城市軌道交通噪聲測試分析

許平洋 陳 雷 夏小東

(長沙市軌道交通運(yùn)營有限公司,410075,長沙∥第一作者,副總經(jīng)理)

城市軌道交通噪聲測試分析

許平洋 陳 雷 夏小東

(長沙市軌道交通運(yùn)營有限公司,410075,長沙∥第一作者,副總經(jīng)理)

從噪聲原理、國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)噪聲源進(jìn)行了闡述,結(jié)合長沙市軌道交通2號(hào)線列車司機(jī)室內(nèi)噪聲振動(dòng)測試情況,利用CALIPRI輪軌外形檢測儀對(duì)輪軌進(jìn)行檢查,并通過Matlab軟件對(duì)列車1軸左輪建立輪軌振動(dòng)模型進(jìn)行振動(dòng)頻譜分析。結(jié)果表明,當(dāng)列車以80 km/h速度級(jí)運(yùn)行時(shí),輪對(duì)周向磨損和軌道波磨是造成司機(jī)室噪聲增大的主要原因;車輪形狀發(fā)生改變是引起輪軌滾動(dòng)噪聲和鋼軌振動(dòng)噪聲的直接原因。

城市軌道交通; 軌道; 車輛; 噪聲

Author′s address Changsha Rail Transit Operation Co.,Ltd.,410075,Changsha,China

隨著我國城市化進(jìn)程的加快,城市軌道交通以其舒適、安全、正點(diǎn)及快捷等特點(diǎn)受到人們的青睞。但是地鐵內(nèi)噪聲過大將影響司機(jī)以及乘客的舒適度。因此地鐵車內(nèi)噪聲控制成為城市軌道交通中亟待解決的重要課題之一。為此,本文從噪聲原理及國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)噪聲源進(jìn)行了分析,結(jié)合長沙市軌道交通2號(hào)線噪聲情況,通過噪聲振動(dòng)測試、輪軌檢查,以及利用Matlab仿真,得到長沙軌道交通2號(hào)線列車噪聲的主要來源。

1 車輛噪聲的形成機(jī)理

1.1 噪聲源

列車在運(yùn)行過程中產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,主要的噪聲源有輪軌噪聲、牽引及制動(dòng)系統(tǒng)和車下懸掛電氣設(shè)備噪聲及其他噪聲等(見圖1)。

圖1 列車運(yùn)行噪聲源分析

(1) 輪軌噪聲可以分為滾動(dòng)噪聲、沖擊噪聲、尖嘯噪聲、鋼軌振動(dòng)噪聲及道床振動(dòng)噪聲。

(2) 牽引、制動(dòng)系統(tǒng)和車下懸掛電氣設(shè)備噪聲包括:①主逆變器、輔助逆變器、制動(dòng)電阻的冷卻風(fēng)機(jī)噪聲;②牽引電機(jī)、齒輪箱高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲;③電磁噪聲;④制動(dòng)噪聲。

(3) 其他噪聲主要有車頂空調(diào)噪聲、弓網(wǎng)摩擦噪聲及氣動(dòng)噪聲等。

1.2 噪聲傳播途徑

地鐵運(yùn)行中,噪聲通過固體和空氣進(jìn)行傳播。因此車內(nèi)噪聲可分為固體聲和空氣聲兩大類。一種形式的固體聲指從設(shè)備及輪軌等噪聲源發(fā)出的噪聲,以振動(dòng)形式傳播到車體構(gòu)架等處,從而在車體內(nèi)部振動(dòng),產(chǎn)生一次固體傳播噪聲;另一種形式的固體聲是從噪聲源以放射狀發(fā)出的噪聲,利用空氣為媒介,傳播到車體側(cè)墻、地板等處,使上下墻板、車內(nèi)地板、車窗等振動(dòng),從而使車體內(nèi)部空氣振動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生二次固體傳播噪聲。隨不同頻率成分變化,固體傳播和空氣傳播噪聲能量的比例因車體結(jié)構(gòu)而有所差別?？諝饴暿窃肼曉窗l(fā)出的噪聲以空氣為媒介,從車窗、車體的縫隙傳播到車內(nèi)[1]。

