高架線列車車內(nèi)噪聲測(cè)試及分析

任奇

（北京九州一軌隔振技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 概述

軌道交通車內(nèi)的噪聲會(huì)影響乘客的舒適度，車輛在線路條件差的地段，如通過(guò)特殊小半徑曲線時(shí)，噪聲更為明顯。某高架線路有多處小半徑曲線，車輛在通過(guò)曲線時(shí)噪聲明顯增大，且距離居民區(qū)較近，在試運(yùn)營(yíng)期間就接到了噪聲投訴。為研究不同曲線半徑噪聲的特點(diǎn)，若在高架橋上進(jìn)行噪聲測(cè)試則需布置大量測(cè)點(diǎn)，且該項(xiàng)目的高架橋較窄，軌旁測(cè)點(diǎn)不滿足距行車線路中心線水平距離7.5m的要求，不滿足測(cè)點(diǎn)周圍2m內(nèi)不應(yīng)有反射物的要求，且車輛在運(yùn)行過(guò)程中的主要噪聲源為輪軌噪聲，其附屬設(shè)備的噪聲對(duì)車內(nèi)影響不大[1、2]，因此選擇在行進(jìn)列車的內(nèi)部設(shè)置噪聲測(cè)點(diǎn)。

高架線路的兩側(cè)設(shè)有半包圍聲屏障，頂部按消防要求開孔。屏障底部設(shè)吸聲結(jié)構(gòu)，為孔板加吸聲材料，吸聲材料外包防水杜邦膜。噪聲敏感區(qū)段，列車先后通過(guò)直線—R100m曲線—直線—R45m曲線，之后進(jìn)站停車。

測(cè)試列車通過(guò)時(shí)車內(nèi)的噪聲情況，意在分析列車通過(guò)小曲線時(shí)的噪聲變化情況及噪聲的頻率組成，為噪聲治理提供數(shù)據(jù)支持。

2 測(cè)試依據(jù)

車內(nèi)噪聲測(cè)試按《城市軌道交通列車 噪聲限值和測(cè)量方法》（GB 14892—2006）進(jìn)行，該標(biāo)準(zhǔn)意在驗(yàn)證車輛的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)，所以要求選擇線路條件較好的情況進(jìn)行測(cè)量（坡度＜3‰，曲線半徑＞1500m）。標(biāo)準(zhǔn)中地面線車內(nèi)噪聲限值為75dB（A），不適用于本次測(cè)試的小半徑曲線。所以本次測(cè)試僅采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳感器位置、朝向，門窗關(guān)閉，客室內(nèi)人員不超過(guò)4人的要求，其余要求不做參考[3]。

3 測(cè)試儀器及方案

3.1 測(cè)試儀器

本次測(cè)試對(duì)后期數(shù)據(jù)的處理要求較高，所以采用在噪聲測(cè)試采集及信號(hào)處理分析方面有優(yōu)勢(shì)的數(shù)據(jù)采集儀作為測(cè)試工具?？赏瓿蓚鹘y(tǒng)聲級(jí)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，如濾波、波形截取等。

3.2 測(cè)試方案

測(cè)試前充分考慮到后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需要將噪聲的時(shí)域數(shù)據(jù)與車輛行進(jìn)中的線型、車速相對(duì)應(yīng)，所以測(cè)試方案中包括了多點(diǎn)視頻同步采集，需與噪聲測(cè)試同時(shí)啟停，同步記錄行車方向（線型）及實(shí)時(shí)車速變化。

客室內(nèi)所有的門、窗關(guān)閉，保證測(cè)試期間客室內(nèi)人員不超過(guò)4人。傳聲器置于客室縱軸中部，距地板高度1.2m，方向朝上。視頻采集位于車頭司機(jī)室處，記錄列車前進(jìn)方向線路情況及車速。以區(qū)間兩車站為測(cè)試起止點(diǎn)，以列車啟動(dòng)時(shí)開始測(cè)試，至列車進(jìn)站停車終止測(cè)試。

