地鐵車輛車內(nèi)噪聲分布規(guī)律

薛紅艷，劉　巖，張曉排，張曉娟，張常賓( .大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧大連608；.大連科技學院機械工程系，遼寧大連605；.大連交通大學教務(wù)處，遼寧大連608）

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地鐵車輛車內(nèi)噪聲分布規(guī)律

薛紅艷1，劉巖1，張曉排1，張曉娟2，張常賓3
( 1.大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧大連116028；2.大連科技學院機械工程系，遼寧大連116052；3.大連交通大學教務(wù)處，遼寧大連116028）

摘要：采用噪聲與振動測試分析系統(tǒng)對地鐵車輛車內(nèi)噪聲進行測試，分析車內(nèi)同一工況不同位置噪聲分布規(guī)律，進行不同速度下各測點聲壓級比較。通過分析得知，車內(nèi)主要噪聲源為輪軌噪聲及車輛附屬設(shè)備噪聲。近地板、通過臺和車門處噪聲比其他測點處聲壓級高2dB(A)～3dB(A)；近車頂處噪聲主要來自空調(diào)機組機械振動產(chǎn)生的噪聲和送風口空氣動力噪聲；當頻率在500 Hz以上的中高頻范圍內(nèi)，聲壓級隨速度增加而增加；車輛運行線路為道岔時，車內(nèi)噪聲值較大，比通過直線時噪聲值高達15dB(A)，比通過曲線時噪聲值高達4dB(A)。該研究結(jié)果對地鐵車輛降噪設(shè)計具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：聲學；地鐵車輛；噪聲；測試；聲壓級；分布規(guī)律

隨著軌道交通工具的迅速發(fā)展，地鐵已作為人們出行必不可少的交通工具之一。它具有準時、便捷、可控性和可靠性強以及節(jié)約城市道路面積等優(yōu)點，但是地鐵也有其本身的缺點，即地鐵車輛噪聲較大。隨著人們生活水平的提高以及環(huán)保意識的增強，對乘坐舒適性提高了要求，對車內(nèi)噪聲越來越關(guān)注。地鐵車內(nèi)噪聲已成為衡量地鐵車輛質(zhì)量的一項重要指標。

1　地鐵車輛車內(nèi)噪聲源種類及產(chǎn)生原因

地鐵車輛車內(nèi)噪聲源主要有：輪軌噪聲、車輛附屬設(shè)備產(chǎn)生的噪聲以及車輛受電弓與接觸網(wǎng)摩擦產(chǎn)生的噪聲。

輪軌噪聲的產(chǎn)生原因主要是由于車輪和鋼軌之間接觸振動引起的。輪軌噪聲主要來自以下三個方面：

（1）由于鋼軌頂面與車輪踏面不均勻磨耗及線路不平順產(chǎn)生的滾動噪聲；

（2）鋼軌接頭、扣件不密貼或部分軌枕失效引起的沖擊噪聲；

（3）車輪通過小半徑曲線時，擠壓外軌發(fā)生摩擦及車輪在鋼軌上滑動而產(chǎn)生的尖嘯噪聲。

車輛附屬設(shè)備噪聲中貢獻量最大的是空調(diào)機運作所產(chǎn)生的噪聲。

2　噪聲測試條件與內(nèi)容

實驗車輛采用DC750V第三軌受電，車輛編組方式為三動三拖，標準B1型車，最高運行速度80 km/h。每輛車每側(cè)設(shè)有4對電動塞拉門，兩個頂置式單冷空調(diào)。牽引電機功率180 kW，供電方式為三軌授電。

線路全長37.48 km，半徑300 m曲線有6條，曲線超高超過120 mm有11處。單開道岔有13處。全線均為地下段，共設(shè)29座車站，1座車輛段。

本次測試采用HEAD acoustics噪聲與振動測試分析系統(tǒng)，主要包括Artemis測量分析軟件、聲學傳聲器以及SQLabII60通道數(shù)據(jù)采集記錄器及前端。依據(jù)《GB/T 3449-2011聲學軌道車輛內(nèi)部噪聲測量》標準[1]和地鐵減振降噪研究需要進行測試布點和數(shù)據(jù)選取，選擇的測試點使車內(nèi)的聲壓級分布具有充分的代表性。在運行線路上地鐵車輛進行往返實驗。

根據(jù)地鐵客車結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向架部分的輔助設(shè)備較多，通過臺處有電器柜和風擋等設(shè)施。測試點的選擇包括車體中央、轉(zhuǎn)向架、車門、車頂?shù)忍?，噪聲測試布點如圖1和表1所示（根據(jù)標準：人的站立高度取1.5m，坐立高度取1.2m）。

圖1　車內(nèi)噪聲測試點布置圖

表1　噪聲測試點布置

3　車內(nèi)噪聲測試結(jié)果及頻譜分析

3.1同一速度下不同測點噪聲頻譜分析

地鐵車輛在隧道內(nèi)運行時，車體本身噪聲和隧道反射聲音通過車體透射到車內(nèi)，使車內(nèi)噪聲增加。在車輛運行過程中，車內(nèi)各測點的噪聲值與車輛結(jié)構(gòu)有關(guān)，圖2為時速50 km/h時各測點聲壓級噪聲頻譜圖。