1.3 噪聲主要影響因素

1.3.1 速度的影響

城市軌道交通噪聲由牽引噪聲、輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲組成。按照牽引噪聲、輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲占主導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的行駛速度稱之為聲學(xué)轉(zhuǎn)換速度,且該轉(zhuǎn)換速度與列車和軌道的狀態(tài)以及減振措施等有關(guān)。列車速度對(duì)各主要噪聲源的影響基本遵從圖2的規(guī)律[2]:當(dāng)列車以小于35 km/h速度行進(jìn)時(shí),噪聲主要來源于牽引動(dòng)力噪聲;當(dāng)列車以35～250 km/h運(yùn)行時(shí),輪軌噪聲是主要噪聲來源;當(dāng)列車運(yùn)行速度大于250 km/h時(shí),氣動(dòng)噪聲逐漸突顯出來。

圖2 列車運(yùn)行噪聲源及速度分區(qū)

1.3.2 輪軌關(guān)系及軌道的影響

輪軌關(guān)系及軌道狀態(tài)是的影響噪聲大小的主要因素[3]。其基本模型是典型的二階或高階非線性系統(tǒng),物理模型較為復(fù)雜。學(xué)術(shù)界雖對(duì)此有相當(dāng)多的研究,但受限于數(shù)據(jù)獲取的不便利性及具體情況的差異性和復(fù)雜性,往往難以準(zhǔn)確定位和實(shí)施緩解措施。輪軌關(guān)系及軌道對(duì)噪聲的影響見圖3。

影響車輛輪軌噪聲的因素很多,如：鋼軌類型、軌枕墊剛度、軌枕墊損耗因子、軌枕類型、軌枕間距、道碴剛度、道碴損耗因子、車輪偏差、鋼軌偏差、車輪粗糙度、非規(guī)則鋼軌粗糙度、列車速度、軸重及環(huán)境溫度等。其中，車輪粗糙度、軌枕剛度、軌枕類型及鋼軌粗糙度等因素對(duì)噪聲影響都很明顯。軌道對(duì)噪聲影響最大,因此,軌道在整個(gè)項(xiàng)目噪聲控制中也起主要作用。

圖3 輪軌關(guān)系及軌道對(duì)噪聲的影響

1.3.3 運(yùn)行環(huán)境的影響

車輛在地面上行駛,一般沒有周圍障礙物時(shí)運(yùn)行環(huán)境近似為半自由聲場;車輛在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí),運(yùn)行環(huán)境近似為混響聲場。隧道運(yùn)行比地面運(yùn)行時(shí)的噪聲大。根據(jù)城市軌道交通列車國家噪聲標(biāo)準(zhǔn),司機(jī)室噪聲在隧道內(nèi)比在隧道外允許增加5～9 dB (A)。

2 噪聲控制的國家標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)針對(duì)城市軌道交通列車制造和運(yùn)營的噪聲控制主要遵從兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn):ISO 3381—2005 《聲學(xué)-軌道機(jī)車車輛內(nèi)部噪聲測量》,ISO 3095—2005 《聲學(xué)-鐵路車輛輻射噪聲的測量》。噪聲控制的國家標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 噪聲控制的國家標(biāo)準(zhǔn)

3 長沙軌道交通2號(hào)線噪聲狀態(tài)

長沙軌道交通2號(hào)線列車采用中國中車株洲電力機(jī)車有限公司生產(chǎn)的B型車,每列為6節(jié)編組。隨著列車運(yùn)行時(shí)間和公里數(shù)的增加,在2號(hào)線經(jīng)過人民東路至長沙大道區(qū)間(簡為人長區(qū)間)時(shí)司機(jī)室內(nèi)噪聲問題逐漸凸顯。因此在人長區(qū)間對(duì)2號(hào)線列車進(jìn)行了噪聲測試研究。

3.1 噪聲測點(diǎn)布置

(1) 車外測點(diǎn)布置。傳感器放置在距軌道中心水平距離7.5 m處的列車司機(jī)室外側(cè),分別設(shè)置距軌面高為1.2 m的測點(diǎn)a和距軌面高為3.5 m的測點(diǎn)b(見圖4)。

(2) 車內(nèi)測點(diǎn)布置。在列車司機(jī)室中心線上,離司機(jī)室內(nèi)地面高1.2 m處布置1個(gè)測試點(diǎn)c。

3.2 噪聲測試工況條件

列車以80 km/h速度級(jí)在隧道內(nèi)正線運(yùn)行,測試區(qū)間為人長區(qū)間上行線,以及近似為半自由聲場的試車線。同時(shí),對(duì)輪對(duì)進(jìn)行了鏇修,以及對(duì)鋼軌進(jìn)行了打磨等工況都做了測試。具體工況見表2。

