列車在不同彈性扣件區段車內振動噪聲的對比研究

謝鎣松，王安斌，戚柳飛

（上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海201620）

隨著城市軌道交通在中國的飛速發展，軌道車輛本身所帶來的振動噪聲問題也日益得到人們的重視。為了解決城市軌道交通對沿線環境產生的振動噪聲問題，國內外采用了一系列軌道減振降噪措施，彈性扣件是其中非常有效的措施之一[1–2]。扣件應有足夠的剛度、合適的彈性和滿足使用要求的耐久性，并保證鋼軌與軌枕的連接安全可靠。當鋼軌扣件系統具有較大的彈性時，可以有效減小輪軌作用力，實現軌道交通減振降噪的目的。

但是軌道交通對環境的影響不僅僅包括對線路外部環境的影響，也應包括對列車的內部環境的影響。軌道交通對環境的影響是一個系統工程，不能一味地為追求減少對外部環境的影響，而降低車輛內部的環境質量。車內聲學環境舒適性也是影響軌道交通行業競爭力的一個重要因素。

現對運行在具有不同彈性的兩種型號扣件區段上的地鐵A 型車進行車內振動和噪聲測試，來研究扣件系統彈性的變化對軌道車輛車內振動噪聲的影響。

1 振動噪聲的評價指標

噪聲評價指標為聲壓級，由于人耳對不同頻率的聲音的感受程度也是不一樣的，同樣強度的聲音，若其頻率不同，則人耳的感受也不同，A計權得到的結果與人耳感覺十分接近，因此應用十分廣泛。在本文中，對軌道交通列車車內噪聲同時采用線性聲級和A聲級進行分析。

目前城市軌道交通的車內振動評價并沒有一個統一的規范，而涉及影響人體的振動問題和環境振動問題中表明振動大小的量常用加速度，而不用位移和速度，故本文采用的振動評價指標是振動加速度級。人能感覺到的振動頻率范圍為1 Hz～1 000 Hz，其中1 Hz～80 Hz為敏感頻率段，這主要是由于人體各種組織器官的共振頻率集中在這個范圍[2]。因為Z 振級是反映人體豎直方向對環境振動的感受，X 振級是反映人體水平方向對環境振動的感受（計權因子見規范GB/T13441.1-2007），故在本文中，軌道交通列車車內垂向振動和橫向振動分別采用Z振級和X振級進行分析。

2 現場測試過程

在彈性扣件區段和普通扣件區段上測量車內振動噪聲，進行對比試驗。線路上彈性扣件的動剛度在疲勞試驗前約為10 kN/mm～15 kN/mm，300萬次疲勞試驗后約為15 kN/mm～18 kN/mm；一般型扣的動剛度在疲勞試驗前約為30 kN/mm～35 kN/mm，300 萬次疲勞試驗后約為35 kN/mm～40 kN/mm。

測試車輛為軌道交通A 型車，一動一拖兩節編組，線路為直線段平坡軌道。

根據《聲學－軌道機車車輛內部噪聲測量》（GB/T3449-2011）和《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》（GB5599-1985）規定和列車車體結構，測試中的噪聲測點的布置如圖1所示。振動傳感器位置如圖2所示。

