降噪環(huán)對各型地鐵車輪降噪性能影響的研究

陳 敏 顧 驊

(1.中車株洲電力機車有限公司 湖南 株洲 412000；2.上海天佑鐵道新技術研究所股份有限公司 上海 201024)

1 研究背景

一般來說，地下線路的環(huán)境問題主要為振動干擾；由于城市軌道交通大多穿越或位于鬧市區(qū)，因此車輛噪聲、輪軌噪聲與結構噪聲等噪聲源對周圍環(huán)境影響變得十分突出，成為建設高架軌道交通的最大障礙。能否將振動和噪聲控制在最低限度內,是城市軌道交通建設的關鍵之一[1-2]。

故研究了一種應用廣泛，且安全、經濟的鋼環(huán)消音輪。該消音輪已在香港地鐵大量采用，其優(yōu)點是：安全(2個環(huán)形槽嵌入2個鋼環(huán)組裝方便,不易脫落)；無可燃材料；無須檢修,便于檢查；消音效果好，在中頻域可降低27 dB；占用車輪的空間小，可安裝制動盤。

2 噪音產生的機理

城市軌道交通車輛車速較低，構成的列車噪聲包括輪軌噪聲、牽引動力噪聲、受流噪聲與空氣噪聲等。作為其中的主要聲源輪軌噪聲，可分為3種主要類型：摩擦噪聲、沖擊噪聲和滾動噪聲。大量研究表明，改變車輪結構能有效降低輪軌噪聲。本文主要從噪聲衰減的角度，對4種結構的地鐵車輪的噪聲特性進行測試、比較與分析[3-4]。

3 鋼環(huán)消音車輪的消音原理

當車輪發(fā)出聲音時，車輪必然在按某種模態(tài)發(fā)生振動，經有限元分析得知地鐵車輪的低階模態(tài)如表1所示。

表1 地鐵車輪的各階模態(tài)頻率

不論車輪按哪種模態(tài)振動，車輪必發(fā)生翹曲變形(橫向變形)，例如第三階模態(tài)(見圖1)，頻率為370.4 Hz。

不管是哪種振形，鋼環(huán)與車輪槽之間發(fā)生摩擦，消耗其能量，使振動很快衰減，從而使輪軌之間的噪音得以減少。輪軌之間由于相互摩擦產生噪音，尤其是通過小曲線半徑時噪音明顯，鋼環(huán)消音輪能增加車輪振動時的阻尼，比普通輪能降低噪音15 dB。

4 降噪環(huán)在不同車輪中的室內降噪效果

試驗用車輪A輪為基于某A公司的消音輪，在車輪輪輞的外側距外側面32 mm處安裝1個鋼環(huán)。B輪為基于某B公司的消音輪，在車輪輪輞的外側距外側面15 mm處安裝鋼環(huán)，車輪結構如圖2所示。C輪為國內自行研究提出的消音輪，在車輪輪輞內、外側各安裝1個鋼環(huán)。O輪為某地鐵集團有限公司提出的統(tǒng)型車輪(原型)。

圖2 B輪車輪結構圖

4.1 噪聲測試、預測及評價方法

為有效評價聲強，分別用A、B、C加權曲線代表人對正常聲強、高聲強和超高聲場的響應。一般環(huán)境噪聲都在“正?！甭晱姺秶鷥龋杂肁加權聲級能較好反映人耳的響應，交通噪聲的基本噪聲單位采用A加權聲級。

目前所采用的噪聲強度評價指標為：最大噪聲級(Lmax)，即單個噪聲事件內的最大噪聲級。

4.2 噪聲測試參考標準

環(huán)境噪聲測量方法標準參考GB/T 3222—1994《聲學—環(huán)境噪聲測量方法》：戶外測量時，要求測點離地面的高度大于1.2 m以上，每次測量時，其位置與高度保持不變；在建筑物內測量時，測點位置最好離墻面或其他反射面至少1 m，離地面1.2～1.5 m，離窗1.5 m處。

4.3 試驗方法

將車輪通過在輪轂孔處支承一彈性木棍懸掛起來，使車輪處于“自由支承狀態(tài)”。為了得到相同的激振力，使試驗具有可比性，在試驗中自制了一套單擺系統(tǒng)，采用1根細繩將1 kg重擊振鋼球與框架緊密相連，擊振球被水平拉至距輪踏面1 m高，自由落下，撞擊車輪踏面或輪背面，如圖3所示。用專用儀器進行數(shù)據(jù)采集與分析。

圖3 車輪噪聲測試示意圖

4.4 試驗條件

為了盡量減小環(huán)境噪聲的影響，試驗在凌晨或夜晚寂靜的環(huán)境中進行，對各種低噪音車輪和標準普通車輪的噪聲測試在各種工況完全相同的條件下進行。

4.5 測試內容

為了測量所試制的低噪音車輪的減噪效果，進行了4種車輪的噪聲對比試驗。按照國外的運用經驗，低噪音車輪主要對于高頻的輪軌尖嘯噪聲和沖擊噪聲具有明顯的抑制作用，本次試驗采用錘擊法對車輪踏面和輪背面進行徑向和軸向激勵，在進行總體噪聲比較的基礎上通過頻譜分析，找到低噪音車輪能起降噪作用的關鍵頻域范圍。

相同測試重復5次，取平均值。具體測試時，記錄各種不同車輪在相同激勵下產生噪聲的內容為：(1)最大噪聲級Lmax；(2)噪聲時間歷程曲線(A計權等效聲壓級)；(3)1/3倍頻程噪聲級頻譜。

