地鐵車內(nèi)噪聲超標分析

許孝堂，金學松

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2.西南交通大學 牽引動力國家重點試驗室，成都 10031)

地鐵車內(nèi)噪聲超標分析

許孝堂1，金學松2

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2.西南交通大學 牽引動力國家重點試驗室，成都 10031)

針對某地鐵車內(nèi)噪聲超標問題，從車輛、輪軌兩個方面展開研究，利用Brüel&Kj?r測試系統(tǒng)分析車輛的牽引、空調(diào)系統(tǒng)，車輛結(jié)構(gòu)，輪軌粗糙度等因素對車內(nèi)噪聲的影響特性。研究表明，牽引、空調(diào)系統(tǒng)對運行車輛車內(nèi)噪聲影響較小。車內(nèi)噪聲的顯著頻帶為400 Hz～800 Hz、1 105 Hz，與車輪非圓沒有直接關(guān)系；1 105 Hz與鋼軌打磨后磨痕有關(guān)。車內(nèi)噪聲主要與以下兩個因素有關(guān)：一是透射噪聲，車輛內(nèi)移門存在漏風問題，車外噪聲傳入車內(nèi)；二是結(jié)構(gòu)傳聲，輪軌或軌道以上頻段的振動激勵經(jīng)過軸箱-構(gòu)架-車體傳遞，進而激勵車內(nèi)內(nèi)裝等結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生輻射噪聲。此研究對地鐵車輛降噪有一定的參考價值。

聲學；車內(nèi)噪聲；傳遞路徑；地鐵；振動；聲輻射

地鐵是城市軌道交通的一種重要形式，能夠快捷、安全、舒適地運送旅客[1–2]。但是，地鐵運行過程中也存在著振動噪聲等問題。某地鐵于2015年12月開通運營以來，車輛運行過程中車內(nèi)噪聲過大，最大可達89 dB(A)～90 dB(A)，遠高于GB14892-2006中規(guī)定的限值83 dB(A)[3]。針對這個問題，本文從車輛、輪軌兩個方面展開研究，系統(tǒng)測試和分析了輪軌粗糙度、車輛結(jié)構(gòu)等因素對車內(nèi)噪聲的影響特性，掌握了噪聲頻譜特性、主要來源和噪聲傳遞路徑，并從車輛、輪軌兩方面提出改進建議。

1 地鐵車內(nèi)噪聲源種類及產(chǎn)生原因

根據(jù)傳播方式和路徑，車內(nèi)噪聲[4–6]可以分為4種類型（如圖1所示）：第一類為直接噪聲，即直接來自噪聲源的噪聲，對車內(nèi)來說主要為空調(diào)換氣設(shè)備發(fā)出的噪聲。第二類為透射噪聲，即車外產(chǎn)生的噪聲透過車體結(jié)構(gòu)的微小間隙傳入車內(nèi)的噪聲。第三類為一次振動噪聲，即附屬于車體的各種設(shè)備、車內(nèi)內(nèi)裝以及車體本身產(chǎn)生的振動以噪聲的形式輻射至車內(nèi)。第四類為二次振動噪聲，即車外產(chǎn)生的各種噪聲（電磁噪聲、空氣動力噪聲等）誘發(fā)車體及車內(nèi)各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，再以噪聲的形式輻射至車內(nèi)。

圖1 噪聲源及傳播路徑示意圖

此外車內(nèi)噪聲根據(jù)激勵源（包括振動源和噪聲源兩種）的能量傳遞路徑，可以分為空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲兩種主要形式[7–9]。

空氣傳聲指的是激勵源通過空氣流體介質(zhì)傳遞的路徑，主要和噪聲源強、車體密封性能以及壁板隔聲特性有關(guān)。車內(nèi)的直接噪聲和透射噪聲均屬于空氣傳聲。結(jié)構(gòu)傳聲指的是激勵源通過結(jié)構(gòu)固體介質(zhì)傳遞的路徑，主要和振動源強、車體結(jié)構(gòu)特性以及車輛懸掛參數(shù)有關(guān)。一次振動噪聲和二次振動噪聲均屬于結(jié)構(gòu)傳聲。

