寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌降噪特性試驗研究

張校銘 周海洋 姚光磊 劉東婭 尹學(xué)軍 趙才友

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610041；2.西南交通建設(shè)集團股份有限公司，昆明 650000；3.隔而固（青島）振動控制有限公司，山東青島 266101）

在中國軌道交通已成為城市居民主要出行工具。為了達(dá)到綠色環(huán)保，必須控制其噪聲污染?？刂圃肼曋饕?種途徑：從聲源上降低噪聲，從傳播途徑上降低噪聲，從接收點進(jìn)行防護。地鐵車輛行駛過程中產(chǎn)生的振動與噪聲不僅僅通過空氣傳入車廂與司機室，車廂本身也通過結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生噪聲。噪聲傳播途徑多種且復(fù)雜，從聲源上降噪效果更好［1］。

當(dāng)列車行駛速度在60～200 km/h 時輪軌噪聲是主要成分，并主要集中在500～2 500 Hz。中國地鐵列車運行速度一般為60 km/h，最高運行速度為80 km/h［2］。因此，輪軌噪聲為地鐵列車運行中主要噪聲源。輪軌滾動噪聲主要聲源和輻射體為鋼軌和車輪，在300～2 100 Hz 頻段鋼軌為主要噪聲源；高于2 100 Hz 頻段車輪為噪聲主要輻射體［3］。輪軌系統(tǒng)動力學(xué)中，車輪與軌道并非孤立存在，是相互影響，相互耦合的。因此，抑制鋼軌振動不僅能控制鋼軌發(fā)出的噪聲，而且能控制車輪的噪聲輻射。

根據(jù)鋼軌振動產(chǎn)生機理，可采用多種鋼軌振動控制方法。阻尼鋼軌可從噪聲源控制噪聲，其不僅控制范圍比聲屏障大，而且具有加工簡單、安裝便利的特點。關(guān)于阻尼鋼軌技術(shù)，1993年歐洲ofwhat項目［4］研發(fā)的鋼軌動力吸振器能降低鋼軌輻射噪聲2 dB；1994—1996 年法國MONA-RONA-VONA 項目研發(fā)了新型鋼軌動力吸振器，可降噪4 dB。1997 年英國研制出將質(zhì)量塊嵌入黏彈性阻尼材料中的鋼軌動力吸振器，提供630 Hz與1 350 Hz兩個鋼軌調(diào)諧頻率。

近年來，我國也在快速推進(jìn)阻尼鋼軌的研究。魏鵬勃［5］研究發(fā)現(xiàn)，將阻尼材料與約束板材制成的復(fù)合阻尼板敷設(shè)在鋼軌表面可有效降低鋼軌振動。陳剛等［6］研發(fā)出在鋼軌軌腰和翼板處粘貼阻尼層以及約束層控制振動噪聲的技術(shù)，當(dāng)鋼軌產(chǎn)生彎曲振動時阻尼層隨著鋼軌一起振動，由于約束層彈性模量遠(yuǎn)大于阻尼層，限制阻尼層產(chǎn)生形變，起到耗能的效果，從而抑制鋼軌振動。尹學(xué)軍等［7］對普通約束阻尼鋼軌進(jìn)行優(yōu)化，制造出新型的寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌。該型鋼軌已應(yīng)用于上海地鐵吳中路車輛段。本文根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌的降噪效果。

1 寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌降噪原理

與普通約束阻尼鋼軌［8］相比，寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌的約束層不是平行于軌腰的平板，而是迷宮式凹凸不平且具有空腔，在空腔中填滿阻尼材料，見圖1。由于凹凸不平空腔的存在，使得阻尼層與鋼軌軌腰的距離增大，且?guī)Р奂s束層的剪切剛度遠(yuǎn)大于其彎曲剛度，使其具有更好的減振降噪效果。相比于普通約束阻尼鋼軌，寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌具有更高的阻尼比，工作面積遠(yuǎn)大于普通約束阻尼鋼軌，有更高的降噪效率。

圖1 寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌示意

2 現(xiàn)場測試

2.1 測試概況

測試彎道在重慶軌道交通1號線雙碑站—石井坡站高架橋曲線段，里程為YDK21+360—YDK21+668，測試段長308 m，曲線半徑545.1 m。測試列車為B 型車，設(shè)計行車速度100 km/h。軌道上鋪設(shè)了青島隔而固環(huán)境控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌。

