市域快速軌道交通越站噪聲控制方案研究

張瑞，呂勇敢

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510000；2.深圳中雅機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司，廣東 深圳 518031）

地鐵已經(jīng)成為各大中城市人們?nèi)粘３鲂斜夭豢缮俚慕煌üぞ?，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，重點(diǎn)地區(qū)已形成區(qū)域一體化發(fā)展格局，常規(guī)時(shí)速100km/h 的城市軌道交通已不能滿足日常通勤需求。時(shí)速160km/h的市域地下軌道交通應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)在行車組織上采用快慢車越行方案，大大縮短了區(qū)域間通勤的時(shí)間?？炻囋叫蟹桨感柙O(shè)置不同數(shù)量的越行車站，時(shí)速160km/h 的越站列車在停站列車上下乘客時(shí)高速通過車站，其噪聲問題是關(guān)系到越站列車能否實(shí)現(xiàn)的重要問題。本文主要闡述越站地鐵列車的噪聲傳播特點(diǎn)及越站列車噪聲的控制方案。

1 越站地鐵噪聲傳播特點(diǎn)

我國擬建設(shè)時(shí)速160km/h 的越站車輛，在停站列車上下客期間，越站車輛以160km/h 的速度越站通過（見圖1）。

圖1 越站車輛簡易模型

在越站地鐵勻速直線運(yùn)行的情況下，不考慮停站車輛自身噪聲的影響，越站地鐵的噪聲主要以輪軌噪聲及空氣動(dòng)力噪聲為主，其傳播路徑見圖2。

圖2 噪聲傳播路徑

（1）地鐵通過車站時(shí)，噪聲會(huì)通過停車軌道的縫隙即衰減區(qū)1 向停車軌道傳播，此時(shí)停站地鐵在上下乘客，噪聲會(huì)通過停站地鐵兩側(cè)及頂部的空隙衰減區(qū)2 向內(nèi)進(jìn)行傳播，并通過屏蔽門向站臺層內(nèi)傳播。

（2）越站地鐵車輛在貼近墻體通過時(shí)，地鐵車輛會(huì)擠壓列車車體與墻壁之間的空氣，噪聲會(huì)隨著空氣通過墻壁兩側(cè)的間隙繞射和透射傳播到停車軌道，在停車軌道內(nèi)再通過停站地鐵與隧道之間的間隙傳入站臺，并通過屏蔽門傳入站臺層。

2 消聲構(gòu)思與原理

2.1 消聲構(gòu)思

從噪聲傳播路徑中可以看出，車輛輪軌噪聲對站臺的影響，其傳播路徑是封閉的隧道通道，是斷面不規(guī)則壁面非剛性的空氣通道。越站列車噪聲傳入站臺主要是通過衰減區(qū)1、衰減區(qū)2 兩個(gè)通道和越站軌道向站臺內(nèi)傳播。將隧道中越站列車隧道和停站列車隧道剖切得到消聲通道斷面示意圖（見圖3）。

圖3 消聲通道斷面示意

根據(jù)剖切的斷面示意圖，可以認(rèn)為越站列車通道和停車列車通道是兩個(gè)不規(guī)則的非剛性的空氣通道，即具有消聲功能的消聲通道。

在沒有增加任何消聲措施的情況下，兩個(gè)消聲通道的消聲量是有限的，遠(yuǎn)達(dá)不到降噪要求。由于隧道內(nèi)部需要確保地鐵的通行，所以在隧道內(nèi)部是不能增加消聲器等橫截面積較大的消聲設(shè)備的。為了增加兩個(gè)消聲通道的消聲量，只能通過增加消聲通道的消聲系數(shù)以及改變消聲通道的橫截面積來增加消聲通道的消聲量。影響消聲通道消聲系數(shù)的主要因素為吸聲襯里的吸聲系數(shù)，所以需要增加消聲通道壁面的吸聲系數(shù)即安裝吸聲板來增加壁面的吸聲系數(shù)。

圖4 為對消聲通道的構(gòu)思，圖中陰影區(qū)域?yàn)殇摪宸舛?，在保證列車安全行駛的前提下，在四周增加吸聲板。

圖4 消聲通道吸聲板安裝示意

2.2 消聲原理

工程中應(yīng)用較多的消聲理論計(jì)算公式是由別洛夫公式發(fā)展而來的，其參數(shù)的選取基于實(shí)驗(yàn)研究，因此其相對精度高于別洛夫公式，并且使用范圍有所擴(kuò)展，對于較高頻率仍有較好的分析精度（見下式）。