4 數(shù)據(jù)處理分析

4.1 濾波

噪聲測(cè)量過(guò)程中受氣流、氣壓變化、手持晃動(dòng)等影響，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)通過(guò)對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波（截止頻率100Hz），可以消除相關(guān)干擾。圖1所示為同一組數(shù)據(jù)濾波前后的時(shí)域曲線。濾波對(duì)聲壓級(jí)尤其是A聲級(jí)影響很小，可忽略不計(jì)。

圖1 濾波前后噪聲時(shí)域波形

4.2 時(shí)域波形、音頻、視頻對(duì)比分析

4.2.1 音頻轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)采集儀具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，可以將傳聲器采集的原始文件轉(zhuǎn)換為可播放的聲音文件，幫助還原噪聲采集的過(guò)程，尤其是可以對(duì)異常數(shù)據(jù)的原因進(jìn)行分析。

本次測(cè)試采集由列車出站至進(jìn)站的全過(guò)程，所以數(shù)據(jù)的開頭及結(jié)尾可能會(huì)采集到車門及屏蔽門關(guān)閉時(shí)的提示音。如圖2所示，時(shí)域數(shù)據(jù)區(qū)域E范圍內(nèi)即為屏蔽門關(guān)閉提示音。通過(guò)轉(zhuǎn)換格式后可清楚聽到并分辨出提示音出現(xiàn)的時(shí)間，與視頻中的聲音能很好地吻合，在噪聲分析過(guò)程中應(yīng)去除該部分聲音，避免對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

圖2 噪聲時(shí)域波形區(qū)分

4.2.2 通過(guò)視頻標(biāo)注時(shí)間節(jié)點(diǎn)

視頻文件長(zhǎng)度與相應(yīng)噪聲文件長(zhǎng)度相同，視頻中可分辨列車進(jìn)出曲線的時(shí)間段，轉(zhuǎn)換后的音頻文件在相同時(shí)間段的聲音與視頻相吻合，則可確認(rèn)該段時(shí)間列車通過(guò)的線路情況。如圖2所示，將時(shí)域波形數(shù)據(jù)依次按時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，精確到秒，區(qū)分該段噪聲與線路的關(guān)系。

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，同一列車在該區(qū)間反復(fù)運(yùn)行5個(gè)循環(huán)，以列車啟動(dòng)出站為起點(diǎn)，進(jìn)站停止為終點(diǎn)，記錄10組有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一致性較好。從時(shí)域圖中可以清晰的分辨出列車通過(guò)曲線時(shí)，噪聲增大的情況。

4.2.3 截取波形進(jìn)行分析

按時(shí)間節(jié)點(diǎn)截取相應(yīng)的時(shí)域數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行倍頻程分析，得到R100m、R45m、直線的聲壓級(jí)。平均方式：線性平均，重疊系數(shù)7/8，F(xiàn)FT分析點(diǎn)數(shù)：32768，矩形窗。不同線型/車速噪聲數(shù)據(jù)見下表。

測(cè)試結(jié)果

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析可精確的得知能量集中的頻率，如R100m時(shí)的噪聲在5.8kHz及7.95kHz處存在能量集中（見圖3）。

4.2.4 倍頻程分析及三維譜陣

對(duì)4段數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程分析，可看出不同車速、不同曲線半徑條件下噪聲的頻率分布情況（見圖4）。直線時(shí)速20km時(shí)在100Hz至200Hz，1.6kHz至25kHz的噪聲較時(shí)速10km時(shí)均有增大。

圖3 R100m噪聲頻域波形

圖4 1/3倍頻程分析

信號(hào)的傅里葉頻譜只能反映信號(hào)在整個(gè)時(shí)間過(guò)程中的平均頻率情況，使用三維譜陣分析則可反映長(zhǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)的頻率特性隨時(shí)間變化而變化的情況。

