城市軌道交通輪軌噪聲主動控制措施應(yīng)用研究

李克飛,王 進,石 熠,孫 鑫

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100068； 2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室,北京 100068)

引言

城市軌道交通快速發(fā)展的同時也引發(fā)一定的噪聲污染， 多個城市軌道交通線路收到乘客關(guān)于噪聲的投訴。為提升城市軌道交通服務(wù)質(zhì)量，增強其可持續(xù)發(fā)展能力，控制城市軌道交通噪聲勢在必行。

明確噪聲源頭是有效控制噪聲的前提。軌道交通噪聲源包括輪軌噪聲、牽引噪聲、隧道內(nèi)空氣動力噪聲、橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，車內(nèi)還包含空調(diào)、風(fēng)扇噪聲等[1]。其中，因車輪與鋼軌間滾動沖擊、摩擦等相互作用而引起的輪軌噪聲，是城市軌道交通主要的噪聲源之一，在小半徑曲線地段及鋼軌波磨地段尤為突出[2-3]。

針對輪軌噪聲，國內(nèi)外專家、學(xué)者利用現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬和解析分析等方法，探討了輪軌噪聲的產(chǎn)生機理[4-5]、頻率及分布特性[6-8]、影響因素及控制措施[9-12]等。目前，相關(guān)標準[13]規(guī)定了城市軌道交通列車噪聲的限值要求及測量方法等，但僅適用于列車的設(shè)計、制造和檢驗，仍缺乏運營列車內(nèi)噪聲的限值要求。

結(jié)合相關(guān)測試，對城市軌道交通輪軌噪聲的頻率特性及影響因素進行分析，并針對性研究了車速調(diào)整、鋼軌打磨、車輪鏇修、鋼軌阻尼降噪裝置等輪軌噪聲主動控制措施的降噪效果，進而提出輪軌噪聲的防、治措施建議。

1 輪軌噪聲頻率特性及影響因素

選取地鐵某曲線地段車內(nèi)噪聲進行測試分析。測試線路由半徑R=300 m的“S” 形曲線和夾直線組成，曲線地段鋪設(shè)鋼彈簧浮置板軌道，列車通過速度為50～55 km/h，鋼軌踏面存在特征頻率為60～80 Hz的波浪形磨耗。

1/3倍頻程譜[14]能體現(xiàn)各頻段噪聲能量分布，列車通過以上“S” 形曲線的車內(nèi)噪聲1/3倍頻程譜如圖1所示，圖2為部分中心頻率噪聲聲壓級譜值的時變曲線，其中縱坐標為噪聲聲壓級Lp

(1)

式中，Lp為聲壓級，dB；p為中心頻率對應(yīng)的噪聲聲壓，Pa；p0為基準聲壓值，取2×10-5Pa。

圖1 車內(nèi)噪聲1/3倍頻程譜

可見車內(nèi)噪聲存在10～20 Hz、50～80 Hz和600～800 Hz三個主要頻段。分析可知，10～20 Hz低頻段噪聲與鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)自振頻率[15-16]相關(guān)；中心頻率63 Hz和80 Hz的車內(nèi)噪聲在曲線段出現(xiàn)峰值，50～80 Hz中頻段噪聲與曲線段鋼軌波磨特征頻率吻合，且此頻段噪聲最為突出；600～800 Hz高頻段噪聲是曲線段輪緣接觸鋼軌產(chǎn)生的窄頻帶摩擦噪聲[17]。

綜上分析，車內(nèi)主頻噪聲主要源于輪軌相互作用，且與軌道系統(tǒng)特性、輪軌磨耗狀態(tài)及線路參數(shù)等因素相關(guān)。

圖2 部分中心頻率聲壓級時變曲線

2 主動控制措施應(yīng)用

噪聲控制措施包括減少激振源、增加阻尼、吸聲材料或聲屏障等。結(jié)合噪聲在線測試，以噪聲等效A聲級[13]及1/3倍頻程譜(20～2 000 Hz)作為對比指標，針對性分析車速調(diào)整、鋼軌打磨、車輪鏇修、鋼軌阻尼降噪裝置等輪軌噪聲主動控制措施的應(yīng)用效果。

2.1 車速調(diào)整

輪軌噪聲隨著列車速度的變化而變化[18]，在車廂內(nèi)安裝聲壓計，如圖 3所示，對動車(Mp車)客室內(nèi)噪聲進行在線測試，針對性分析車內(nèi)噪聲隨車速變化情況。

圖3 車內(nèi)噪聲測點

不同車速下車內(nèi)噪聲等效A聲級如表1所示，可以看出隨著列車速度降低，車廂內(nèi)部噪聲值降低明顯，每減速20 km/h，車內(nèi)噪聲降低5 dB(A)。