圖2　50km/h運行工況下各測點噪聲特性頻譜圖

由圖2可知，各測點的噪聲頻帶主要集中在400 Hz至1 000 Hz，輪軌噪聲主要分布在該頻帶[2]，因此得出輪軌噪聲是車內(nèi)主要噪聲。其中，在頻率為630 Hz和800 Hz時，各測試點噪聲值達到峰值。在800 Hz以上中高頻，各測點的噪聲特性曲線趨于一致，是由于中高頻波長短，衰減速度快。

除中高頻噪聲以外，在125 Hz處出現(xiàn)低頻噪聲峰值，由于低于300 Hz時，軌枕噪聲是主要噪聲源[3，4]，即該頻率的主要噪聲是軌枕噪聲。特別是車輛運行線路為小半徑曲線時，由于輪緣與鋼軌緊貼、摩擦等因素引起軌枕振動而輻射噪聲。且曲線半徑越小，相互作用通常越劇烈[5]，所以在建設(shè)線路時要盡量建設(shè)曲線半徑大的路線。

3.2不同速度下各測點測試結(jié)果及頻譜分析

車體振動速度、車輛運行空氣阻力、車輛附屬設(shè)備噪聲及輪軌噪聲等與車輛速度有很大關(guān)系，對不同運行速度下車內(nèi)測點的聲壓級進行對比分析。其中0 km/h代表車輛怠速無加載工況，車輛附屬設(shè)備處于工作狀態(tài)。車內(nèi)各測點在不同速度下的聲壓級如表2所示。

表2　不同速度下各測點的聲壓級單位：dB(A)

由表2可知：在同一測試位置，運行速度為50 km/h較40 km/h、30 km/h測點噪聲值高；在車輛運行過程中，近地板處噪聲值最大，可達77.3dB(A)；其次是近車頂處、靠近車門處噪聲，可達75 dB(A)，比其他各測試點高2dB(A）～4dB(A）。

車內(nèi)噪聲傳播途徑有氣體傳播和固體傳播，轉(zhuǎn)向架處產(chǎn)生的滾動噪聲和尖嘯噪聲，一部分以空氣傳播形式在氣密性不好的部位繞射進入車內(nèi)，增加了車內(nèi)噪聲；另一部分直接經(jīng)車輛地板透射到車內(nèi)或者噪聲使地板振動成為二次固體聲傳入車內(nèi)，增加了車內(nèi)噪聲。由表2可知，近地板處噪聲明顯高于靠近車門處噪聲，因此可判斷近地板處噪聲主要來源是轉(zhuǎn)向架噪聲通過地鐵車輛地板透射到車內(nèi)的噪聲，降噪時應(yīng)首先考慮地板處降噪。

車門和通過臺處是密封的薄弱環(huán)節(jié)，噪聲通過車門縫隙和通過臺風擋連接處繞射進入車內(nèi)，使通過臺處和靠近車門處噪聲比較大。

近車頂處噪聲值與空調(diào)機組有關(guān)，噪聲值達74.7 dB(A),對車內(nèi)噪聲貢獻量也比較大，這是由于列車運行速度增大會使空調(diào)機組內(nèi)部風機壓縮機的機械振動加大而產(chǎn)生噪聲，通過連接結(jié)構(gòu)傳至車內(nèi)，速度增大同時加大空調(diào)機組送風口空氣動力性噪聲，經(jīng)過機組風道柵格傳至車內(nèi)，以致近車頂處的噪聲值比較大。

由圖3—圖6可知，列車運行速度高于40 km/h時，低于500 Hz的中低頻聲壓級受速度影響不明顯，變化趨勢基本趨于一致；當頻率在500 Hz以上的中高頻范圍內(nèi)，隨著速度的增加，聲壓級越來越大，即車輛運行速度對中高頻影響較大。

圖3　不同速度下轉(zhuǎn)向架處頻譜圖

圖4　不同速度下車體中央處頻譜圖

圖5　不同速度下靠近車門處頻譜圖

圖6　不同速度下通過臺處頻譜圖

3.3同一測試位置不同工況的頻譜分析

車輛運行中，會遇到多種工況，如道岔、直線、曲線、上坡、下坡等，工況的不同會使車內(nèi)噪聲值變化很大，本次測試在轉(zhuǎn)向架、車體中央、靠近車門處、通過臺處四個位置進行布點，分析各測點在同一高度同一速度下的道岔（道岔為單開岔道)、直線行駛、曲線行駛(曲線半徑為300 m）三種工況下的頻譜圖，如圖7—圖10所示。

