不同軌道結構地鐵車內噪聲影響特性分析

農興中,魏 曉,陳明明,趙才友,史海歐

(1.廣州地鐵設計研究院有限公司,廣州 510010； 2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031； 3.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

引言

軌道交通因其運量大、占地少、安全便捷、舒適環保等特點，時至今日，已經成為各大中城市居民出行的首選交通方式，然而軌道交通在給城市帶來諸多便利的同時也帶來了較多的環境污染問題，如環境振動與車內噪聲[1-3]。隨著人們生活水平的提高，對環保意識日益增強，對乘坐舒適性的要求逐漸提高。為了降低地鐵運行時對周邊環境的振動影響，現階段提出了許多減振軌道結構，如減振扣件道床、梯形軌枕道床、鋼彈簧浮置板道床等，并對不同減振結構展開相關研究。羅雁云[4]運用模型試驗落錘激勵法，測試了不同減振扣件的減振性能，得到了在4～200 Hz范圍內不同減振扣件減振指標隨頻率變化趨勢基本相同的結論。蘇宇等[5]從理論推導與實驗分析兩個方面研究梯形軌枕道床的動力響應特性及減振性能，表明梯形軌枕道床具有良好的減振性能。孫曉靜[8]通過建立車輛-軌道耦合系統動力學模型，對鋼彈簧浮置板結構減振性能和地鐵振動傳播規律進行了深入研究。

隨著時代的發展，社會各界在關注振動的同時，對噪聲也是越來越關注。降噪技術也成為了科研人員關注的重點。目前，國內外車內噪聲研究也取得了豐富的成果。任海、肖友剛等[2]分析了地鐵車輛運行時車內噪聲的成因及傳播途徑，并針對噪聲源、隔聲、吸聲等多方面提出了控制地鐵車內噪聲的措施。薛紅艷等[9]通過對地鐵車輛車內噪聲進行測試，分析車內同一工況不同位置噪聲分布規律，進行不同速度下各個測點聲壓級比較。肖安鑫[10]通過對不同鋼彈簧浮置板軌道地段車內噪聲的對比測試，分析了鋼彈簧浮置板軌道對車內噪聲的影響。目前，雖然對車內噪聲有一定研究，但是不同減振軌道結構形式對車內噪聲影響的相關研究還較少且不全面[11-13]。

地鐵運行過程中產生的振動與噪聲問題，從產生機理與傳播路徑上看兩者便是相互影響、不可分割的兩部分，采用不同振動控制措施會對噪聲產生直接影響。本文則將重點研究采用不同減振軌道結構形式時的車內噪聲特性。分別研究了普通整體道床、減振扣件道床、梯形軌枕道床、中等鋼彈簧浮置板道床、高檔鋼彈簧浮置板道床等5種軌道結構形式，采用A計權聲壓級對車內噪聲的時域與頻域特性進行了分析，對比研究了當列車在不同減振結構道床上運行時車內噪聲分布規律。

1 試驗設計

1.1 減振軌道結構簡介

地鐵等城市軌道交通穿行于居民區內，為了達到更好的減振降噪效果，常在原有軌道結構基礎上使用減振扣件，減振扣件具有良好的減振性能。

梯形軌枕道床是以混凝土縱梁作為固定并連續支承鋼軌的結構，在左右的縱梁之間用鋼管材料進行橫向剛性連接，組成“梯子式”的一體化結構。梯形軌道由鋼軌、梯形軌枕、支承塊構成，具有減振降噪、少維修等特點[5-7]。

鋼彈簧浮置板減振軌道是將具有一定質量和剛度的混凝土道床板浮置于鋼彈簧隔振器上，隔振器內放有螺旋鋼彈簧和黏滯阻尼，鋼彈簧隔振器內的粘滯阻尼使鋼彈簧具有三維彈性，增加了系統的各向穩定性和安全性，具有較好的隔振減振效果[14-15]。