表1 不同車速下的車內(nèi)噪聲等效A聲級

圖4 不同車速下噪聲1/3倍頻程譜對比

不同車速下車內(nèi)噪聲1/3倍頻程譜如圖4所示，可以看出隨著車速降低，200 Hz以上頻段聲壓級降低較為明顯。

2.2 鋼軌打磨

鋼軌波浪形磨耗會加劇輪軌振動，增加輪軌噪聲。為了降低輪軌噪聲，可利用打磨措施去除鋼軌波磨[19-20]。根據(jù)相關(guān)工務(wù)養(yǎng)護維修規(guī)則:“鋼軌波磨波深接近0.5 mm時，應(yīng)及時安排打磨，打磨后波深不大于0.3 mm”。

在車廂內(nèi)安裝聲壓計，波磨地段鋼軌打磨前、后車內(nèi)噪聲等效A聲級如表2所示，可以看出鋼軌打磨能夠降低車內(nèi)噪聲3～5 dB(A)。

表2 鋼軌打磨前后車內(nèi)噪聲等效A聲級 dB(A)

鋼軌打磨前、后車內(nèi)噪聲1/3倍頻程譜如圖5所示。可以看出，鋼軌打磨能有效降低各頻段車內(nèi)噪聲，100 Hz附近降噪效果不明顯，說明此特征頻率附近鋼軌波磨打磨不徹底，鋼軌打磨質(zhì)量直接影響輪軌噪聲控制效果。

圖5 鋼軌打磨前后噪聲1/3倍頻程譜對比

2.3 車輪鏇修

與鋼軌類似，車輪踏面也存在周期性磨損和波浪形磨耗。當(dāng)輪對在軌面上滾動時，輪面不平順會導(dǎo)致輪軌相對運動及本身彈性振動，向外輻射輪軌噪聲[10]。對磨耗到限車輪開展相關(guān)鏇修工作，以降低輪軌噪聲。

在車廂內(nèi)安裝聲壓計，車輪鏇修前、后車內(nèi)噪聲等效A聲級如表3所示，可以看出車輪鏇修能夠降低車內(nèi)噪聲4～6 dB(A)。

表3 車輪鏇修前后車內(nèi)噪聲等效A聲級 dB(A)

車輪鏇修前、后車內(nèi)噪聲1/3倍頻程譜如圖6所示。可以看出，車輪鏇修能有效降低各頻段輪軌噪聲。

圖6 車輪鏇修前后噪聲1/3倍頻程譜對比

2.4 安裝鋼軌阻尼降噪裝置

在輪軌噪聲明顯地段可采用針對性的局部處理措施，鋼軌阻尼降噪裝置是在鋼軌上附加調(diào)頻式阻尼措施，以降低輪軌噪聲。

鋼軌阻尼降噪裝置安裝段位于半徑R=800 m的曲線上，鋪設(shè)了梯形軌枕，列車通過速度為85 km/h，軌面存在特征波長為125 mm的波浪形磨耗。鋼軌阻尼降噪裝置安裝前、后進行軌旁噪聲測試，以評估其降噪效果。聲壓計安裝在鋼軌外側(cè)，高度與軌面平齊，方向垂直于鋼軌縱向，如圖7所示。

圖7 鋼軌阻尼降噪裝置安裝位置及噪聲測點布置

安裝前軌旁噪聲等效A聲級為112 dB(A)，安裝后為105 dB(A)，降低7 dB(A)。安裝前、后軌旁噪聲1/3倍頻程譜如圖8所示，可以看出，全頻段軌旁噪聲因鋼軌阻尼降噪裝置而降低，200 Hz以上頻段軌旁噪聲降低效果較為明顯。

圖8 鋼軌阻尼降噪裝置安裝前后噪聲1/3倍頻程譜

3 結(jié)論

輪軌噪聲是城市軌道交通主要的噪聲源之一。結(jié)合運營線路噪聲測試，對城市軌道交通輪軌噪聲頻率特性及影響因素進行分析，針對性研究了車速調(diào)整、鋼軌打磨、車輪鏇修、鋼軌阻尼降噪裝置等主動控制措施的降噪效果。

(1)輪軌噪聲隨車速變化明顯，每減速20 km/h，車內(nèi)噪聲降低5 dB(A)，車速對200 Hz以上頻段噪聲影響較為顯著。

(2)輪軌噪聲與車輪、鋼軌磨耗狀態(tài)密切相關(guān)，鋼軌打磨能降低車內(nèi)噪聲3～5 dB(A)，車輪鏇修能夠降低車內(nèi)噪聲4～6 dB(A)，打磨及鏇修質(zhì)量直接影響降噪效果。

(3)鋼軌阻尼降噪裝置能降低軌旁噪聲7 dB(A)，200 Hz以上頻段噪聲降效較明顯。

結(jié)合城市軌道交通輪軌噪聲影響因素及相關(guān)降噪效果，提出以下輪軌噪聲防、治措施建議。

(1)優(yōu)化新建線路規(guī)劃設(shè)計，避免小半徑“S”形曲線，綜合考慮減振措施，提高線路平順性，改善輪軌匹配關(guān)系，降低輪軌噪聲。

(2)細化既有線鋼軌打磨、車輪鏇修管理辦法、技術(shù)要求和驗收標準，加強鋼軌打磨、車輪鏇修的差異化、精細化管理，確保打磨及鏇修質(zhì)量，降低輪軌噪聲。