不同軌道結構地鐵噪聲輻射測試及分析

張啟樂，劉林芽，陳高峰

（1.中國電子系統工程第二建設有限公司，江蘇 無錫 214135；2.華東交通大學 鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心，南昌 330013；3.隔而固（青島）結構設計事務所有限公司,山東 青島 266108）

鋼彈簧浮置板作為一種成熟有效的隔振系統，在軌道交通減振領域被廣泛應用，許多專家學者對鋼彈簧浮置板系統做了大量的研究[1–4]。近些年來隨著鋼彈簧浮置板運營里程的增加，關于鋼彈簧浮置板軌道對地鐵車輛影響的研究逐漸增多，部分研究成果顯示，相對于普通整體道床軌道，列車通過浮置板軌道時車體振動有所增加[5–6]，車內噪聲也有一定程度增大[6–10]。

浮置板道床厚度一般設計為300 mm～350 mm[7]，根據頻率計算公式可知，其他參數確定的情況下，增加系統配重能降低隔振系統頻率，提高減振效果[11]。

由于道床板厚增加除了可以增加系統配重以降低系統頻率外，還可以提高板的抗彎剛度，有利于板的結構受力，所以具有厚道床板、低頻特性的鋼彈簧浮置板的應用也越來越多，本文以長枕埋入式普通整體道床及低頻鋼彈簧浮置板道床作為對比研究對象，以現場實測的方式分析鋼彈簧浮置板道床對車內外噪聲的影響。為使表述簡潔，下文將鋼彈簧浮置板道床簡稱為浮置板，長枕埋入式普通整體道床簡稱普通道床。

1 測試條件說明

1.1 軌道

本次測試選取的某地鐵線路區間隧道斷面為馬蹄型，隧道內鋪設60 kg/m 鋼軌，扣件為DTⅥ2 型，測試區間上行線浮置板鋪設長度270 m，下行線浮置板鋪設長度320 m。上下行浮置板厚度均為370 mm，寬度均為3 m，標準板長度25 m，浮置板一階彎曲頻率設計值為8.07 Hz。普通道床與浮置板道床在區間內的分布情況如圖1所示。現場勘驗顯示兩種道床軌道狀態均良好，鋼軌無波磨。

圖1 普通道床與浮置板道床在區間內分布圖

1.2 車輛

測試的運營車輛為6 節編組B 型車，設計軸重14t，車輛長寬高分別為19 m、2.8 m和3.8 m，區間內列車設計時速為80 km/h，為配合測試，列車以71 km/h速度在兩種道床空載運行。

1.3 測試設備

隧道內噪聲測試采用LMS SCADAS Mobile SCM01 采集系統，BSWA MPA201 S/N:492171 聲傳感器及防風罩，采樣頻率51 200 Hz，車內噪聲測試采用手持式B&K2250 Light 聲級計，采樣頻率48 000 Hz。測試前后聲傳感器靈敏校準均小于0.1 dB，滿足GB14892－2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》規定。

1.4 測點布置

噪聲測試在隧道內和車廂內同步進行。隧道內測試，在距鋼軌頂面0.5 m 與1.2 m 隧道壁處布置兩個測點，為防止列車在隧道內運行產生的活塞風影響，聲傳感器加防風罩，如圖2（a）所示；車廂內測試，根據GB14892－2006 規定，傳聲器布置于客室縱軸中部，距地板高度1.2 m，方向朝上，聲級計如圖2（b）所示。

圖2 測點布置圖

上行線在列車前進方向1 車、4 車內布置測點；下行線在列車前進方向1車、3車內布置測點。為消除隨機干擾，隧道內及車廂內每個測點均選取10組數據的算術平均值進行分析。

2 隧道內噪聲數據分析

2.1 評價指標

等效聲級（等效連續A計權聲級）能較好地反映人耳對噪聲的主觀感覺，對人耳不敏感的低頻聲衰減較多，中頻衰減較少，高頻不衰減甚至放大[12]，GB14892－2006中給出的便是等效聲級的最大容許限值。本文同時計算線性聲級（即無計權），以對比分析A計權對噪聲評價的影響。

等效聲級計算公式如下：

式中：

LAeq,T——等效聲級，單位為dB(A)；

t2、t1——規定的時間間隔，單位為s；

pA(t)——噪聲瞬時A計權聲壓，單位為Pa；

p0——基準聲壓（20 μPa）。

2.2 聲壓時程

列車通過普通道床與浮置板道床時隧道內各測點典型聲壓時程曲線（無計權）如圖3所示，時程數據頻率范圍16 Hz～24 000 Hz。

由圖3可知，隨著列車駛近測點，隧道內聲壓級逐漸增大；隨著列車駛遠，測點聲壓級逐漸減小；在進入浮置板道床地段后，隧道內的聲壓級在時域上（第5 s左右時刻）有明顯的變化。同時還可以發現，在同一道床結構上鋼軌頂面0.5 m處測點與1.2 m處測點聲壓在時域上的幅值基本一致；但不同軌道結構上與軌面相同距離測點的聲壓幅值不同，浮置板地段的聲壓幅值高于普通道床地段。