圖4 車輛外測點(diǎn)圖

工況運(yùn)行區(qū)間運(yùn)行速度/(km/h)輪對(duì)是否鏇輪鋼軌是否打磨備注工況1試車線0否否新車工況2試車線0否否已運(yùn)行8個(gè)月工況3試車線0否否已運(yùn)行9個(gè)月工況4試車線0是否已運(yùn)行10個(gè)月工況5人長區(qū)間79．8否否已運(yùn)行10個(gè)月工況6人長區(qū)間79．7否否已運(yùn)行10個(gè)月工況7人長區(qū)間79．8否否已運(yùn)行10個(gè)月工況8人長區(qū)間79．7是否已運(yùn)行10個(gè)月工況9人長區(qū)間79．7否是已運(yùn)行10個(gè)月工況10人長區(qū)間79．8是是已運(yùn)行10個(gè)月

3.3 噪聲測試結(jié)果

一般采用A聲級(jí)計(jì)權(quán)對(duì)地鐵噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)。人耳聽音的頻率范圍為20 Hz到20 kHz,高低相差1 000倍。為方便,通常把寬廣的聲音頻率變化范圍劃分為若干較小的段落,將一個(gè)倍頻程劃分為3個(gè)頻程,即1/3倍頻程。此處對(duì)監(jiān)測點(diǎn)1/3倍頻程中心頻處的A聲級(jí)進(jìn)行分析。

3.3.1 試車線測試結(jié)果

通過噪聲測量得到列車車內(nèi)測點(diǎn)的噪聲頻譜,并對(duì)監(jiān)測點(diǎn)1/3倍頻程中心頻處的A聲級(jí)進(jìn)行分析。分析結(jié)果如圖5所示。其中，測點(diǎn)的總聲壓級(jí)為:

式中:

Lpi——第i聲源的聲壓級(jí),i=1～n。

測點(diǎn)的總聲壓級(jí)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 各測點(diǎn)不同工況下總聲壓級(jí) dB(A)

圖5 不同工況下3個(gè)測點(diǎn)的頻譜圖

(1) 對(duì)3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在工況1、2、3、4下的總聲壓級(jí)進(jìn)行對(duì)比可以看出,各工況下測點(diǎn)的噪聲頻譜變化規(guī)律相似,在低頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)較低,峰值基本出現(xiàn)在630 Hz左右;

(2) 新車運(yùn)行以及列車運(yùn)行8個(gè)月、9個(gè)月、10個(gè)月后3個(gè)測點(diǎn)的噪聲頻譜均未發(fā)生很大變化,總聲壓級(jí)也基本相同,說明列車運(yùn)行10個(gè)月內(nèi)并未導(dǎo)致車輛的整體性能、隔聲性能發(fā)生變化;

(3) 工況4進(jìn)行了鏇輪,但是靜態(tài)下3個(gè)測點(diǎn)的噪聲頻譜趨勢并未發(fā)生明顯改變,說明鏇輪并不影響靜態(tài)下的噪聲值;

(4) 靜態(tài)下,司機(jī)室內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)c的噪聲最大。車外7.5 m遠(yuǎn)、高度1.2 m處的噪聲比高度3.5 m處的噪聲大,說明車外噪聲隨高度的升高而減小。

3.3.2 正線測試結(jié)果

車輛在隧道內(nèi)正線運(yùn)行時(shí),其噪聲組成更為復(fù)雜。司機(jī)室監(jiān)測點(diǎn)c的1/3倍頻程中心頻處的聲壓級(jí)如圖6所示。

圖6 測點(diǎn)c頻譜圖

根據(jù)式(1),得到測點(diǎn)c在各工況下的總聲壓級(jí)(見表4所示)。

表4 測點(diǎn)c各工況總聲壓級(jí) dB(A)

從圖6和表4中可以看出:

(1) 對(duì)80 km/h速度下正線噪聲進(jìn)行了3次測試(即工況5、6、7)。通過對(duì)比測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),總聲壓級(jí)相差不多。因此,本次試驗(yàn)的結(jié)果具有一定的可靠性。

