地鐵列車車內(nèi)噪聲特性試驗分析

張 勇，解建坤，肖 飛

（1 南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210017；2 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210031）

城市軌道交通在我國經(jīng)歷了10 多年的大力發(fā)展，現(xiàn)已逐步成為國民出行的主要工具，加強(qiáng)了城市間的交流。然而，在城市軌道交通運(yùn)輸普及的同時，其噪聲問題也越來越受到人們的關(guān)注，并直接影響到司乘人員的乘坐體驗［1-5］。近些年，地鐵車輛運(yùn)營速度等級不斷提升，關(guān)于地鐵噪聲問題的投訴也不斷增多，不利于我國市域軌道交通的快速發(fā)展。因此，我國相關(guān)業(yè)內(nèi)人員對軌道車輛車內(nèi)噪聲特性開展了大量的研究。

我國對高速列車噪聲和地鐵噪聲開展了較多的研究。朱妍妍等通過北京地鐵某線路的車外噪聲試驗研究，掌握了車輛輻射噪聲及衰減特性。結(jié)果表明，車輛輻射噪聲在水平方向上的衰減特性趨向于點聲源衰減特性，其主頻在400～4 000 Hz頻段內(nèi)［6］。張捷等基于現(xiàn)場測試，對高速列車車內(nèi)客室端部噪聲分布特性進(jìn)行分析研究，建議通過改變車內(nèi)空腔的聲學(xué)邊界條件，在一定程度上減小由于聲固耦合引起的客室端部異常噪聲［7］。張駿等針對250 km/h 動車組車內(nèi)噪聲問題，使用試驗和仿真相結(jié)合的方法，對車內(nèi)聲源特性及其貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析。結(jié)果表明，250 km/h 動車組的客室端部噪聲源主要是輪軌噪聲，其次為氣動噪聲［8］。

上述研究主要針對高速動車組車內(nèi)噪聲特性，而對地鐵列車研究較少。故文中以某120 km/h速度等級的B 型地鐵列車為研究對象，對其車內(nèi)噪聲開展振動噪聲與聲源識別測試，并對車內(nèi)噪聲特性及聲振傳遞特性進(jìn)行分析。

1 車內(nèi)噪聲特性分析

地鐵列車運(yùn)行時，受到輪軌表面不平順等因素的影響，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的輪軌噪聲。同時，由于空氣動力學(xué)作用，會產(chǎn)生氣動噪聲。輪軌噪聲和氣動噪聲激勵車體壁板，引起車體壁板振動并向車內(nèi)輻射噪聲。另外，轉(zhuǎn)向架的振動也會傳遞至車體，使之產(chǎn)生振動輻射噪聲。車內(nèi)噪聲的水平和特征是直接影響車內(nèi)司乘人員的乘坐舒適度的，也是我們研究地鐵列車噪聲的重點內(nèi)容和重要指標(biāo)。

將地鐵列車的車廂分為5 個區(qū)域，分別為司機(jī)室區(qū)域、客室前區(qū)域、客室中區(qū)域、客室后區(qū)域和貫通道區(qū)域。在每個區(qū)域的車體縱向中心線上距離地板面1.2 m 高度處布置噪聲測點，如圖1 所示，圖中紅色標(biāo)記表示噪聲傳感器位置，共計5 個噪聲傳感器。噪聲測試的現(xiàn)場照片如圖2 所示。

圖1 車內(nèi)噪聲測點（示意圖）

圖2 車內(nèi)噪聲測試現(xiàn)場

通過在地鐵列車車廂內(nèi)各個區(qū)域布置噪聲傳感器，測試列車運(yùn)行時的車內(nèi)噪聲。

地鐵列車由于往返于相鄰的城市以及之間的區(qū)縣，距離短且站點較多，因此地鐵列車的運(yùn)行速度遠(yuǎn)不如高速列車，其速度一般在60～120 km/h。列 車分 別以 速 度60、80、100、120 km/h 勻 速運(yùn) 行時，車內(nèi)各個區(qū)域噪聲水平如圖3 所示。

圖3 車內(nèi)噪聲水平

由圖3 可知，車內(nèi)司機(jī)室噪聲最小、貫通道噪聲最大，客室后端部噪聲明顯高于客室前和客室中，差值約2 dBA 左右。這說明車內(nèi)噪聲顯著的區(qū)域是貫通道區(qū)域，貫通道隔聲性能薄弱會導(dǎo)致其噪聲顯著，并且還會傳遞至車輛端部。列車運(yùn)行速度每增加20 km/h，車內(nèi)噪聲增大1～3 dBA，且速度越高，車內(nèi)噪聲的相對增加值則越大。

以噪聲最顯著的貫通道區(qū)域為例，給出了靜置狀態(tài)下和以不同速度運(yùn)行下的噪聲1/3 倍頻程譜如圖4 所示。圖4 中，橫坐標(biāo)為1/3 倍頻程中心頻率，縱坐標(biāo)為聲壓級。其余區(qū)域的噪聲1/3 頻譜特性和貫通道區(qū)域類似，故不在此處給出。

圖4 貫通道區(qū)域噪聲頻譜

由圖4 可知，靜置狀態(tài)下，車內(nèi)噪聲中高頻寬頻特征明顯，主要能量集中在中心頻率為100～4 000 Hz 的1/3 倍頻帶；列車分別以速度60、80、100、120 km/h 勻速運(yùn)行時，車內(nèi)噪聲頻譜規(guī)律相似，主要能量集中在中心頻率為500～1 000 Hz 的1/3 倍頻帶，其中在中心頻率為630、800 Hz 的1/3倍頻帶內(nèi)尤為顯著。

