不同軌道結(jié)構(gòu)地鐵噪聲輻射測試及分析

張啟樂，劉林芽，陳高峰

（1.中國電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司，江蘇 無錫 214135；2.華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，南昌 330013；3.隔而固（青島）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司,山東 青島 266108）

鋼彈簧浮置板作為一種成熟有效的隔振系統(tǒng)，在軌道交通減振領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，許多專家學(xué)者對鋼彈簧浮置板系統(tǒng)做了大量的研究[1–4]。近些年來隨著鋼彈簧浮置板運(yùn)營里程的增加，關(guān)于鋼彈簧浮置板軌道對地鐵車輛影響的研究逐漸增多，部分研究成果顯示，相對于普通整體道床軌道，列車通過浮置板軌道時(shí)車體振動(dòng)有所增加[5–6]，車內(nèi)噪聲也有一定程度增大[6–10]。

浮置板道床厚度一般設(shè)計(jì)為300 mm～350 mm[7]，根據(jù)頻率計(jì)算公式可知，其他參數(shù)確定的情況下，增加系統(tǒng)配重能降低隔振系統(tǒng)頻率，提高減振效果[11]。

由于道床板厚增加除了可以增加系統(tǒng)配重以降低系統(tǒng)頻率外，還可以提高板的抗彎剛度，有利于板的結(jié)構(gòu)受力，所以具有厚道床板、低頻特性的鋼彈簧浮置板的應(yīng)用也越來越多，本文以長枕埋入式普通整體道床及低頻鋼彈簧浮置板道床作為對比研究對象，以現(xiàn)場實(shí)測的方式分析鋼彈簧浮置板道床對車內(nèi)外噪聲的影響。為使表述簡潔，下文將鋼彈簧浮置板道床簡稱為浮置板，長枕埋入式普通整體道床簡稱普通道床。

1 測試條件說明

1.1 軌道

本次測試選取的某地鐵線路區(qū)間隧道斷面為馬蹄型，隧道內(nèi)鋪設(shè)60 kg/m 鋼軌，扣件為DTⅥ2 型，測試區(qū)間上行線浮置板鋪設(shè)長度270 m，下行線浮置板鋪設(shè)長度320 m。上下行浮置板厚度均為370 mm，寬度均為3 m，標(biāo)準(zhǔn)板長度25 m，浮置板一階彎曲頻率設(shè)計(jì)值為8.07 Hz。普通道床與浮置板道床在區(qū)間內(nèi)的分布情況如圖1所示?，F(xiàn)場勘驗(yàn)顯示兩種道床軌道狀態(tài)均良好，鋼軌無波磨。

圖1 普通道床與浮置板道床在區(qū)間內(nèi)分布圖

1.2 車輛

測試的運(yùn)營車輛為6 節(jié)編組B 型車，設(shè)計(jì)軸重14t，車輛長寬高分別為19 m、2.8 m和3.8 m，區(qū)間內(nèi)列車設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，為配合測試，列車以71 km/h速度在兩種道床空載運(yùn)行。

1.3 測試設(shè)備

隧道內(nèi)噪聲測試采用LMS SCADAS Mobile SCM01 采集系統(tǒng)，BSWA MPA201 S/N:492171 聲傳感器及防風(fēng)罩，采樣頻率51 200 Hz，車內(nèi)噪聲測試采用手持式B&K2250 Light 聲級計(jì)，采樣頻率48 000 Hz。測試前后聲傳感器靈敏校準(zhǔn)均小于0.1 dB，滿足GB14892－2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》規(guī)定。

1.4 測點(diǎn)布置

噪聲測試在隧道內(nèi)和車廂內(nèi)同步進(jìn)行。隧道內(nèi)測試，在距鋼軌頂面0.5 m 與1.2 m 隧道壁處布置兩個(gè)測點(diǎn)，為防止列車在隧道內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)影響，聲傳感器加防風(fēng)罩，如圖2（a）所示；車廂內(nèi)測試，根據(jù)GB14892－2006 規(guī)定，傳聲器布置于客室縱軸中部，距地板高度1.2 m，方向朝上，聲級計(jì)如圖2（b）所示。

圖2 測點(diǎn)布置圖

上行線在列車前進(jìn)方向1 車、4 車內(nèi)布置測點(diǎn)；下行線在列車前進(jìn)方向1車、3車內(nèi)布置測點(diǎn)。為消除隨機(jī)干擾，隧道內(nèi)及車廂內(nèi)每個(gè)測點(diǎn)均選取10組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值進(jìn)行分析。

