地鐵車內噪聲與鋼軌短波波磨關系研究

張英杰，楊新文，湯兆年

(1.同濟大學 上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室，上海 201804；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

在國家“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要的指導下，城市軌道交通運營里程不斷增多。隨著人民生活水平的不斷提高，車內噪聲問題已經嚴重影響了乘客的乘坐舒適性，成為各城市軌道交通運營部門亟待解決的問題。在國際上，噪聲已經被列為七大環境公害之一，針對軌道交通噪聲輻射規律、產生原因、傳播途徑與控制方法以及對人體的危害等研究也已經展開。

目前我國地鐵的運營速度通常在30～110 km/h，在這一速度區段內，車廂內的噪聲來源主要為輪軌噪聲[1]。輪軌噪聲主要是由于輪軌相互作用產生高頻振動引起的，輪軌表面粗糙度是引起地鐵車內噪聲異常的重要原因。由于地鐵運行密度較大、線路條件比較復雜、列車頻繁啟動及制動等實際狀況，使得各城市的地鐵線路內均出現了嚴重的鋼軌波浪形磨耗(簡稱“鋼軌波磨”)。鋼軌波磨是鋼軌軌頂沿縱向表面出現的具有周期性和波浪形特征的不平順現象。針對地鐵中鋼軌波磨的狀態和車內噪聲輻射問題，國內外學者做了大量的研究。劉維寧 等[2]針對北京地鐵的波磨現象進行了調查研究，發現車內280～400 Hz的異常噪聲主要是由于鋼軌波磨引起的。Zhao et al.[3]研究發現，通過打磨鋼軌可以使地鐵車內噪聲(A計權聲壓級)降低3～4 dB。陳迅 等[4]發現車內噪聲的顯著頻率與波磨通過頻率一致。張凱軒 等[5]通過鋼軌打磨前后的對比，發現打磨后輪軌噪聲顯著頻段幅值明顯降低。陳卓[6]通過現場測試分析，發現波長為25.6～51.2 mm的波磨是地鐵車內噪聲超標的主要原因。郭建強 等[7]對地鐵司機室內的噪聲進行了測量，發現了3個司機室車內噪聲顯著的頻率為295 Hz、359 Hz以及441 Hz，并通過仿真分析得出，隨著鋼軌粗糙度幅值的增加，司機室車內噪聲也隨之增加。

地鐵車內噪聲與鋼軌波磨之間的關系研究也取得了一些收獲，但各城市的軌道結構和車輛運營條件均不同，導致地鐵車內噪聲與鋼軌波磨的關系很難獲得共性結論，因此非常有必要進行研究。本文將針對某既有運營地鐵線路，進行鋼軌波磨與運營車輛車內噪聲的測試和理論仿真分析，通過頻譜分析其二者之間的關系，為城市軌道交通減振降噪和工務養護管理提供理論參考。

1 試驗方法

選取上海某既有運營地鐵線路，分別對其鋼軌波磨情況和運營時的車內噪聲進行測量。圖1所示為維護天窗期內對鋼軌波磨進行測試，利用CAT4波磨小車進行測量，該小車測試精度為1 m 500個點，機械接觸式采集。

對車內噪聲的測試選擇在日常列車的運營過程中。根據GB 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》5.6.2規定[8]，在客室內測量時，傳聲器應置于客室縱軸中部，距地板高度1.2 m的位置。因此分別在車頭、車尾的車廂規定位置處布設了噪聲測量裝置，圖2展示了車內噪聲測點布置情況。測試裝置采用INV3800系列手持聲學測試儀。

圖1 鋼軌波磨測試現場圖

圖2 車內噪聲測點布置示意圖

考慮到實際運營過程中，列車啟動階段和制動階段的主要噪聲源并非輪軌噪聲。相關研究表明，當列車速度超過35 km/h時，車內噪聲的主要來源為輪軌噪聲[9]；而波磨測試區段均在區間中段。因此，車內噪聲測試在列車運行速度達到50 km/h以上時進行。圖3為列車運營時車內噪聲現場測試圖。