1.2 試驗工況與測點布置

1.2.1 試驗工況

本次試驗測試車輛車型為6節編組A型車，該車線路設計速度為100 km/h。地鐵空載以70 km/h穩定速度運行時進行車內噪聲測試。試驗地點為隧道區直線段，鋪設無砟軌道，試驗線路尚未開通，鋼軌為60 kg/m軌，鋼軌無波磨。

1.2.2 測點布置

本文的研究重點是使用不同軌道結構形式時車內噪聲特性。選擇在車廂轉向架所在斷面布置8個測點。測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置示意(單位：mm)

在1.5 m高度位置水平等距布置5個測點，編號為1，2，3，4，5，用于采集車廂內不同位置站高處噪聲信息。在車體中部垂向布置4個測點，高度分別為0.2，1.2，1.5，1.8 m，編號分別為8，7，3，6。高度為1.2 m與1.5 m的測點用于采集模擬乘客坐高與站高位置的車內噪聲，0.2 m與1.8 m的測點用于采集近地板處與車廂頂部噪聲。

試驗采用北京東方振動和噪聲技術研究所的高精度16通道INV3060S型雙核采集儀，最高采樣頻率為51.2 kHz。測量傳聲器為聲望(BSWA)的MPA201型傳感器。

1.3 數據采集

1.3.1 數據記錄形式

地鐵敷設中在同一區段常采用幾種道床形式，本文中實驗人員使用秒表與采集儀同步計時，其中一名實驗人員在司機室觀察里程，記錄當測試車輛進入和離開指定里程區段的時間間隔。在測試完成后，依據秒表的記錄，確定列車在不同軌道結構形式上運行的時間。

1.3.2 數據分析方法

噪聲評價指標：A計權聲壓級是目前我國聲環境評價規范中比較統一的量化評價指標。本文選用A計權聲級作為噪聲的量化評價值，用LAeq表示，dB(A)。

A計權聲壓級的具體計算公式如下

(1)

式中，LPA(t)為某時刻瞬時A聲級，dB；T為時間，s。

當在規定的時間T內，需要分時間段采集時，如T=T1+T2+T3+…+Trv，則T時間內的A計權聲壓級計算公式為

(2)

2 試驗結果分析

為方便分析，分別選取當列車在不同軌道結構形式上運行20 s的數據作為研究對象。在此期間測試車輛以速度70 km/h穩定運行。得到當列車通過普通整體道床、減振扣件道床、高檔鋼彈簧浮置板道床、中檔鋼彈簧浮置板道床，梯形軌枕道床時車內噪聲瞬時A計權聲壓級時域圖與頻域圖，如圖2、圖3所示。

圖2 不同軌道結構形式下瞬時A計權聲壓級時域

圖3 不同軌道結構形式的頻域

2.1 時域分析

如圖2所示，時域分析選取2號、3號、7號測點作為研究對象，對比研究橫向與垂向不同位置瞬時A計權聲壓級。從時域上看，當列車通過各種軌道結構形式時，車廂內站高與坐高位置車內噪聲A計權聲壓級的差值在0.5 dB左右。普通整體道床車內噪聲瞬時A計權聲壓級均值為76.6 dB，方差為5.5。采用減振扣件時車內噪聲瞬時A計權聲壓級均值為82.3 dB，方差為27.3，全程幅值變化較大。梯形軌枕道床瞬時A計權聲壓級均值為77.2 dB，方差為4.9。中檔鋼彈簧浮置板道床瞬時A計權聲壓級均值為76.8 dB，方差為4.4。當列車在高檔鋼彈簧浮置板道床上運行時，車內噪聲瞬時A計權聲壓級均值為81.6 dB，方差為4.9。