噪聲測點1：貫通道中央1.6 m(車體結構薄弱位置)；

噪聲測點2：轉向架上方1.2 m(車內主要噪聲源)；

圖1 噪聲測點布置圖

噪聲測點3：轉向架上方1.6 m(車內主要噪聲源)；

噪聲測點4：車體中央1.2 m（GB14892-2006）；

噪聲測點5：車體中央1.6 m（GB14892-2006）；

噪聲測點6：端部車門中線與車體縱向中線交點1.2 m(車體結構薄弱位置)；

噪聲測點7：端部車門中線與車體縱向中線交點1.6 m(車體結構薄弱位置)；

噪聲測點8：司機室地板中部1.2 m（GB14892-2006）。

圖2 振動測點布置圖

振動測點1：車體端部車窗，Y向；

振動測點2：車體中部車窗，Y向；

振動測點3：轉向架上方地板面，Z、Y、X向；

振動測點4：車體中央地板面，Z、Y、X向；

振動測點5：端部車門中線與車體縱向中線交點處地板面，Z、Y、X向。

測試中采用的振動加速度傳感器型號為丹麥BK8340（靈敏度為10 000 mV/g，頻率范圍為0.1 Hz～13 kHz，動態范圍為±0.5 g）和LC0152 內裝IC 壓電式（靈敏度為100 mV/g，頻率范圍為0.7 Hz～10 kHz，動態范圍為±50 g），聲壓傳感器為丹麥BK4189（靈敏度為50 mV/Pa，頻率范圍為6.3 Hz～20 kHz，動態范圍為14.6 dB～146 dB），采集儀為東方所INV3060S多通道數據采集記錄儀，數據采集處理軟件為東方所DASP-V10，其他測試設備還包括三腳架、數據線等。

根據標準規范和現場行車條件，選擇試驗車速為40 km/h，在兩種不同彈性扣件地段至少進行6次以上測量，取這組測量數據的算術平均值作為試驗結果，如果相同條件下該組讀數的最大差值超過3 dB，那么數據無效，要重新進行測量。

3 車內噪聲對比分析

3.1 聲壓級分析

根據文獻資料可知，當列車速度v≤240 km/h時，車內噪聲的主要噪聲源為輪軌噪聲，超過了列車總噪聲能量的2/5。車內噪聲主要是車輪在鋼軌表面上運行產生的滾動噪聲通過轉向架附近地板傳入車內，同時結構噪聲和空氣噪聲激勵車體外殼，車內地板、兩側墻板以及車窗等產生振動擾動周圍空氣向車內輻射，進一步提高噪聲能量[2]。

測試采集各通道信號后，進行計算和分析，根據本次測試結果，背景噪聲低于試驗聲壓約20 dB(A)～30 dB(A)，符合試驗規范要求。不同彈性扣件地段車內不同位置噪聲測點的總聲壓級如圖3所示。

由圖3可知：

圖3 不同彈性扣件地段噪聲聲壓級對比

（1）車速為40 km/h時，在兩個不同彈性扣件地段，測點1（貫穿通道中央1.6 m）、測點2（轉向架上方1.2 m）和測點6（端部車門中線1.2 m）的聲壓級值都高于其他測點，測點4（車體中央1.2 m）、測點5（車體中央1.6 m）和測點8（司機室中部1.2 m）的聲壓級值都小于其他測點；不同位置的聲壓級差值在8 dB～10 dB左右；這說明車內不同位置的車內噪聲差別較大，車廂兩端部的噪聲遠大于車廂中部的噪聲。

（3）各測點的聲壓級在彈性扣件地段比在普通扣件地段略大；測點1、測點2、測點3、測點6和測點7 的聲壓級在彈性扣件地段比在普通扣件地段高2 dB～3 dB 左右；測點4、測點5 和測點8 的A 聲級在在彈性扣件地段比在普通扣件地段高0.5 dB～1 dB左右；這說明扣件系統彈性變化對轉向架上方、端部車門附近和貫通道中央的噪聲影響較大，對車體中央和司機室的噪聲影響較小。

3.2 噪聲頻譜分析

用1/3 倍頻程來分析車內噪聲的線性聲級和A聲級。圖4所示為車內不同位置噪聲測點的線性聲級和A聲級的1/3倍頻程。由圖4可知：

（1）各個測點在彈性扣件區段和普通扣件區段的1/3倍頻聲壓級圖變化趨勢一致，且在2 000 Hz～5 000 Hz高頻范圍內彈性扣件區間和普通扣件區間噪聲聲壓級的差異很小，說明扣件剛度的變化并不會影響車內噪聲的峰值頻率和高頻段的噪聲。

（2）車內8 個噪聲測點的線性聲級頻譜都呈寬頻帶分布，噪聲能量主要集中在20 Hz～800 Hz的中低頻范圍內，A 聲級則主要集中在125 Hz～800 Hz的中低頻范圍內；車內噪聲的線性聲級和A 聲級在100 Hz～2 000 Hz 的范圍內在彈性扣件地段比在普通扣件地段大，差值約2 dB～5 dB，而在25 Hz～80 Hz 的范圍內在彈性扣件地段比在普通扣件地段反而略小。

