地鐵車內(nèi)噪聲特性試驗(yàn)研究

陳俊豪,柯文華,魏 曉,陳 嶸

(1.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

1 概述

隨著現(xiàn)代城市規(guī)模日益擴(kuò)大，軌道交通作為一種新型交通工具，以其運(yùn)量大、速度快、安全可靠等特點(diǎn)，成為解決城市交通問題的重要手段[1]。列車在軌道上行駛時(shí)，作用于鋼軌一個(gè)交變的移動(dòng)輪載，再加上軌道的不平順和輪對(duì)的不圓順，列車和軌道都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。為了提高乘客乘車的舒適性，地鐵車內(nèi)噪聲問題成為亟待解決的問題。

車內(nèi)噪聲主要來(lái)源通常為輪軌噪聲[3]。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣裝置、進(jìn)氣口、冷卻風(fēng)扇以及傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲也很明顯。目前，車上的空調(diào)系統(tǒng)由于空調(diào)機(jī)和管道的安裝空間有限，其噪聲也不可忽視。固定裝置，如安裝在車廂地板下或天花板上的壓縮機(jī)的噪聲也應(yīng)引起重視。噪聲通過空氣聲路徑和結(jié)構(gòu)聲路徑傳入車內(nèi)，經(jīng)結(jié)構(gòu)聲路徑傳播的噪聲多在低頻段，經(jīng)空氣聲路徑傳播的多在高頻段。

隨著公眾對(duì)車內(nèi)噪聲的關(guān)注日益增強(qiáng)，降噪技術(shù)也成為了科研人員關(guān)注的重點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外車內(nèi)噪聲研究也取得了豐富的成果。薛紅艷等[4]通過對(duì)地鐵車輛車內(nèi)噪聲進(jìn)行測(cè)試，分析車內(nèi)同一工況不同位置噪聲分布規(guī)律，進(jìn)行不同速度下各個(gè)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)比較。張曉娟等[5]通過對(duì)輕軌車輛內(nèi)部的噪聲測(cè)試試驗(yàn)，分析了輕軌車輛內(nèi)部的聲場(chǎng)分布規(guī)律、噪聲頻譜特性和噪聲通過分析產(chǎn)生的原因，得到輕軌車輛內(nèi)部主要噪聲源是輪軌噪聲，頻帶主要集中在400～2 000 Hz。范蓉平等[6-7]將黏彈性阻尼材料用于車內(nèi)減振降噪，試驗(yàn)結(jié)果表明，改性瀝青和水性涂料比丁基橡膠減振降噪效果明顯。張捷等[10]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)高速列車客室端部噪聲分布特性進(jìn)行分析研究，并且結(jié)合車內(nèi)、車下振動(dòng)分析和車內(nèi)空腔聲學(xué)模態(tài)計(jì)算，明確車內(nèi)客室端部噪聲分布的形成機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出高速列車車內(nèi)客室端部噪聲問題的改善建議。褚志剛等[11]基于結(jié)構(gòu)聲的阻抗矩陣傳遞路徑分析方法和空氣聲的替代源傳遞路徑分析方法，給出一種綜合考慮結(jié)構(gòu)聲和空氣聲的車內(nèi)噪聲時(shí)域傳遞路徑分析方法，并闡明了實(shí)現(xiàn)流程。通過對(duì)某一地鐵車輛車內(nèi)噪聲進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，并且使用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)作為評(píng)價(jià)方法分析車內(nèi)噪聲分布規(guī)律，為城市軌道交通車內(nèi)降噪問題提供更多理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

本次試驗(yàn)測(cè)試車輛車型為6節(jié)編組A型車，該車型設(shè)計(jì)速度為100 km/h。在地鐵空載運(yùn)行狀況下，分別對(duì)地鐵車輛靜止時(shí)的背景噪聲，以及運(yùn)行速度在60、70 km/h和80 km/h三個(gè)速度下進(jìn)行車內(nèi)噪聲測(cè)試。測(cè)試期間無(wú)其他車輛運(yùn)行，車內(nèi)除試驗(yàn)人員及司機(jī)外，無(wú)其他乘客，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和非干擾性。試驗(yàn)地點(diǎn)為隧道區(qū)，鋪設(shè)無(wú)砟軌道，鋼軌為無(wú)縫焊接軌。試驗(yàn)采用24位精度，最高采樣頻率達(dá)到51.2 kHz的INV 3060S網(wǎng)絡(luò)分布式采集分析儀。

