速的提升而提升，并且峰值頻率向后延遲，該部分噪聲主要為輪軌噪聲；而6 300～8 000Hz范圍內(nèi)噪聲聲壓級(jí)也與車速正相關(guān)，該部分高頻聲主要為列車經(jīng)過曲線段時(shí)輪緣內(nèi)側(cè)與鋼軌內(nèi)壁擠壓引起的嘯叫聲。

圖6　司機(jī)室測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程頻譜圖

3　客室噪聲特性分析

列車以不同速度經(jīng)過曲線段時(shí)，客室測(cè)點(diǎn)時(shí)域信號(hào)如圖7所示。為了分析各速度下信號(hào)在各個(gè)頻率段的分布特性，對(duì)其進(jìn)行頻域分析，如圖8、圖9所示。

圖7　客室測(cè)點(diǎn)時(shí)域信號(hào)

圖8　客室測(cè)點(diǎn)頻譜圖(0～1 000Hz)

圖9　客室測(cè)點(diǎn)頻譜圖(0～100Hz)

由圖8可知，不同車速下客室測(cè)點(diǎn)噪聲的頻譜分布規(guī)律與司機(jī)室基本一致，主要分為低頻(100Hz以下)和中頻(300～800Hz)，并且中頻部分的峰值隨著車速的提升，頻率向后延伸且幅值變大。不同于司機(jī)室的是，客室測(cè)點(diǎn)噪聲的中頻能量更大，65km/h時(shí)最大幅值達(dá)到0.47Pa,大大超過了低頻噪聲的幅值，已成為噪聲的主要成分。

對(duì)比客室和司機(jī)室噪聲特性可以看出，車內(nèi)噪聲均主要由車輛結(jié)構(gòu)噪聲(100Hz以下)和輪軌噪聲(300～800Hz)組成，但客室噪聲受輪軌噪聲影響更大。分析原因，是由于司機(jī)室位于列車的頭部，其受隧道內(nèi)壁反射的輪軌噪聲較少；而客室位于列車的中部，容易在運(yùn)行當(dāng)中接收到更多隧道內(nèi)壁反射的輪軌噪聲。

圖10為列車以不同速度通過曲線段時(shí)客室噪聲測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)后的1/3倍頻程頻譜圖。可以看出，不同速度測(cè)點(diǎn)的噪聲峰值集中在63～80Hz、400～800Hz范圍內(nèi)。在63～80Hz范圍內(nèi)，噪聲聲壓級(jí)隨著車速的提升而減小，該部分噪聲主要為車輛結(jié)構(gòu)噪聲；在400～800Hz范圍內(nèi)，噪聲聲壓級(jí)隨著車速的提升而提升，并且峰值頻率向后延遲，該部分噪聲主要為輪軌噪聲。

圖10　客室測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程頻譜圖

4　A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)域分析

為了詳細(xì)了解列車通過曲線段時(shí)司機(jī)室和客室噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的變化規(guī)律，截取不同車速下列車通過的33s聲壓信號(hào)進(jìn)行濾波和時(shí)變參量分析，得到各噪聲測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)域特性，如圖11和12所示。

圖11　司機(jī)室測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)域特性

圖12　客室測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)域特性

列車通過曲線段時(shí)，司機(jī)室內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)相比直線段明顯增加，且隨著車速的提高增加量也不斷提高。50km/h通過曲線段時(shí)司機(jī)室內(nèi)噪聲最大達(dá)到89dB(A)；55km/h通過曲線段時(shí)司機(jī)室內(nèi)噪聲最大達(dá)到91dB(A)；60km/h通過曲線段時(shí)司機(jī)室內(nèi)噪聲則明顯提升，最大達(dá)到97dB(A)；而以65km/h通過曲線段時(shí)司機(jī)室內(nèi)噪聲則增加到最大99dB(A)，比在直道時(shí)增加了25dB(A)。

客室內(nèi)噪聲在列車通過曲線段時(shí)呈現(xiàn)出與司機(jī)室相同的變化規(guī)律，但總體上客室噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)要比司機(jī)室高。50km/h通過曲線段時(shí)客室內(nèi)噪聲最大達(dá)到92dB(A)；55km/h通過曲線段時(shí)客室內(nèi)噪聲最大達(dá)到93dB(A)；60km/h通過曲線段時(shí)客室內(nèi)噪聲則明顯提升，最大達(dá)到99dB(A)；而以65km/h進(jìn)入曲線段時(shí)客室內(nèi)噪聲則增加到最大102dB(A)，比在直道時(shí)增加了25dB(A)。

5　結(jié)束語

本文通過對(duì)某地鐵線路實(shí)際運(yùn)營的B型列車通過曲線段時(shí)司機(jī)室和客室內(nèi)噪聲進(jìn)行頻譜分析及A計(jì)權(quán)后的1/3倍頻程頻譜分析，得到了司機(jī)室和客室噪聲特性分布，并對(duì)不同車速下車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)域特性進(jìn)行了分析對(duì)比，得到了司機(jī)室和客室內(nèi)噪聲聲壓級(jí)隨車速的分布規(guī)律。

研究發(fā)現(xiàn)：1)司機(jī)室和客室內(nèi)的噪聲以低頻的車輛結(jié)構(gòu)噪聲(100Hz以下)和中頻的輪軌噪聲(300～800Hz)為主；2)低頻結(jié)構(gòu)噪聲的頻率由車輛結(jié)構(gòu)的振動(dòng)固有屬性所決定，不隨車速的變化而變化，幅值因車速提高導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)振動(dòng)加劇而變大；3)中頻輪軌噪聲的頻率分布與鋼軌波磨波長(zhǎng)、車輪不圓階次及車速有關(guān)，其頻率和幅值隨車速的提升有明顯的提升；4)列車通過曲線段時(shí)，司機(jī)室和客室內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)相比直線段明顯增加，且隨著車速的提高增加量也不斷提高，總體上客室噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)要比司機(jī)室高；5)車速60km/h以上通過曲線段時(shí)車內(nèi)噪聲顯著增加，聲壓級(jí)達(dá)到97～102dB(A)，比在直道時(shí)增加了25dB(A)左右。將車輛曲線通過速度降低到55km/h以下可以有效改善過曲線段時(shí)噪聲過大的問題。本文以曲線通過噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)方法，為地鐵列車實(shí)際運(yùn)營時(shí)曲線段通過速度標(biāo)準(zhǔn)提供了參考依據(jù)。

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