圖3 列車運營時車內噪聲現場測試圖

2 測試數據處理

2.1 鋼軌波磨測試數據處理

軌面短波不平順測試數據在里程域(時域)上具有隨機性，通過頻域分析可以更直觀地表現其特征。因此，將測試的鋼軌波磨里程域數據進行水平譜(粗糙度譜)轉換，并采用1/3倍頻程來表現。根據測試區間內鋼軌短波不平順水平譜，引入鋼軌短波不平順水平譜標準(ISO 3095：2005《鐵路應用 聲學 軌道車輛發出的噪聲測量》)作為參考的標準。如果測試鋼軌短波不平順水平譜曲線在標準線下方，則認為該波長段的不平順幅值低于ISO 3095：2005標準的幅值，線路鋼軌狀態良好；反之則認為超過ISO 3095：2005標準的幅值，線路鋼軌狀態惡劣。

2.2 車內噪聲測試數據處理

通過測試得到噪聲的時域曲線和波形，噪聲信號在時域上是離散的，但在頻域上則是周期的，因此通過離散傅里葉變換將噪聲的時域數據轉換為頻域數據，進而繪制出噪聲頻譜圖進行頻譜分析。在進行車內噪聲動態測試之前，先測試列車在靜止條件下的車內背景噪聲，而后對各測試區間分別進行車內噪聲測試。針對地鐵車內噪聲來源多樣的問題，本文結合噪聲疊加原理，考慮到車內噪聲來源復雜，難以達到同方向、同頻率、相位差恒定的干涉條件。因此認為車內噪聲均不相干。根據聲壓級計算公式以及噪聲疊加原理，可得到下列計算公式：

Lp1=10lg(100.1Lp-100.1Lp2)

(1)

式中：Lp1——輪軌噪聲；

Lp2——車內其他來源噪聲；

Lp——車內總聲壓級。

下面結合式(1)對車內所測噪聲數據進行除雜處理。

3 測試結果分析

3.1 鋼軌波磨測試分析

對軌面短波不平順測試數據進行2.1節中所述處理，得到各區段鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜。引入ISO 3095：2005鋼軌短波不平順水平譜標準，本文選取其中2個區段進行分析說明。

圖4為區段1鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜。由圖4可知，該區段左軌具有嚴重的波磨現象，主要在波長31.5 mm和10 mm處出現峰值。而右軌的波磨程度則較輕，僅在波長為10 mm處出現峰值。結合現場調查分析，波長為10 mm的峰值是由于鋼軌接頭所引起[11]，因此該區段主要的波磨波長為31.5 mm左右。圖5為區段2鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜。由圖5可知，該區段左右軌均有較為嚴重的波磨現象，且左軌更加嚴重。主要的峰值出現在波長為200 mm、40 mm和10 mm附近。同樣，波長為10 mm的峰值是由鋼軌接頭引起。故該區段主要的波磨波長為200 mm和40 mm左右。

圖4 區段1鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜

圖5 區段2鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜

按照同樣的處理方法，對其他所測各區段的數據進行分析，統計其波長譜峰值處對應的波長，表1統計了各測試區段鋼軌粗糙度特征波長。

表1 各測試區段鋼軌粗糙度特征波長 mm

由表1可知，測試線路各區段均普遍出現了較為嚴重的波磨現象，而特征波長主要集中在3個范圍內，分別為：160～200 mm、30～50 mm和10 mm左右。

3.2 車內噪聲測試分析

圖6為區段1車內噪聲測試結果，根據GB 14892—2006標準中規定的83 dB車內噪聲限值，由圖6可見，除加速和制動階段，由于列車速度較慢導致車內噪聲較低外，大部分運行時間內車內噪聲均遠超過了噪聲限值。

