地鐵沿線建筑物室內(nèi)振動與噪聲特性測試與分析

張?zhí)扃?，周俊召，熊永亮，羅雁云

（同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

目前我國城市軌道交通在快速發(fā)展，隨之帶來的沿線建筑物室內(nèi)振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲問題也受到廣泛關(guān)注。地鐵車輛在運行時由于輪軌間的相互作用所產(chǎn)生的振動會通過軌道結(jié)構(gòu)，例如隧道結(jié)構(gòu)和高架墩臺、路基等向周圍環(huán)境傳播，振動在經(jīng)由建筑物基礎(chǔ)后誘發(fā)建筑物墻體、樓板等振動，輻射出二次結(jié)構(gòu)噪聲。這種振動和結(jié)構(gòu)噪聲會對居民的生活、工作和休息產(chǎn)生影響[1-3]。國內(nèi)外很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究，并得到了大量有價值的研究成果。曾澤民[4]選取了無上蓋物業(yè)的廣州地鐵車輛段受振動影響較大的咽喉區(qū)、試車線區(qū)域，進(jìn)行現(xiàn)場試驗，獲得了車輛段敏感區(qū)域的地面及臨近建筑物振動傳播規(guī)律；歐陽昭[5]基于實測數(shù)據(jù)，分析了導(dǎo)致建筑物二次輻射噪聲的主要振動方向及其頻譜分布特點；申道明[6]等就地鐵列車引起的建筑物內(nèi)的二次輻射噪聲進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究和評價量的探討分析，總結(jié)了運行列車引起的室內(nèi)二次輻射噪聲特性；康波[7]運用有限元軟件建立了隧道-土層-建筑物三維有限元模型以及聲學(xué)軟件建立了建筑物聲學(xué)邊界元模型，分析了地鐵列車通過時隧道及建筑結(jié)構(gòu)振動特性。Metrikine[8]通過建立二維模型分析了地鐵振動波對周國建筑物的影響及其傳播規(guī)律。

本文基于距某城市軌道交通地下線路25 m的6層居民樓的室內(nèi)1 樓振動和噪聲現(xiàn)場測試，分析了兩種不同剛度扣件工況下室內(nèi)振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲的頻域特性，為降低室內(nèi)振動和噪聲提供依據(jù)。

1 測試工況

為了研究不同減振扣件工況下地鐵沿線建筑物的室內(nèi)振動與噪聲特性，本文進(jìn)行了室內(nèi)振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲試驗。測試的區(qū)間為直線段，列車為B型車6節(jié)編組。測試區(qū)段先采用扣件A，后又替換為剛度較低的扣件B，其中扣件A 剛度約為50 kN/mm，扣件B 剛度約為35 kN/mm，因在同一測試區(qū)間，避免了車速、線型、埋深等的影響。敏感底部距離隧道上邊線最小距離為25 m，建筑物為1 座6層居民樓。

測試建筑物室內(nèi)振動時采用B&K8340 壓電振動加速度計，量程為0.5 g，測試室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲時采用丹麥B&K4189 1/2英寸自由場傳聲器，其頻率范圍為6.3 Hz 至20 kHz，動態(tài)范圍為14.5 dB 至146 dB。試驗過程中緊閉門窗，保持室內(nèi)安靜，關(guān)閉冰箱、熱水器等噪音干擾源，避免人員走動、說話及其他噪聲對測量信號的干擾。為了避免室內(nèi)1階駐波對低頻二次輻射噪聲信號的影響，測點選擇在距墻壁0.5 m以外，近1/3～1/2 房間幾何尺寸以內(nèi)，避開房間幾何中心位置。此外，綜合考慮國內(nèi)外規(guī)范，測試室內(nèi)共布置3個噪聲測點，除中心測點2以外，另一個測點1布置在墻角，測點3布置于居民休息和工作位置，即臥室床頭附近，上述測點高度均為1.2 m。此外，在室內(nèi)噪聲測點附近各布置一個振動測點V1、V2、V3，測量室內(nèi)垂向加速度。測點布置示意圖詳見圖1。圖中V1、V2、V3為振動測點，S1、S2、S3為噪聲測點，V1 和S1 離線路最近?，F(xiàn)場測試圖如圖2所示。

圖1 測點布置示意圖

圖2 現(xiàn)場測試圖

2 室內(nèi)振動特性分析

2.1 分頻最大振級VLmax分析

對所測得的高峰時段列車經(jīng)過時室內(nèi)各振動測點加速度信號進(jìn)行頻譜分析得到振級，并進(jìn)行Z 計權(quán)，進(jìn)而得到各測點分頻最大振級。其中基準(zhǔn)加速度為1×10-6m/s2，Z計權(quán)采用《JGJ/T 170－2009》規(guī)定的Z 振級的計權(quán)因子，如表1所示。選取20組離散性較小數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，振級結(jié)果如表2所示，為了更加直觀地分析振動特性，同時采用柱狀圖分析，如圖3所示。