圖5 消聲通道

式中：

P——吸聲襯里的通道截面周長（圖5 中紅色虛線總長度）；

S——吸聲襯里的通道截面面積（圖5 中藍(lán)色面積）；

L——吸聲襯里的通道長度（圖5 中綠色虛線長度）；

——消聲系數(shù)，由正入射系數(shù)α0確定。

與α0的關(guān)系見表1。

表1 消聲系數(shù)與正入射系數(shù)α0的關(guān)系

表1 消聲系數(shù)與正入射系數(shù)α0的關(guān)系

表示傳播距離等于隧道半寬度時(shí)的噪聲衰減量，其主要取決于壁面的聲學(xué)特性。當(dāng)聲波沿非剛性壁面隧道傳播時(shí)，聲強(qiáng)應(yīng)按指數(shù)規(guī)律隨著傳播距離的增大而衰減。當(dāng)聲波頻率不太高并且壁面聲阻抗較大時(shí)，可以認(rèn)為管道內(nèi)同一截面上各處聲壓近似相同。在這種條件下，消聲系數(shù)用下式近似表示：

式中：

——消聲系數(shù)；

a——法向入射時(shí)通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對聲阻率；

b——法向入射時(shí)通道內(nèi)部里結(jié)構(gòu)的相對聲抗率。

特殊情況下，當(dāng)聲波頻率與壁面吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率接近時(shí)，聲抗近似為0。如果a＞1，則消聲系數(shù)可用垂直入射的吸聲系數(shù)α0表示。

這就是目前常用的消聲系數(shù)計(jì)算公式。

2.3 消聲設(shè)計(jì)

根據(jù)上文提到的消聲原理，隧道可以認(rèn)為是一個(gè)大的消聲器。在隧道尺寸及隧道長度一定的情況下，影響消聲器的主要因素是隧道的消聲系數(shù)。隧道內(nèi)的尺寸信息見表2。

表2 隧道尺寸信息

隧道內(nèi)未做任何降噪措施時(shí)，各個(gè)衰減區(qū)的衰減量見表3。

表3 未做處理時(shí)各個(gè)區(qū)域衰減量

在隧道衰減區(qū)1 內(nèi)安裝吸聲板增加隧道的消聲系數(shù)，各個(gè)區(qū)域的衰減量見表4。

表4 采取措施后各個(gè)區(qū)域衰減量

在衰減區(qū)內(nèi)，還存在空氣吸聲。例如，當(dāng)隧道內(nèi)大氣壓101.3kPa、溫度25℃、濕度30%時(shí)，頻率4000Hz 有1.0dB(A)的衰減量，8000Hz 有3.7dB(A)的衰減量。

在隧道安裝吸聲板后，有11.3dB(A)的降噪量。

3 消聲降噪方案的評估

3.1 可行性評估

在地鐵隧道內(nèi)安裝吸聲板時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)：1）隧道內(nèi)線路管道多且復(fù)雜，安裝吸聲板后不能影響線路管道；2）隧道內(nèi)需要經(jīng)常通車，吸聲板安裝的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須大，不能有脫落危險(xiǎn)；3）安裝吸聲板后，不能影響隧道內(nèi)的日常檢修。

為解決以上問題，采取的措施為：1）吸聲板內(nèi)部可以穿插通過線路，在有管道的位置，對吸聲板進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)，做好開孔位置的邊緣處理；2）吸聲板的安裝采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，由穿孔板、吸聲材料、型鋼、擋板及高強(qiáng)度膨脹螺栓組成，保證達(dá)到強(qiáng)度要求（結(jié)構(gòu)見圖6）；3）隧道內(nèi)需要檢修的位置設(shè)置檢修門或檢修口，以便正常檢修。

穿孔板內(nèi)填充的吸聲材料為超細(xì)離心玻璃棉，A 級不燃，不揮發(fā)有害物質(zhì)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在地鐵通風(fēng)管道消聲器及隔聲板中。