圖6 區段1車內噪聲測試結果

根據2.2節中所述噪聲數據處理方法，對噪聲的時域信號進行傅里葉變換，轉化為頻域信號，再按公式(1)對各頻段的噪聲進行除雜處理，得到噪聲的頻譜圖。圖7為區段1車內噪聲1/3倍頻程頻譜圖。

圖7 區段1車內噪聲1/3倍頻程頻譜圖

由圖7可見，車內噪聲在100 Hz以下的頻段內無太大差異；在2 000 Hz以上的頻段內，運營中和到站后趨勢基本一致；在100～2 000 Hz的頻段內，運營中的車內噪聲具備一定的特征，尤以800 Hz前后最為顯著。

按照同樣的處理方法對所測各區段噪聲數據進行分析。表2給出了各測試區段車內噪聲顯著頻率。

表2 各測試區段車內噪聲顯著頻率 Hz

由表2可以看出，測試線路各區段的車內噪聲顯著頻率普遍在400～800 Hz。

3.3 車內噪聲異常原因分析

由3.1節和3.2節的分析可知，該線路波磨的特征波長主要集中在3個區段。其中，10 mm波長已被證明為鋼軌接頭導致，不會對車內噪聲產生太大影響。因此，引起車內噪聲異常的特征波長為30～50 mm或160～200 mm。根據公式λ=v/f，結合地鐵實際運營速度，可初步斷定波長為30～50 mm的波磨是引起地鐵車內噪聲異常的主要原因。

為驗證上述結論，本文利用WRNOISE輪軌噪聲預測分析軟件進行仿真測試。該軟件是我國自主開發的主要用于輪軌滾動噪聲預測的軟件，其有效性經過了大量現場試驗結果驗證，完全可以用來分析本文鋼軌波磨引起的輪軌噪聲。WRNOISE輪軌噪聲預測分析軟件通過輸入輪軌粗糙度和所需分析的運行車速等條件，即可得出頻域輪軌相互作用力、車輪與鋼軌聲功率以及ISO 3095：2005標準中規定場點的聲壓值1/3倍頻曲線與A計權聲壓級。針對本文現場測試條件，將測得的區段1實際鋼軌波磨情況輸入仿真軟件，近似認為車輪光滑，定義地鐵運行速度為80 km/h，計算得到了距離輪軌接觸點橫向7.5 m、高1.2 m處(M1點)噪聲特征情況(圖8)。

圖8 WRNOISE輪軌噪聲預測分析軟件

由圖8可知，WRNOISE輪軌噪聲預測分析軟件得到的特征頻率與實際測試所得的顯著頻率基本一致，證明該軟件具備一定的準確性和參考價值。

為進一步驗證引起車內噪聲異常的波磨波長范圍，本文分別設置了無特征波長(ISO 3095：2005標準值)、只有30～50 mm特征波長和只有160～200 mm特征波長的3種軌道粗糙度情況，在其他條件完全相同的情況下，應用WRNOISE輪軌噪聲預測分析軟件依次進行計算，對所得A計權聲壓級進行比較。計算結果如圖9所示。

圖9 WRNOISE輪軌噪聲預測分析軟件計算結果對比

由圖9可知，在只有160～200 mm特征波長的軌道上的A計權聲壓級與無特征波長軌道只差0.03 dB，而只有30～50 mm特征波長的A計權聲壓級超過其他兩組5 dB?？梢?，30～50 mm波長對輪軌噪聲的影響遠遠大于160～200 mm。因此，造成地鐵車內噪聲異常的鋼軌波磨波長主要集中在30～50 mm。

3.4 短波波磨水平與車內噪聲水平關系探究

前面已經證明30～50 mm波長的波磨會引起車內噪聲的異常，且該波長范圍內的波磨波幅越大，車內噪聲越大。為進一步確定二者關系，利用等效連續A聲級作為衡量車內噪聲水平的依據；以各區段30～50 mm范圍內的顯著波長作為衡量對象，以其超過ISO 3095：2005標準的值為該區段短波長波磨水平。