測試在該阻尼裝置安裝前后同一位置、同一時段內(nèi)進(jìn)行，對比分析該阻尼裝置安裝前后車內(nèi)噪聲及環(huán)境輻射噪聲的變化。測試期間地鐵公司未對該試驗段鋼軌進(jìn)行打磨。

2.2 儀器選用與測點布置

噪聲測試儀器是高精度8 通道INV3060C 型24 位高精度采集儀。傳感器為INV9206 型聲壓傳感器，采樣頻率為51.2 kHz。數(shù)據(jù)分析軟件是Coinv DASP V10聲品質(zhì)分析軟件。

根據(jù)GB/T 3449—2011《聲學(xué) 軌道車輛內(nèi)部噪聲測量》［9］布設(shè)測點。受噪聲影響人群分為司機、車廂座位上乘客和車廂通道處乘客3 類。因此，測點根據(jù)不同人群接受噪聲位置布設(shè)，分別在司機室內(nèi)（測點距地面高度1.2 m 和1.5 m）以及緊鄰司機室第1 節(jié)車廂內(nèi)布設(shè)測點（測點距地面高度1.2 m 和1.5 m，相當(dāng)于坐姿與站姿人耳處）。車廂內(nèi)測點布設(shè)如圖2所示，司機室內(nèi)測點布設(shè)如圖3所示。

對于高架線路，依據(jù)其周邊環(huán)境條件選取線路一側(cè)合適斷面，根據(jù)JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》［10］，在垂直于線路（橫向）30 m 范圍內(nèi)，距線路中心線7.5，30 m 處分別布設(shè)測點（如圖4）。7.5 m 處測點用于測量機車車輛運行中所產(chǎn)生的噪聲，30 m 處測點用于測量軌道線路邊界噪聲。每一個測點的傳感器離高架橋面1.2 m。

圖2 B型車車廂內(nèi)測點布設(shè)（單位：m）

圖3 B型車司機室測點布設(shè)（單位：m）

圖4 高架線路測點布設(shè)（單位：m）

2.3 試驗方法

為了研究寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌的降噪效果，需要對比其安裝前后各測點噪聲A 計權(quán)聲壓級數(shù)據(jù)。為保證測試數(shù)據(jù)具有代表性，每個測點的噪聲數(shù)據(jù)都反復(fù)測量10 次，下文所有數(shù)據(jù)均為10 次測量的平均值。對于高架橋環(huán)境輻射噪聲，每次噪聲數(shù)據(jù)采集持續(xù)1 h。

為消除行車速度與列車差異的影響，阻尼裝置安裝前后2次測試的同一列車在該區(qū)段內(nèi)的行駛速度一致，各組數(shù)據(jù)均來自于同一車型列車上的測點，以最大限度保證對比數(shù)據(jù)的可靠性。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 測試數(shù)據(jù)處理

無地鐵車輛經(jīng)過時，背景噪聲與測試時噪聲A 計權(quán)聲壓級差值大于10 dB，因此無需對測試結(jié)果進(jìn)行修正。參考JGJ/T 170—2009，采用等效A 聲壓級LAeq作為噪聲評價指標(biāo)。

依據(jù)GB/T 14623—1993《城市環(huán)境噪聲測量方法》［11］，規(guī)定的測量時間T內(nèi)等效 A 聲壓級LAeq的計算公式為

式中：LA為t時刻的瞬時A聲壓級，dB。

若測量是采樣測量，且采樣的時間間隔一定時，式（1）可表示為

式中：LAi為第i次采樣測得的A聲壓級；n為采樣總數(shù)。

二次噪聲測量值應(yīng)大于背景噪聲3 dB 以上，并進(jìn)行修正。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 車內(nèi)噪聲

車廂內(nèi)共有6 個測點，分別為測點1—測點6。其中測點1，2與測點5，6分別位于車體2個轉(zhuǎn)向架上部，測點1，2 與測點5，6 噪聲數(shù)據(jù)無明顯差異。測點3，4由于距轉(zhuǎn)向架距離略大，阻尼裝置安裝前后其等效A聲壓級較測點1，2 均低1～2 dB（A），因此選取測點1，2噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

對截取時間范圍內(nèi)車廂通過測試路段時測得的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換分析，得到阻尼裝置安裝前后噪聲頻譜。

