軌道交通列車不同運行速度下噪聲特性對比研究

孫維娜，李 莉，羅雁云

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海， 201804）

軌道交通列車不同運行速度下噪聲特性對比研究

孫維娜，李 莉，羅雁云

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海， 201804）

為了研究軌道交通列車不同運行速度狀態(tài)下的噪聲水平，利用同濟(jì)大學(xué)軌道交通綜合試驗線對軌道交通列車運行時輻射噪聲進(jìn)行測試與分析，得出各監(jiān)測點在不同運行速度下的噪聲強度和頻譜特性。結(jié)果表明：在車速小于47 km·h-1范圍內(nèi)，隨著列車速度的增加，各監(jiān)測點噪聲值不斷增大，基本呈線性增長；在4種不同車速工況下，距離噪聲源越近，高度越高，噪聲值越大；相反，距離噪聲源越遠(yuǎn)，高度越低，噪聲值越小。在不同運行速度下，各測點的主峰頻率都在800 Hz左右，而噪聲能量的主要分布范圍隨車速的提高而有規(guī)律地變化，隨著行駛速度的提高，噪聲能量的主要分布范圍逐漸向800 Hz主峰頻率趨近。研究結(jié)果可為軌道交通噪聲措施的制定及噪聲預(yù)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。

軌道交通；速度；噪聲；頻譜特性

近年來，軌道交通以其諸多優(yōu)勢正在我國以前所未有的速度發(fā)展。高速鐵路、地鐵及輕軌等的大規(guī)模建設(shè)不僅在很大程度上滿足了出行需求，緩解交通壓力，解決城市交通擁堵等問題，同時帶動了城鄉(xiāng)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，減少污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。但軌道交通系統(tǒng)在為人們提供諸多便利的同時，也不可避免地帶來了振動及噪聲等問題［1-2］。由于列車運行時噪聲輻射具有復(fù)雜性的特點，因此，用一個簡單的模型近似其輻射特性比較困難，這使得利用數(shù)值方法計算列車噪聲的輻射情況帶來一定的難度。所以，通過試驗方法獲取列車噪聲特性的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，對于進(jìn)一步分析其輻射特性是一項必要且有意義的工作。

本文在同濟(jì)大學(xué)軌道交通綜合試驗線上，使用與實際運行中相同的列車進(jìn)行地面段不同速度下的噪聲現(xiàn)場試驗，了解并分析軌道交通列車低速狀態(tài)運行時不同速度的輻射噪聲特性，研究結(jié)果將對于軌道交通管理部門采取既經(jīng)濟(jì)又高效地降噪措施以及噪聲預(yù)測具有一定的參考價值。

1 軌道交通列車噪聲源與傳播衰減特性

1.1 列車噪聲源

大量研究結(jié)果表明［3-5］，城市軌道交通噪聲源主要來自于4個方面：輪軌系統(tǒng)噪聲、動力系統(tǒng)噪聲、車廂的空氣動力噪聲和橋梁結(jié)構(gòu)的二次振動噪聲。輪軌噪聲分為3種主要類型：滾動噪聲、撞擊噪聲和尖叫噪聲。其中，在不同速度行駛下，又以滾動噪聲為主要的鐵路噪聲輻射來源［6］。動力系統(tǒng)噪聲包括牽引設(shè)備噪聲和輔助設(shè)備噪聲（如發(fā)動機、壓縮機及通風(fēng)、空調(diào)設(shè)備引起的噪聲）。城市軌道交通的主要噪聲源隨著列車運行速度的變化而變化，如表1［4］。