等效連續A聲級(下文用“Leq”代表)，即采用聲能在同一時間段內平均的方法來求得該等效聲級。A計權聲壓級反映了噪聲的客觀強度與頻率這2個因素在人主觀上引起的感受，A計權聲壓級越高，噪聲引起的危害越大。Leq計算公式如下：

(2)

式中：LPA——某時刻t的瞬時噪聲A計權聲壓級，dB；

t——時間，s。

根據上述方法對各區段短波波磨水平和車內噪聲水平進行計算，利用最小二乘法進行兩者的關系擬合，得到二者的對應關系，如圖10所示。

圖10 短波波磨水平與車內噪聲水平關系曲線

擬合關系式為：

Leq=77.131 2e0.010 4x

(3)

式中：x——短波波磨水平，dB。

4 鋼軌短波波磨打磨限值研究

根據前文的研究發現，30～50 mm波長是造成地鐵車內噪聲異常的主要原因。因此，抑制該波長范圍內波磨的發展是控制車內噪聲的直接方法[10]。目前鋼軌打磨是減緩鋼軌波磨最普遍的措施。但由于鋼軌打磨工作量大、效率不高，地鐵公司的人力物力有限，不能及時地對鋼軌進行打磨。而且，頻繁地打磨鋼軌會大大降低鋼軌壽命，增大運營成本。同時，現行工務管理制度沒有對鋼軌打磨限值做出明確規定，因此制定一套合理的鋼軌打磨限值標準是非常有必要的。

在ISO 3095：2005標準中，超過不平順水平標準值6 dB則建議打磨，如圖11所示[12]。在GB 14892—2006標準中規定，地鐵車廂內噪聲限值為83 dB，由于標準中的噪聲限值是在車廂內人員小于4人的情況下測定，而在實際運營期內測試，需考慮乘車人員對噪聲聲壓級的影響，因此將噪聲限值適當提高1～2 dB。

綜上，對30～50 mm短波波磨的打磨限值制定為：

(1) 當車內噪聲小于85 dB時，不平順水平超過標準值的量小于6 dB，鋼軌無需打磨；

(2) 當車內噪聲小于85 dB時，不平順水平超過標準值的量大于6 dB小于9 dB，鋼軌建議打磨；

(3) 當車內噪聲大于85 dB時，不平順水平超過標準值的量大于9 dB，鋼軌需盡快打磨。

以上制定的打磨限值是在地鐵運營期間進行測試時的參照標準。若在空車情況下測試，需對上述噪聲標準適當降低，可參考GB 14892—2006標準。

圖11 ISO 3095：2005標準鋼軌波磨限值

5 結論

本文對某線路不同區段的鋼軌波磨情況、運營期間的車內噪聲情況進行了現場實測分析，經過測試數據處理得到了鋼軌表面粗糙度的1/3倍頻程波長譜、車內噪聲的1/3倍頻程頻譜和等效連續A聲級。通過對比鋼軌短波波磨與車內噪聲的特性，得到了鋼軌短波波磨對車內噪聲的影響水平，并得出了如下結論：

(1) 該線路鋼軌在波長30～50 mm和160～200 mm范圍內的波磨普遍較為嚴重，大部分區段均超過了ISO 3095：2005標準的限值要求。該線路運營期間的車內噪聲也普遍超過了我國規定的限值(83 dB)，且噪聲的顯著頻率為400～800 Hz，尤以630 Hz和800 Hz最為突出。

(2) 波長為30～50 mm的鋼軌短波波磨是引起車內噪聲異常的主要原因，故而控制短波波磨的發展是降低車內噪聲的重要途徑。結合測試和仿真結果，得出了鋼軌短波波磨水平與車內噪聲的等效連續A聲級具有指數型對應關系。

(3) 針對鋼軌短波波磨對車內噪聲的影響，提出了30～50 mm短波波磨打磨限值，當不平順水平超過ISO 3095：2005標準值的量小于6 dB時無需打磨；大于6 dB小于9 dB時建議打磨；超過9 dB時應盡快打磨。