不同軌道結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵車內(nèi)噪聲影響實(shí)驗(yàn)研究

劉存真,李 莉,卜 征,張?jiān)骑w,吳亞楠

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804； 2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804)

1 研究背景

近年來(lái)，隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的城市居民選擇地鐵作為主要出行方式。一直以來(lái)，環(huán)境振動(dòng)噪聲的問(wèn)題較為研究人員和管理者重視，為了減小地鐵運(yùn)行對(duì)周邊環(huán)境振動(dòng)的影響，高彈性扣件整體道床、梯形軌道、道砟墊、浮置板等隔振措施被廣泛應(yīng)用[1]。

研究表明，隔振軌道可以在一定頻段內(nèi)降低傳至周圍環(huán)境的振動(dòng)能量，浮置板軌道的隔振特性尤為顯著[2-3]。Grootenhuis[4]通過(guò)對(duì)比1962年應(yīng)用在科隆的浮置板軌道和普通軌道，就得到浮置板軌道可以降低傳播到線路周圍15～200 Hz頻率范圍振動(dòng)。然而從能量角度分析，浮置板軌道僅是隔離了部分輪軌振動(dòng)向下傳播，輪軌以上的振動(dòng)反而有所增加。張生延[5]認(rèn)為浮置板在減小板下振動(dòng)的同時(shí)勢(shì)必會(huì)引起軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲增大以及疲勞傷損加快。肖安鑫等[6]發(fā)現(xiàn)，采取浮置板道床和減振扣件后，地鐵車輛內(nèi)部低頻振動(dòng)和噪聲水平有所提高。農(nóng)興中等[7]對(duì)比了5種常見(jiàn)的軌道結(jié)構(gòu)的車內(nèi)噪聲，發(fā)現(xiàn)隔振軌道車內(nèi)噪聲瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓均值較普通道床大0.6～5 dB。田建輝[8]對(duì)比鋼彈簧浮置板和橡膠彈簧浮置板，對(duì)地鐵車內(nèi)噪聲影響大小相當(dāng)。國(guó)外研究表明，板式軌道的車內(nèi)噪聲較有砟軌道普遍大3～5 dB[9-10]，鋼彈簧浮置板的車內(nèi)噪聲比彈性扣件普通整體道床大4 dB[11]，隧道環(huán)境會(huì)使車內(nèi)噪聲增加3～12 dB[12-13]。郭建強(qiáng)[14]通過(guò)實(shí)測(cè)，定量分析各因素對(duì)車內(nèi)噪聲的具體影響程度，并給出了合理建議。陳俊豪[15]在不同運(yùn)行速度下測(cè)量了轉(zhuǎn)向架和車體中部噪聲分布。薛紅艷[16]經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)近地板、通過(guò)臺(tái)和車門處噪聲比其他測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)高2～3 dB(A)。朱士友[17]發(fā)現(xiàn)列車通過(guò)小曲線時(shí)，曲線半徑大小對(duì)客室噪聲影響明顯，曲線半徑小于600 m時(shí)，客室噪聲主頻帶位于630～1 000 Hz。張曉排[18]對(duì)比列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)相應(yīng)點(diǎn)處的噪聲值比高架上高1.0～5.9 dB(A)。任海[19]提出了控制地鐵車內(nèi)噪聲的一系列措施。韓文娟[20]比較了國(guó)內(nèi)外城軌列車噪聲標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)未來(lái)發(fā)展提出了建議。