地鐵車輛運行速度一般較低，約為60 km/h～90 km/h，此速度下，二次振動噪聲貢獻相對較小。因此本文主要研究前三類噪聲對于車內(nèi)噪聲的影響。文中從車輛、輪軌兩個方面展開研究，研究內(nèi)容主要包括：通過測試牽引、空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉前后車內(nèi)噪聲情況，研究直接噪聲對于車內(nèi)噪聲的影響；通過測試客室內(nèi)不同區(qū)域的隔聲量，分析車輛隔聲薄弱環(huán)節(jié)，為車輛結(jié)構(gòu)提供整改意見；通過對車輪和鋼軌表面狀態(tài)的調(diào)查，掌握輪軌激勵源特性；進一步對車輛車內(nèi)噪聲、車下噪聲、車體振動、轉(zhuǎn)向架區(qū)域關(guān)鍵部件的振動進行測試，研究結(jié)構(gòu)傳聲對于車內(nèi)噪聲的影響。

2 車輛結(jié)構(gòu)對車內(nèi)噪聲的影響分析

2.1 牽引、空調(diào)系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲的影響

為了分析牽引系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲的影響，試驗車輛以60 km/h勻速運行，分別測試車輛動力切除前后車內(nèi)外噪聲，結(jié)果如圖2所示。

圖2 車內(nèi)外噪聲頻譜特性

通過圖2可知，兩種工況下車內(nèi)外噪聲無明顯差別，即牽引系統(tǒng)噪聲對車內(nèi)噪聲基本沒有影響。

空調(diào)噪聲對車內(nèi)噪聲的影響研究包括靜止試驗和線路運行試驗兩種工況。在線路運行試驗中，車輛以60 km/h勻速運行，分別測試空調(diào)開關(guān)車內(nèi)空調(diào)下方回風口處噪聲。結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明。

表1 空調(diào)噪聲水平/dB(A)

（1）車輛靜止工況，空調(diào)關(guān)閉狀態(tài)時車內(nèi)噪聲為45 dB(A)；空調(diào)滿負荷（通風或制冷）時車內(nèi)噪聲為71 dB(A)。相比之下，增加了26 dB(A)，說明空調(diào)噪聲對車輛靜止工況的車內(nèi)噪聲有很大影響。

（2）60 km/h運行工況，無論空調(diào)開關(guān)，車內(nèi)噪聲均為83 dB(A)，說明空調(diào)噪聲對運行工況車內(nèi)噪聲基本沒有影響。

（3）空調(diào)噪聲作為車內(nèi)直接噪聲，對車輛靜止時車內(nèi)噪聲貢獻很大[10]，對運行工況下車內(nèi)噪聲影響較小。

2.2 車體結(jié)構(gòu)隔聲量對車內(nèi)噪聲的影響

車輛不同區(qū)域的隔聲量如圖3所示。

從總隔聲量看，客室內(nèi)移門區(qū)域的隔聲量相對偏小，尤其是內(nèi)移門下部，隔聲量只有22 dB，比上部密封較好的區(qū)域低5 dB。對比車門結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)這與內(nèi)移門下部密封差（漏聲）有關(guān)，如圖4所示。車外產(chǎn)生的噪聲透過車門漏聲位置，以透射噪聲的形式傳入車內(nèi)。

2.3 車輛振動對車內(nèi)噪聲的影響

前面主要開展了空氣傳聲對車內(nèi)噪聲影響的研究，包括車內(nèi)的直接噪聲和透射噪聲。如前面所述，噪聲的另外一種傳遞路徑為結(jié)構(gòu)傳聲，即激勵源通過結(jié)構(gòu)固體介質(zhì)傳遞的路徑。

圖3 客室不同區(qū)域的隔聲量

圖4 車門下部漏聲照片

為了進行車輛振動和結(jié)構(gòu)傳聲特性研究，針對目前線路情況，對車內(nèi)、車下噪聲和車輛零部件振動進行測試，得到車輛振動和車內(nèi)、車下噪聲特性，進而分析結(jié)構(gòu)傳聲路徑與車內(nèi)噪聲的關(guān)系。

地鐵車內(nèi)噪聲線路試驗方法依據(jù)GB/T 14892-2006，同時參照GB/T 3449-2011[11]等相關(guān)標準規(guī)定進行。圖5給出了車內(nèi)、車下測點布置示意圖。其中，“●”表示聲學測點、“■”表示振動測點。如圖5（b）所示，在動車、拖車內(nèi)地板上方1.6 m處，分別布置3個傳聲器，在動車和拖車車間連接處布置一個傳聲器。另外，在動車和拖車轉(zhuǎn)向架車輪外側(cè)分別布置麥克風，見圖 5（a）。