圖3 隧道內測點聲壓典型時程曲線

2.3 1/3倍頻程分析

（1）聲壓級（無計權）分析

為消除列車駛入測試斷面之前與駛出測試斷面之后對聲傳感器的影響，僅截取列車通過時間數據進行分析，10 組數據1/3 倍頻程聲壓級（無計權）算術平均值見圖4和表1所示。

圖4 隧道內0.5 m與1.2 m測點聲壓級

表1 兩種道床聲壓級（無計權）峰值及峰值頻率

由圖4可知，相對于普通道床，浮置板地段隧道內的2 個測點無計權聲壓級在25 Hz～1 000 Hz 與4 000 Hz～20 000 Hz頻段有所增大，其中在40 Hz～125 Hz 頻段增大量最大；在20 Hz～25 Hz 與1 000 Hz～4 000 Hz 頻段，浮置板道床聲壓級略低于普通道床。

由表1可知，軌道結構相同時，距離軌面近的測點噪聲更大，說明輪軌噪聲為主要噪聲源；道床結構不同，列車運行產生的噪聲的峰值頻率和峰值均存在較大差異，普通道床地段隧道內噪聲的主頻在500 Hz～800 Hz，0.5m 測點聲壓級最大值為103.3 dB；浮置板地段隧道內噪聲的主頻在80 Hz，0.5 m測點聲壓級最大值為109.1 dB。

（2）A計權聲壓級

將1/3倍頻程聲壓級曲線進行A計權，計權后的聲壓級算術平均值如圖5和表2所示。

圖5 隧道壁0.5 m與1.2 m測點A計權聲壓級

由圖5和表2可知，A 計權后普通道床0.5 m 測點峰值頻率由500 Hz變為800 Hz，1.2 m測點峰值頻率未發生改變，仍為800 Hz；浮置板道床兩個測點A計權聲壓級峰值頻率則發生了明顯偏移，由80 Hz變為800 Hz。

表2 兩種道床A計權聲壓級峰值及峰值頻率對比

A計權后普通道床與浮置板道床0.5 m與1.2 m測點聲壓級峰值均在800 Hz出現，相同道床不同測點的A計權聲壓級峰值差別不大。

2.4 與A計權等效聲級

隧道內測點線性聲級（不計權）與A計權等效聲級計算結果如表3所示。

表3 隧道內測點線性聲級與A計權聲級

由表3可知，如果以線性聲級進行評估，則浮置板道床相對于普通道床有所增大，在0.5 m 處增大4.4 dB，1.2 m處增大4.7 dB；若以A計權等效聲級指標進行評估，則浮置板道床噪聲輻射相對普通道床增大量較小，增大量不大于0.3 dB（A）。

3 車內噪聲數據分析

3.1 時頻分析

圖6為上行線典型聲壓時程曲線與時頻圖。

圖6 上行線1車車內典型聲壓時程曲線與時頻圖

由圖6時頻圖可看出，在21.5 s～37.5 s之間，車內噪聲信號的頻率成分有較為明顯的改變，由此可推斷測試車廂通過浮置板道床的起止時間約為21.5 s～37.5 s，同理可推測列車通過普通道床的起止時間為50 s～66 s。截取以上時間段內聲壓數據進行分析，下行線及其他車內測點數據截取原則相同，每個測點均截取10組數據計算算術平均值。

3.2 1/3倍頻程分析

（1）上行線聲壓級（無計權）測試結果分析

車內噪聲測試在上行線和下行線分別開展，上行線聲壓級（無計權）測試結果如圖7及表4所示。

由圖7和表4可知，1 車和4 車內噪聲峰值的頻率相同，但是噪聲峰值有略微區別，4車內的噪聲峰值略大于1 車，這兩個測點的聲壓級在頻域內均表現出：在20 Hz～400 Hz 頻段，浮置板地段車內噪聲要大于普通道床地段，其他頻段浮置板道床車內噪聲不大于普通道床段。普通道床地段車內噪聲峰值頻率均為25 Hz，4 車內噪聲峰值為83.8 dB，浮置板地段車內噪聲峰值頻率均為63 Hz，4車內噪聲峰值為90.4 dB。