2 噪聲源識別

明確車內(nèi)噪聲水平及特征后，還需要識別其噪聲來源，進(jìn)而獲得車內(nèi)噪聲形成機(jī)理，提出切實有效的改善措施。

聲源識別通常采用基于平面波聲源模型和波束形成的球形陣列聲源識別方法。這是一種球諧函數(shù)聲場分解與重構(gòu)，快速實現(xiàn)全方位識別和聲源可視化的一種聲源識別方法。文中運(yùn)用B&K 公司制造的剛性球形陣列系統(tǒng)進(jìn)行車內(nèi)聲源識別（頻率范圍100 Hz～12 kHz），其構(gòu)成主要包括50 個傳聲器以及12 個攝像頭，如圖5 所示。

圖5 聲源識別測試

列車以120 km/h 速度勻速運(yùn)行時，客室后端聲源識別結(jié)果如圖6 所示，云圖結(jié)果以動態(tài)范圍3 dBA 的形式給出。其中圖6（a）為全頻段（50 Hz～5 kHz）A 計權(quán)聲壓云圖。圖6（b）和圖6（c）分別為客室后端顯著頻段630 Hz 和800 Hz 頻段內(nèi)的聲源識別結(jié)果。由圖可見，客室后端無論是全頻段（50 Hz～5 kHz）噪聲還是顯著頻段噪聲，均主要來源于左右兩側(cè)車門的下部區(qū)域，與車門下部的隔聲和密封有關(guān)。因此，在對地鐵列車車內(nèi)噪聲進(jìn)行降噪優(yōu)化時，一方面需要重點關(guān)注列車車門的隔聲性能，另一方面車門和車體連接處的密封性也需要得到保障，避免輪軌噪聲和氣動噪聲通過縫隙泄漏至車內(nèi)。

圖6 聲源識別結(jié)果

3 轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動噪聲傳遞特性分析

如前文所述，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的振動噪聲是車內(nèi)噪聲的主要來源。在列車一位轉(zhuǎn)向架軸箱、構(gòu)架、車體外地板，二位轉(zhuǎn)向架軸箱、構(gòu)架、車體外地板、齒輪箱、牽引電機(jī)等位置布置振動測點，在一位轉(zhuǎn)向架車輪區(qū)域、二位轉(zhuǎn)向架車輪區(qū)域、二位轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)區(qū)域布置噪聲測點，具體如圖7 所示。圖中，紅色標(biāo)記表示噪聲測點，藍(lán)色標(biāo)記表示振動測點。

圖7 振動噪聲測點示意圖

列車在高架區(qū)間以速度120 km/h 勻速運(yùn)行時，一位轉(zhuǎn)向架區(qū)域、二位轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲與車內(nèi)噪聲的對比頻譜如圖8 所示。

圖8 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲傳遞特性

由圖8 可知，列車在高架區(qū)間運(yùn)行時，無論客室前端或客室后端，車內(nèi)噪聲均在400～450 Hz 和680～720 Hz 這2 個頻率范圍內(nèi)存在局部峰值，峰值頻率分別為430 Hz 和710 Hz 左右，而一位轉(zhuǎn)向架區(qū)域和二位轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲同樣在上述2 個頻率范圍內(nèi)存在局部峰值?？褪叶瞬吭肼暫娃D(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲在頻譜分布上規(guī)律一致，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲對客室端部噪聲存在明顯貢獻(xiàn)。

列車在高架區(qū)間以速度120 km/h 勻速運(yùn)行時，一位轉(zhuǎn)向架區(qū)域和二位轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動與車內(nèi)噪聲的頻譜特性對比如圖9 所示。

由圖9 可知，列車在高架區(qū)間運(yùn)行時，車內(nèi)噪聲在400～450 Hz 和680～720 Hz 頻率范圍內(nèi)存在局部峰值，一位轉(zhuǎn)向架區(qū)域和二位轉(zhuǎn)向架區(qū)域的振動同樣在上述2 個頻率范圍存在局部峰值。雖然經(jīng)過一系減振、二系減振之后輪軌振動傳遞至車體的能量已有大幅衰減，但是車體在400～450 Hz和680～720 Hz 頻率范圍內(nèi)的局部峰值依舊明顯。因此，輪軌振動傳遞和輪軌噪聲一樣，對車內(nèi)噪聲具有重要貢獻(xiàn)?？刂栖噧?nèi)400～450 Hz 和680～720 Hz 頻率范圍的噪聲，從聲源處需要控制輪軌振動噪聲，從路徑上則需要提高車體隔聲、降低車體振動。

圖9 轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動傳遞特性

4 結(jié) 論

以某120 km/h 速度等級的B 型地鐵為研究對象，對其車內(nèi)噪聲開展振動噪聲與聲源識別測試，并對其車內(nèi)噪聲特性及聲振傳遞特性關(guān)系進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）車輛運(yùn)行時，車內(nèi)司機(jī)室噪聲最小、貫通道噪聲最大，客室后端部噪聲明顯高于客室前和客室中，差值約2 dBA 左右。

（2）列車運(yùn)行速度每增加20 km/h，車內(nèi)噪聲增大1～3 dBA，且速度越高，車內(nèi)噪聲的相對增加值則越大。

（3）客室后端無論是全頻段（50 Hz～5 kHz）噪聲還是顯著頻段噪聲，均主要來源于左右兩側(cè)車門的下部區(qū)域。因此，在對地鐵列車車內(nèi)噪聲進(jìn)行降噪優(yōu)化時，需要重點關(guān)注列車車門的隔聲特性及密封性。

（4）轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動噪聲在400～450 Hz 和680～720 Hz 這2 個頻率范圍對客室端部噪聲貢獻(xiàn)明顯?？刂戚嗆壵駝釉肼?，提高車體隔聲、降低車體振動是客室端部噪聲控制的關(guān)鍵。