地鐵沿線建筑物室內(nèi)振動(dòng)與噪聲特性測(cè)試與分析

張?zhí)扃?，周俊召，熊永亮，羅雁云

（同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

目前我國(guó)城市軌道交通在快速發(fā)展，隨之帶來(lái)的沿線建筑物室內(nèi)振動(dòng)與二次結(jié)構(gòu)噪聲問(wèn)題也受到廣泛關(guān)注。地鐵車(chē)輛在運(yùn)行時(shí)由于輪軌間的相互作用所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)通過(guò)軌道結(jié)構(gòu)，例如隧道結(jié)構(gòu)和高架墩臺(tái)、路基等向周?chē)h(huán)境傳播，振動(dòng)在經(jīng)由建筑物基礎(chǔ)后誘發(fā)建筑物墻體、樓板等振動(dòng)，輻射出二次結(jié)構(gòu)噪聲。這種振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲會(huì)對(duì)居民的生活、工作和休息產(chǎn)生影響[1-3]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，并得到了大量有價(jià)值的研究成果。曾澤民[4]選取了無(wú)上蓋物業(yè)的廣州地鐵車(chē)輛段受振動(dòng)影響較大的咽喉區(qū)、試車(chē)線區(qū)域，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得了車(chē)輛段敏感區(qū)域的地面及臨近建筑物振動(dòng)傳播規(guī)律；歐陽(yáng)昭[5]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了導(dǎo)致建筑物二次輻射噪聲的主要振動(dòng)方向及其頻譜分布特點(diǎn)；申道明[6]等就地鐵列車(chē)引起的建筑物內(nèi)的二次輻射噪聲進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究和評(píng)價(jià)量的探討分析，總結(jié)了運(yùn)行列車(chē)引起的室內(nèi)二次輻射噪聲特性；康波[7]運(yùn)用有限元軟件建立了隧道-土層-建筑物三維有限元模型以及聲學(xué)軟件建立了建筑物聲學(xué)邊界元模型，分析了地鐵列車(chē)通過(guò)時(shí)隧道及建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性。Metrikine[8]通過(guò)建立二維模型分析了地鐵振動(dòng)波對(duì)周?chē)?guó)建筑物的影響及其傳播規(guī)律。

本文基于距某城市軌道交通地下線路25 m的6層居民樓的室內(nèi)1 樓振動(dòng)和噪聲現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了兩種不同剛度扣件工況下室內(nèi)振動(dòng)和二次結(jié)構(gòu)噪聲的頻域特性，為降低室內(nèi)振動(dòng)和噪聲提供依據(jù)。

1 測(cè)試工況

為了研究不同減振扣件工況下地鐵沿線建筑物的室內(nèi)振動(dòng)與噪聲特性，本文進(jìn)行了室內(nèi)振動(dòng)與二次結(jié)構(gòu)噪聲試驗(yàn)。測(cè)試的區(qū)間為直線段，列車(chē)為B型車(chē)6節(jié)編組。測(cè)試區(qū)段先采用扣件A，后又替換為剛度較低的扣件B，其中扣件A 剛度約為50 kN/mm，扣件B 剛度約為35 kN/mm，因在同一測(cè)試區(qū)間，避免了車(chē)速、線型、埋深等的影響。敏感底部距離隧道上邊線最小距離為25 m，建筑物為1 座6層居民樓。

測(cè)試建筑物室內(nèi)振動(dòng)時(shí)采用B&K8340 壓電振動(dòng)加速度計(jì)，量程為0.5 g，測(cè)試室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲時(shí)采用丹麥B&K4189 1/2英寸自由場(chǎng)傳聲器，其頻率范圍為6.3 Hz 至20 kHz，動(dòng)態(tài)范圍為14.5 dB 至146 dB。試驗(yàn)過(guò)程中緊閉門(mén)窗，保持室內(nèi)安靜，關(guān)閉冰箱、熱水器等噪音干擾源，避免人員走動(dòng)、說(shuō)話及其他噪聲對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾。為了避免室內(nèi)1階駐波對(duì)低頻二次輻射噪聲信號(hào)的影響，測(cè)點(diǎn)選擇在距墻壁0.5 m以外，近1/3～1/2 房間幾何尺寸以內(nèi)，避開(kāi)房間幾何中心位置。此外，綜合考慮國(guó)內(nèi)外規(guī)范，測(cè)試室內(nèi)共布置3個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)，除中心測(cè)點(diǎn)2以外，另一個(gè)測(cè)點(diǎn)1布置在墻角，測(cè)點(diǎn)3布置于居民休息和工作位置，即臥室床頭附近，上述測(cè)點(diǎn)高度均為1.2 m。此外，在室內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)附近各布置一個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)V1、V2、V3，測(cè)量室內(nèi)垂向加速度。測(cè)點(diǎn)布置示意圖詳見(jiàn)圖1。圖中V1、V2、V3為振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，S1、S2、S3為噪聲測(cè)點(diǎn)，V1 和S1 離線路最近。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖如圖2所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

2 室內(nèi)振動(dòng)特性分析

2.1 分頻最大振級(jí)VLmax分析

對(duì)所測(cè)得的高峰時(shí)段列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)室內(nèi)各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)加速度信號(hào)進(jìn)行頻譜分析得到振級(jí)，并進(jìn)行Z 計(jì)權(quán)，進(jìn)而得到各測(cè)點(diǎn)分頻最大振級(jí)。其中基準(zhǔn)加速度為1×10-6m/s2，Z計(jì)權(quán)采用《JGJ/T 170－2009》規(guī)定的Z 振級(jí)的計(jì)權(quán)因子，如表1所示。選取20組離散性較小數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，振級(jí)結(jié)果如表2所示，為了更加直觀地分析振動(dòng)特性，同時(shí)采用柱狀圖分析，如圖3所示。

