地鐵車(chē)內(nèi)噪聲影響因素分析與改善

郭建強(qiáng)，孫召進(jìn)，劉宗財(cái)，朱雷威

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司工程研究中心，山東 青島 266111）

地鐵車(chē)內(nèi)噪聲影響因素分析與改善

郭建強(qiáng)，孫召進(jìn)，劉宗財(cái)，朱雷威

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司工程研究中心，山東 青島 266111）

地鐵車(chē)輛的主要噪聲源是輪軌噪聲，該噪聲經(jīng)過(guò)隧道壁面的反射，在隧道內(nèi)形成混響聲場(chǎng)，然后透過(guò)車(chē)體結(jié)構(gòu)傳遞到車(chē)內(nèi)，影響車(chē)內(nèi)乘坐舒適性。研究經(jīng)典理論和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)輪軌噪聲影響因素的定性論述，通過(guò)國(guó)內(nèi)地鐵實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，定量分析各因素對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的具體影響程度。在此基礎(chǔ)上，提出地鐵車(chē)內(nèi)噪聲綜合控制建議，供地鐵線路規(guī)劃設(shè)計(jì)參考。

聲學(xué)；地鐵；粗糙度；軌道衰減率；混響；隔聲量

城市地鐵車(chē)輛運(yùn)營(yíng)速度通常在60 km/h～80 km/h，相關(guān)研究已證明，該速度級(jí)下的主要噪聲源為輪軌噪聲[1]。而輪軌噪聲的產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，影響因素很多，對(duì)各因素的綜合控制措施，通常決定了輪軌噪聲的大小。運(yùn)營(yíng)環(huán)境方面，地鐵車(chē)輛主要在隧道內(nèi)運(yùn)行，并且地鐵隧道大都是單線隧道，截面積小，隧道內(nèi)混響較大，輪軌噪聲經(jīng)隧道壁面的多次反射后，噪聲級(jí)加強(qiáng)，對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響進(jìn)一步加大。另外，為減小地鐵線路對(duì)周邊環(huán)境的影響，很多路段軌道板采用減振結(jié)構(gòu)，能夠有效減小車(chē)輛運(yùn)行振動(dòng)向路基方向的傳遞。但是，從能量守恒的角度考慮，多余的能量必然要傳遞到車(chē)輛結(jié)構(gòu)中，因此常常導(dǎo)致車(chē)輛的低頻振動(dòng)和噪聲問(wèn)題更加突出。地鐵車(chē)輛本身具有快速乘降、載客量大、成本控制嚴(yán)格等特點(diǎn)鮮明，同時(shí)受整車(chē)密封性、噪聲控制產(chǎn)生的附加質(zhì)量、高性能降噪材料價(jià)格昂貴等因素影響，給整車(chē)降噪設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

本文針對(duì)地鐵車(chē)輛噪聲面臨的諸多問(wèn)題，以運(yùn)營(yíng)狀態(tài)車(chē)內(nèi)噪聲為目標(biāo)，系統(tǒng)研究了影響因素的作用，并從標(biāo)準(zhǔn)完善，控制措施等方面提出改善建議。

1 輪軌噪聲的頻率成份構(gòu)成

英國(guó)南安普頓大學(xué)振動(dòng)噪聲研究所（ISVR）的David Thompson教授在其專著《Railway Noise and Vibration》中[1]，對(duì)輪軌噪聲進(jìn)行了深入研究后，提出輪軌噪聲的大小與速度的3次方成正比，也就是說(shuō)，車(chē)輛運(yùn)營(yíng)速度提高1倍，輪軌噪聲增加約9 dB。同時(shí)，Thompson教授利用Twins軟件分解出車(chē)輪噪聲、鋼軌噪聲、軌枕噪聲的主要頻段，如圖1所示，各部分噪聲的主要頻率為：

1)軌枕噪聲：400 Hz以下；

2)鋼軌噪聲：500 Hz～1 000 Hz；

3)車(chē)輪噪聲：1 250 Hz以上。

圖1 輪軌噪聲的主要頻率成分構(gòu)成[1]

國(guó)內(nèi)某地鐵線路實(shí)測(cè)結(jié)果表明，由于軌道線路條件的差異，同一列車(chē)輛在不同路段區(qū)間的噪聲頻譜差異很大，鋼軌和軌枕噪聲對(duì)應(yīng)的峰值較為明顯，由于采用了阻尼車(chē)輪，輪對(duì)噪聲對(duì)應(yīng)的峰值不顯著。根據(jù)噪聲頻率特性，可以將軌道大致分為三種類型，如圖2所示。

