地鐵列車車內噪聲特性試驗分析

張 勇，解建坤，肖 飛

（1 南京地鐵建設有限責任公司，南京 210017；2 中車南京浦鎮車輛有限公司，南京 210031）

城市軌道交通在我國經歷了10 多年的大力發展，現已逐步成為國民出行的主要工具，加強了城市間的交流。然而，在城市軌道交通運輸普及的同時，其噪聲問題也越來越受到人們的關注，并直接影響到司乘人員的乘坐體驗［1-5］。近些年，地鐵車輛運營速度等級不斷提升，關于地鐵噪聲問題的投訴也不斷增多，不利于我國市域軌道交通的快速發展。因此，我國相關業內人員對軌道車輛車內噪聲特性開展了大量的研究。

我國對高速列車噪聲和地鐵噪聲開展了較多的研究。朱妍妍等通過北京地鐵某線路的車外噪聲試驗研究，掌握了車輛輻射噪聲及衰減特性。結果表明，車輛輻射噪聲在水平方向上的衰減特性趨向于點聲源衰減特性，其主頻在400～4 000 Hz頻段內［6］。張捷等基于現場測試，對高速列車車內客室端部噪聲分布特性進行分析研究，建議通過改變車內空腔的聲學邊界條件，在一定程度上減小由于聲固耦合引起的客室端部異常噪聲［7］。張駿等針對250 km/h 動車組車內噪聲問題，使用試驗和仿真相結合的方法，對車內聲源特性及其貢獻量進行分析。結果表明，250 km/h 動車組的客室端部噪聲源主要是輪軌噪聲，其次為氣動噪聲［8］。

上述研究主要針對高速動車組車內噪聲特性，而對地鐵列車研究較少。故文中以某120 km/h速度等級的B 型地鐵列車為研究對象，對其車內噪聲開展振動噪聲與聲源識別測試，并對車內噪聲特性及聲振傳遞特性進行分析。

1 車內噪聲特性分析

地鐵列車運行時，受到輪軌表面不平順等因素的影響，會產生強烈的輪軌噪聲。同時，由于空氣動力學作用，會產生氣動噪聲。輪軌噪聲和氣動噪聲激勵車體壁板，引起車體壁板振動并向車內輻射噪聲。另外，轉向架的振動也會傳遞至車體，使之產生振動輻射噪聲。車內噪聲的水平和特征是直接影響車內司乘人員的乘坐舒適度的，也是我們研究地鐵列車噪聲的重點內容和重要指標。

將地鐵列車的車廂分為5 個區域，分別為司機室區域、客室前區域、客室中區域、客室后區域和貫通道區域。在每個區域的車體縱向中心線上距離地板面1.2 m 高度處布置噪聲測點，如圖1 所示，圖中紅色標記表示噪聲傳感器位置，共計5 個噪聲傳感器。噪聲測試的現場照片如圖2 所示。

圖1 車內噪聲測點（示意圖）

圖2 車內噪聲測試現場

通過在地鐵列車車廂內各個區域布置噪聲傳感器，測試列車運行時的車內噪聲。

地鐵列車由于往返于相鄰的城市以及之間的區縣，距離短且站點較多，因此地鐵列車的運行速度遠不如高速列車，其速度一般在60～120 km/h。列 車分 別以 速 度60、80、100、120 km/h 勻 速運 行時，車內各個區域噪聲水平如圖3 所示。

圖3 車內噪聲水平

由圖3 可知，車內司機室噪聲最小、貫通道噪聲最大，客室后端部噪聲明顯高于客室前和客室中，差值約2 dBA 左右。這說明車內噪聲顯著的區域是貫通道區域，貫通道隔聲性能薄弱會導致其噪聲顯著，并且還會傳遞至車輛端部。列車運行速度每增加20 km/h，車內噪聲增大1～3 dBA，且速度越高，車內噪聲的相對增加值則越大。

以噪聲最顯著的貫通道區域為例，給出了靜置狀態下和以不同速度運行下的噪聲1/3 倍頻程譜如圖4 所示。圖4 中，橫坐標為1/3 倍頻程中心頻率，縱坐標為聲壓級。其余區域的噪聲1/3 頻譜特性和貫通道區域類似，故不在此處給出。

圖4 貫通道區域噪聲頻譜

由圖4 可知，靜置狀態下，車內噪聲中高頻寬頻特征明顯，主要能量集中在中心頻率為100～4 000 Hz 的1/3 倍頻帶；列車分別以速度60、80、100、120 km/h 勻速運行時，車內噪聲頻譜規律相似，主要能量集中在中心頻率為500～1 000 Hz 的1/3 倍頻帶，其中在中心頻率為630、800 Hz 的1/3倍頻帶內尤為顯著。