2.2 測(cè)點(diǎn)位置

根據(jù)以往測(cè)試結(jié)果分析，帶有司機(jī)室的頭車車廂內(nèi)噪聲明顯高于其他車廂，所以本次測(cè)試以帶司機(jī)室的頭車作為測(cè)試地點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置考慮了乘客在車廂內(nèi)坐立和站立的情況以及車門、車窗、轉(zhuǎn)向架和空調(diào)系統(tǒng)等，車內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置示意如圖1所示。將車廂分為兩個(gè)斷面進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，其中，轉(zhuǎn)向架上方布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，車廂中部布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

2.3 背景噪聲測(cè)試

車內(nèi)噪聲是在空調(diào)全開時(shí)測(cè)得的，即噪聲值應(yīng)是輪軌噪聲、空調(diào)系統(tǒng)噪聲等共同疊加的結(jié)果。而聲壓不能直接相加，可利用表1查值來(lái)計(jì)算。

LP=LP1+ΔLP

(1)

式中LP——總聲壓級(jí)，dB；

LP1——聲源1的聲壓級(jí)，dB；

LP2——聲源2的聲壓級(jí)，dB。

則根據(jù)聲壓級(jí)的疊加原理，若背景噪聲與聲壓級(jí)只差超過15 dBA，則無(wú)需對(duì)測(cè)得的噪聲值進(jìn)行修正。列車靜止情況下，空調(diào)全開時(shí)，列車內(nèi)11個(gè)測(cè)點(diǎn)的噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)見表2。

圖1 車廂測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

dB

表2 A計(jì)權(quán)聲壓級(jí) dBA

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 車內(nèi)噪聲分布規(guī)律

A聲級(jí)是通過一組A計(jì)權(quán)的濾波器對(duì)不同頻率的聲壓級(jí)進(jìn)行增減，模擬人耳聽覺特性。由于其簡(jiǎn)單方便，故將A聲級(jí)作為噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)。表2為不同速度下車廂中11個(gè)測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。

由表2可知，列車在運(yùn)行時(shí)車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)與列車靜止時(shí)聲壓級(jí)差值均超過15 dBA，故背景噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響忽略不計(jì)。

由圖2可以清楚地看出，當(dāng)列車以60、70 km/h和80 km/h三個(gè)不同速度行駛時(shí)，車廂內(nèi)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)隨著列車行駛速度的增大而增大。近地板處的測(cè)點(diǎn)8所測(cè)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)是11個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)噪聲中的最大值，且隨著速度的增加，其值與其他測(cè)點(diǎn)之間的差值逐漸增大，說明輪軌作用通過地板透射入車廂內(nèi)的噪聲在車內(nèi)噪聲中占主導(dǎo)。近車窗處的測(cè)點(diǎn)9所測(cè)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最小，由此也可以說明該列車車窗密封環(huán)節(jié)良好。

圖2 實(shí)測(cè)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)

3.1.1 坐高和站高處噪聲情況比較

比較地鐵車輛內(nèi)乘客坐高1.2 m和站高1.5 m的噪聲情況，從圖3可以看出，在相同速度下，轉(zhuǎn)向架上方兩測(cè)點(diǎn)的噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)均大于車廂中部，但兩者相差不大。在同一斷面，1.5 m處的噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)均小于1.2 m處，且隨著速度增加，兩者之間的差值增大，其原因是1.2 m處測(cè)點(diǎn)距離地板更近，而在列車低速運(yùn)行時(shí)，輪軌作用通過地板透射到車內(nèi)的噪聲是車內(nèi)的主要噪聲，故高度的差別致使坐高處的噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)高于站高處。

圖3 坐高與站高處噪聲聲壓級(jí)對(duì)比

3.1.2 轉(zhuǎn)向架上方噪聲情況比較

比較轉(zhuǎn)向架上方各測(cè)點(diǎn)噪聲情況，從圖4可以看出，測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)5即轉(zhuǎn)向架上方1.5 m處橫向5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1即靠近車門處A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)值最大，而測(cè)點(diǎn)3即中心位置處的值最小，橫向整體呈現(xiàn)從中間逐漸向兩邊增大的趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5的值與車廂內(nèi)其他測(cè)點(diǎn)的值相比差距不大，由此也可以說明車門密閉性良好。

比較測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)6～測(cè)點(diǎn)8即轉(zhuǎn)向架上方縱向4個(gè)測(cè)點(diǎn)可知，測(cè)點(diǎn)8即靠近地板處噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最大，而通過輪軌作用從地板透射入車廂的噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響更大。測(cè)點(diǎn)8與測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5相比，靠近地板處所測(cè)噪聲值大于靠近車門處。

