不同軌道結(jié)構(gòu)地鐵車內(nèi)噪聲影響特性分析

農(nóng)興中,魏 曉,陳明明,趙才友,史海歐

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州 510010； 2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

引言

軌道交通因其運(yùn)量大、占地少、安全便捷、舒適環(huán)保等特點(diǎn)，時(shí)至今日，已經(jīng)成為各大中城市居民出行的首選交通方式，然而軌道交通在給城市帶來(lái)諸多便利的同時(shí)也帶來(lái)了較多的環(huán)境污染問(wèn)題，如環(huán)境振動(dòng)與車內(nèi)噪聲[1-3]。隨著人們生活水平的提高，對(duì)環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，對(duì)乘坐舒適性的要求逐漸提高。為了降低地鐵運(yùn)行時(shí)對(duì)周邊環(huán)境的振動(dòng)影響，現(xiàn)階段提出了許多減振軌道結(jié)構(gòu)，如減振扣件道床、梯形軌枕道床、鋼彈簧浮置板道床等，并對(duì)不同減振結(jié)構(gòu)展開相關(guān)研究。羅雁云[4]運(yùn)用模型試驗(yàn)落錘激勵(lì)法，測(cè)試了不同減振扣件的減振性能，得到了在4～200 Hz范圍內(nèi)不同減振扣件減振指標(biāo)隨頻率變化趨勢(shì)基本相同的結(jié)論。蘇宇等[5]從理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)分析兩個(gè)方面研究梯形軌枕道床的動(dòng)力響應(yīng)特性及減振性能，表明梯形軌枕道床具有良好的減振性能。孫曉靜[8]通過(guò)建立車輛-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)減振性能和地鐵振動(dòng)傳播規(guī)律進(jìn)行了深入研究。

隨著時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)各界在關(guān)注振動(dòng)的同時(shí)，對(duì)噪聲也是越來(lái)越關(guān)注。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。任海、肖友剛等[2]分析了地鐵車輛運(yùn)行時(shí)車內(nèi)噪聲的成因及傳播途徑，并針對(duì)噪聲源、隔聲、吸聲等多方面提出了控制地鐵車內(nèi)噪聲的措施。薛紅艷等[9]通過(guò)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。肖安鑫[10]通過(guò)對(duì)不同鋼彈簧浮置板軌道地段車內(nèi)噪聲的對(duì)比測(cè)試，分析了鋼彈簧浮置板軌道對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。目前，雖然對(duì)車內(nèi)噪聲有一定研究，但是不同減振軌道結(jié)構(gòu)形式對(duì)車內(nèi)噪聲影響的相關(guān)研究還較少且不全面[11-13]。

地鐵運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題，從產(chǎn)生機(jī)理與傳播路徑上看兩者便是相互影響、不可分割的兩部分，采用不同振動(dòng)控制措施會(huì)對(duì)噪聲產(chǎn)生直接影響。本文則將重點(diǎn)研究采用不同減振軌道結(jié)構(gòu)形式時(shí)的車內(nèi)噪聲特性。分別研究了普通整體道床、減振扣件道床、梯形軌枕道床、中等鋼彈簧浮置板道床、高檔鋼彈簧浮置板道床等5種軌道結(jié)構(gòu)形式，采用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)對(duì)車內(nèi)噪聲的時(shí)域與頻域特性進(jìn)行了分析，對(duì)比研究了當(dāng)列車在不同減振結(jié)構(gòu)道床上運(yùn)行時(shí)車內(nèi)噪聲分布規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 減振軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

地鐵等城市軌道交通穿行于居民區(qū)內(nèi)，為了達(dá)到更好的減振降噪效果，常在原有軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上使用減振扣件，減振扣件具有良好的減振性能。

梯形軌枕道床是以混凝土縱梁作為固定并連續(xù)支承鋼軌的結(jié)構(gòu)，在左右的縱梁之間用鋼管材料進(jìn)行橫向剛性連接，組成“梯子式”的一體化結(jié)構(gòu)。梯形軌道由鋼軌、梯形軌枕、支承塊構(gòu)成，具有減振降噪、少維修等特點(diǎn)[5-7]。

鋼彈簧浮置板減振軌道是將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置于鋼彈簧隔振器上，隔振器內(nèi)放有螺旋鋼彈簧和黏滯阻尼，鋼彈簧隔振器內(nèi)的粘滯阻尼使鋼彈簧具有三維彈性，增加了系統(tǒng)的各向穩(wěn)定性和安全性，具有較好的隔振減振效果[14-15]。