圖1 車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)平面布置示意

乘客乘坐地鐵，除了有安全準(zhǔn)時(shí)的需求之外，也期望車內(nèi)環(huán)境舒適。嘈雜的車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境影響通話質(zhì)量和語(yǔ)言辨識(shí)度，可造成乘坐人員的聽(tīng)力損傷，使乘客產(chǎn)生疲勞感。軌道交通的減振降噪措施是一個(gè)系統(tǒng)工程，對(duì)環(huán)境的影響不僅包括對(duì)線路外部環(huán)境的影響，也應(yīng)包括對(duì)列車的內(nèi)部的影響。車內(nèi)乘車舒適性和聲學(xué)環(huán)境舒適性也是影響軌道交通行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要因素。地鐵車內(nèi)噪聲由多重激勵(lì)源產(chǎn)生，輪軌噪聲是車內(nèi)噪聲的主要來(lái)源，車輛系統(tǒng)振動(dòng)噪聲、空調(diào)設(shè)備噪聲、動(dòng)力設(shè)備噪聲也對(duì)車內(nèi)噪聲有貢獻(xiàn)。目前有關(guān)車內(nèi)噪聲的文獻(xiàn)中，多為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，雖然有不同軌道結(jié)構(gòu)下車內(nèi)噪聲的時(shí)域和頻域特征的分析，但測(cè)點(diǎn)集中在一節(jié)列車內(nèi)，沒(méi)有體現(xiàn)測(cè)點(diǎn)在列車中不同位置、有無(wú)車輛動(dòng)力和運(yùn)行速度的影響。因此，研究地鐵車輛不同軌道結(jié)構(gòu)形式下的車內(nèi)噪聲特性和不同速度下噪聲特性的變化特點(diǎn)對(duì)于今后改善地鐵列車內(nèi)部聲環(huán)境，提高乘客滿意度具有重要意義。

對(duì)普通整體道床、減振扣件整體道床、預(yù)制橡膠彈簧浮置板和鋼彈簧浮置板4種軌道結(jié)構(gòu)，對(duì)帶司機(jī)室拖車Tc、帶受電弓動(dòng)車Mp、無(wú)受電弓動(dòng)車M這相鄰三節(jié)車內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的車內(nèi)噪聲進(jìn)行測(cè)試，分析在一組車中不同車輛位置時(shí)的噪聲時(shí)域和頻域特性，總結(jié)不同軌道的地鐵車內(nèi)噪聲的分布規(guī)律。

2 車內(nèi)噪聲測(cè)試概況

試驗(yàn)區(qū)段選取某城市地鐵隧道內(nèi)的普通整體道床、減振扣件整體道床、預(yù)制橡膠浮置板、鋼彈簧浮置板4種軌道結(jié)構(gòu)的直線區(qū)段，鋼軌無(wú)波浪形磨耗。普通整體道床和浮置板區(qū)段都采用了DTIII2型扣件，扣件垂向靜剛度為21～25 kN/mm。減振扣件整體道床區(qū)段采用的為ZB扣件，扣件的垂向靜剛度為10～12 kN/mm。車輛為4動(dòng)2拖6節(jié)編組B型車，車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)位于帶司機(jī)室拖車Tc、帶受電弓動(dòng)車Mp和無(wú)受電弓動(dòng)車M的相鄰三節(jié)車內(nèi)。分為背景、定置0,20,40 km/h和60 km/h五種工況測(cè)試車內(nèi)噪聲。

傳聲器為型號(hào)為4189-1/2英寸自由場(chǎng)傳聲器，噪聲采樣頻率為25.6 kHz，滿足頻域分析的要求。

2.1 詳細(xì)測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)位置的確定依據(jù)GB 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測(cè)量方法》中對(duì)傳聲器布置的規(guī)定，并參考ISO 3381:2005 Railway applications-Acoustics-Measurement of noise inside railbound vehicles， Railway applications-Acoustics-Measurement of noise inside railbound vehicles，詳見(jiàn)表1和圖1。參考人耳高度，坐姿區(qū)域的傳感器設(shè)置高度距離地板1.2 m，而其他區(qū)域距離地板1.5 m。

表1 測(cè)點(diǎn)布置

車內(nèi)噪聲現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試見(jiàn)圖2。紅色為司機(jī)室坐姿區(qū)，藍(lán)色為乘客站姿區(qū)，綠色為乘客坐姿區(qū)。

圖2 車內(nèi)噪聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

2.2 數(shù)據(jù)處理和評(píng)估方法

根據(jù)GB 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲測(cè)量限值和測(cè)量方法》規(guī)定的測(cè)量及數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均。

對(duì)于城市軌道交通系統(tǒng)列車噪聲測(cè)試，為了反映人對(duì)噪聲的響度感覺(jué)，采用等效A聲壓級(jí)作為評(píng)價(jià)量，按下式計(jì)算

(1)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1不同軌道結(jié)構(gòu)下車內(nèi)噪聲特性