減振扣件作為常見的減振措施，其具有較低的垂向剛度，可減弱鋼軌與軌下基礎的耦合作用，隔離從鋼軌往下傳遞的振動能量，減小地面振動以及降低建筑物的二次噪聲。然而，軌下支承剛度的改變將引起振動能量的重分配[16]，被減振扣件所隔離的振動能量將反射到上方的輪軌系統中并增大滾動噪聲，輪軌噪聲再經列車地板透射到車內。

梯形軌枕屬于縱向軌枕的一種，其軌枕是由PC制的縱梁和鋼管制的橫向聯接桿構成，利用減振材料等間隔支撐，不但具有復合軌道剛性的特點，同時軌道構造具有充分的彈性。這一結構同樣對振動向下傳遞具有一定的阻礙作用[5]。

地鐵經過普通道床時所引起的振動，可通過道床基礎向四周傳播，而浮置板道床因下部支撐為彈簧，不利于振動傳播，鋼軌、車輪和轉向架等聲源處更多的聲能向車內輻射[17]。減振扣件道床、梯形軌枕道床、鋼彈簧浮置板道床3種軌道都具有減振功能，當地鐵運行時會有更多的能量反射到輪軌系統和車體中，會產生更大的振動，產生更大的車內噪聲。同時因為隔振效果的差異，導致參與重分配的能量也會有差異，對車內噪聲的增強效果也不同。總體上減振軌道車內噪聲瞬時A計權聲壓級要高于普通整體道床[16]。

2.2 頻域分析

圖3為試驗中5種軌道結構形式所對應的頻域圖。以1，2，3，4，5測點為研究對象，研究車廂內不同位置站高處車內噪聲的頻率特征。對比5種工況的頻域圖，發現5種軌道結構形式在600～1 000 Hz的頻帶內均出現明顯峰值。其中，減振扣件的峰值幅值最高，梯形軌枕峰值幅值最小。中檔鋼彈簧浮置板道床與高檔鋼彈簧浮置板道床在50～125 Hz的頻帶內都出現峰值。兩種浮置板道床A計權聲壓級幅值在低頻與中低頻都明顯高于普通整體道床與梯形軌枕道床。這是由于鋼彈簧浮置板自振頻率較低，對地基及其周圍隔振效果較好，但車輛本身動態的振動響應將隨著頻率降低而增大。隨著車輛局部的振動激勵，導致結構的聲輻射以及封閉車廂內的低頻聲混響的加劇，車內噪聲無疑也將增加[10]。

通過頻域分析可以發現，普通整體道床峰值出現在1 000 Hz頻率位置，幅值為74 dB。普通整體道床與其他幾種道床形式相比，主峰值更為明顯。采用減振扣件這一工況，車內噪聲A計權聲壓級頻率圖在300 Hz與1 000 Hz處出現峰值，幅值大小分別為78、79 dB。在315～800 Hz頻帶內，曲線幅值變化較小。說明在這種工況下車內噪聲有兩個主頻，分別為300 Hz和1 000 Hz。對于梯形軌枕道床頻域圖在800 Hz左右出現唯一的峰值。說明此頻段為該工況下車內噪聲的一個主頻。中檔鋼彈簧浮置板道床頻域圖中出現了兩個峰值，分別在800 Hz和50～125 Hz的頻帶內，兩峰值幅值都在70 dB左右。高檔鋼彈簧浮置板道床與中檔鋼彈簧浮置板道床相似，在50～125 Hz頻帶和800 Hz處出現峰值，但兩處峰值差距較大。

2.3 車內噪聲空間分布擬合

對5種工況所采集的20 s數據進行分析，可以得到20 s內8個測點處車內噪聲總A計權聲壓級，所得結果如表1所示。

表1 不同工況各測點平均A計權聲壓級 dB

采用插值方法得到不同軌道結構形式下各斷面A計權聲壓級空間分布特征。易強、王平等人在研究環境噪聲空間分布特性時也使用了這一方法[18]。5種工況A計權聲壓級的空間分布云圖如圖4所示。