圖7 上行線1車與4車車內聲壓級

表4 上行線兩道床車內聲壓級（無計權）峰值頻率及峰值

（2）下行線聲壓級（無計權）測試結果分析

下行線聲壓級（無計權）均值如圖8和表5所示。

圖8 下行線1車與3車車內聲壓級

由圖8和表5可知，下行線車內噪聲在頻域內的特性與上行線車內噪聲測試結果類似。31.5 Hz～250 Hz 頻段，浮置板地段車內噪聲大于整體道床地段，其他頻段浮置板地段車內噪聲不大于普通道床地段。普通道床地段車內噪聲峰值頻率均為25 Hz，3 車內噪聲峰值為83.5 dB，浮置板地段車內噪聲峰值頻率為均63 Hz，3車內噪聲峰值為93.4 dB。

表5 下行線聲壓級（無計權）峰值頻率及峰值

（3）上行線A計權聲壓級測試結果分析

上行線車內A 計權聲壓級均值如表6和圖9所示。

表6 上行線A計權聲壓級峰值頻率及峰值

圖9 上行線車內A計權聲壓級

A 計權后，普通道床車內聲壓級峰值頻率由25 Hz變為變為630 Hz～800 Hz；浮置板道地段車內聲壓級峰值頻率均由63 Hz變為630 Hz。車內噪聲最大值仍發生在4 車，普通道床地段車內噪聲最大值為74.9 dB(A)，浮置板地段車內噪聲最大值為75.2 dB(A)。A 計權后普通道床和浮置板地段車內噪聲頻域內峰值幾乎無差別。

（4）下行線A計權聲壓級測試結果分析

下行線車內A 計權聲壓級均值如圖10 和表7所示。

圖10 下行線1車與3車車內A計權聲壓級

表7 下行線A計權聲壓級峰值頻率及峰值

通過A 計權后，普通道床地段車內聲壓級峰值頻率由25 Hz變為500和800 Hz；浮置板地段車內聲壓級峰值頻率均由63 Hz 變為500 Hz，普通道床地段車內最大聲壓級發生在1 車，為75.8 dB(A)，浮置板地段車內最大聲壓級發生在3 車，為74.8 dB(A)。普通道床和浮置板地段車內噪聲頻域內峰值相差約1 dB(A)。

3.3 線性聲級與A計權等效聲級

普通道床和浮置板地段車內噪聲線性聲級（不計權）和A計權等效聲級對比如表8所示。

表8 車內測點線性聲級與等效聲級

（1）分析上行線車內測試數據可發現，如果以線性聲級進行分析，浮置板地段車內噪聲比普通道床地段分別大5.0 dB（1 車）和4.9 dB（4 車）；如果以A 計權等效聲級進行分析，浮置板地段車內噪聲比普通道床地段分別大1.8 dB(A)和4.9 dB(A)。

（2）分析下行線內測試數據可發現，如果以線性聲級進行分析，浮置板地段車內噪聲比普通道床地段分別大6.4 dB（1車）、6.2 dB（3車）；如果以A計權等效聲級進行分析，浮置板地段車內噪聲比普通道床地段分別小1.7 dB(A)和0.3 dB(A)。

綜上分析可知，列車在浮置板道床地段運行時，車內300 Hz以下部分頻帶噪聲輻射量會明顯增加，如果噪聲分析時考慮人耳對噪聲的主觀感受及對頻率的敏感性然后對聲壓級進行A 計權，則兩種道床的車內噪聲1/3倍頻程曲線峰值差別不大，部分頻段浮置板地段車內A計權聲壓級甚至小于普通道床地段，即A 計權等效聲級計算方法弱化了浮置板道床對40 Hz～125 Hz頻段增大的影響，本次研究中關于噪聲頻譜分布及等效聲級大小與文獻[13]基本一致。

4 結語

通過對某地鐵線路長枕埋入式普通整體道床及重型鋼彈簧浮置板地段車內外噪聲輻射測試分析，可得以下主要結論：

（1）軌道結構相同時，隧道內距離軌面近的位置噪聲更大，說明輪軌噪聲為主要噪聲源，浮置板地段隧道內噪聲在40 Hz～125 Hz 頻段較普通道床地段有所增大，但在其他頻段浮置板道地段聲壓級低于普通道床；

（2）對隧道內噪聲的聲壓級曲線進行A 計權后，普通道床和浮置板道床地段壓級峰值頻率均會發生偏移，較A計權之前峰值頻率更高；

（3）軌道結構相同時，不同車廂內噪聲峰值的頻率相同，但是噪聲峰值有略微區別；浮置板地段車內噪聲在20 Hz～400 Hz頻段大于普通道床地段，其他頻段浮置板道床車內噪聲不大于普通道床地段；

（4）對車內噪聲的聲壓級進行A 計權后，普通道床和浮置板地段車內噪聲峰值的頻率均變高，但是兩種道床地段車內噪聲峰值差別不大。