2 隧道內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)分析

2.1 評價(jià)指標(biāo)

等效聲級（等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲級）能較好地反映人耳對噪聲的主觀感覺，對人耳不敏感的低頻聲衰減較多，中頻衰減較少，高頻不衰減甚至放大[12]，GB14892－2006中給出的便是等效聲級的最大容許限值。本文同時(shí)計(jì)算線性聲級（即無計(jì)權(quán)），以對比分析A計(jì)權(quán)對噪聲評價(jià)的影響。

等效聲級計(jì)算公式如下：

式中：

LAeq,T——等效聲級，單位為dB(A)；

t2、t1——規(guī)定的時(shí)間間隔，單位為s；

pA(t)——噪聲瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓，單位為Pa；

p0——基準(zhǔn)聲壓（20 μPa）。

2.2 聲壓時(shí)程

列車通過普通道床與浮置板道床時(shí)隧道內(nèi)各測點(diǎn)典型聲壓時(shí)程曲線（無計(jì)權(quán)）如圖3所示，時(shí)程數(shù)據(jù)頻率范圍16 Hz～24 000 Hz。

由圖3可知，隨著列車駛近測點(diǎn)，隧道內(nèi)聲壓級逐漸增大；隨著列車駛遠(yuǎn)，測點(diǎn)聲壓級逐漸減小；在進(jìn)入浮置板道床地段后，隧道內(nèi)的聲壓級在時(shí)域上（第5 s左右時(shí)刻）有明顯的變化。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，在同一道床結(jié)構(gòu)上鋼軌頂面0.5 m處測點(diǎn)與1.2 m處測點(diǎn)聲壓在時(shí)域上的幅值基本一致；但不同軌道結(jié)構(gòu)上與軌面相同距離測點(diǎn)的聲壓幅值不同，浮置板地段的聲壓幅值高于普通道床地段。

圖3 隧道內(nèi)測點(diǎn)聲壓典型時(shí)程曲線

2.3 1/3倍頻程分析

（1）聲壓級（無計(jì)權(quán)）分析

為消除列車駛?cè)霚y試斷面之前與駛出測試斷面之后對聲傳感器的影響，僅截取列車通過時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，10 組數(shù)據(jù)1/3 倍頻程聲壓級（無計(jì)權(quán)）算術(shù)平均值見圖4和表1所示。

圖4 隧道內(nèi)0.5 m與1.2 m測點(diǎn)聲壓級

表1 兩種道床聲壓級（無計(jì)權(quán)）峰值及峰值頻率

由圖4可知，相對于普通道床，浮置板地段隧道內(nèi)的2 個(gè)測點(diǎn)無計(jì)權(quán)聲壓級在25 Hz～1 000 Hz 與4 000 Hz～20 000 Hz頻段有所增大，其中在40 Hz～125 Hz 頻段增大量最大；在20 Hz～25 Hz 與1 000 Hz～4 000 Hz 頻段，浮置板道床聲壓級略低于普通道床。

由表1可知，軌道結(jié)構(gòu)相同時(shí)，距離軌面近的測點(diǎn)噪聲更大，說明輪軌噪聲為主要噪聲源；道床結(jié)構(gòu)不同，列車運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲的峰值頻率和峰值均存在較大差異，普通道床地段隧道內(nèi)噪聲的主頻在500 Hz～800 Hz，0.5m 測點(diǎn)聲壓級最大值為103.3 dB；浮置板地段隧道內(nèi)噪聲的主頻在80 Hz，0.5 m測點(diǎn)聲壓級最大值為109.1 dB。

（2）A計(jì)權(quán)聲壓級

將1/3倍頻程聲壓級曲線進(jìn)行A計(jì)權(quán)，計(jì)權(quán)后的聲壓級算術(shù)平均值如圖5和表2所示。

圖5 隧道壁0.5 m與1.2 m測點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級

由圖5和表2可知，A 計(jì)權(quán)后普通道床0.5 m 測點(diǎn)峰值頻率由500 Hz變?yōu)?00 Hz，1.2 m測點(diǎn)峰值頻率未發(fā)生改變，仍為800 Hz；浮置板道床兩個(gè)測點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級峰值頻率則發(fā)生了明顯偏移，由80 Hz變?yōu)?00 Hz。

表2 兩種道床A計(jì)權(quán)聲壓級峰值及峰值頻率對比

A計(jì)權(quán)后普通道床與浮置板道床0.5 m與1.2 m測點(diǎn)聲壓級峰值均在800 Hz出現(xiàn)，相同道床不同測點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級峰值差別不大。