圖6 消聲通道吸聲板安裝示意

通過以上分析認(rèn)為，在隧道內(nèi)安裝吸聲板的消聲方案是可行的。

3.2 消聲效果評估

噪聲控制需要明確三點(diǎn)，即噪聲源、傳播路徑和控制點(diǎn)。本文中傳播路徑和控制點(diǎn)已經(jīng)明確，但是噪聲源的大小沒有指出。

根據(jù)我國現(xiàn)有已經(jīng)實(shí)測的同類型列車的噪聲聲壓級以及理論公式推算出160km/h 的列車在隧道內(nèi)勻速行駛時(shí)的單位長度聲功率級為104dB(A)。

由于越站列車并不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的噪聲源，而是一個(gè)相對于測點(diǎn)隨時(shí)間變化的勻速移動(dòng)的有限長的線聲源。因此，還需要計(jì)算車輛噪聲在考量時(shí)間期間內(nèi)的等效連續(xù)A 計(jì)權(quán)聲壓級LAeq,T。

式中：

LAeq,T——考量時(shí)間T的等效連續(xù)A 計(jì)權(quán)聲壓級，dB(A)；

T——測量經(jīng)過的時(shí)間段，T=t2-t1，s；

pA(t)——噪聲瞬時(shí)A 計(jì)權(quán)聲壓，Pa；

p0——基準(zhǔn)聲壓，p0=20μPa。

當(dāng)A 計(jì)權(quán)聲壓用A 聲級LpA表示時(shí)，則如下式所示：

在站臺內(nèi)取3 個(gè)控制點(diǎn)，分別為離第一個(gè)屏蔽門1m 處、離最后一個(gè)屏蔽門1m 處和站臺中心?？刂泣c(diǎn)示意見圖7。

圖7 三個(gè)典型測點(diǎn)位置示意

在隧道內(nèi)未做任何降噪措施之前，假設(shè)屏蔽門的打開時(shí)間為60s 且30s 時(shí)越站列車剛好運(yùn)行到中間墻體的中心，消聲通道通過自身衰減傳到站臺位置三個(gè)測點(diǎn)的通過時(shí)間段內(nèi)的等效A 計(jì)權(quán)聲壓級見表5。

表5 降噪前不同測點(diǎn)不同考量時(shí)間平均聲壓級（忽略背景噪聲）

由于隧道內(nèi)的安裝位置有限，只在衰減區(qū)1 內(nèi)中間墻體和頂面增加吸聲板，得到的降噪量見表6。

表6 采取降噪措施后的消聲量頻譜數(shù)據(jù)

降噪后站臺內(nèi)3 個(gè)不同測點(diǎn)的通過時(shí)間段內(nèi)的等效連續(xù)A 計(jì)權(quán)聲壓級見表7。

分析越站列車不同時(shí)刻對站臺層的噪聲影響時(shí)，先假設(shè)屏蔽門的關(guān)閉時(shí)間為60s，在30s 時(shí)列車剛好處于中間墻體的中心處。在采取消聲措施后60s 內(nèi)不同時(shí)刻3 個(gè)測點(diǎn)的噪聲變化曲線見圖8。

表7 站臺不同測點(diǎn)不同考量時(shí)間平均聲壓級（忽略背景噪聲）

圖8 不同時(shí)刻站臺內(nèi)不同測點(diǎn)的噪聲曲線

通過以上分析，認(rèn)為在考量時(shí)間為60s 時(shí)，傳入站臺中心的平均聲壓級為61dB(A)，滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中70dB(A)的限值。因此，此消聲方案是可行有效的。

4 結(jié)語

本文介紹了一種降低越站列車對站臺噪聲影響的消聲方案。在隧道內(nèi)可以增加吸聲板的位置安裝吸聲板，能夠有效降低越站列車傳入站臺的噪聲，降噪量為11.3dB(A)。由于考量的時(shí)間不同，站臺測點(diǎn)通過時(shí)間內(nèi)的等效連續(xù)A 計(jì)權(quán)聲壓級也不同。在采取降噪措施后，考量時(shí)間為60s 時(shí)，站臺中心的等效連續(xù)A 計(jì)權(quán)聲壓級為61dB(A)，滿足地下鐵路站臺噪聲規(guī)范中70dB(A)的限值要求。但是在考量時(shí)間較短的前提下，站臺內(nèi)三個(gè)測點(diǎn)的噪聲值達(dá)不到要求限值，需要進(jìn)行進(jìn)一步的降噪處理，以保證站臺內(nèi)的噪聲值滿足限值要求。