(2) 通過對(duì)工況7和工況8的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),列車進(jìn)行整體鏇輪后,測點(diǎn)c的噪聲值總聲壓級(jí)顯著降低了14.7 dB(A)。這表明車輪狀態(tài)對(duì)噪聲值的影響巨大。而且降幅較大范圍出現(xiàn)在400～1 250 Hz范圍內(nèi),降幅最大的頻段在630 Hz處。

(3) 通過對(duì)工況7和工況9的試驗(yàn)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),進(jìn)行鋼軌打磨后,測點(diǎn)c的噪聲值總聲壓級(jí)明顯降低3.7 dB(A)。這說明鋼軌的狀態(tài)對(duì)噪聲影響較大。

(4) 通過工況7和工況10的試驗(yàn)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),鏇輪和鋼軌打磨相互配合后,測點(diǎn)c的噪聲值總聲壓級(jí)降低更加明顯,降幅達(dá)到15.7 dB(A)。這說明鏇輪和打磨鋼軌相互結(jié)合可以有效地降低噪聲。

4 噪聲源診斷

在靜態(tài)狀態(tài)下,3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的噪聲沒有明顯變化。這說明列車在運(yùn)行的10個(gè)月內(nèi)狀態(tài)相差不多,列車車體的隔聲性能良好,整體性能(包括剛性)也沒有變化。根據(jù)對(duì)鐵路運(yùn)行環(huán)境噪聲的測量,當(dāng)列車速度在250 km/h之上時(shí),氣動(dòng)噪聲占主導(dǎo);當(dāng)列車速度在300 km/h以上時(shí),集電系統(tǒng)噪聲是列車的主要噪聲源[4]。2號(hào)線運(yùn)營速度最高為80 km/h,因此不考慮氣動(dòng)噪聲和集電系統(tǒng)噪聲。實(shí)測結(jié)果顯示,改變鋼軌狀態(tài)和車輪狀態(tài)后,司機(jī)室的噪聲有明顯降低,應(yīng)著重考慮軌道振動(dòng)噪聲和輪軌噪聲,因此,需要對(duì)軌道和輪對(duì)進(jìn)行檢查。

4.1 軌道檢查

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，人長區(qū)間軌道有波磨,但其幅值λ較小(λ在 30～50 mm范圍內(nèi)),且車輛運(yùn)營速度為80 km/h。假設(shè)理想狀態(tài)下列車以80 km/h的速度在此軌道運(yùn)行,輪對(duì)振動(dòng)頻率f=v/λ。當(dāng)λ=0.03 m時(shí),輪對(duì)振動(dòng)頻率為740.7 Hz;當(dāng)λ=0.05 m時(shí),輪對(duì)振動(dòng)頻率為444.4 Hz。因此,軌道波磨造成的噪聲頻率范圍粗算為444.4～740.7 Hz。由實(shí)車測得的噪聲頻譜分析可知,在630～800 Hz頻段內(nèi)的噪聲變化較為明顯。這和軌道波磨產(chǎn)生的噪聲頻段一致。

4.2 車輪圓跳動(dòng)檢查

2014年11月12日,2號(hào)線運(yùn)營公司車輛部專業(yè)技術(shù)人員采用CALIPRI輪軌外形檢測儀對(duì)列車的輪對(duì)進(jìn)行了圓跳動(dòng)檢測?，F(xiàn)將圓跳最大的1軸左輪踏面按照360°進(jìn)行平面展開(見圖7)。

圖7 1軸左輪踏面按照360°進(jìn)行平面展開

由圖7可見,車輪圓跳動(dòng)為0.275 mm,符合《長沙市軌道交通2號(hào)線轉(zhuǎn)向架維修手冊(cè)》中車輪圓跳小于0.5 mm的要求。

4.3 車輪振動(dòng)頻率粗算分析

車輪表面出現(xiàn)長度不同的層狀磨損,且呈現(xiàn)灰白交替狀。這種層狀磨損痕跡最長的長度為25～30 mm范圍內(nèi),即λ=25～30 mm。假設(shè)此列車以80 km/h的速度在光滑的平直軌道行走,則輪對(duì)振動(dòng)頻率f=v/λ。當(dāng)λ=0.025 m時(shí),輪對(duì)振動(dòng)頻率為822.2 Hz;當(dāng)λ=0.03 m時(shí),輪對(duì)振動(dòng)頻率為685.2 Hz。因此,車輪層狀磨損造成的噪聲頻率范圍為685.2～822.2 Hz。實(shí)車測試發(fā)現(xiàn)車輪進(jìn)行鏇修后,噪聲總聲壓級(jí)明顯降低,而且降低最多的頻段主要集中在630～1 250 Hz頻率段,與粗算所得的車輪磨損噪聲頻率685.2～822.2 Hz基本一致,因此車輪磨損是噪聲增大的原因之一。

