市域快速軌道交通越站噪聲控制方案研究

張瑞，呂勇敢

（1.廣州地鐵集團有限公司，廣州 510000；2.深圳中雅機電實業有限公司，廣東 深圳 518031）

地鐵已經成為各大中城市人們日常出行必不可少的交通工具，隨著城市化進程的不斷推進，重點地區已形成區域一體化發展格局，常規時速100km/h 的城市軌道交通已不能滿足日常通勤需求。時速160km/h的市域地下軌道交通應運而生，同時在行車組織上采用快慢車越行方案，大大縮短了區域間通勤的時間。快慢車越行方案需設置不同數量的越行車站，時速160km/h 的越站列車在停站列車上下乘客時高速通過車站，其噪聲問題是關系到越站列車能否實現的重要問題。本文主要闡述越站地鐵列車的噪聲傳播特點及越站列車噪聲的控制方案。

1 越站地鐵噪聲傳播特點

我國擬建設時速160km/h 的越站車輛，在停站列車上下客期間，越站車輛以160km/h 的速度越站通過（見圖1）。

圖1 越站車輛簡易模型

在越站地鐵勻速直線運行的情況下，不考慮停站車輛自身噪聲的影響，越站地鐵的噪聲主要以輪軌噪聲及空氣動力噪聲為主，其傳播路徑見圖2。

圖2 噪聲傳播路徑

（1）地鐵通過車站時，噪聲會通過停車軌道的縫隙即衰減區1 向停車軌道傳播，此時停站地鐵在上下乘客，噪聲會通過停站地鐵兩側及頂部的空隙衰減區2 向內進行傳播，并通過屏蔽門向站臺層內傳播。

（2）越站地鐵車輛在貼近墻體通過時，地鐵車輛會擠壓列車車體與墻壁之間的空氣，噪聲會隨著空氣通過墻壁兩側的間隙繞射和透射傳播到停車軌道，在停車軌道內再通過停站地鐵與隧道之間的間隙傳入站臺，并通過屏蔽門傳入站臺層。

2 消聲構思與原理

2.1 消聲構思

從噪聲傳播路徑中可以看出，車輛輪軌噪聲對站臺的影響，其傳播路徑是封閉的隧道通道，是斷面不規則壁面非剛性的空氣通道。越站列車噪聲傳入站臺主要是通過衰減區1、衰減區2 兩個通道和越站軌道向站臺內傳播。將隧道中越站列車隧道和停站列車隧道剖切得到消聲通道斷面示意圖（見圖3）。

圖3 消聲通道斷面示意

根據剖切的斷面示意圖，可以認為越站列車通道和停車列車通道是兩個不規則的非剛性的空氣通道，即具有消聲功能的消聲通道。

在沒有增加任何消聲措施的情況下，兩個消聲通道的消聲量是有限的，遠達不到降噪要求。由于隧道內部需要確保地鐵的通行，所以在隧道內部是不能增加消聲器等橫截面積較大的消聲設備的。為了增加兩個消聲通道的消聲量，只能通過增加消聲通道的消聲系數以及改變消聲通道的橫截面積來增加消聲通道的消聲量。影響消聲通道消聲系數的主要因素為吸聲襯里的吸聲系數，所以需要增加消聲通道壁面的吸聲系數即安裝吸聲板來增加壁面的吸聲系數。

圖4 為對消聲通道的構思，圖中陰影區域為鋼板封堵，在保證列車安全行駛的前提下，在四周增加吸聲板。

圖4 消聲通道吸聲板安裝示意

2.2 消聲原理

工程中應用較多的消聲理論計算公式是由別洛夫公式發展而來的，其參數的選取基于實驗研究，因此其相對精度高于別洛夫公式，并且使用范圍有所擴展，對于較高頻率仍有較好的分析精度（見下式）。

圖5 消聲通道

式中：

P——吸聲襯里的通道截面周長（圖5 中紅色虛線總長度）；

S——吸聲襯里的通道截面面積（圖5 中藍色面積）；

L——吸聲襯里的通道長度（圖5 中綠色虛線長度）；

——消聲系數，由正入射系數α0確定。

與α0的關系見表1。

表1 消聲系數與正入射系數α0的關系

表1 消聲系數與正入射系數α0的關系

表示傳播距離等于隧道半寬度時的噪聲衰減量，其主要取決于壁面的聲學特性。當聲波沿非剛性壁面隧道傳播時，聲強應按指數規律隨著傳播距離的增大而衰減。當聲波頻率不太高并且壁面聲阻抗較大時，可以認為管道內同一截面上各處聲壓近似相同。在這種條件下，消聲系數用下式近似表示：