表1 JGJ/T 170－2009規(guī)定的Z振級的計權(quán)因子/dB

表2 不同扣件工況下室內(nèi)各測點分頻最大振級VLmax/dB(Z)(4 Hz～200 Hz)

從表2和圖3可以看出，列車經(jīng)過時，替換前振動測點的分頻最大振級均值在60 dB(Z)左右，替換扣件后降為55 dB(Z)左右，且在替換前后均呈現(xiàn)出V1＞V2＞V3的規(guī)律，這是由于距離線路的實際距離為V3＞V2＞V1，說明測點1、2、3的振動能量隨著與線路距離的增大而逐漸減小。此外，從圖2可以看出替換后各振動測點的垂向分頻最大振級均有不同程度減小，均在5 dB(Z)至8 dB(Z)范圍內(nèi)。這說明替換為剛度較低的扣件B 后該區(qū)間減振效果增強(qiáng)，所以振動傳遞至建筑物后室內(nèi)振動有所降低。

圖3 不同扣件工況下室內(nèi)各測點分頻最大振級VLmax/dB(Z)（4 Hz～200 Hz）

2.2 頻域特性分析

圖4和圖5為兩種扣件工況下列車經(jīng)過時居民樓1 樓室內(nèi)垂向振動測點在Z 計權(quán)方式下的1/3倍頻程對比圖。

圖4 振動測點Z計權(quán)垂向振動加速度級倍頻程圖（扣件A）

圖5 振動測點Z計權(quán)垂向振動加速度級倍頻程圖（扣件B）

從圖中可以看出，替換扣件后各測點垂向振動在40 Hz以上的頻段內(nèi)基本均有所降低。在扣件A工況下，各振動測點的峰值頻率都在63 Hz左右；更換為扣件B 后，各測點峰值頻率基本都在40 Hz～50 Hz 頻段內(nèi)，更換扣件前后各測點在12.5 Hz 附近均存在局部峰值。更換扣件后，峰值頻率降低。

3 室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲特性分析

3.1 等效連續(xù)A聲級

與室內(nèi)振動數(shù)據(jù)分析方法相同，對高峰時段列車經(jīng)過測試截面時采集到的各測點噪聲信號進(jìn)行頻譜分析，得到各噪聲測點等效A聲壓級LAeq分別如表3和圖6所示。

表3 不同扣件工況下室內(nèi)各測點等效連續(xù)A聲級LAeq/dB(A)

圖6 不同扣件工況下室內(nèi)噪聲測點等效A聲壓級LAeq/dB(A)(16 Hz～200 Hz）

從中可以看出在16 Hz 至200 Hz范圍內(nèi)，在扣件A 工況下，各噪聲測點等效A聲級均在35 dB(A)左右，當(dāng)替換為扣件B后，各噪聲測點等效A聲級均在28 dB(A)左右，且與振級相同，呈現(xiàn)出測點1＞測點2＞測點3的規(guī)律。此外，從圖6可以看出替換后各噪聲測點的等效A 聲壓級均有不同程度減小，均在5 dB(A)至6 dB(A)范圍內(nèi)。這說明該區(qū)間在采用剛度較低的扣件B 后減振效果增加，由室內(nèi)振動輻射的二次結(jié)構(gòu)噪也隨之降低。

3.2 頻域特征分析

圖7和圖8分別為扣件替換前后列車經(jīng)過時一樓各噪聲測點的A 計權(quán)1/3倍頻程圖。可以觀察到替換前后各噪聲測點呈現(xiàn)相似的頻譜特性，替換后峰值頻率略有所改變，聲壓級明顯降低。具體來說，替換扣件后，各噪聲測點的全局峰值頻率由63 Hz左右變?yōu)?0 Hz左右，峰值聲壓級降低了約3 dB(A)，且與等效連續(xù)A聲級規(guī)律相同，峰值頻率處的聲壓級呈現(xiàn)出測點1＞測點2＞測點3的規(guī)律。綜合分析室內(nèi)振動頻域特征可知，在相同工況下，室內(nèi)振動與其輻射的二次結(jié)構(gòu)噪聲峰值頻率基本一致。

圖7 噪聲測點A計權(quán)聲壓級1/3倍頻程圖（扣件A）

圖8 噪聲測點A計權(quán)聲壓級1/3倍頻程圖（扣件B）

4 結(jié)語

本文在對不同扣件工況下地鐵沿線6層居民樓1樓室內(nèi)振動與噪聲進(jìn)行現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，從頻域角度對此進(jìn)行對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）在同種扣件工況下，室內(nèi)振動與噪聲的峰值頻率基本一致，替換前均為63 Hz左右，更換為扣件B后，峰值頻率變?yōu)?0 Hz～50 Hz左右。

（2）在其它工況不變的情況下，采用剛度較小的扣件后，室內(nèi)振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲均有所降低。

（3）室內(nèi)不同位置的測點振級和聲壓級不同，基本呈現(xiàn)出在距離地鐵線路越近的測點處所測得的振動加速度級與噪聲聲壓級越大的規(guī)律。