4.4 輪軌振動(dòng)頻譜精算分析

假設(shè)輪與軌接觸為點(diǎn)接觸,軌道為平滑面,則單一考慮輪對(duì)的不平順對(duì)振動(dòng)的影響,通過Matlab軟件對(duì)列車1軸左輪建立輪軌振動(dòng)模型。假定左輪以80 km/h的速度在光滑軌道上運(yùn)行,得到其輪軌的振動(dòng)波形見圖8 a),振動(dòng)波長l=πD=2.634 m,振動(dòng)周期t=l/v=0.118 s。

利用matlab仿真軟件對(duì)圖8 a)振動(dòng)波形進(jìn)行振動(dòng)頻譜分析。通過圖8 b)可以看出,輪對(duì)的不平順引起的振動(dòng)頻率在600～700 Hz之間。這說明該頻段即為產(chǎn)生輪軌振動(dòng)噪聲的主要頻段。這也是列車噪聲產(chǎn)生的原因。

綜上所述,車輪圓跳、車輪表面磨損及車輪形狀發(fā)生改變是引起輪軌滾動(dòng)噪聲和鋼軌振動(dòng)噪聲的直接激勵(lì)源,是造成司機(jī)室內(nèi)噪聲增大的重要原因。

5 結(jié)論

(1) 通過對(duì)試車線進(jìn)行的實(shí)車靜態(tài)噪聲測量可知,其噪聲頻譜在低頻范圍內(nèi)聲壓級(jí)較低,峰值基本出現(xiàn)在630～800 Hz范圍內(nèi)。

(2) 研究結(jié)果說明，列車在運(yùn)行10個(gè)月內(nèi)并未導(dǎo)致車輛的整體性能及隔聲性能發(fā)生變化。這為列車噪聲診分析提供了車況依據(jù)。

(3) 進(jìn)行鋼軌打磨后,測點(diǎn)的噪聲值降低了3.7 dB(A)。對(duì)列車進(jìn)行整體鏇輪后,測點(diǎn)的噪聲值降低了14.7 dB(A)。鏇輪和鋼軌打磨相互配合后,測點(diǎn)的噪聲值總聲壓級(jí)降低更加明顯,降幅達(dá)到15.7 dB(A)。因此，鏇輪和打磨鋼軌相互結(jié)合可以有效

降低噪聲。這也表明造成長沙地鐵車輛噪聲的主要來源是輪軌滾動(dòng)噪聲和鋼軌振動(dòng)噪聲。

(4) 對(duì)列車輪對(duì)進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)車輪出現(xiàn)明顯圓跳動(dòng)。經(jīng)頻譜分析及Matlab軟件模擬分析發(fā)現(xiàn),圓跳及車輪形狀發(fā)生改變是引起輪軌滾動(dòng)噪聲和鋼軌振動(dòng)噪聲的直接原因。

(5) 查找導(dǎo)致輪對(duì)周向磨損和軌道波磨的原因,加強(qiáng)輪軌檢查、輪軌磨耗分析及定期鏇輪和鋼軌打磨,從而降低輪軌噪聲是下一步要進(jìn)行的重要工作。

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Analysis of Urban Mass Transit Noise Test

XU Pingyang, CHEN Lei, XIA Xiaodng

Theories on noise principle and requirements of national standards for metro noise are described.According to the noise and vibration testing in vehicle driver′s cab on Changsha metro Line 2,CALIPRI wheel/rail profile tester is used to inspect the wheel/ rail condition,and through software Matlab,a wheel/rail vibration model based of the left wheel of the first shaft is built for vibration spectrum analysis.The result shows the circumferential wear of wheel and track abrasion is the main reason for the increase of cab noise,and wheel shape changes are the direct reason for wheel/rail rolling noise and rail vibration noise.

urban mass transit; track; metro vehicle;noise

U 270.1+6

10.16037/j.1007-869x.2016.12.025

2016-02-05)