1.2 列車噪聲傳播衰減特性

列車輻射衰減主要由聲源的類別（點聲源或線聲源）以及聲源輻射特性決定。根據(jù)湯峰［7］對上海軌道交通明珠線地面段30 m范圍內(nèi)近軌和遠(yuǎn)軌分別進(jìn)行的噪聲實地測試，軌道交通列車運行時并未呈線聲源衰減特性，而是更接近點聲源的聲衰減規(guī)律，即距離加倍噪聲級衰減約5 dBA（A計權(quán)聲壓級）；國外研究表明［8］，由于城市軌道交通列車噪聲的影響范圍大約在400 m以內(nèi)甚至更少，所以認(rèn)為空氣吸收對噪聲衰減影響不大，可以忽略不計；當(dāng)聲波沿地面?zhèn)鞑ポ^長距離時，由于地面聲阻抗對聲波傳播具有很大影響，尤其當(dāng)?shù)孛娼咏曅曰蜍涃|(zhì)時，如新耕田或植被覆蓋的地區(qū)，使得噪聲級衰減進(jìn)一步加大。一般在較近的距離，如30～50 m以內(nèi)，此衰減可以忽略，在70 m以上，可以考慮以單位距離衰減的dB（聲壓級）數(shù)來表示［9］。同時，在較大范圍內(nèi)，風(fēng)和溫度梯度可以改變地面吸收衰減量；聲傳播路徑上由于經(jīng)常有聲屏障、地形、成排的建筑物或植被等因素而被阻斷。其中，聲屏障通常是降低噪聲敏感區(qū)域最有效的手段，一般對于典型的交通系統(tǒng)噪聲，在接受點處可降低5～15 dBA［8］。聲波在空氣中傳播，遇到聲屏障后將產(chǎn)生反射、透射和衍射等現(xiàn)象。聲屏障的作用是阻止直達(dá)聲的傳播，隔離透射聲，并使衍射聲有足夠的衰減。聲屏障后面將形成“聲影區(qū)”，在“聲影區(qū)”內(nèi)噪聲有明顯的下降，最終達(dá)到降低噪聲的目的［10］。聲屏障的降噪效果取決于聲源、接收點的高度、聲屏障高度和長度以及聲源和接收點之間的距離。聲屏障衰減量與噪聲入射波的頻率特性也有一定的關(guān)系，當(dāng)其他因素都相同時，噪聲頻率越高，聲屏障衰減量越大［11］。

表1 主噪聲源與速度的關(guān)系Tab.1 The relationship between the main noise source and speed

2 軌道交通列車噪聲測試

試驗地點位于同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)軌道綜合交通試驗線，試驗內(nèi)容為對不同車速下列車輻射的噪聲進(jìn)行監(jiān)測，對各監(jiān)測點噪聲的強度和頻譜特性進(jìn)行分析和比較。

2.1 試驗條件

試驗線路為直線線路、線路長度為1.2 km、Ⅱ型混凝土枕碎石道床，標(biāo)準(zhǔn)軌距1 435 mm，A型車。

2.2 測點布置

參考《聲學(xué)鐵路機車車輛輻射噪聲測量》（GB/T 5111-1995）和《鐵路邊界噪聲限制及其測量方法》

（GBl2525—1990），在距離軌道中心線7.5 m，15 m，20 m處分別布置距地面高為1.5 m，3 m共6個監(jiān)測點，同時在近軌外側(cè)1.5 m，高0.9 m處布置一監(jiān)測點用于監(jiān)測輪軌噪聲。測點布置見圖1。

圖1 測點布置圖Fig.1 Layout diagram of measuring points

2.3 測試儀器

噪聲試驗數(shù)據(jù)采集使用丹麥B&K的PULSE Lab—shop聲學(xué)測量系統(tǒng)平臺，主要由B&K的4190聲傳感器、PULSE Type 3560C數(shù)據(jù)采集記錄儀和筆記本電腦組成。測試前，使用B&K的4231聲級校準(zhǔn)器對每個聲傳感器進(jìn)行聲學(xué)校準(zhǔn)。同時，采用測速儀，用于測量列車通過測試斷面時的運行速度。儀器在測量前均進(jìn)行校正，滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 測試方法

參考《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》（GBl2525—1990）中的規(guī)定進(jìn)行測量。試驗前首先測量各監(jiān)測點的背景噪聲值，隨后列車分別以20，30，40及50 km·h-1四種平均速度通過測試斷面，規(guī)定從車頭到達(dá)測試斷面至車尾離開測試斷面這段時間內(nèi)為測量的積分時間。利用采集設(shè)備對噪聲進(jìn)行采樣，各車速工況下均測試3次，得到噪聲樣本后根據(jù)試驗需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

3 測試結(jié)果對比及分析

3.1 各測點在不同速度下的等效連續(xù)A聲級對比分析

各監(jiān)測點背景噪聲值見表2，可見背景噪聲值均比各試驗工況下（見圖2）的噪聲低10 dBA以上。根據(jù)《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》（GBl2525—1990）中背景值修正的要求，背景噪聲對試驗結(jié)果不構(gòu)成影響，所以無需進(jìn)行修正。