圖2 國(guó)內(nèi)某地鐵線路的噪聲典型頻譜

1)類型1：500 Hz～1 000 Hz頻段出現(xiàn)明顯峰值，為軌道輻射噪聲，是地鐵車(chē)輛噪聲的主要峰值；

2)類型2：無(wú)明顯峰值；

3)類型3：200 Hz以下、500 Hz～1 000 Hz出現(xiàn)兩個(gè)峰值，這是由于彈性軌道板和軌道輻射噪聲兩個(gè)因素造成的。

2 軌道特性對(duì)噪聲影響研究

2.1 輪軌粗糙度對(duì)噪聲影響研究

《ISO 3381-2005鐵路應(yīng)用-聲學(xué)-有軌車(chē)輛內(nèi)的噪聲測(cè)量》附錄A中，給出了鋼軌粗糙度極限譜。軌道車(chē)輛噪聲試驗(yàn)的軌道粗糙度應(yīng)低于該限值曲線，否則可能會(huì)導(dǎo)致異常噪聲問(wèn)題[2]。

國(guó)內(nèi)某采用了彈性扣件的地鐵線路在運(yùn)營(yíng)了一段時(shí)間后，出現(xiàn)噪聲和振動(dòng)急劇加大的問(wèn)題，車(chē)內(nèi)噪聲甚至超過(guò)90 dB(A)。經(jīng)測(cè)試，該問(wèn)題是由于軌道出現(xiàn)嚴(yán)重波磨導(dǎo)致，測(cè)試結(jié)果表明，該路段軌道的粗糙度，不僅超過(guò)了ISO規(guī)定的限值，而且出現(xiàn)明顯峰值，結(jié)果如圖3所示。

圖3 國(guó)內(nèi)某地鐵線路的軌道波磨譜

2.2 軌道衰減率對(duì)噪聲影響研究

軌道輻射噪聲與軌道衰減率有關(guān)?！禕S EN 15461:2008+A1:2010鐵路應(yīng)用噪音排放軌道車(chē)輛通過(guò)噪聲測(cè)試用軌道動(dòng)態(tài)特性描述》標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)規(guī)定了噪聲型式試驗(yàn)用軌道衰減特性測(cè)試方法[3]?！禝SO 3095-2013聲學(xué)鐵路應(yīng)用軌道機(jī)車(chē)車(chē)輛發(fā)射噪聲測(cè)量》中，規(guī)定軌道衰減率不得低于圖4所示的曲線[4]。

圖4 ISO3095規(guī)定的軌道衰減率下限

國(guó)內(nèi)某地鐵線路軌道垂向衰減率測(cè)試結(jié)果顯示，除1 250 Hz外，其他頻段垂向衰減率大都比ISO 3095的規(guī)定的下限值還低，尤其是在噪聲峰值對(duì)應(yīng)的400 Hz～800 Hz頻段，軌道的垂向衰減率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ISO 3095規(guī)定的下限值，可能是導(dǎo)致該頻段噪聲峰值突出的主要原因，如圖5所示。

奧地利Deutsch-Wagram線的實(shí)測(cè)結(jié)果表明[5]，通過(guò)在軌道上安裝阻尼片并安裝減振墊等對(duì)軌道進(jìn)行減振處理后，可有效降低軌道輻射噪聲，可降低400 Hz～800 Hz頻段噪聲10 dB左右，如圖6所示。

圖5 國(guó)內(nèi)某地鐵線路軌道垂向衰減率測(cè)試結(jié)果

圖6 (a)奧地利Deutsch-Wagram線軌道減振措施

圖6 (b)奧地利Deutsch-Wagram線軌道采取減振措施后降噪效果

2.3 浮置板道床對(duì)噪聲的影響

在某地鐵車(chē)輛試驗(yàn)期間，車(chē)輛經(jīng)過(guò)某些路段時(shí)，突然出現(xiàn)明顯的低頻“轟隆”聲，在頻譜圖上，該噪聲對(duì)應(yīng)低頻段，如圖7所示（橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為時(shí)間，顏色深淺為聲壓級(jí)大?。?00 Hz以下，存在聲壓級(jí)較為突出部分。對(duì)照線路圖分析發(fā)現(xiàn)，該路段為浮置板道床結(jié)構(gòu)，結(jié)合輪軌噪聲理論，可以斷定該噪聲由浮置板道床引起。