圖4 A計權聲壓級空間分布特征

由圖4可知，各斷面A計權聲壓級分布具有對稱性，具體表現為A計權聲壓級在車廂兩側近門窗處大，車廂中部小，近地板處最大，近車頂處最小。之所以呈現這一現狀，因為噪聲傳入車內的途徑可分為空氣傳播和固體傳播。空氣傳播聲是指車外噪聲通過車體各部分的縫隙傳入車內的噪聲。固體傳播聲可分為一次固體聲和二次固體聲。一次固體聲是指鋼軌和車輪間的振動通過彈簧系統傳給轉向架和車體，使地板等振動產生的噪聲。二次固體聲是指聲源輻射的聲能激振車體外殼，使車內地板、下墻板、車窗等產生振動， 并向車內輻射的噪聲，即車外噪聲通過車體結構傳播的透射噪聲[19-20]。由以往研究可知，滾動噪聲以及車外噪聲的二次固體聲占車內噪聲的大部分[2]。

輪軌噪聲主要通過列車地板透射到車內，聲壓的傳播方向是由下至上。故高度的差別致使近地板處的噪聲A計權聲壓級最高，隨高度的增加，噪聲A計權聲壓級逐漸減小。二次固體聲激振車體外殼，向車內輻射噪聲，聲壓的傳播方向是由兩側向中部。故在橫向上車內噪聲兩側最大、車廂中部小。比較5種工況下乘客坐高和站高處噪聲情況，由圖4 A計權聲壓級云圖的空間分布可以發現，梯形軌枕坐高處與站高處噪聲A計權聲壓級分別為77，76.5 dB，中檔鋼彈簧浮置板道床為77.5，77 dB，減振扣件道床為83，82.5 dB，高檔鋼彈簧浮置板道床為82，81.5 dB，普通整體道床為77.5，77 dB。如圖5所示，各工況站高與坐高處總A計權聲壓級比較圖。使用減振扣件的工況，車內噪聲A計權聲壓級最大，高檔鋼彈簧次之。中檔鋼彈簧與普通整體道床相等，梯形軌枕最小。

圖5 站高與坐高處A計權聲壓級比

3 結論

當列車以70 km/h的速度運行時，采用A計權對5種工況下車內噪聲的時域與頻域特性進行分析，得到了不同軌道結構形式下，瞬時A計權聲壓的大小、車內噪聲的頻譜特征以及總A計權聲壓級的空間分布特征。主要結論如下。

(1)普通整體道床車內噪聲瞬時A計權聲壓級均值為76.6 dB。減振扣件為82.3 dB，梯形軌枕道床為77.2 dB，中檔鋼彈簧浮置板道床為76.8 dB，高檔鋼彈簧浮置板道床為81.6 dB。

(2)列車在普通整體道床上運行時，車內噪聲A計權聲壓級頻域圖，主峰值出現在1 000 Hz頻率位置。當使用減振扣件時，車內噪聲有兩個主頻，分別為300 Hz和1 000 Hz。梯形軌枕道床車內噪聲的主頻為800 Hz。高檔鋼彈簧浮置板道床與中檔鋼彈簧浮置板道床車內噪聲擁有100、800 Hz兩個主頻。

(3)車內噪聲A計權聲壓級在空間分布上，同一水平車廂兩側近門窗處比車廂中部約高1.5 dB。在垂向上近地板處噪聲A計權聲壓級最大，隨高度的增加逐漸減小。5種工況下車廂內坐高比站高處噪聲A計權聲壓級高0.5 dB。

(4)在5種軌道結構形式中：梯形軌枕道床車內噪聲總A計權聲壓級最小，站高與坐高處分別為77，76.5 dB；中檔鋼彈簧浮置板道床與普通整體道床在站高與坐高處分別為77.5，77 dB。高檔鋼彈簧浮置板道床分別為82，81.5 dB。減振扣件最高，站高與坐高處分別為83，82.5 dB。