為了說(shuō)明不同軌道結(jié)構(gòu)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，選取車速為40 km/h、無(wú)受電弓動(dòng)車M轉(zhuǎn)向架處16號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比較。列車通過(guò)4種軌道結(jié)構(gòu)的時(shí)間均截取10 s，將這4段時(shí)域拼接，時(shí)域如圖3所示。

圖3 4種軌道結(jié)構(gòu)下M車轉(zhuǎn)向架16號(hào)測(cè)點(diǎn)噪聲時(shí)域

圖4 4種軌道結(jié)構(gòu)下車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)

圖4為40 km/h時(shí)的車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)等效聲級(jí)變化情況，以Tc車坐姿區(qū)測(cè)點(diǎn)3為例，鋼彈簧浮置板區(qū)段車內(nèi)噪聲為75.7 dB(A)，預(yù)制橡膠浮置板區(qū)段車內(nèi)噪聲為72.9 dB(A)、減振扣件整體道床區(qū)段車內(nèi)噪聲為71.2 dB(A)、普通整體道床區(qū)段車內(nèi)噪聲為70.6 dB(A)。

當(dāng)速度為40 km/h時(shí)，M車坐姿區(qū)測(cè)點(diǎn)8在不同軌道結(jié)構(gòu)下的A計(jì)權(quán)1/3倍頻程見(jiàn)圖5。圖5可看出，車內(nèi)等效A聲級(jí)噪聲在1/3倍頻程中心頻率80 Hz和800 Hz左右時(shí)有明顯峰值。車內(nèi)低頻噪聲差異明顯：鋼彈簧浮置板區(qū)段車內(nèi)噪聲最大，預(yù)制橡膠浮置板浮置板區(qū)段次之，減振扣件區(qū)段第三，普通整體道床區(qū)段最小。

圖5 不同軌道結(jié)構(gòu)下車內(nèi)噪聲1/3倍頻程

通過(guò)對(duì)不同軌道結(jié)構(gòu)下的車內(nèi)噪聲頻譜分析，4種軌道結(jié)構(gòu)下車內(nèi)噪聲變化趨勢(shì)基本一致，均在100 Hz以下產(chǎn)生第1個(gè)峰值。隨頻率增高車內(nèi)噪聲的聲壓級(jí)降低，并產(chǎn)生數(shù)個(gè)次階峰值。圖6為M車坐姿區(qū)測(cè)點(diǎn)8的頻譜。

圖6 不同軌道結(jié)構(gòu)下車內(nèi)噪聲頻域

3.2 不同速度時(shí)車內(nèi)噪聲特性

以普通整體道床區(qū)段為例，不同速度時(shí)，車內(nèi)噪聲的A計(jì)權(quán)等效聲壓級(jí)如圖7所示。隨著車速的提高，車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)顯著增大。車速?gòu)? km/h增加到20 km/h時(shí)，Mp車和M車車內(nèi)噪聲迅速增大；Tc車車內(nèi)噪聲增長(zhǎng)相對(duì)較慢。

圖7 不同速度下車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)等效聲壓級(jí)

以M車坐姿區(qū)測(cè)點(diǎn)8為例，車輛定置狀態(tài)的噪聲比背景噪聲增加了18.3 dB(A)；而速度從0 km/h變化到60 km/h時(shí)，每提高20 km/h時(shí)，聲壓級(jí)增加量分別為11.6 dB(A)、1.7 dB(A)、1.6 dB(A)。

圖8為測(cè)點(diǎn)8在不同速度下的1/3倍頻程A計(jì)權(quán)等效聲壓級(jí)曲線。中心頻率在500 Hz以下和2 000 Hz以上的頻段內(nèi)，車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)等效聲壓級(jí)隨速度增加而增加。速度為20 km/h時(shí)，車內(nèi)噪聲在1 000 Hz處達(dá)到峰值72.0 dB(A)；速度40 km/h時(shí)，車內(nèi)噪聲在630 Hz處達(dá)到峰值71.3 dB(A)；速度60 km/h時(shí)，車內(nèi)噪聲在630 Hz處達(dá)到峰值68.8 dB(A)。

圖8 測(cè)點(diǎn)8不同速度下A計(jì)權(quán)1/3倍頻程

3.3 不同車輛車內(nèi)噪聲頻域特性

為了解釋不同車輛的車內(nèi)噪聲特性，以普通整體道床，速度為40 km/h為例。由于車內(nèi)噪聲頻域在2 000 Hz之后較小，因此本次頻域特性分析的頻率范圍為0～2 000 Hz。