阻尼裝置安裝前后車廂內(nèi)不同高度處噪聲聲壓對比見圖5?？梢钥闯觯簻y試路段鋼軌激發(fā)的噪聲頻率成分以523 Hz和745 Hz為主，安裝阻尼裝置后兩主頻率的聲壓峰值均降低50%以上。表明阻尼裝置有效抑制了鋼軌振動，顯著降低了噪聲聲壓幅值。

阻尼裝置安裝前后車廂內(nèi)不同高度處噪聲A 計權(quán)聲壓級對比見圖6?？梢钥闯觯?00～3 150 Hz 頻率范圍內(nèi)噪聲顯著降低。2個測點在800 Hz頻率下的降噪效果最為明顯，1.2 m 測點處聲壓級降低11.6 dB（A），1.5 m 處測點聲壓級降低了14.4 dB（A）。但低于500 Hz 頻率的噪聲在阻尼裝置安裝前后幾乎無變化，表明該裝置對于低頻噪聲降噪效果不佳。

圖5 阻尼裝置安裝前后車廂內(nèi)不同高度處噪聲聲壓對比

圖6 阻尼裝置安裝前后車廂內(nèi)不同高度處噪聲A計權(quán)聲壓級對比

阻尼裝置安裝前后列車車廂內(nèi)2個測點噪聲A 計權(quán)總聲壓級及其差值見表1。由表中數(shù)據(jù)計算可得：車廂內(nèi)1.2 m 處阻尼裝置安裝前A 計權(quán)總聲壓級為88.9 dB（A），安裝后為81.6 dB（A），平均降噪7.3 dB（A）。車廂1.5 m 測點處阻尼裝置安裝前A 計權(quán)總聲壓級為88.5 dB（A），安裝后為 81.3 dB（A），平均降噪7.2 dB（A）。

表1 阻尼裝置安裝前后列車車廂內(nèi)2個測點噪聲A計權(quán)總聲壓級及其差值 dB（A）

從阻尼鋼軌的降噪機理上進(jìn)行分析，鋼軌引起的振動主要集中在500～1 000 Hz，而輪軌噪聲的主要頻率集中在500～2 500 Hz 頻段內(nèi)。阻尼裝置對于該頻段內(nèi)的振動能夠有效抑制，從而對噪聲進(jìn)行控制。依據(jù)數(shù)據(jù)推測，該裝置抑制了523 Hz與745 Hz頻率處鋼軌振動，因此圖6 中500 Hz 與800 Hz 峰值處噪聲得到了明顯控制。

3.2.2 司機室噪聲

阻尼裝置安裝前后司機室內(nèi)不同高度噪聲聲壓對比見圖7。對比圖5 和圖7 可知：司機室內(nèi)噪聲主頻仍然在523，745 Hz 兩個頻率處，司機室內(nèi)噪聲峰值明顯小于車廂內(nèi)噪聲峰值。原因在于司機室下方?jīng)]有轉(zhuǎn)向架，且與車廂有側(cè)墻和門相隔，司機室與車廂相比輪軌噪聲較小。此外，司機室的氣密性好，減小了繞射進(jìn)入司機室內(nèi)的車外噪聲。

圖7 阻尼裝置安裝前后司機室內(nèi)不同高度噪聲聲壓對比

阻尼裝置安裝前后司機室內(nèi)不同高度噪聲A 計權(quán)聲壓級對比見圖8。對比圖6 和圖8 可以看出：車廂內(nèi)和司機室500 Hz 以上頻率的噪聲均得到了一定程度抑制。2 個測點在800 Hz 頻率處降噪效果最明顯，1.2 m處測點聲壓級降低10.5 dB（A），1.5 m處測點聲壓級降低了11.4 dB（A）。多個測點在800 Hz 處噪聲A 計權(quán)聲壓級均降低了10 dB（A）以上，表明該裝置對主頻噪聲的控制效果十分明顯。