式中：

——消聲系數；

a——法向入射時通道內部結構的相對聲阻率；

b——法向入射時通道內部里結構的相對聲抗率。

特殊情況下，當聲波頻率與壁面吸聲結構的共振頻率接近時，聲抗近似為0。如果a＞1，則消聲系數可用垂直入射的吸聲系數α0表示。

這就是目前常用的消聲系數計算公式。

2.3 消聲設計

根據上文提到的消聲原理，隧道可以認為是一個大的消聲器。在隧道尺寸及隧道長度一定的情況下，影響消聲器的主要因素是隧道的消聲系數。隧道內的尺寸信息見表2。

表2 隧道尺寸信息

隧道內未做任何降噪措施時，各個衰減區的衰減量見表3。

表3 未做處理時各個區域衰減量

在隧道衰減區1 內安裝吸聲板增加隧道的消聲系數，各個區域的衰減量見表4。

表4 采取措施后各個區域衰減量

在衰減區內，還存在空氣吸聲。例如，當隧道內大氣壓101.3kPa、溫度25℃、濕度30%時，頻率4000Hz 有1.0dB(A)的衰減量，8000Hz 有3.7dB(A)的衰減量。

在隧道安裝吸聲板后，有11.3dB(A)的降噪量。

3 消聲降噪方案的評估

3.1 可行性評估

在地鐵隧道內安裝吸聲板時需要考慮以下幾點：1）隧道內線路管道多且復雜，安裝吸聲板后不能影響線路管道；2）隧道內需要經常通車，吸聲板安裝的結構強度必須大，不能有脫落危險；3）安裝吸聲板后，不能影響隧道內的日常檢修。

為解決以上問題，采取的措施為：1）吸聲板內部可以穿插通過線路，在有管道的位置，對吸聲板進行開孔設計，做好開孔位置的邊緣處理；2）吸聲板的安裝采用高強度結構，由穿孔板、吸聲材料、型鋼、擋板及高強度膨脹螺栓組成，保證達到強度要求（結構見圖6）；3）隧道內需要檢修的位置設置檢修門或檢修口，以便正常檢修。

穿孔板內填充的吸聲材料為超細離心玻璃棉，A 級不燃，不揮發有害物質，現已廣泛應用在地鐵通風管道消聲器及隔聲板中。

圖6 消聲通道吸聲板安裝示意

通過以上分析認為，在隧道內安裝吸聲板的消聲方案是可行的。

3.2 消聲效果評估

噪聲控制需要明確三點，即噪聲源、傳播路徑和控制點。本文中傳播路徑和控制點已經明確，但是噪聲源的大小沒有指出。

根據我國現有已經實測的同類型列車的噪聲聲壓級以及理論公式推算出160km/h 的列車在隧道內勻速行駛時的單位長度聲功率級為104dB(A)。

由于越站列車并不是一個穩態的噪聲源，而是一個相對于測點隨時間變化的勻速移動的有限長的線聲源。因此，還需要計算車輛噪聲在考量時間期間內的等效連續A 計權聲壓級LAeq,T。

式中：

LAeq,T——考量時間T的等效連續A 計權聲壓級，dB(A)；

T——測量經過的時間段，T=t2-t1，s；

pA(t)——噪聲瞬時A 計權聲壓，Pa；

p0——基準聲壓，p0=20μPa。

當A 計權聲壓用A 聲級LpA表示時，則如下式所示：

在站臺內取3 個控制點，分別為離第一個屏蔽門1m 處、離最后一個屏蔽門1m 處和站臺中心。控制點示意見圖7。

圖7 三個典型測點位置示意

在隧道內未做任何降噪措施之前，假設屏蔽門的打開時間為60s 且30s 時越站列車剛好運行到中間墻體的中心，消聲通道通過自身衰減傳到站臺位置三個測點的通過時間段內的等效A 計權聲壓級見表5。

表5 降噪前不同測點不同考量時間平均聲壓級（忽略背景噪聲）

由于隧道內的安裝位置有限，只在衰減區1 內中間墻體和頂面增加吸聲板，得到的降噪量見表6。

表6 采取降噪措施后的消聲量頻譜數據

降噪后站臺內3 個不同測點的通過時間段內的等效連續A 計權聲壓級見表7。

分析越站列車不同時刻對站臺層的噪聲影響時，先假設屏蔽門的關閉時間為60s，在30s 時列車剛好處于中間墻體的中心處。在采取消聲措施后60s 內不同時刻3 個測點的噪聲變化曲線見圖8。

表7 站臺不同測點不同考量時間平均聲壓級（忽略背景噪聲）

圖8 不同時刻站臺內不同測點的噪聲曲線

通過以上分析，認為在考量時間為60s 時，傳入站臺中心的平均聲壓級為61dB(A)，滿足地鐵設計規范中70dB(A)的限值。因此，此消聲方案是可行有效的。

4 結語

本文介紹了一種降低越站列車對站臺噪聲影響的消聲方案。在隧道內可以增加吸聲板的位置安裝吸聲板，能夠有效降低越站列車傳入站臺的噪聲，降噪量為11.3dB(A)。由于考量的時間不同，站臺測點通過時間內的等效連續A 計權聲壓級也不同。在采取降噪措施后，考量時間為60s 時，站臺中心的等效連續A 計權聲壓級為61dB(A)，滿足地下鐵路站臺噪聲規范中70dB(A)的限值要求。但是在考量時間較短的前提下，站臺內三個測點的噪聲值達不到要求限值，需要進行進一步的降噪處理，以保證站臺內的噪聲值滿足限值要求。