1.2 試驗(yàn)工況與測(cè)點(diǎn)布置

1.2.1 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)測(cè)試車輛車型為6節(jié)編組A型車，該車線路設(shè)計(jì)速度為100 km/h。地鐵空載以70 km/h穩(wěn)定速度運(yùn)行時(shí)進(jìn)行車內(nèi)噪聲測(cè)試。試驗(yàn)地點(diǎn)為隧道區(qū)直線段，鋪設(shè)無(wú)砟軌道，試驗(yàn)線路尚未開通，鋼軌為60 kg/m軌，鋼軌無(wú)波磨。

1.2.2 測(cè)點(diǎn)布置

本文的研究重點(diǎn)是使用不同軌道結(jié)構(gòu)形式時(shí)車內(nèi)噪聲特性。選擇在車廂轉(zhuǎn)向架所在斷面布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：mm)

在1.5 m高度位置水平等距布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為1，2，3，4，5，用于采集車廂內(nèi)不同位置站高處噪聲信息。在車體中部垂向布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，高度分別為0.2，1.2，1.5，1.8 m，編號(hào)分別為8，7，3，6。高度為1.2 m與1.5 m的測(cè)點(diǎn)用于采集模擬乘客坐高與站高位置的車內(nèi)噪聲，0.2 m與1.8 m的測(cè)點(diǎn)用于采集近地板處與車廂頂部噪聲。

試驗(yàn)采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所的高精度16通道INV3060S型雙核采集儀，最高采樣頻率為51.2 kHz。測(cè)量傳聲器為聲望(BSWA)的MPA201型傳感器。

1.3 數(shù)據(jù)采集

1.3.1 數(shù)據(jù)記錄形式

地鐵敷設(shè)中在同一區(qū)段常采用幾種道床形式，本文中實(shí)驗(yàn)人員使用秒表與采集儀同步計(jì)時(shí)，其中一名實(shí)驗(yàn)人員在司機(jī)室觀察里程，記錄當(dāng)測(cè)試車輛進(jìn)入和離開指定里程區(qū)段的時(shí)間間隔。在測(cè)試完成后，依據(jù)秒表的記錄，確定列車在不同軌道結(jié)構(gòu)形式上運(yùn)行的時(shí)間。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析方法

噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)：A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)是目前我國(guó)聲環(huán)境評(píng)價(jià)規(guī)范中比較統(tǒng)一的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文選用A計(jì)權(quán)聲級(jí)作為噪聲的量化評(píng)價(jià)值，用LAeq表示，dB(A)。

A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的具體計(jì)算公式如下

(1)

式中，LPA(t)為某時(shí)刻瞬時(shí)A聲級(jí)，dB；T為時(shí)間，s。

當(dāng)在規(guī)定的時(shí)間T內(nèi)，需要分時(shí)間段采集時(shí)，如T=T1+T2+T3+…+Trv，則T時(shí)間內(nèi)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)計(jì)算公式為

(2)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為方便分析，分別選取當(dāng)列車在不同軌道結(jié)構(gòu)形式上運(yùn)行20 s的數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。在此期間測(cè)試車輛以速度70 km/h穩(wěn)定運(yùn)行。得到當(dāng)列車通過(guò)普通整體道床、減振扣件道床、高檔鋼彈簧浮置板道床、中檔鋼彈簧浮置板道床，梯形軌枕道床時(shí)車內(nèi)噪聲瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)域圖與頻域圖，如圖2、圖3所示。

圖2 不同軌道結(jié)構(gòu)形式下瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)域

圖3 不同軌道結(jié)構(gòu)形式的頻域

2.1 時(shí)域分析

如圖2所示，時(shí)域分析選取2號(hào)、3號(hào)、7號(hào)測(cè)點(diǎn)作為研究對(duì)象，對(duì)比研究橫向與垂向不同位置瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。從時(shí)域上看，當(dāng)列車通過(guò)各種軌道結(jié)構(gòu)形式時(shí)，車廂內(nèi)站高與坐高位置車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的差值在0.5 dB左右。普通整體道床車內(nèi)噪聲瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)均值為76.6 dB，方差為5.5。采用減振扣件時(shí)車內(nèi)噪聲瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)均值為82.3 dB，方差為27.3，全程幅值變化較大。梯形軌枕道床瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)均值為77.2 dB，方差為4.9。中檔鋼彈簧浮置板道床瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)均值為76.8 dB，方差為4.4。當(dāng)列車在高檔鋼彈簧浮置板道床上運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)噪聲瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)均值為81.6 dB，方差為4.9。