2.4 與A計(jì)權(quán)等效聲級

隧道內(nèi)測點(diǎn)線性聲級（不計(jì)權(quán)）與A計(jì)權(quán)等效聲級計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 隧道內(nèi)測點(diǎn)線性聲級與A計(jì)權(quán)聲級

由表3可知，如果以線性聲級進(jìn)行評估，則浮置板道床相對于普通道床有所增大，在0.5 m 處增大4.4 dB，1.2 m處增大4.7 dB；若以A計(jì)權(quán)等效聲級指標(biāo)進(jìn)行評估，則浮置板道床噪聲輻射相對普通道床增大量較小，增大量不大于0.3 dB（A）。

3 車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)分析

3.1 時(shí)頻分析

圖6為上行線典型聲壓時(shí)程曲線與時(shí)頻圖。

圖6 上行線1車車內(nèi)典型聲壓時(shí)程曲線與時(shí)頻圖

由圖6時(shí)頻圖可看出，在21.5 s～37.5 s之間，車內(nèi)噪聲信號的頻率成分有較為明顯的改變，由此可推斷測試車廂通過浮置板道床的起止時(shí)間約為21.5 s～37.5 s，同理可推測列車通過普通道床的起止時(shí)間為50 s～66 s。截取以上時(shí)間段內(nèi)聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，下行線及其他車內(nèi)測點(diǎn)數(shù)據(jù)截取原則相同，每個(gè)測點(diǎn)均截取10組數(shù)據(jù)計(jì)算算術(shù)平均值。

3.2 1/3倍頻程分析

（1）上行線聲壓級（無計(jì)權(quán)）測試結(jié)果分析

車內(nèi)噪聲測試在上行線和下行線分別開展，上行線聲壓級（無計(jì)權(quán)）測試結(jié)果如圖7及表4所示。

由圖7和表4可知，1 車和4 車內(nèi)噪聲峰值的頻率相同，但是噪聲峰值有略微區(qū)別，4車內(nèi)的噪聲峰值略大于1 車，這兩個(gè)測點(diǎn)的聲壓級在頻域內(nèi)均表現(xiàn)出：在20 Hz～400 Hz 頻段，浮置板地段車內(nèi)噪聲要大于普通道床地段，其他頻段浮置板道床車內(nèi)噪聲不大于普通道床段。普通道床地段車內(nèi)噪聲峰值頻率均為25 Hz，4 車內(nèi)噪聲峰值為83.8 dB，浮置板地段車內(nèi)噪聲峰值頻率均為63 Hz，4車內(nèi)噪聲峰值為90.4 dB。

圖7 上行線1車與4車車內(nèi)聲壓級

表4 上行線兩道床車內(nèi)聲壓級（無計(jì)權(quán)）峰值頻率及峰值

（2）下行線聲壓級（無計(jì)權(quán)）測試結(jié)果分析

下行線聲壓級（無計(jì)權(quán)）均值如圖8和表5所示。

圖8 下行線1車與3車車內(nèi)聲壓級

由圖8和表5可知，下行線車內(nèi)噪聲在頻域內(nèi)的特性與上行線車內(nèi)噪聲測試結(jié)果類似。31.5 Hz～250 Hz 頻段，浮置板地段車內(nèi)噪聲大于整體道床地段，其他頻段浮置板地段車內(nèi)噪聲不大于普通道床地段。普通道床地段車內(nèi)噪聲峰值頻率均為25 Hz，3 車內(nèi)噪聲峰值為83.5 dB，浮置板地段車內(nèi)噪聲峰值頻率為均63 Hz，3車內(nèi)噪聲峰值為93.4 dB。

表5 下行線聲壓級（無計(jì)權(quán)）峰值頻率及峰值

（3）上行線A計(jì)權(quán)聲壓級測試結(jié)果分析

上行線車內(nèi)A 計(jì)權(quán)聲壓級均值如表6和圖9所示。

表6 上行線A計(jì)權(quán)聲壓級峰值頻率及峰值

圖9 上行線車內(nèi)A計(jì)權(quán)聲壓級

A 計(jì)權(quán)后，普通道床車內(nèi)聲壓級峰值頻率由25 Hz變?yōu)樽優(yōu)?30 Hz～800 Hz；浮置板道地段車內(nèi)聲壓級峰值頻率均由63 Hz變?yōu)?30 Hz。車內(nèi)噪聲最大值仍發(fā)生在4 車，普通道床地段車內(nèi)噪聲最大值為74.9 dB(A)，浮置板地段車內(nèi)噪聲最大值為75.2 dB(A)。A 計(jì)權(quán)后普通道床和浮置板地段車內(nèi)噪聲頻域內(nèi)峰值幾乎無差別。

