減振軌道結構對地鐵車內振動與噪聲的影響

夏 放，王安斌

（上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海201620）

隨著軌道交通的快速發展，城市軌道交通產生的振動和噪聲污染問題也日益突出，國際上已經將振動與噪聲列入了七大公害之中。列車在鐵軌上行駛時，會引起鐵軌和道床的振動，嚴重時，不但會縮短扣件和軌道的使用壽命，影響車輛的行駛安全；還會輻射到地鐵周圍的建筑物[1]。為此國內外學者進行了大量的分析研究工作，采用了多種減振、隔振措施，對鐵軌和道床以及周圍環境的減振達到了良好的效果[2-6]。但對車內振動與噪聲的控制與研究卻較少，近年來，列車運行過程中車內的振動與噪聲問題日漸突出，多處運營線路的減振路段出現了車內振動與噪聲異常的問題。本文基于此情況，采用現場試驗的方法[7-8]，對國內某地鐵實際運營段線路采用的GJ-32型減振扣件、鋼彈簧浮置板和普通扣件3種軌道軌道結構的運行列車進行在線振動與噪聲測試。通過對測試結果的對比分析[9]，探究不同軌道減振結構對車內噪聲與振動的影響，為地鐵設計與運營提供參考。

1 現場工況與試驗設計

本次試驗線路段選擇國內某地鐵線。此線路段此前出現的主要問題為：列車車內噪聲嚴重，車體振動較大，符合此次試驗對線路的要求。試驗段線路采用了減振型扣件（GJ-32型扣件）、鋼彈簧浮置板和普通扣件3種軌道結構。試驗路段包含一段曲線半徑為500 m 的曲線段，曲線段長度860 m，試驗路段總長度為2 km，整個試驗路段在隧道中。

試驗段車輛采用A 型車輛，最大載客量超過2 600 人，每輛車長度為23 m，寬度為3.1 m，整車長度約為140 m，最大運行速度為80 km/h。與B型、C型列車相比，具有載客量大、功能先進等特點，尤其適合人口密度、流量大的特大型城市使用，可以解決加掛車廂過多帶來的諸多難題，如圖1為試驗段運行車輛。

圖1 A型車

車內振動與噪聲測量依據GB/T3449—2011《聲學——軌道車輛內部噪聲測量》進行測量。采集儀選擇8通道的INV3062C數據采集機箱，加速度選擇兩個5 g 的PCB 單軸加速度計，分別測量車內垂向與橫向加速度，噪聲測試布置兩個PCB 傳聲器，距車廂地板高度分別為1 m和1.5 m，如圖2所示。

圖2 麥克風布置位置

為了保證車內振動與噪聲的數據準確性，排除車輛在運行高峰段時外界環境對噪聲和振動的影響因素，測試時間選擇晚上的最后幾趟運行列車?，F場測試設備布置如圖3，圖4所示。

2 車內振動數據分析

圖3 加速度傳感器

圖4 麥克風現場位置

試驗選取晚上人流量較少的末班車進行測試，車內的振動采用兩個量程為5 g的PCB單軸加速度計進行測量。通過分析在列車在不同軌道結構處的振動情況，對不同軌道結構對車內振動的影響進行分析。

列車在整個試驗段區間運行時間為136 s，區間距離為2.00 km；由此可以計算出區間內平均車速為52.9 km/h，即14.7 m/s。以測試起點位置為K0+000計算各扣件的安裝里程，GJ-32扣件曲線段安裝里程為K0+368～K0+768，普通扣件安裝里程為K0+768～K1+068，鋼彈簧浮置板的安裝里程為K1+068～K1+278。由此可以計算出列車在整個區間段內，在每一組扣件里程中運行的距離及運行的時間。

如圖5、圖6分別為試驗段運行過程中車內的垂向與橫向振動全程信號時域圖。

圖5 車廂內垂向振動時域圖

按照不同軌道結構的安裝里程、列車的行駛時間與行車速度可以比較準確地分析出列車在經過不同軌道結構時車內的振動與噪聲情況。經簡單計算得，試驗數據中t1：25 s～52.2 s 為GJ-32 扣件運行路段；t2：52.2 s～72.6 s 為普通扣件運行路段；t3：72.6 s～86.9 s為鋼彈簧路段，除去列車本身長度導致的過渡時間（9.5 s）即可得到列車全部在相應軌道結構下的行駛時間。

圖6 車廂內橫向振動時域圖

由圖5、圖6的時域圖可以看出列車在經過裝有減振軌道結構的路段時，車內的振動明顯加大。

圖7、圖8分別為車內垂向與橫向振動1/3 倍頻程圖，車內振動加速度級采用人體z計權方式。

圖7 車內垂向振動1/3倍頻程

圖8 車內橫向振動1/3倍頻程

從圖7、圖8中可以看出，車內振動在5 Hz～20 Hz時，3種軌道結構下的車內垂向、橫向都振動沒有明顯區別；減振軌道結構的車內振動整體高于普通軌道結構，其中GJ-32 型扣件在20 Hz～40 Hz 之間的車內振動能量較大，高于鋼彈簧與普通扣件，在31.5 Hz處振動級達到最大；45 Hz～250 Hz區間，鋼彈簧軌道結構的車內振動能量較大，并在80 Hz 與160 Hz處出現振峰。由此可以看出扣件型減振軌道的主要作用范圍在20 Hz～40 Hz 之間，鋼彈簧浮置板減振軌道的主要作用范圍在60 Hz～250 Hz。