圖5 車內(nèi)聲學、車輛振動加速度測點示意圖

對選取車輛的一個動車和一個拖車的車體、構(gòu)架、軸箱的振動加速度進行測試，其中的車輛振動噪聲測試儀器如表2所示。

表2 車輛振動噪聲測試儀器

進行車內(nèi)噪聲問題的研究，首先要確定其噪聲水平。因為噪聲水平的高低，將直接影響乘客的乘坐舒適性。圖6給出了相鄰動車和拖車客室內(nèi)上下行各區(qū)間的噪聲水平。

圖6 某地鐵各區(qū)間噪聲水平

可見，動車和拖車客室在全程各個區(qū)間的噪聲水平全部超過GB 14892‐2006中規(guī)定的限值83 dB(A)。其中F-G、H-J、K-J三個區(qū)間噪聲顯著，約高出3 dB(A)～7 dB(A)。

為了更深入地研究車內(nèi)噪聲特性，圖7給出了客室后聲壓級頻譜圖。

圖7 客室后-聲壓級頻譜圖

根據(jù)聲疊加原理[12]，定義聲壓級最大值以下10 dB范圍內(nèi)的頻率區(qū)域為噪聲顯著頻段，該頻段的噪聲能量主導了車內(nèi)噪聲的總聲壓級水平。

由圖7可見，噪聲聲壓級頻譜在476 Hz、556 Hz、1 105 Hz附近處有局部峰值，顯著頻帶為400 Hz～800 Hz、1 105 Hz。

同樣，通過客室后聲壓級時頻圖（如圖8）可以得到相似的結(jié)論：聲壓級在400 Hz～800 Hz分布有亮帶，1 105 Hz處有亮線。而且1 105 Hz亮線能夠看到與速度相關(guān)特征[13]，初步推測與鋼軌波磨有關(guān)。另外兩處亮帶沒有發(fā)現(xiàn)與速度相關(guān)特征。

圖8 客室后-聲壓級時頻圖

在結(jié)構(gòu)傳聲方面，列車在運行時，由于輪軌表面存在不平順，其產(chǎn)生的振動激勵通過轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和懸掛系統(tǒng)向車體傳遞，引起車體振動，并激勵車內(nèi)內(nèi)裝結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生聲輻射，通過測試分析軸箱、構(gòu)架、車體的振動加速度，并將它們和車內(nèi)、車下噪聲頻譜進行對比，可以獲得結(jié)構(gòu)傳聲對車內(nèi)噪聲的影響。

圖9－圖10給出了車輛垂向、橫向振動與噪聲相干關(guān)系。分析可知：輪軌表面不平順產(chǎn)生的476 Hz振動激勵經(jīng)過軸箱-構(gòu)架-車體的橫向振動傳遞；690 Hz振動激勵經(jīng)過軸箱-構(gòu)架-車體的垂向振動傳遞；556 Hz、1 105 Hz振動激勵經(jīng)軸箱-構(gòu)架-車體垂向和橫向振動傳遞；進而激勵車內(nèi)內(nèi)裝結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生聲輻射。

圖9 車輛垂向振動與噪聲相干關(guān)系圖

由此可見，此地鐵車內(nèi)噪聲超標與結(jié)構(gòu)傳聲具有較大的相關(guān)性。

3 輪軌狀態(tài)對車內(nèi)噪聲的影響分析

地鐵最重要的噪聲源是輪/軌接觸時車輪和鋼軌的振動所引起的滾動噪聲[14]，占主導作用。

其對車內(nèi)噪聲的貢獻主要表現(xiàn)在兩方面：一是輪軌振動輻射噪聲以透射噪聲的形式傳入車內(nèi)；二是輪軌振動經(jīng)過結(jié)構(gòu)傳聲方式引起車內(nèi)噪聲。因此需要從輪軌表面不平順情況研究輪軌狀態(tài)對車內(nèi)噪聲的影響。

圖10 車輛橫向振動與噪聲相干關(guān)系圖

3.1 車輪表面粗糙度對車內(nèi)噪聲的影響

車輪鏇修后，拖車客室后聲壓級由89.0 dB(A)降低為81.6 dB(A)，比鏇修前降低了7.4 dB(A)。分析其原因發(fā)現(xiàn)，鏇修后200 Hz～900 Hz頻帶內(nèi)聲壓級顯著下降，如圖11所示（其中①－④輪如圖5所示）。