測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)6在Tc車中。駕駛室和乘客區(qū)之間的聲壓級(jí)差別小于1 dB(A)。座位區(qū)(測(cè)點(diǎn)高度為1.2 m)的噪聲略大于轉(zhuǎn)向架位置(測(cè)點(diǎn)高度為1.5 m)的噪聲。站立區(qū)的聲壓級(jí)基本相同，即站立區(qū)的轉(zhuǎn)向架對(duì)車內(nèi)噪聲的影響很小。

Tc車頻域中的聲壓級(jí)如圖9所示。在25 Hz附近，出現(xiàn)第一峰值。隨著頻率增加，Tc車內(nèi)噪聲的聲壓級(jí)降低，沒(méi)有其他峰值。

圖9 Tc車內(nèi)噪聲頻域(40 km/h)

測(cè)點(diǎn)7～測(cè)點(diǎn)11在Mp車中。中間站立區(qū)域(測(cè)點(diǎn)9)比其他位置大2.3～4.9 dB(A)。測(cè)試儀器靠近測(cè)點(diǎn)9，這可能會(huì)增加測(cè)點(diǎn)9的噪聲。坐姿區(qū)的噪聲比站立區(qū)轉(zhuǎn)向架的噪聲高1.8 dB(A)。但是帶有受電弓的站立區(qū)域的聲壓級(jí)小于車內(nèi)的其他區(qū)域。結(jié)合Mp車頻域分析，還可以發(fā)現(xiàn)受電弓測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)11)的聲壓級(jí)遠(yuǎn)小于其他測(cè)點(diǎn)。由于受電弓本身產(chǎn)生的噪聲主要是空氣動(dòng)力噪聲、離線產(chǎn)生的火花噪聲以及滑板與接觸導(dǎo)線間產(chǎn)生的滑動(dòng)噪聲，而由于本次試驗(yàn)地鐵車輛運(yùn)行速度最高為60 km/h，因此占主要的氣動(dòng)噪聲較為不明顯。

Mp車頻域中的聲壓級(jí)如圖10所示。在25 Hz附近，產(chǎn)生第1個(gè)峰值。隨著頻率增加，Mp車內(nèi)噪聲的聲壓級(jí)降低，第2個(gè)峰值在600 Hz附近，第3個(gè)峰值在800 Hz附近，第4個(gè)峰值在1 125 Hz附近，第5個(gè)峰值在1 400 Hz附近。

圖10 Mp車內(nèi)噪聲頻域(40 km/h)

測(cè)點(diǎn)12～測(cè)點(diǎn)16都在M車中。由于轉(zhuǎn)向架的站立區(qū)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)12)聲壓級(jí)接近Mp車，因此噪聲比車輛中的其他測(cè)點(diǎn)高。M車中其他位置的A計(jì)權(quán)等效聲壓級(jí)為74.9～75.7 dB(A)。

M車的頻域中的聲壓級(jí)如圖11所示。在50 Hz附近，產(chǎn)生第1個(gè)峰值。隨著頻率增加，M車內(nèi)噪聲的聲壓級(jí)降低，第2個(gè)峰值在600 Hz附近，第3個(gè)峰值在925 Hz附近，第4個(gè)峰值在1 125 Hz附近，第5個(gè)峰值在1 450 Hz附近。

圖11 M車內(nèi)噪聲頻域(40 km/h)

從圖8～圖10可以看出，在40 km/h速度下，不同車輛的不同位置在25～50 Hz的頻率范圍內(nèi)具有第1個(gè)峰值，峰值大小在78.5～84.5 dB。Tc車沒(méi)有明顯的次階峰值；Mp車、M車具有明顯的多個(gè)次階峰值，不同車輛車內(nèi)噪聲具有不同的頻率特性。

總體上，坐姿區(qū)的噪聲比站立區(qū)的噪聲稍大，并且站立區(qū)的轉(zhuǎn)向架對(duì)噪聲的分布影響很小。

以測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)8、測(cè)點(diǎn)13(坐姿)為例，在40 km/h的速度下，Tc車聲壓級(jí)為70.7 dB(A)，Mp車聲壓級(jí)為74.6 dB(A)，M車聲壓級(jí)為75.7 dB(A)。