4.6 室內試驗結果分析

(1)最大噪聲級Lmax

根據(jù)表2和圖4中的車輪最大噪聲級，徑向激勵下，B車輪最低，較A車輪降低0.4 dB，較C車輪降低了1.5 dB，較普通車輪降低4.4 dB。軸向激勵下，C車輪與B車輪基本相同，較A車輪降低了1 dB左右，較普通車輪降低約6 dB。

表2 最大噪聲級Lmax /dB

圖4 車輪最大噪聲級

(2)噪聲時間歷程曲線

根據(jù)噪聲時間可計算不同車輪輻射噪聲的衰減率。衰減率采用噪聲衰減過程中，聲壓級下降20 dB所需時間來表示。在徑向激勵下，A車輪與B車輪基本相同，為0.63 s，C車輪為1.25 s，普通車輪最大，為2.15 s。軸向激勵下，B車輪最低，為0.63 s，與徑向激勵下一致，A車輪為1.71 s，C車輪噪聲衰減較慢，為3.3 s，普通車輪衰減最慢，達3.62 s。

(3)1/3倍頻程噪聲級頻譜

根據(jù)徑向激勵下車輪噪聲聲壓級1/3倍頻程可知：在315 Hz以上頻域，A車輪與B車輪的噪聲聲壓級低于C車輪與普通車輪；630 Hz～1 kHz以外頻域，C車輪的噪聲聲壓級均低于普通車輪。由徑向激勵下特定頻率處聲壓級值(見表3)可得：400 Hz頻率處，B車輪最低，較A車輪降低6.2 dB，較C車輪降低約9.5 dB，較普通車輪降低了12.9 dB；1 kHz頻率處，A車輪與B車輪基本相同，較C車輪降低約14 dB，較普通車輪降低了15 dB左右。

表3 特定頻率處聲壓級值(徑向激勵) /dB

5 安裝降噪環(huán)前后的室外降噪效果

5.1 試驗目的

通過分析測試數(shù)據(jù)，研究對比地鐵車輛安裝消音環(huán)前后在試車線上和正線上的噪聲，驗證消音環(huán)的降噪效果，并對安裝消音環(huán)前后的降噪效果進行對比。

5.2 測試方法和測點布置

測試車輛參考國際標準ISO 3095《軌道車輛噪聲測試》，在試車線列車速度分別為V=15 km/h、V=40 km/h和V=60 km/h進行噪聲測試，選取2個側點，分別為距離車輪0.2 m處(T1)和距離軌道中心線3 m、高1.2 m處(T2)。在車廂內測試時，選取2個測點，都在轉向架正上方距地板1.2 m處。

5.3 測試結果對比

車輪安裝消音環(huán)前后在試車線上的測試數(shù)據(jù)對比如表4所示。

由表4可知，由于裝消音環(huán)的背景噪聲有效值比不裝消音環(huán)的大5 dB,所以，在相同環(huán)境下，裝消音環(huán)的“Leq平均值”實際應比測量值小5 dB。對未裝消音環(huán)Leq平均值和裝消音環(huán)Leq修正值作比較(Leq修正值=Leq平均值-5)。由表3可得：試車線速度為15 km/h和60 km/h時，與不裝消音環(huán)相比，裝消音環(huán)的列車噪聲分貝降低大約5.3 dB和3.2 dB。

表4 測點1聲壓級對比 /dB

車輪安裝消音環(huán)前后在正線車廂內的測試數(shù)據(jù)對比如表5所示。

由表5可知，與不裝消音環(huán)相比，裝消音環(huán)的背景噪聲有效值大3.4 dB,所以，在相同環(huán)境下，裝消音環(huán)的“Leq平均值”實際應比測量值小3.4 dB。對未裝消音環(huán)Leq平均值和裝消音環(huán)Leq修正值作比較(Leq修正值=Leq平均值-3.4)，根據(jù)表5：在所測的10個測試區(qū)間內，全部區(qū)間裝消音環(huán)聲壓級比不裝消音環(huán)聲壓級小，最大差值為7.2 dB，這10個區(qū)間中有5個區(qū)間差值不小于3 dB。

6 結論

通過室內試驗得知B車輪在安裝降噪環(huán)后其降噪綜合性能最佳，軸向與徑向激勵下，噪聲衰減均很快。對車輛在線路、站臺、車廂內的噪音測試，得

表5 車廂內聲壓級對比 /dB

知在試車線速度為15 km/h和60 km/h時，裝消音環(huán)比不裝消音環(huán)列車噪聲分貝降低大約5.3 dB和3.2 dB；正線上車廂內噪聲，在所測的10個測試區(qū)間內，全部區(qū)間裝消音環(huán)聲壓級比不裝消音環(huán)聲壓級小，最大差值為7.2 dB，這10個區(qū)間中有5個區(qū)間差值不小于3 dB。

故而，不同的車輪在安裝降噪環(huán)后，所得的降噪效果是不同的，且降噪效果和安裝降噪環(huán)的數(shù)量無直接關系。但總體來說，安裝降噪環(huán)的確對車輛行駛過程中產生的噪音有明顯的抑制作用，能夠提高乘客乘坐的舒適性，并從一定程度上降低車輛產生的噪音污染。后續(xù)將與各大主機廠保持密切的技術溝通，將此類降噪環(huán)運用于國內外更多的城軌項目中，盡可能地降低車輪振動帶來的噪音，減少對軌道交通周邊的環(huán)境影響。