減振扣件作為常見(jiàn)的減振措施，其具有較低的垂向剛度，可減弱鋼軌與軌下基礎(chǔ)的耦合作用，隔離從鋼軌往下傳遞的振動(dòng)能量，減小地面振動(dòng)以及降低建筑物的二次噪聲。然而，軌下支承剛度的改變將引起振動(dòng)能量的重分配[16]，被減振扣件所隔離的振動(dòng)能量將反射到上方的輪軌系統(tǒng)中并增大滾動(dòng)噪聲，輪軌噪聲再經(jīng)列車地板透射到車內(nèi)。

梯形軌枕屬于縱向軌枕的一種，其軌枕是由PC制的縱梁和鋼管制的橫向聯(lián)接桿構(gòu)成，利用減振材料等間隔支撐，不但具有復(fù)合軌道剛性的特點(diǎn)，同時(shí)軌道構(gòu)造具有充分的彈性。這一結(jié)構(gòu)同樣對(duì)振動(dòng)向下傳遞具有一定的阻礙作用[5]。

地鐵經(jīng)過(guò)普通道床時(shí)所引起的振動(dòng)，可通過(guò)道床基礎(chǔ)向四周傳播，而浮置板道床因下部支撐為彈簧，不利于振動(dòng)傳播，鋼軌、車輪和轉(zhuǎn)向架等聲源處更多的聲能向車內(nèi)輻射[17]。減振扣件道床、梯形軌枕道床、鋼彈簧浮置板道床3種軌道都具有減振功能，當(dāng)?shù)罔F運(yùn)行時(shí)會(huì)有更多的能量反射到輪軌系統(tǒng)和車體中，會(huì)產(chǎn)生更大的振動(dòng)，產(chǎn)生更大的車內(nèi)噪聲。同時(shí)因?yàn)楦粽裥Ч牟町悾瑢?dǎo)致參與重分配的能量也會(huì)有差異，對(duì)車內(nèi)噪聲的增強(qiáng)效果也不同?？傮w上減振軌道車內(nèi)噪聲瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)要高于普通整體道床[16]。

2.2 頻域分析

圖3為試驗(yàn)中5種軌道結(jié)構(gòu)形式所對(duì)應(yīng)的頻域圖。以1，2，3，4，5測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，研究車廂內(nèi)不同位置站高處車內(nèi)噪聲的頻率特征。對(duì)比5種工況的頻域圖，發(fā)現(xiàn)5種軌道結(jié)構(gòu)形式在600～1 000 Hz的頻帶內(nèi)均出現(xiàn)明顯峰值。其中，減振扣件的峰值幅值最高，梯形軌枕峰值幅值最小。中檔鋼彈簧浮置板道床與高檔鋼彈簧浮置板道床在50～125 Hz的頻帶內(nèi)都出現(xiàn)峰值。兩種浮置板道床A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)幅值在低頻與中低頻都明顯高于普通整體道床與梯形軌枕道床。這是由于鋼彈簧浮置板自振頻率較低，對(duì)地基及其周圍隔振效果較好，但車輛本身動(dòng)態(tài)的振動(dòng)響應(yīng)將隨著頻率降低而增大。隨著車輛局部的振動(dòng)激勵(lì)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的聲輻射以及封閉車廂內(nèi)的低頻聲混響的加劇，車內(nèi)噪聲無(wú)疑也將增加[10]。

通過(guò)頻域分析可以發(fā)現(xiàn)，普通整體道床峰值出現(xiàn)在1 000 Hz頻率位置，幅值為74 dB。普通整體道床與其他幾種道床形式相比，主峰值更為明顯。采用減振扣件這一工況，車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻率圖在300 Hz與1 000 Hz處出現(xiàn)峰值，幅值大小分別為78、79 dB。在315～800 Hz頻帶內(nèi)，曲線幅值變化較小。說(shuō)明在這種工況下車內(nèi)噪聲有兩個(gè)主頻，分別為300 Hz和1 000 Hz。對(duì)于梯形軌枕道床頻域圖在800 Hz左右出現(xiàn)唯一的峰值。說(shuō)明此頻段為該工況下車內(nèi)噪聲的一個(gè)主頻。中檔鋼彈簧浮置板道床頻域圖中出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，分別在800 Hz和50～125 Hz的頻帶內(nèi)，兩峰值幅值都在70 dB左右。高檔鋼彈簧浮置板道床與中檔鋼彈簧浮置板道床相似，在50～125 Hz頻帶和800 Hz處出現(xiàn)峰值，但兩處峰值差距較大。

2.3 車內(nèi)噪聲空間分布擬合

對(duì)5種工況所采集的20 s數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到20 s內(nèi)8個(gè)測(cè)點(diǎn)處車內(nèi)噪聲總A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，所得結(jié)果如表1所示。