圖11 鏇修前后-客室后-聲壓級頻譜圖

此外車輪鏇修消除了原有的556 Hz局部峰值。但是通過對相應(yīng)車輪周向不平順測試發(fā)現(xiàn)，4個車輪在1～70階內(nèi)除了1階偏心以外，沒有其他顯著波長，如圖12所示。根據(jù)車輛運行速度為75 km/h，以及車輪直徑約為840 mm，依據(jù)公式

式中fo——車輪非圓振動基頻；v——車輛運行速度；

d——車輪直徑。

計算得到振動的基頻為7.9 Hz。由此可見前面所提到的車內(nèi)噪聲顯著頻率，與車輪非圓沒有直接關(guān)系。

3.2 鋼軌表面粗糙度對車內(nèi)噪聲的影響

依據(jù)標準ISO 3095-2013[15]，對打磨后4個月后的鋼軌表面進行粗糙度測量發(fā)現(xiàn)，鋼軌表面存在約16 mm的顯著波長，如圖13（a）所示。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，鋼軌表面存在明顯的打磨留下的周期性痕跡，其間隔約為16 mm，該痕跡即為鋼軌粗糙度的主波長，如圖 13（b）所示。

圖12 6車（拖車）后轉(zhuǎn)向架對應(yīng)車輪非圓階次圖

圖13 上行線_k15+332-k15+392鋼軌不平順

列車運營速度為60 km/h～80 km/h，通過公式（2）計算發(fā)現(xiàn)，該鋼軌特征波長的通過頻率約為1 041 Hz～1 388 Hz。這也驗證了前面的猜測，1 105 Hz車內(nèi)噪聲顯著頻率與鋼軌波磨有關(guān)。

式中fp——波磨通過頻率；v——車輛運行速度；

λ——車輪直徑。

4 結(jié)論與建議

針對某地鐵車內(nèi)噪聲超標問題，從車輛和輪軌兩個方面展開研究，系統(tǒng)測試分析了車輛的牽引、空調(diào)系統(tǒng)、車輛結(jié)構(gòu)、輪軌粗糙度等因素對車內(nèi)噪聲的影響特性。研究結(jié)論與建議如下：

（1）牽引、空調(diào)系統(tǒng)噪聲對運行車輛車內(nèi)噪聲影響較小。

（2）車內(nèi)噪聲的顯著頻帶為400 Hz～800 Hz、1 105 Hz，其與車輪非圓沒有直接關(guān)系，1 105 Hz與鋼軌打磨后周期性磨痕有關(guān)。400 Hz～800 Hz激勵源有待進一步進行噪聲傳遞路徑分析。周期性地鏇輪和打磨，有利降低噪聲整體水平。

（3）車輛內(nèi)移門存在漏風問題，車外噪聲以透射噪聲傳入車內(nèi)。需要增強車門處的密封隔聲水平。

（4）輪軌或軌道此頻段振動激勵經(jīng)過軸箱-構(gòu)架-車體傳遞，進而激勵車內(nèi)內(nèi)裝等結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生輻射噪聲。

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Analysis of the Excessive Interior Noise in a Metro Coach

XU Xiao-tang1,JIN Xue-song2
（1.CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.Ltd.,Qingdao 266031,Shandong China;2.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The excessive interior noise in a Metro coach is studied in the aspects of vehicles and wheel-rail system by field tests.The influences of the traction system,the air conditioning,wheel-rail roughness and the vehicle structure on the vehicle interior noise are analyzed with the Brüel&Kj?r test system.The results show that the traction system and the air conditioning only have slight influence on the interior overall sound pressure levels,whose resonance frequency bands are 400 Hz-800 Hz and 1 105 Hz,which have no direct relationship with the out-of-round of wheels,while the 1 105 Hz has some relation to the rail grinding scrapes.Excessive interior noise is caused mainly by the following two factors:one is the transmission noise caused by the air leakage of the door,and the other is the structure-borne noise due to the excitation of the vibration transferred from the wheel-rail through the axle box and the framework and finally into the coach.This excitation results in the vibrations of the interior appurtenances that generate the acoustic radiation.The research results have some reference value for the interior noise reduction of the metro coaches.

acoustics;interior noise;transfer path;metro;vibration;acoustic radiation

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.016

1006-1355(2017)05-0075-05+102

2017-03-07

國家自然科學基金青年基金資助項目(51605394；51605395)

許孝堂（1987－），男，山東省臨沂市人，研究生，主要研究方向為軌道車輛減振降噪技術(shù)，鋼軌打磨技術(shù)研究。

E-mail:sky_xxtang@yeah.net