圖8 阻尼裝置安裝前后司機室不同高度噪聲A計權(quán)聲壓級對比

表2 阻尼裝置安裝前后司機室內(nèi)2個測點噪聲A計權(quán)總聲壓級及其差值 dB（A）

阻尼裝置安裝前后司機室內(nèi)2個測點噪聲A 計權(quán)總聲壓級及其差值見表2。由表中數(shù)據(jù)計算可得：司機室1.2 m 處阻尼裝置安裝前A 計權(quán)總聲壓級為83.4 dB（A），安裝后A 計權(quán)總聲壓級為76.9 dB（A），平均降噪6.5 dB（A）；司機室1.5 m處阻尼裝置安裝前A 計權(quán)總聲壓級為 82.0 dB（A），安裝后A 計權(quán)總聲壓級為76.0 dB（A），平均降噪6.0 dB（A）。對比表1，該裝置對于司機室內(nèi)噪聲控制效果劣于車廂內(nèi)，原因是司機室內(nèi)噪聲聲壓級較低，因此降噪效果沒有車廂內(nèi)明顯。

3.2.3 高架橋環(huán)境輻射噪聲

阻尼裝置安裝前后高架橋環(huán)境輻射噪聲聲壓對比見圖9?？梢钥闯觯簩τ诟呒軜颦h(huán)境輻射噪聲，在523 Hz 處的噪聲峰值明顯高于745 Hz 處的噪聲峰值，表明523 Hz 頻率為噪聲最主要頻率。該裝置在523 Hz處的降噪效果十分明顯，峰值降低了70%以上。

阻尼裝置安裝前后高架橋環(huán)境輻射噪聲A 計權(quán)聲壓級對比見圖10。可以看出：阻尼裝置有效控制的頻帶范圍為500～3 150 Hz，在7.5 m 處測點最大降噪11.7 dB（A），最大值出現(xiàn)在2 000 Hz 頻率處。在30 m處測點最大降噪11.7 dB（A），最大值亦出現(xiàn)在2 000 Hz頻率處。

圖9 阻尼裝置安裝前后高架橋環(huán)境輻射噪聲聲壓對比

阻尼裝置安裝前后高架橋2個測點噪聲A 計權(quán)總聲壓級及其差值見表3。綜合表中數(shù)據(jù)可得：7.5 m 處阻尼裝置安裝前A 計權(quán)總聲壓級為85.2 dB（A），安裝后A計權(quán)總聲壓級為76.8 dB（A），平均降噪8.4 dB（A）；30 m處阻尼裝置安裝前A計權(quán)總聲壓級為79.4 dB（A），安裝后A計權(quán)總聲壓級為74.2 dB（A），平均降噪5.2 dB（A）。7.5 m 處降噪效果明顯好于30 m 處，表明該裝置降噪效果隨著距軌道中心線的距離增大而衰減。

表3 阻尼裝置安裝前后高架橋2個測點噪聲A計權(quán)總聲壓級及其差值 dB（A）

4 結(jié)論

對比阻尼裝置安裝前后噪聲數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：

1）對于車廂內(nèi)和司機室噪聲，因鋼軌激發(fā)的輪軌噪聲頻率成分以523 Hz和745 Hz為主，安裝阻尼裝置后兩主頻（523，745 Hz）降低了50%以上。該裝置吸振頻帶較寬，不僅在523 Hz 與745 Hz 兩頻率之間，在500～3 150 Hz頻帶范圍內(nèi)均有降噪效果。其抑制了鋼軌振動的同時限制了輪對與鋼軌的耦合振動，從而降低了更高頻域內(nèi)噪聲。

2）對于高架橋環(huán)境輻射噪聲，在2 000 Hz 頻率處降噪效果最好，7.5 m 處平均降噪8.4 dB（A），30 m 處平均降噪5.2 dB（A）。由于阻尼裝置通過抑制鋼軌振動來減少噪聲，所以對機車車輛行駛噪聲的降噪效果較好。噪聲在傳播過程中無控制手段，即30 m 處降噪原因僅為噪聲源得到控制。降噪效果隨距軌道中心線距離的增大而衰減。

3）該阻尼鋼軌有效控制頻帶范圍為500 ～3 150 Hz，此頻帶為鋼軌輻射噪聲的主要頻帶。對頻率高于3 150 Hz 的噪聲也有一定抑制效果，但不如500～3 150 Hz 頻帶效果好；對于低于500 Hz 的噪聲該阻尼裝置安裝前后無明顯差別。這表明該阻尼裝置僅對輪軌噪聲有一定的控制效果，整體控制頻帶較寬。

總體來看，在高架線路曲線段無論是對于車廂內(nèi)噪聲、司機室噪聲，還是高架橋環(huán)境輻射噪聲，該阻尼裝置都具有良好的降噪效果。該裝置對于車內(nèi)噪聲能有效降噪5.0～7.7 dB（A）。