（3）貫穿通道中央上方1.6 m 處噪聲線性聲級和A 聲級都在125 Hz 左右出現峰值；轉向架上方1.2 m 處噪聲的線性聲級和A 聲級都在200 Hz 左右出現峰值，轉向架上方1.6 m處噪聲的線性聲級和A聲級都在160 Hz左右出現峰值；車體中央上方1.2 m和1.6 m處噪聲的線性聲級和A聲級都在160 Hz左右出現峰值；車門中線上方1.2 m 和1.6 m 處噪聲的線性聲級和A 聲級都在160 Hz左右出現峰值；而司機室與車廂內噪聲頻譜不同，司機室中央上方1.2 m處噪聲線性聲級在125 Hz 左右出現峰值，A 聲級都在630 Hz左右出現峰值。

（4）轉向架上方1.2 m 處的聲壓級最大值比1.6 m 處大，相差3 dB 左右；車體中央上方1.2 m 處的聲壓級和1.6 m 處非常接近；車門中線上方1.2 m 處的聲壓級和1.6 m 處非常接近；貫穿通道中央上方1.6 m 處和轉向架上方1.2 m 處的聲壓級遠大于其余測點，說明越靠近轉向架，車內噪聲越明顯。

4 車內振動對比分析

4.1 振動加速度級分析

地鐵列車的車體是由車底架、側墻、車頂、端墻（駕駛室）四大部分組成的封閉筒形薄殼整體承載結構，列車底架承托著車體，是車體的基礎。在地鐵列車運行時，車體底架還承受運行過程中所引起的輪軌作用力和各種其它外力。A型地鐵列車的車窗采用玻璃+中空層+玻璃的結構，具有抗沖擊性、難燃性、隔熱、隔音、抗壓力波等功能[3]。由參考文獻[4]可以知道，車窗處的振動比側墻大，故對車窗上的橫向振動進行測量和分析。圖5所示為車內各個振動測點的振動加速度級。

由圖5可知：

圖4 車內噪聲線性聲級和A聲級頻譜圖

（1）從端部車門中心線對應的地板到車體中央地板，垂向振動加速度級降低了約15 dB，橫向振動加速度級降低了約5 dB，縱向振動加速度級降低了約10 dB；車廂底板面上各測點垂向振動最大，比縱向振動高5 dB～10 dB；由于端部車門中線與車體縱向中線交點比較靠近轉向架，其振動受到轉向架和車廂貫通道連接的影響，故端部車門中心線地板垂向振動最大，比其他測點振動高10 dB～20 dB；這說明越靠近車廂端部，垂向、橫向和縱向振動都越大；

（2）車速為40 km/h時，車窗的橫向振動加速度級在115 dB 左右，接近于轉向架上方測點的垂向振動加速度級；端部車窗的橫向振動加速度級比中部車窗高，差值約為5 dB；

（3）車窗的橫向振動隨扣件彈性變化很小，轉向架上方地板測點的垂向、橫向和縱向振動加速度隨扣件彈性變化較大；在彈性扣件區段上時的車內底板面各個測點的振動加速度級都高于在普通扣件區段上時的值，差值約2 dB～4 dB。

圖5 車內不同位置振動加速度級對比

對垂向振動加速度進行1 Hz～80 Hz 范圍內的Z計權，對水平振動加速度（包括橫向和縱向振動加速度）進行1 Hz～80 Hz 范圍內的X 計權，以此來評價車內振動對人體全身的影響。

圖6 所示為車內測點垂向加速度的Z 振級對比圖，圖7 所示為車內測點橫向和縱向加速度的X 振級對比圖。由圖6和圖7可知：

圖6 車內測點垂向加速度的Z振級對比圖

圖7 車內測點橫向和縱向加速度的X振級對比圖

（1）車速為40 km/h 時，車內底板面垂向振動Z振級從車廂兩端到中部是不斷降低的，且在彈性扣件區段的Z 振級比在普通扣件區段大，差值約為2 dB；

（2）端部車窗比中部車窗的橫向振動X振級略高，車窗振動X 振級都高于車內底板面各個測點振動的X振級；隨著測點位置的變化，車內底板面同一個方向振動的X 振級變化很小；車內水平方向振動測點的X振級在彈性扣件區段。反而低于在普通扣件區段，差值約4 dB～6 dB。