表1 JGJ/T 170－2009規(guī)定的Z振級(jí)的計(jì)權(quán)因子/dB

表2 不同扣件工況下室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)分頻最大振級(jí)VLmax/dB(Z)(4 Hz～200 Hz)

從表2和圖3可以看出，列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，替換前振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的分頻最大振級(jí)均值在60 dB(Z)左右，替換扣件后降為55 dB(Z)左右，且在替換前后均呈現(xiàn)出V1＞V2＞V3的規(guī)律，這是由于距離線路的實(shí)際距離為V3＞V2＞V1，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)1、2、3的振動(dòng)能量隨著與線路距離的增大而逐漸減小。此外，從圖2可以看出替換后各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的垂向分頻最大振級(jí)均有不同程度減小，均在5 dB(Z)至8 dB(Z)范圍內(nèi)。這說(shuō)明替換為剛度較低的扣件B 后該區(qū)間減振效果增強(qiáng)，所以振動(dòng)傳遞至建筑物后室內(nèi)振動(dòng)有所降低。

圖3 不同扣件工況下室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)分頻最大振級(jí)VLmax/dB(Z)（4 Hz～200 Hz）

2.2 頻域特性分析

圖4和圖5為兩種扣件工況下列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)居民樓1 樓室內(nèi)垂向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)在Z 計(jì)權(quán)方式下的1/3倍頻程對(duì)比圖。

圖4 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)Z計(jì)權(quán)垂向振動(dòng)加速度級(jí)倍頻程圖（扣件A）

圖5 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)Z計(jì)權(quán)垂向振動(dòng)加速度級(jí)倍頻程圖（扣件B）

從圖中可以看出，替換扣件后各測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)在40 Hz以上的頻段內(nèi)基本均有所降低。在扣件A工況下，各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的峰值頻率都在63 Hz左右；更換為扣件B 后，各測(cè)點(diǎn)峰值頻率基本都在40 Hz～50 Hz 頻段內(nèi)，更換扣件前后各測(cè)點(diǎn)在12.5 Hz 附近均存在局部峰值。更換扣件后，峰值頻率降低。

3 室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲特性分析

3.1 等效連續(xù)A聲級(jí)

與室內(nèi)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析方法相同，對(duì)高峰時(shí)段列車(chē)經(jīng)過(guò)測(cè)試截面時(shí)采集到的各測(cè)點(diǎn)噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到各噪聲測(cè)點(diǎn)等效A聲壓級(jí)LAeq分別如表3和圖6所示。

表3 不同扣件工況下室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)等效連續(xù)A聲級(jí)LAeq/dB(A)

圖6 不同扣件工況下室內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)等效A聲壓級(jí)LAeq/dB(A)(16 Hz～200 Hz）

從中可以看出在16 Hz 至200 Hz范圍內(nèi)，在扣件A 工況下，各噪聲測(cè)點(diǎn)等效A聲級(jí)均在35 dB(A)左右，當(dāng)替換為扣件B后，各噪聲測(cè)點(diǎn)等效A聲級(jí)均在28 dB(A)左右，且與振級(jí)相同，呈現(xiàn)出測(cè)點(diǎn)1＞測(cè)點(diǎn)2＞測(cè)點(diǎn)3的規(guī)律。此外，從圖6可以看出替換后各噪聲測(cè)點(diǎn)的等效A 聲壓級(jí)均有不同程度減小，均在5 dB(A)至6 dB(A)范圍內(nèi)。這說(shuō)明該區(qū)間在采用剛度較低的扣件B 后減振效果增加，由室內(nèi)振動(dòng)輻射的二次結(jié)構(gòu)噪也隨之降低。

3.2 頻域特征分析

圖7和圖8分別為扣件替換前后列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)一樓各噪聲測(cè)點(diǎn)的A 計(jì)權(quán)1/3倍頻程圖?？梢杂^察到替換前后各噪聲測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)相似的頻譜特性，替換后峰值頻率略有所改變，聲壓級(jí)明顯降低。具體來(lái)說(shuō)，替換扣件后，各噪聲測(cè)點(diǎn)的全局峰值頻率由63 Hz左右變?yōu)?0 Hz左右，峰值聲壓級(jí)降低了約3 dB(A)，且與等效連續(xù)A聲級(jí)規(guī)律相同，峰值頻率處的聲壓級(jí)呈現(xiàn)出測(cè)點(diǎn)1＞測(cè)點(diǎn)2＞測(cè)點(diǎn)3的規(guī)律。綜合分析室內(nèi)振動(dòng)頻域特征可知，在相同工況下，室內(nèi)振動(dòng)與其輻射的二次結(jié)構(gòu)噪聲峰值頻率基本一致。

圖7 噪聲測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)1/3倍頻程圖（扣件A）

圖8 噪聲測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)1/3倍頻程圖（扣件B）

4 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)不同扣件工況下地鐵沿線6層居民樓1樓室內(nèi)振動(dòng)與噪聲進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從頻域角度對(duì)此進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）在同種扣件工況下，室內(nèi)振動(dòng)與噪聲的峰值頻率基本一致，替換前均為63 Hz左右，更換為扣件B后，峰值頻率變?yōu)?0 Hz～50 Hz左右。

（2）在其它工況不變的情況下，采用剛度較小的扣件后，室內(nèi)振動(dòng)與二次結(jié)構(gòu)噪聲均有所降低。

（3）室內(nèi)不同位置的測(cè)點(diǎn)振級(jí)和聲壓級(jí)不同，基本呈現(xiàn)出在距離地鐵線路越近的測(cè)點(diǎn)處所測(cè)得的振動(dòng)加速度級(jí)與噪聲聲壓級(jí)越大的規(guī)律。