2 噪聲源識別

明確車內噪聲水平及特征后，還需要識別其噪聲來源，進而獲得車內噪聲形成機理，提出切實有效的改善措施。

聲源識別通常采用基于平面波聲源模型和波束形成的球形陣列聲源識別方法。這是一種球諧函數聲場分解與重構，快速實現全方位識別和聲源可視化的一種聲源識別方法。文中運用B&K 公司制造的剛性球形陣列系統進行車內聲源識別（頻率范圍100 Hz～12 kHz），其構成主要包括50 個傳聲器以及12 個攝像頭，如圖5 所示。

圖5 聲源識別測試

列車以120 km/h 速度勻速運行時，客室后端聲源識別結果如圖6 所示，云圖結果以動態范圍3 dBA 的形式給出。其中圖6（a）為全頻段（50 Hz～5 kHz）A 計權聲壓云圖。圖6（b）和圖6（c）分別為客室后端顯著頻段630 Hz 和800 Hz 頻段內的聲源識別結果。由圖可見，客室后端無論是全頻段（50 Hz～5 kHz）噪聲還是顯著頻段噪聲，均主要來源于左右兩側車門的下部區域，與車門下部的隔聲和密封有關。因此，在對地鐵列車車內噪聲進行降噪優化時，一方面需要重點關注列車車門的隔聲性能，另一方面車門和車體連接處的密封性也需要得到保障，避免輪軌噪聲和氣動噪聲通過縫隙泄漏至車內。

圖6 聲源識別結果

3 轉向架區域振動噪聲傳遞特性分析

如前文所述，轉向架區域的振動噪聲是車內噪聲的主要來源。在列車一位轉向架軸箱、構架、車體外地板，二位轉向架軸箱、構架、車體外地板、齒輪箱、牽引電機等位置布置振動測點，在一位轉向架車輪區域、二位轉向架車輪區域、二位轉向架牽引電機區域布置噪聲測點，具體如圖7 所示。圖中，紅色標記表示噪聲測點，藍色標記表示振動測點。

圖7 振動噪聲測點示意圖

列車在高架區間以速度120 km/h 勻速運行時，一位轉向架區域、二位轉向架區域噪聲與車內噪聲的對比頻譜如圖8 所示。

圖8 轉向架區域噪聲傳遞特性

由圖8 可知，列車在高架區間運行時，無論客室前端或客室后端，車內噪聲均在400～450 Hz 和680～720 Hz 這2 個頻率范圍內存在局部峰值，峰值頻率分別為430 Hz 和710 Hz 左右，而一位轉向架區域和二位轉向架區域噪聲同樣在上述2 個頻率范圍內存在局部峰值。客室端部噪聲和轉向架區域噪聲在頻譜分布上規律一致，轉向架區域噪聲對客室端部噪聲存在明顯貢獻。

列車在高架區間以速度120 km/h 勻速運行時，一位轉向架區域和二位轉向架區域振動與車內噪聲的頻譜特性對比如圖9 所示。

由圖9 可知，列車在高架區間運行時，車內噪聲在400～450 Hz 和680～720 Hz 頻率范圍內存在局部峰值，一位轉向架區域和二位轉向架區域的振動同樣在上述2 個頻率范圍存在局部峰值。雖然經過一系減振、二系減振之后輪軌振動傳遞至車體的能量已有大幅衰減，但是車體在400～450 Hz和680～720 Hz 頻率范圍內的局部峰值依舊明顯。因此，輪軌振動傳遞和輪軌噪聲一樣，對車內噪聲具有重要貢獻。控制車內400～450 Hz 和680～720 Hz 頻率范圍的噪聲，從聲源處需要控制輪軌振動噪聲，從路徑上則需要提高車體隔聲、降低車體振動。

圖9 轉向架區域振動傳遞特性

4 結 論

以某120 km/h 速度等級的B 型地鐵為研究對象，對其車內噪聲開展振動噪聲與聲源識別測試，并對其車內噪聲特性及聲振傳遞特性關系進行分析，得到以下結論：

（1）車輛運行時，車內司機室噪聲最小、貫通道噪聲最大，客室后端部噪聲明顯高于客室前和客室中，差值約2 dBA 左右。

（2）列車運行速度每增加20 km/h，車內噪聲增大1～3 dBA，且速度越高，車內噪聲的相對增加值則越大。

（3）客室后端無論是全頻段（50 Hz～5 kHz）噪聲還是顯著頻段噪聲，均主要來源于左右兩側車門的下部區域。因此，在對地鐵列車車內噪聲進行降噪優化時，需要重點關注列車車門的隔聲特性及密封性。

（4）轉向架區域振動噪聲在400～450 Hz 和680～720 Hz 這2 個頻率范圍對客室端部噪聲貢獻明顯。控制輪軌振動噪聲，提高車體隔聲、降低車體振動是客室端部噪聲控制的關鍵。