由于該峰值比400 Hz～800 Hz間的噪聲峰值小10 dB(A)以上，因此對(duì)A計(jì)權(quán)噪聲總值影響不大，但主觀聽(tīng)覺(jué)不舒適感很強(qiáng)烈，對(duì)比分析圖8所示浮置板道床與非浮置板道床的車(chē)內(nèi)噪聲頻譜特性曲線，浮置板道床對(duì)應(yīng)的峰值為80 Hz左右，幅值相對(duì)突出，產(chǎn)生較為明顯的聽(tīng)覺(jué)感受。

圖7 浮置板道床導(dǎo)致的低頻噪聲三維圖

圖8 浮置板道床與非浮置板道床噪聲頻譜

3 隧道環(huán)境對(duì)噪聲影響研究

為了對(duì)比隧道環(huán)境對(duì)車(chē)輛噪聲的影響，本文從兩方面進(jìn)行了研究：一是測(cè)試隧道內(nèi)混響時(shí)間，從理論上計(jì)算混響產(chǎn)生的附加聲壓級(jí)；二是用同一輛地鐵車(chē)輛，分別測(cè)試相同速度級(jí)下在隧道和明線運(yùn)行時(shí)的車(chē)內(nèi)噪聲，對(duì)比兩者的差異。測(cè)試結(jié)果表明，在400 Hz以上頻段，混響產(chǎn)生的附加聲壓級(jí)的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為接近，而車(chē)輛在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)噪聲比明線運(yùn)行時(shí)高11 dB(A)～20 dB(A)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 隧道和明線噪聲對(duì)比

4 車(chē)輛隔聲性能對(duì)噪聲影響研究

為了滿足乘客快速上下車(chē)的需求，很多地鐵車(chē)輛選擇了內(nèi)移門(mén)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的車(chē)門(mén)在車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)很難保證密封性，對(duì)車(chē)輛噪聲影響較大。實(shí)車(chē)隔聲量測(cè)試結(jié)果表明，內(nèi)移門(mén)下部區(qū)域隔聲量只有22 dB，在高頻有明顯的漏聲問(wèn)題，而塞拉門(mén)結(jié)構(gòu)整體隔聲性能較好，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。線路測(cè)試結(jié)果表明，換裝塞拉門(mén)后，車(chē)內(nèi)噪聲可降低3 dB(A)～5 dB(A)。

圖10 內(nèi)移門(mén)和塞拉門(mén)隔聲量對(duì)比

5 地鐵車(chē)內(nèi)噪聲改善建議

5.1 關(guān)于地鐵車(chē)輛噪聲標(biāo)準(zhǔn)修訂

目前，地鐵車(chē)輛噪聲限值及測(cè)試方法主要執(zhí)行《GB 14892-2006城市軌道交通列車(chē)噪聲限值和測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了車(chē)輛中部位置的噪聲限值，且對(duì)測(cè)試線路等條件規(guī)定很模糊。隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通的快速發(fā)展，該標(biāo)準(zhǔn)已難以滿足工程應(yīng)用的需要，作者建議從以下幾方面進(jìn)行完善：

1）測(cè)試條件：采用相關(guān)ISO標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，明確噪聲試驗(yàn)用線路和軌道條件，車(chē)輛的噪聲型式試驗(yàn)，不一定要在正線上進(jìn)行，而應(yīng)該在滿足試驗(yàn)條件的線路上進(jìn)行測(cè)試；

2）完善車(chē)輛不同區(qū)域限值標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)車(chē)輛中部、端部、車(chē)間連接處的噪聲限值應(yīng)進(jìn)行不同的限定；

3）以明線試驗(yàn)結(jié)果作為車(chē)輛考核指標(biāo)，隧道試驗(yàn)結(jié)果作為地鐵系統(tǒng)整體考核指標(biāo)：目前標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了明線和隧道兩項(xiàng)指標(biāo)，而隧道環(huán)境是車(chē)輛系統(tǒng)無(wú)法控制的，會(huì)帶來(lái)明線達(dá)標(biāo)，隧道運(yùn)行不達(dá)標(biāo)的情況；另外，有些地鐵正線全部為隧道環(huán)境，存在無(wú)法進(jìn)行明線測(cè)試的問(wèn)題。