4.2 振動加速度頻譜分析

對在不同彈性扣件區段上車內不同位置測點的振動信號進行1/3倍頻程對比分析，得到的振動測點各個方向振動加速度級的頻譜如圖8 所示。由圖8可知：

（1）在彈性扣件區間和在普通扣件區間各個測點同一方向的振動加速度的1/3 倍頻振級圖變化趨勢一致；除了在車門中線和轉向架上方對應底板處測點的垂向振動外，其他水平方向的振動在3 150 Hz～5 000 Hz高頻范圍內在彈性扣件區間和在普通扣件區間加速度級差異很小，說明扣件剛度的變化并不會影響車內振動加速度級的峰值頻率和高頻段的振動。

（2）車窗的橫向振動加速度級的頻譜都呈寬頻帶分布，振動能量主要集中在12.5 Hz～800 Hz的中低頻范圍；車內底板面處3 個測點不同方向振動加速度級的頻譜都呈寬頻帶分布，振動能量主要集中在100 Hz～1 000 Hz 的中低頻范圍內；不同位置測點在各個方向的振動加速度級在315 Hz～2 000 Hz的范圍內在彈性扣件地段時比在普通扣件地段時大，差值約6 dB～10 dB，而在10 Hz～80 Hz 的范圍內在彈性扣件地段時比在普通扣件地段時略小。

圖8 在不同彈性扣件區段上車內振動測點頻譜圖

（3）端部車窗的橫向振動大于中部車窗，端部車窗橫向振動加速度級在20 Hz、100 Hz、250 Hz 左右出現峰值，中部車窗橫向振動加速度級在20 Hz、100 Hz、315 Hz左右出現峰值；車內底板面3個測點3個方向的振動都是垂直振動最大，且端部車門中線對應的底板處振動測點的垂向振動峰值最大，達到了123 dB；車內底板面處3個測點的垂向振動在200 Hz 左右出現峰值，橫向振動和縱向振動都在200 Hz、800 Hz左右出現峰值。

5 結語

本文研究不同彈性扣件對地鐵A型列車車內振動和噪聲的影響，通過對比在普通扣件區段時和在彈性扣件區段時的車內振動噪聲，得到以下結論：

（1）A 型列車車內不同位置處的振動噪聲差別較大，車廂兩端部的振動噪聲大于車廂中部的振動噪聲。

（2）車內噪聲聲壓級和車廂底板振動加速度級在彈性扣件地段時比在普通扣件地段時大；扣件系統彈性變化對轉向架上方、端部車門附近和貫通道中央的噪聲影響較大，對車體中央和司機室的噪聲影響較小；車窗的橫向振動隨扣件彈性變化很小，車廂底板的垂向、橫向和縱向振動加速度隨扣件彈性變化較大。

（3）車內振動噪聲頻譜都呈寬頻帶分布，噪聲能量都主要集中在20 Hz～800 Hz的中低頻范圍內，車窗橫向振動能量主要集中在12.5 Hz～800 Hz 的中低頻范圍，車廂底板振動能量主要集中在100 Hz～1 000 Hz 的中頻范圍內；車內振動噪聲的峰值頻率大多都出現在125 Hz、160 Hz、200 Hz左右。

（4）普通扣件剛度是彈性扣件剛度的2～3 倍時，在100 Hz～2 000 Hz 的范圍內車內噪聲在彈性扣件地段時比在普通扣件地段時大，差值約2 dB～5 dB；在315 Hz～2 000 Hz 的范圍內車內振動加速度級在彈性扣件地段時比在普通扣件地段時大，差值約6 dB～10 dB；扣件系統彈性的變化并不會影響車內振動噪聲的峰值頻率和3 150 Hz以后高頻段的振動噪聲。

（5）對于車內振動對人體全身的影響，彈性扣件區段上車內垂向振動的Z振級比在普通扣件區段上大，但在彈性扣件區段上水平方向振動的X 振級反而低于在普通扣件區段上的值。