表2 監(jiān)測點背景噪聲值Tab.2 Background noise level of each monitoring points

圖2是測點在不同運行速度下的等效連續(xù)A聲級。列車實際通過速度分別為23，31，37及47 km·h-1。

由圖2可得以下結(jié)論：

1）在4種不同車速工況下，距離噪聲源越近，高度越高，噪聲值越大；相反，距離噪聲源越遠(yuǎn)，高度越低，噪聲值越小。當(dāng)車速為47 km·h-1時，測點1處噪聲值最大，為85.9 dBA，測點3處噪聲值最小，為75.9 dBA；當(dāng)車速為37 km·h-1時，測點1處噪聲值最大，為82.9 dBA，測點3處噪聲值最小，為73.1 dBA；當(dāng)車速為31 km·h-1時，測點1處噪聲值最大，為81 dBA，測點3處噪聲值最小，為70.8 dBA；當(dāng)車速為23 km·h-1時，測點1處噪聲值最大，為76.5 dBA，測點3處噪聲值最小，為66.5 dBA。

2）在車速小于47 km·h-1范圍內(nèi)，隨著列車速度的增加，各監(jiān)測點噪聲值不斷增大，基本呈線性增長。如測點1，當(dāng)車速為23 km·h-1時，為74.3 dBA，當(dāng)車速為31 km·h-1時，為78.6 dBA，當(dāng)車速為37 km·h-1時，為80.6 dBA，當(dāng)車速為47 km·h-1時，為83.5 dBA。

3）當(dāng)車速從23 km·h-1提升大約一倍至47 km·h-1時，各監(jiān)測點的噪聲值都有顯著的增大，測點1升高了9.2 dBA，測點2升高了10 dBA，測點3升高了9.4 dBA，測點4升高了9.4 dBA，測點5升高了9.7 dBA，測點6升高了8.8 dBA，升高范圍在8.8～10 dBA之間。

圖2 各測點在不同運行速度下的等效連續(xù)A聲級Fig.2 The equivalent noise A level of each monitoring point at different speeds

圖3 測點1在不同運行速度下的1/3倍頻程頻譜圖Fig.3 The 1/3 octave spectrum diagram of Point 1 at different speeds

4）根據(jù)有關(guān)“我國城市軌道交通環(huán)境噪聲限值（建議）”的研究結(jié)果，晝間的噪聲限值為70 dBA［12］，由上圖可知當(dāng)列車速度大于31 km·h-1時，各監(jiān)測點的噪聲值均已大于70 dBA。因此，當(dāng)列車行駛速度大于31 km·h-1時應(yīng)采取相關(guān)的措施降低噪聲對沿線居民的影響。

3.2 各測點在不同速度下1/3倍頻譜特性分析

1）測點1（距離軌道中心線7.5 m，高1.5 m）。從圖3中可以看出不同運行速度下1/3倍頻程譜波形相似且主峰頻率都為800 Hz，主峰值按行駛速度由低到高分別為65.2，70.1，74.1和78.1 dBA。根據(jù)獨立聲源疊加原理，定義頻率聲壓級最大值以下10 dB范圍內(nèi)的頻率區(qū)域為噪聲顯著頻段［13］。隨著列車速度的增加噪聲級也相應(yīng)增大，在整個頻譜范圍內(nèi)，不同行駛速度下噪聲能量主要分布范圍見表3。

表3 不同運行速度下測點1噪聲能量主要分布頻率范圍Tab.3 The main distribution frequency range of noise energy of Point 1 at different speeds

2）測點2～測點6。表4給出了測點2至測點6在不同運行速度下的主峰頻率、主峰值及噪聲能量主要分布頻率范圍。

表4 不同運行速度下測點2～6主峰頻率、主峰值及噪聲能量主要分布頻率范圍Tab.4 The first peak frequency,value and the main distribution frequency range of noise energy of Point 2 to 6 at different speeds

由上述各監(jiān)測點分析可得：

1）當(dāng)車速為23 km·h-1時，噪聲能量主要集中在125～3 150 Hz，當(dāng)車速為31 km·h-1時，噪聲能量主要集中在160～2 500 Hz，當(dāng)車速為37 km·h-1時，噪聲能量主要集中在200～2 000 Hz，當(dāng)車速為47 km·h-1時，噪聲能量主要集中在400～2 000 Hz。