（4）下行線A計(jì)權(quán)聲壓級測試結(jié)果分析

下行線車內(nèi)A 計(jì)權(quán)聲壓級均值如圖10 和表7所示。

圖10 下行線1車與3車車內(nèi)A計(jì)權(quán)聲壓級

表7 下行線A計(jì)權(quán)聲壓級峰值頻率及峰值

通過A 計(jì)權(quán)后，普通道床地段車內(nèi)聲壓級峰值頻率由25 Hz變?yōu)?00和800 Hz；浮置板地段車內(nèi)聲壓級峰值頻率均由63 Hz 變?yōu)?00 Hz，普通道床地段車內(nèi)最大聲壓級發(fā)生在1 車，為75.8 dB(A)，浮置板地段車內(nèi)最大聲壓級發(fā)生在3 車，為74.8 dB(A)。普通道床和浮置板地段車內(nèi)噪聲頻域內(nèi)峰值相差約1 dB(A)。

3.3 線性聲級與A計(jì)權(quán)等效聲級

普通道床和浮置板地段車內(nèi)噪聲線性聲級（不計(jì)權(quán)）和A計(jì)權(quán)等效聲級對比如表8所示。

表8 車內(nèi)測點(diǎn)線性聲級與等效聲級

（1）分析上行線車內(nèi)測試數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，如果以線性聲級進(jìn)行分析，浮置板地段車內(nèi)噪聲比普通道床地段分別大5.0 dB（1 車）和4.9 dB（4 車）；如果以A 計(jì)權(quán)等效聲級進(jìn)行分析，浮置板地段車內(nèi)噪聲比普通道床地段分別大1.8 dB(A)和4.9 dB(A)。

（2）分析下行線內(nèi)測試數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，如果以線性聲級進(jìn)行分析，浮置板地段車內(nèi)噪聲比普通道床地段分別大6.4 dB（1車）、6.2 dB（3車）；如果以A計(jì)權(quán)等效聲級進(jìn)行分析，浮置板地段車內(nèi)噪聲比普通道床地段分別小1.7 dB(A)和0.3 dB(A)。

綜上分析可知，列車在浮置板道床地段運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)300 Hz以下部分頻帶噪聲輻射量會明顯增加，如果噪聲分析時(shí)考慮人耳對噪聲的主觀感受及對頻率的敏感性然后對聲壓級進(jìn)行A 計(jì)權(quán)，則兩種道床的車內(nèi)噪聲1/3倍頻程曲線峰值差別不大，部分頻段浮置板地段車內(nèi)A計(jì)權(quán)聲壓級甚至小于普通道床地段，即A 計(jì)權(quán)等效聲級計(jì)算方法弱化了浮置板道床對40 Hz～125 Hz頻段增大的影響，本次研究中關(guān)于噪聲頻譜分布及等效聲級大小與文獻(xiàn)[13]基本一致。

4 結(jié)語

通過對某地鐵線路長枕埋入式普通整體道床及重型鋼彈簧浮置板地段車內(nèi)外噪聲輻射測試分析，可得以下主要結(jié)論：

（1）軌道結(jié)構(gòu)相同時(shí)，隧道內(nèi)距離軌面近的位置噪聲更大，說明輪軌噪聲為主要噪聲源，浮置板地段隧道內(nèi)噪聲在40 Hz～125 Hz 頻段較普通道床地段有所增大，但在其他頻段浮置板道地段聲壓級低于普通道床；

（2）對隧道內(nèi)噪聲的聲壓級曲線進(jìn)行A 計(jì)權(quán)后，普通道床和浮置板道床地段壓級峰值頻率均會發(fā)生偏移，較A計(jì)權(quán)之前峰值頻率更高；

（3）軌道結(jié)構(gòu)相同時(shí)，不同車廂內(nèi)噪聲峰值的頻率相同，但是噪聲峰值有略微區(qū)別；浮置板地段車內(nèi)噪聲在20 Hz～400 Hz頻段大于普通道床地段，其他頻段浮置板道床車內(nèi)噪聲不大于普通道床地段；

（4）對車內(nèi)噪聲的聲壓級進(jìn)行A 計(jì)權(quán)后，普通道床和浮置板地段車內(nèi)噪聲峰值的頻率均變高，但是兩種道床地段車內(nèi)噪聲峰值差別不大。