4 結(jié)論

(1)整體而言，鋼彈簧浮置板區(qū)段車內(nèi)噪聲最大，預(yù)制橡膠浮置板區(qū)段次之，減振扣件區(qū)段第3，普通整體道床區(qū)段最小。這是由于浮置板區(qū)段和普通整體道床區(qū)段都采用了DTIII2型扣件，其垂向靜剛度為21～25 kN/mm，減振區(qū)段采用的為ZB扣件，其垂向靜剛度為10～12 kN/mm，浮置板道床的隔振效率遠(yuǎn)高于ZB扣件，因此其車內(nèi)噪聲更為顯著。

(2)車內(nèi)噪聲整體呈現(xiàn)出隨著車速的增加而增加的趨勢(shì)，速度從0 km/h起，每增加20 km/h，車內(nèi)噪聲分別增加11.6，1.7，1.6 dB(A)(以測(cè)點(diǎn)8為例)。

(3)整輛車上的每個(gè)測(cè)點(diǎn)在25～50 Hz的低頻范圍內(nèi)都有一個(gè)噪聲峰值，其峰值大小在78.5～84.5 dB(以40 km/h為例)。Tc車、Mp車、M車的內(nèi)部噪聲具有不同的頻率特性。

(4)帶司機(jī)室的拖車Tc車內(nèi)，司機(jī)室和客室內(nèi)的噪聲聲壓級(jí)相差在1 dB(A)以內(nèi)，坐姿區(qū)域噪聲略大于轉(zhuǎn)向架位置，站立區(qū)有無(wú)轉(zhuǎn)向架對(duì)噪聲影響不大；帶受電弓的動(dòng)車Mp車內(nèi)，中部站立區(qū)域噪聲顯著大于其他位置，坐姿區(qū)域噪聲與站立區(qū)轉(zhuǎn)向架噪聲相差在1 dB(A)以內(nèi)，受電弓處站立區(qū)噪聲最??；不帶受電弓動(dòng)車M轉(zhuǎn)向架站立區(qū)測(cè)點(diǎn)噪聲較其他車廂突出。

5 討論

在城市軌道交通車內(nèi)噪聲測(cè)試中，主要參照以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

(1)GB 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測(cè)量方法》

(2)GB/T 3449—2011《聲學(xué) 軌道車輛內(nèi)部噪聲測(cè)量》

(3)ISO 3381:2005《鐵路設(shè)施-聲學(xué)-有軌車輛內(nèi)部的噪聲測(cè)量》

(4)VDV-154:2011Noise from mass transit rail vehicles Acc. To Bostrab

GB 14892—2006僅針對(duì)地鐵車輛提出地上地下兩種線路的客室(司機(jī)室)內(nèi)1.2 m處車內(nèi)等效A聲級(jí)最大容許限值，對(duì)運(yùn)行速度、軌道結(jié)構(gòu)形式、空調(diào)工況沒(méi)有做明確規(guī)定。

VDV-154：2011僅規(guī)定了地上段明線線路條件下，恒速運(yùn)行(空調(diào)半載，60 km/h)的3種軌道車輛客車室/司機(jī)室內(nèi)噪聲限值，而且對(duì)靜止時(shí)車內(nèi)噪聲做了詳細(xì)規(guī)定。但此規(guī)范并不適用于地下隧道區(qū)段。

我國(guó)車內(nèi)噪聲標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布時(shí)間較早，與目前車輛新技術(shù)發(fā)展水平相比，存在一定的滯后性。國(guó)外線路主要采用有砟軌道與國(guó)內(nèi)地鐵線路普遍采用的無(wú)砟軌道有差別，為實(shí)現(xiàn)不同廠家不同檢測(cè)方對(duì)車內(nèi)噪聲檢測(cè)的通用性，需要規(guī)范軌道交通車內(nèi)噪聲測(cè)試方法，明確軌道形式或軌道狀態(tài)、車輛運(yùn)行速度、空調(diào)工況、車輛種類、地上段或是地下段，并根據(jù)不同測(cè)試位置確定相應(yīng)的限值。