圖7　不同工況下轉(zhuǎn)向架處頻譜圖

圖8　不同工況下車體中央處頻譜圖

圖9　不同工況下靠近車門處頻譜圖

圖10　不同工況下通過臺處頻譜圖

由圖7—圖10可知，在列車運行中，通過臺處的噪聲值最大，其次是靠近車門處噪聲，最小的是車體中央處的噪聲。在列車通過道岔時測得的通過臺處噪聲值最高可達到73.4 dB(A),高于列車通過曲線軌道和直線行駛時的噪聲峰值。通過道岔時的噪聲值比直線行駛時的噪聲值最大相差15 dB(A)，比通過曲線軌道時的噪聲值最大相差4 dB(A)，這是由于列車通過道岔時，輪對與鋼軌之間產(chǎn)生較大的摩擦和撞擊，引起車輛下部沖擊噪聲傳入車內(nèi)，使車內(nèi)噪聲增加。

列車通過道岔和通過曲線軌道時噪聲頻帶分布主要集中在400 Hz～1 000 Hz內(nèi)，該頻帶是輪軌噪聲主要頻帶，這說明車輛運行工況的不同會影響輪軌噪聲的大小，進一步影響車輛車內(nèi)噪聲值；頻率在125 Hz～315 Hz范圍內(nèi)，列車通過曲線軌道時的噪聲值明顯高于其他兩種工況的噪聲值，這是由于車輪通過曲線軌道時，擠壓外軌發(fā)生摩擦及車輪在鋼軌上滑動產(chǎn)生的尖嘯噪聲傳入車內(nèi)，致使噪聲值較大。

列車直線運行時，車內(nèi)各測點的噪聲曲線走勢比較平緩，特別是頻率在800 Hz以上時噪聲頻譜近似一條直線，這是由于運行線路平順，車體振動、輪軌沖擊噪聲以及尖嘯聲都比較小，進而使車內(nèi)環(huán)境比較舒適，所以在建設(shè)線路時在可能的情況下盡量選擇直線線路。

4　結(jié)語

在地鐵車輛車上進行車內(nèi)噪聲測試，通過數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）同一速度下不同位置處各測點噪聲頻帶主要集中在400 Hz～1 000 Hz，即噪聲源主要是輪軌噪聲；

（2）近地板處噪聲值比其他測點的噪聲值高2 dB(A)～3 dB(A)，主要來源于轉(zhuǎn)向架輪軌噪聲，傳播途徑主要是通過地板透射到車內(nèi)，所以降噪時首先考慮地板降噪；

（3）通過臺處和靠近車門處噪聲對車內(nèi)噪聲貢獻量較大，主要來源于車外輻射噪聲，與風擋連接部位和車門的密封性有關(guān)；近車頂處噪聲值與空調(diào)機組有關(guān)；

（4）在中高頻范圍內(nèi)，列車運行速度對車內(nèi)噪聲的影響較大；

（5）車輛運行線路為道岔時，車內(nèi)噪聲值較大，比通過直線軌道時的噪聲值高15 dB(A)，比通過曲線軌道時的噪聲值高4dB(A)。

參考文獻：

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[2] [日]智野貞彌.客車車內(nèi)噪聲[J].國外鐵道車輛，1986 (6)：38-41.

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Distribution Law of the Internal Noise in Metro Cars

XUE Hong-yan1, LIU Yan1, ZHANG Xiao-pai1, ZHANG Xiao-juan2, ZHANG Chang-bin3
( 1. Instituteof Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, Liaoning China; 2. Department of Mechanical Engineering, Dalian Instituteof Scienceand Technology, Dalian 116052, Liaoning China; 3. Department of Educational Administration, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, Liaoning China)

Abstract:The internal noise of Metro cars was measured by a noise and vibration test and analysis system. The internal noisesin different positionsof thecar under thesameoperation condition wereanalyzed. Thesound pressurelevels (SPL) at each measurement point at different speeds were compared mutually. Based on the analysis, it was found that the main noise sources are the wheel-rail noise and vehicle accessories noises. The SPLs near the floor, the gangway and the door were2 dB(A)-3 dB(A) higher than thoseat theother measurement points. Thenoisenear theroof comesmainly from the mechanical vibration of the air handing unit (AHU) and the aerodynamic noise of the air supply outlet. In the high frequency rangeabove500 Hz, the SPL increaseswith theincreasing of speed. When thevehicleistraveling on turnoff, the interior noisevalueis15 dB(A) higher than that traveling on straight track and 4 dB(A) higher than that traveling on curved track. Theresultsof thestudy haveacertainreferencevaluefor thesubway vehiclenoisereductiondesign.

Key words:acoustics; subway car; noise; measurement; SPL; distributionlaw

通訊作者：劉巖，男，博士生導師。E-mail:ly@djtu.edu.cn

作者簡介：薛紅艷（1990-），女，山東聊城市人，碩士生，主要研究方向為噪聲與振動控制。E-mail:389629227@qq.com

收稿日期：2015-09-29

文章編號：1006-1355(2016)02-0126-04

中圖分類號：U270.1+. 6

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.028