5.2 關(guān)于地鐵線路噪聲控制

地鐵線路規(guī)劃和建設(shè)過(guò)程中，建議從以下五方面采取噪聲控制措施：

1）線路建設(shè)時(shí)，應(yīng)綜合考慮環(huán)境減振和車(chē)輛降噪的要求，謹(jǐn)慎選擇軌道減振結(jié)構(gòu)。建議盡量采用剛度較大的減振結(jié)構(gòu)，降低低頻噪聲對(duì)車(chē)輛的影響；

2）適當(dāng)提高道路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，保證線路的平順性；

3）選擇振動(dòng)衰減率大的軌道和安裝結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)建議對(duì)鋼軌進(jìn)行阻尼減振處理或聲屏蔽處理。歐洲的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，這些措施能夠有效減小400～800 Hz頻段的軌道聲輻射，有助于車(chē)內(nèi)外噪聲控制；

4）制定軌道定期打磨和車(chē)輪定期鏇修流程，保證軌道和車(chē)輪的粗糙度；

5）隧道環(huán)境內(nèi)，采取適當(dāng)?shù)奈暣胧?。建議適當(dāng)采用吸聲道床、吸聲隧道壁等結(jié)構(gòu)，以降低隧道內(nèi)混響噪聲

5.3 關(guān)于地鐵車(chē)輛噪聲控制

車(chē)輛采購(gòu)和設(shè)計(jì)制造時(shí)，選擇密封和隔聲性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，提高車(chē)輛的隔聲降噪性能，建議采用塞拉門(mén)并加強(qiáng)車(chē)輛過(guò)線孔密封等措施。

6 結(jié)語(yǔ)

地鐵車(chē)內(nèi)噪聲是整個(gè)地鐵系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，主要噪聲源是輪軌噪聲，隧道內(nèi)混響和車(chē)體結(jié)構(gòu)隔聲性能也會(huì)影響車(chē)內(nèi)噪聲。因此，地鐵車(chē)內(nèi)噪聲的控制，應(yīng)從線路和車(chē)輛兩方面進(jìn)行綜合治理，其中降低輪軌噪聲是根源。本文在對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲綜合影響因素研究的基礎(chǔ)上，提出了一些噪聲控制建議，但這些建議的落實(shí)，需要地鐵公司、高校和科院院所、線路建設(shè)方、車(chē)輛制造企業(yè)加大研究投入，提出高效、經(jīng)濟(jì)的綜合解決方案。

[1]DAVID THOMPSON.Railway Noise and Vibration[M].Elsevier Science,2008:12-36.

[2]ISO 3381-2005鐵路應(yīng)用-聲學(xué)-軌道車(chē)輛內(nèi)部噪聲測(cè)量[S].

[3]BS EN 15461-2008+A1-2010鐵路應(yīng)用噪聲排放軌道車(chē)輛通過(guò)噪聲測(cè)試用軌道動(dòng)態(tài)特性描述[S].

[4]ISO 3095-2013聲學(xué)鐵路應(yīng)用軌道機(jī)車(chē)車(chē)輛發(fā)射噪聲測(cè)量[S].

[5]KOLLER,GUNTHER.“Noise barrier”directly on the rail[R].01207180,DVV Media Group,2010:8-12.

Analysis and Improvement of the Factors Influencing Interior Noise of the Metro

GUO Jian-qiang,SUN Zhao-jin,LIU Zong-cai,ZHU Lei-wei
（National Engineering Research Center for High-speed EMU of CRRC,Qingdao Sifang Co.Ltd.,Qingdao 266111,Shandong China)

The main noise source of the Metro is the wheel-rail noise.This noise will generate a reverberation sound field in the tunnel after reflecting from the tunnel’s wall and then penetrating the carriage’s structure into the carriage,which will affect the riding comfort.In this paper,the qualitative statements of the influence factors of the wheel-rail noise in classical theories and the relevant standards are studied.The test data acquired in the domestic Metro lines is used to quantitatively analyze the influence of each factor on the noise inside the carriage.On this basis,suggestions for comprehensive control of the noise inside the Metro are put forward.This work may provide a reference for the subway route planning.

acoustics;metro;roughness;rail attenuation rate;reverberation;sound insulation amount

TU112.3

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.018

1006-1355(2017)05-0084-04

2017-03-09

地鐵噪聲影響因素及控制技術(shù)研究（2017CCB111）

郭建強(qiáng)（1980－）：男，山東省青島市人，博士生，主要研究方向?yàn)檐壍儡?chē)輛噪聲控制。

E-mail:guojianqiang@cqsf.com