圖4 不同測(cè)點(diǎn)下噪聲聲壓級(jí)對(duì)比

3.2 車內(nèi)噪聲頻譜分析

為了了解列車運(yùn)行時(shí)車內(nèi)噪聲頻譜特性，對(duì)車內(nèi)11個(gè)測(cè)點(diǎn)噪聲進(jìn)行頻譜分析，并繪制其頻譜特性曲線進(jìn)行研究。在不同速度下，車內(nèi)坐高1.2 m和站高1.5 m處噪聲特性頻譜圖如圖5所示。圖6為時(shí)速80 km轉(zhuǎn)向架上方和車廂中部位置處各測(cè)點(diǎn)噪聲特性頻譜圖。

圖5 站高與坐高處噪聲特性頻譜圖

圖6 轉(zhuǎn)向架上方各測(cè)點(diǎn)噪聲特性頻譜

3.2.1 坐高和站高處噪聲的頻譜分析

從圖5可以看出，坐高1.2 m和站高1.5 m處噪聲頻帶主要集中在20～125 Hz和500～800 Hz處。由于鐵路噪聲主要由牽引噪聲、輪軌噪聲和空氣動(dòng)力噪聲等組成，列車速度在35～250 km/h時(shí)，輪軌噪聲占主導(dǎo)[3]。而車速對(duì)車內(nèi)噪聲的影響十分明顯，隨著車速的增加，車內(nèi)噪聲線性聲壓級(jí)也隨之增加。對(duì)比車速60、70 km/h和80 km/h三個(gè)速度下各個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噪聲特性頻譜圖可以看出，隨著速度的增加，500～800 Hz處中高頻成分突出，而對(duì)中低頻處噪聲影響相對(duì)較小。由此可知，隨著列車運(yùn)行速度的增加，噪聲在500～800 Hz處中高頻成分突出，說明運(yùn)行速度對(duì)列車車內(nèi)噪聲中高頻影響較大，而對(duì)中低頻影響相對(duì)較小。

3.2.2 轉(zhuǎn)向架上方噪聲的頻譜分析

由圖6可以看出，在80 km/h的速度下，11個(gè)測(cè)點(diǎn)的車內(nèi)噪聲的主頻都主要集中在20～125 Hz和500～800 Hz處。其中，在20 Hz和630 Hz處11個(gè)測(cè)點(diǎn)噪聲值均達(dá)到峰值，630 Hz以后，噪聲特性曲線逐漸衰減，這是由于中高頻波長(zhǎng)短，衰減速度快。對(duì)于轉(zhuǎn)向架上方橫向5個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)說，其頻譜特性幾乎一致。而對(duì)于縱向4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)6即靠近空調(diào)機(jī)組處噪聲線性聲壓級(jí)在80～125 Hz處相較于其他3個(gè)點(diǎn)更高，說明空調(diào)機(jī)組內(nèi)部風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)的機(jī)械振動(dòng)對(duì)車內(nèi)噪聲在80～125 Hz處有較大的貢獻(xiàn)值。

4 結(jié)論

對(duì)某地鐵軌道交通車內(nèi)噪聲進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)后，選出效果較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且計(jì)算車內(nèi)噪聲各測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和線性聲壓級(jí)，得到主要結(jié)論如下。

(1)在同一斷面，站高1.5 m處的噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)均小于坐高1.2 m處，且隨著速度的增加，兩者之間的差值增大，其原因是坐高1.2 m處測(cè)點(diǎn)距離地板更近，而在列車低速運(yùn)行時(shí)，輪軌作用通過地板透射到車內(nèi)的噪聲是車內(nèi)的主要噪聲，故高度的差別致使坐高處的噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)高于站高處。

(2)轉(zhuǎn)向架上方橫向各測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)整體呈現(xiàn)從中間逐漸向兩邊增大的趨勢(shì)。從轉(zhuǎn)向架上方縱向各測(cè)點(diǎn)來(lái)看，空調(diào)機(jī)組對(duì)車內(nèi)噪聲的影響相對(duì)較小，而通過輪軌作用從地板透射入車廂的噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響更大。

(3)隨著列車運(yùn)行速度的增加，噪聲在500～800 Hz處中高頻成分突出，說明車輛運(yùn)行速度對(duì)列車車內(nèi)噪聲中高頻影響較大。

(4)對(duì)于縱向4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)6即靠近空調(diào)機(jī)組處噪聲線性聲壓級(jí)在80～125 Hz處相較于其他3個(gè)點(diǎn)更高，說明空調(diào)機(jī)組內(nèi)部風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)的機(jī)械振動(dòng)對(duì)車內(nèi)噪聲在80～125 Hz處有較大的貢獻(xiàn)值。