三維譜陣分析是對(duì)一個(gè)長(zhǎng)信號(hào)在其不同時(shí)間位置上，取一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)點(diǎn)（一般為1024點(diǎn)）分別進(jìn)行傅里葉譜分析，然后將各次的譜分析結(jié)果在三維空間中依次排列起來(lái)，以表現(xiàn)在不同時(shí)間位置上的信號(hào)頻譜特性。相鄰兩條譜線所取時(shí)間的間隔通常相等，并使各次分析的時(shí)間位置在整個(gè)時(shí)間軸上均勻分布。分析譜線條數(shù)越多，越能精確反映信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的特性。見圖5，通過(guò)三維譜陣可看出列車在經(jīng)過(guò)R100m及R45m小曲線半徑時(shí)，除低頻能量增加外，在5.8kHz及7.95kHz附近有明顯的能量集中。該部分噪聲為小半徑曲線特有的尖嘯聲（嘯叫聲），由內(nèi)側(cè)車輪在內(nèi)側(cè)鋼軌蠕滑引起。從本質(zhì)上說(shuō)，蠕滑力就是摩擦力，在高蠕滑狀態(tài)下，蠕滑力的下降特性被認(rèn)為是動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定作用形成的主要原因，進(jìn)而產(chǎn)生尖嘯聲[4]。

列車通過(guò)直線段時(shí)噪聲主要頻率集中在2kHz以下，通過(guò)小半徑曲線段時(shí)噪聲頻率范圍較寬，至8kHz均有分布。其中5.8kHz及7.95kHz兩個(gè)頻段的能量較為集中，可作為小曲線噪聲的特征頻率。在三維譜陣圖中通過(guò)特征頻率可驗(yàn)證不同線型時(shí)間節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，當(dāng)特征頻率出現(xiàn)時(shí)即為車輛進(jìn)入曲線，見圖5。

圖5 三維譜陣

4.2.5 時(shí)變參量分析

對(duì)于變化的聲音信號(hào)，可以通過(guò)時(shí)變參量分析得到各個(gè)時(shí)刻的聲壓級(jí)，獲取聲壓級(jí)—時(shí)間曲線。列車通過(guò)時(shí)各個(gè)時(shí)刻的聲壓級(jí)見圖6。從圖6可看出列車進(jìn)出小半徑曲線時(shí)噪聲會(huì)陡然增加及下降。噪聲持續(xù)時(shí)間與曲線長(zhǎng)度及車速相關(guān)。

圖6 時(shí)變參量分析

5 測(cè)試結(jié)論

列車通過(guò)小半徑曲線車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)論如下：

（1）直線段時(shí)速20km時(shí)，聲壓級(jí)70.1dB（A），大于時(shí)速10km時(shí)聲壓級(jí)68.3dB（A）。R100m車內(nèi)聲壓級(jí)78.4dB（A），R45m車內(nèi)聲壓級(jí)76.8dB（A）。

（2）小曲線地段高頻聲頻率集中在5.8kHz及7.95kHz附近，由輪軌摩擦、蠕滑產(chǎn)生。

（3）對(duì)于車內(nèi)噪聲測(cè)試分析，一定要將測(cè)試數(shù)據(jù)與線路、車輛、軌道、車速等一一對(duì)應(yīng)。建議測(cè)試前對(duì)照線路圖及運(yùn)行圖了解車輛進(jìn)出曲線的大概時(shí)間節(jié)點(diǎn)，測(cè)試過(guò)程中采用添乘錄制車輛前進(jìn)方向及實(shí)時(shí)車速，或錄制車廂縱向影像的方式判斷車輛是否進(jìn)入曲線，與聲級(jí)計(jì)采集的數(shù)據(jù)做到同步，以便后期在時(shí)域分析過(guò)程中，對(duì)照視頻資料判斷噪聲產(chǎn)生時(shí)的線路情況。如條件允許，還應(yīng)到線路實(shí)地考察，觀察隧道/高架線路情況，考察軌道扣件型式有無(wú)減振措施，有無(wú)波磨等。綜合各種情況后才能對(duì)噪聲各頻帶有清晰地分析。

6 噪聲控制建議

小半徑曲線易產(chǎn)生軌道病害，對(duì)于該區(qū)段的噪聲控制提出以下建議：

（1）打磨鋼軌消除原始不平順，并加裝TRD阻尼器抑制鋼軌波磨。

（2）在外軌加裝摩擦控制裝置，在內(nèi)軌加裝鋼軌涂油裝置，對(duì)內(nèi)外鋼軌進(jìn)行全面潤(rùn)滑，減少側(cè)磨及蠕滑。

（3）針對(duì)列車噪聲對(duì)周邊居民的影響，建議設(shè)置全封閉屏障，檢查杜邦膜安裝情況及對(duì)吸聲材料的影響。