2）在整個頻譜范圍內(nèi)，隨著車輛速度提高噪聲級增大，不同行駛速度下各測點1/3倍頻程譜分布規(guī)律相似，各測點的主峰頻率都在800 Hz左右，而噪聲能量的主要分布范圍卻隨車速提高而有規(guī)律地變化，噪聲主要能量分布范圍的最低中心頻率有上升的趨勢，最高中心頻率有下降的趨勢（如圖4所示），即噪聲能量的主要分布范圍逐漸向800 Hz主峰頻率趨近。

圖4 不同運行速度下的最低和最高中心頻率Fig.4 The lowest and highest central frequency at different speeds

4 結(jié)論

對同濟(jì)大學(xué)軌道交通綜合試驗線列車進(jìn)行現(xiàn)場噪聲測試，分析列車不同運行速度下各監(jiān)測點的噪聲特性，得到以下結(jié)論：

1）在4種不同車速工況下，距離噪聲源越近，高度越高，噪聲值越大；相反，距離噪聲源越遠(yuǎn)，高度越低，噪聲值越小。當(dāng)車速為47 km·h-1時，距離軌道中心線7.5 m，高3 m處的聲壓級最高，為85.9 dBA；當(dāng)車速為23 km·h-1時，距離軌道中心線20 m，高1.5 m處的聲壓級最低，為66.5 dBA。

2）在車速小于47 km·h-1范圍內(nèi)，隨著列車速度的增加，各監(jiān)測點噪聲值不斷增大，基本呈線性增長。當(dāng)車速從23 km·h-1提升大約一倍至47 km·h-1時，各監(jiān)測點的噪聲值都有顯著的增大，升高范圍在8.8～10 dBA。

3）按行駛速度由低到高，噪聲能量分別主要集中在125～3 150 Hz，160～2 500 Hz，200～2 000 Hz以及400～2 000 Hz。

4）在整個頻譜范圍內(nèi)，隨著車輛速度提高噪聲級增大，不同行駛速度下各測點1/3倍頻程譜分布規(guī)律相似，各測點的主峰頻率都在800 Hz左右，而噪聲能量的主要分布范圍隨車速的提高而有規(guī)律地變化，隨著行駛速度的提高，噪聲能量的主要分布范圍逐漸向800 Hz主峰頻率趨近。

本文研究結(jié)果可為軌道交通噪聲預(yù)測提供基礎(chǔ)性參考數(shù)據(jù)，建議軌道交通管理部門在線路兩側(cè)設(shè)置聲屏障降低列車運行所產(chǎn)生的噪聲時，為提高聲屏障的降噪效果，應(yīng)根據(jù)列車不同工況下輻射噪聲的強度和頻率特性不同分段進(jìn)行降噪設(shè)計，有關(guān)聲屏障的幾何和聲學(xué)參數(shù)應(yīng)根據(jù)不同路段的噪聲特性綜合考慮后選擇確定。

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Comparative Study on Noise Characteristics of Rail Traffic Vehicles at Different Speeds

Sun Weina,Li Li,Luo Yanyun
(Institute of Railway and Urban Mass Transit,Tongji University,Shanghai 201804,China)

Based on the test and analysis of the rail traffic noise produced by the vehicles running on the testing line in Tongji University,this paper studies noise levels of rail traffic vehicles in different conditions,and the noise intensity and spectrum characteristics are recorded accordingly.The results indicate that the noise value at each monitoring point increases instantly as the velocity of the vehicle climbs up when the speed is below 47km/h,and it almost tends to be a linear increase,specifically,in spite of the four different conditions of vehicle speed,the noise value increases unanimously as the distance between the monitoring point and the noise producer decreases and the height increases,and vice versa.At different speeds,all the peak frequencies from each monitoring point are around 800 Hz while the main range of the noise energy varies regularly as the vehicle speed changes,that is,the main range of the noise energy approaches 800 Hz gradually with the increasing speed of the vehicle.The re?sults may provide the statistical and scientific basis for the measures of controlling the rail traffic noise and its pre?diction.

rail traffic;speed;noise;spectrum characteristics

U239.5

A

1005-0523（2014）02-0032-05

2013-11-21

國家科技支撐計劃（2009BAG11B02）；中央高?？蒲谢痦椖浚ㄍ瑵?jì)大學(xué)2860219025）作者簡介：孫維娜（1990—），女，碩士研究生，從事鐵路噪聲與振動控制方面的研究；羅雁云（1960—），男，教授，博導(dǎo)，研究方作者簡介：向為鐵路軌道工程。