3種軌道結構下的總振級如圖9所示，從圖中可以看出鋼彈簧軌道結構下車內的垂向振動總振級最大，GJ-32型扣件的車內橫向振動總振級最大。

圖9 3種軌道結構車內振動總幅值

由表1可以得出，相比普通軌道扣件，GJ-32 扣件車內振動總振級垂向增加4.94 dB，橫向增加2.88 dB；鋼彈簧軌道結構車內振動總振級垂向增加7.46 dB，橫向增加0.57 dB。

表1 不同軌道結構下車廂內的振動和噪聲

3 車內噪聲分析

車內噪聲時域圖如圖10所示，車廂內噪聲聲壓級采用A計權方式。由時域圖可以比較直觀地看出在列車經過減振軌道結構時，車內的噪聲值明顯增大。為進一步分析車內噪聲信號的頻率分布特征，對其在0～1 000 Hz范圍內進行FFT分析。

圖10 車內噪聲時域圖

圖11為3 種軌道結構下噪聲信號的自譜FFT。由圖11可以看出鋼彈簧軌道結構在頻率為71.25 Hz和536.25 Hz處出現了峰值，聲壓最大幅值達到0.63 Pa，由軌道結構可以推測71.25 Hz 處的振動可能為道床與鋼軌形成的一個局部整體的振動，536.25 Hz對應的則可能是鋼軌相對軌道板的振動頻率；GJ-32

圖11 車內噪聲測點頻譜圖

型扣件減振型軌道結構在506.25 Hz 處達到峰值，聲壓最大幅值為0.30 Pa；普通扣件除了在超低頻（20 Hz以下）聲壓級較大外，在低頻與中頻區間沒有明顯峰值出現，聲壓級較低。3種軌道結構下20 Hz的平均聲壓分別為0.06 Pa、0.04 Pa 和0.02 Pa，由此可知鋼彈簧軌道結構下的車內平均聲壓是普通扣件結構的3倍，GJ-32型扣件結構下的車內平均聲壓是普通扣件結構的2倍。經初步預測，鋼彈簧與GJ-32在500 Hz 左右的峰值可能與軌道結構處出現的鋼軌波磨有關。

圖12為測量區間3種軌道結構下車廂內噪聲的1/3 倍頻程。從圖中分析可知，低頻（50 Hz～125 Hz）噪聲可能是由鋼彈簧結構道床與鋼軌組成的局部整體振動導致；中頻噪聲（400 Hz～800 Hz）主要由GJ-32型扣件結構處鋼軌的振動產生。同時由表1可以看出，減振軌道結構下的車內噪聲比普通扣件軌道結構高8 dB 以上。其中鋼彈簧型減振結構下車內噪聲比普通扣件高9.71 dB，GJ-32 型減振扣件軌道結構的車內噪聲比普通扣件高8.71 dB。

圖12 3種軌道結構下車內噪聲1/3倍頻程

從以上數據分析可以得出，減振軌道結構的車內振動與噪聲相比普通軌道結構的車內振動與噪聲有明顯的增大。其中高等減振結構鋼彈簧浮置板道床的車內垂向振動最大，總振級相比普通軌道結構增加7.46 dB；中等減振GJ-32 型扣件減振軌道結構的車內橫向總振級最大，相比普通軌道結構增加2.88 dB。車內噪聲方面，高等減振結構鋼彈簧和中等減振GJ-32 型扣件分別比普通軌道結構高出9.71 dB和8.71 dB。由此，可以看出減振型軌道結構在減少振動傳入周圍建筑物的同時，增大了車內的振動與噪聲，對乘客的身心健康造成不利。

從對乘客的身心健康角度考慮，在設計地鐵線路時應當適當減少減振軌道的采用，同時還可以采取車內增加吸聲材料等措施對車內的噪聲環境進行改善。

4 結語

本文通過現場試驗法分別測量了2種減振軌道結構和普通軌道結構下列車運行時車內的振動與噪聲情況。通過對車內振動與噪聲數據的倍頻程和FFT分析，得到如下結論：

（1）在車內振動方面，減振型軌道結構的主要振動頻率為60 Hz～250 Hz與500 Hz～800 Hz，車內的垂向和橫向總振級平均比普通軌道結構高6.2 dB和1.7 dB。

（2）在車內噪聲方面，減振型軌道結構的噪聲能量主要集中分布在低頻和中頻段。減振型軌道結構的噪聲總級值平均比普通軌道結構高出9.21 dB。

（3）減振等級高的軌道結構和減振等級相對較低的軌道結構相比，車內振動與噪聲會更加明顯。所以在選擇軌道減振方式時候，需要綜合考慮地鐵運行列車對周圍建筑物和車內振動與噪聲的影響。