表1 不同工況各測(cè)點(diǎn)平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí) dB

采用插值方法得到不同軌道結(jié)構(gòu)形式下各斷面A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)空間分布特征。易強(qiáng)、王平等人在研究環(huán)境噪聲空間分布特性時(shí)也使用了這一方法[18]。5種工況A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的空間分布云圖如圖4所示。

圖4 A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)空間分布特征

由圖4可知，各斷面A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)分布具有對(duì)稱性，具體表現(xiàn)為A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)在車廂兩側(cè)近門窗處大，車廂中部小，近地板處最大，近車頂處最小。之所以呈現(xiàn)這一現(xiàn)狀，因?yàn)樵肼晜魅胲噧?nèi)的途徑可分為空氣傳播和固體傳播?？諝鈧鞑ヂ暿侵杠囃庠肼曂ㄟ^(guò)車體各部分的縫隙傳入車內(nèi)的噪聲。固體傳播聲可分為一次固體聲和二次固體聲。一次固體聲是指鋼軌和車輪間的振動(dòng)通過(guò)彈簧系統(tǒng)傳給轉(zhuǎn)向架和車體，使地板等振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。二次固體聲是指聲源輻射的聲能激振車體外殼，使車內(nèi)地板、下墻板、車窗等產(chǎn)生振動(dòng)， 并向車內(nèi)輻射的噪聲，即車外噪聲通過(guò)車體結(jié)構(gòu)傳播的透射噪聲[19-20]。由以往研究可知，滾動(dòng)噪聲以及車外噪聲的二次固體聲占車內(nèi)噪聲的大部分[2]。

輪軌噪聲主要通過(guò)列車地板透射到車內(nèi)，聲壓的傳播方向是由下至上。故高度的差別致使近地板處的噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最高，隨高度的增加，噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)逐漸減小。二次固體聲激振車體外殼，向車內(nèi)輻射噪聲，聲壓的傳播方向是由兩側(cè)向中部。故在橫向上車內(nèi)噪聲兩側(cè)最大、車廂中部小。比較5種工況下乘客坐高和站高處噪聲情況，由圖4 A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)云圖的空間分布可以發(fā)現(xiàn)，梯形軌枕坐高處與站高處噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)分別為77，76.5 dB，中檔鋼彈簧浮置板道床為77.5，77 dB，減振扣件道床為83，82.5 dB，高檔鋼彈簧浮置板道床為82，81.5 dB，普通整體道床為77.5，77 dB。如圖5所示，各工況站高與坐高處總A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)比較圖。使用減振扣件的工況，車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最大，高檔鋼彈簧次之。中檔鋼彈簧與普通整體道床相等，梯形軌枕最小。

圖5 站高與坐高處A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)比

3 結(jié)論

當(dāng)列車以70 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，采用A計(jì)權(quán)對(duì)5種工況下車內(nèi)噪聲的時(shí)域與頻域特性進(jìn)行分析，得到了不同軌道結(jié)構(gòu)形式下，瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓的大小、車內(nèi)噪聲的頻譜特征以及總A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的空間分布特征。主要結(jié)論如下。

(1)普通整體道床車內(nèi)噪聲瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)均值為76.6 dB。減振扣件為82.3 dB，梯形軌枕道床為77.2 dB，中檔鋼彈簧浮置板道床為76.8 dB，高檔鋼彈簧浮置板道床為81.6 dB。

(2)列車在普通整體道床上運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻域圖，主峰值出現(xiàn)在1 000 Hz頻率位置。當(dāng)使用減振扣件時(shí)，車內(nèi)噪聲有兩個(gè)主頻，分別為300 Hz和1 000 Hz。梯形軌枕道床車內(nèi)噪聲的主頻為800 Hz。高檔鋼彈簧浮置板道床與中檔鋼彈簧浮置板道床車內(nèi)噪聲擁有100、800 Hz兩個(gè)主頻。

(3)車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)在空間分布上，同一水平車廂兩側(cè)近門窗處比車廂中部約高1.5 dB。在垂向上近地板處噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最大，隨高度的增加逐漸減小。5種工況下車廂內(nèi)坐高比站高處噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)高0.5 dB。

(4)在5種軌道結(jié)構(gòu)形式中：梯形軌枕道床車內(nèi)噪聲總A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最小，站高與坐高處分別為77，76.5 dB；中檔鋼彈簧浮置板道床與普通整體道床在站高與坐高處分別為77.5，77 dB。高檔鋼彈簧浮置板道床分別為82，81.5 dB。減振扣件最高，站高與坐高處分別為83，82.5 dB。