城軌車輛車內(nèi)噪聲水平多工況影響因素分析

摘" 要：城軌車輛的主要噪聲源是輪軌噪聲，輪軌噪聲是關(guān)于車輛-軌道耦合作用以及輪軌關(guān)系的系統(tǒng)性問題，隧道運(yùn)行工況下噪聲形成混響場通過透射傳入車內(nèi)，同時(shí)城軌車輛密封性能較差，導(dǎo)致隧道內(nèi)噪聲大于明線工況8～10 dB，嚴(yán)重影響乘客舒適性。基于國內(nèi)城軌車輛線路實(shí)測結(jié)果，定量分析輪軌粗糙度、軌道類型、軌道衰減度、明線和隧道等多工況多因素對車內(nèi)噪聲水平的影響。在分析基礎(chǔ)上，提出城軌車輛車內(nèi)噪聲控制的建議，便于后續(xù)車輛及線路設(shè)計(jì)，最大程度提高乘坐舒適性。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；車內(nèi)噪聲；多工況；影響因素；改善建議

中圖分類號：U270.16" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0094-04

Abstract： The main noise source of urban rail vehicles is wheel-rail noise， which is a systematic problem related to vehicle-track coupling and wheel-rail relationship. Under tunnel operating conditions， the noise forms a reverberation field and transmits into the vehicle through transmission. At the same time， the sealing performance of urban rail vehicles is poor， resulting in the noise in the tunnel being 8～10 dB higher than that under open line operating conditions， seriously affecting passenger comfort. Based on the measured results of urban rail vehicle lines in China， the influence of wheel-rail roughness， track type， track attenuation， open line and tunnel on the noise level in the vehicle is quantitatively analyzed. On the basis of the analysis， some suggestions on the noise control of urban rail vehicles are put forward， which is convenient for the subsequent vehicle and route design and improves the ride comfort to the greatest extent.

Keywords： urban rail vehicle; interior noise; multiple operating condition; influencing factor; suggestion on improvement

隨著2022年6月5日起，《中華人民共和國噪聲污染防治法》（簡稱“新噪聲法”）的正式施行，對城軌車輛噪聲要求更加嚴(yán)格。同時(shí)乘客對客室內(nèi)噪聲水平關(guān)注越來越高，相關(guān)運(yùn)營單位接到關(guān)于投訴的內(nèi)容也增加較多。城軌車輛實(shí)際運(yùn)行線路包含高架線、隧道、地面等復(fù)雜多變的條件，主要在隧道內(nèi)運(yùn)行，主要為單隧道運(yùn)行且隧道內(nèi)混響較大，車輛運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲經(jīng)內(nèi)部反射對車內(nèi)噪聲的影響進(jìn)一步加強(qiáng)，同時(shí)為減少軌道運(yùn)行對周圍居民的影響，越來越多地采用減振軌道，導(dǎo)致車-軌耦合產(chǎn)生的作用力反饋到車內(nèi)，進(jìn)一步加劇了對車內(nèi)噪聲的影響。通過分析高速運(yùn)行狀態(tài)下車輛的主要噪聲源、車輛噪聲源與速度的變化規(guī)律、車輛噪聲的主要影響因素等，以不同線路條件下的車輛為研究對象，進(jìn)行車內(nèi)外噪聲測試與分析，為整車車輛噪聲控制提供設(shè)計(jì)輸入。

1" 城軌車輛噪聲源分析

如圖1所示，根據(jù)牽引噪聲、輪軌噪聲和空氣動(dòng)力噪聲占主導(dǎo)所對應(yīng)的列車運(yùn)行速度范圍，可以將其分為3個(gè)區(qū)段，2個(gè)不同區(qū)段轉(zhuǎn)變的列車運(yùn)行速度稱之為聲學(xué)轉(zhuǎn)變速度。當(dāng)列車速度在35～250 km/h時(shí)，鐵路噪聲的主要噪聲源為輪軌噪聲；我國地鐵列車運(yùn)行速度普遍在60～120 km/h，因此輪軌噪聲是城軌車輛的主要噪聲源。

目前，國內(nèi)地鐵車輛車內(nèi)噪聲指標(biāo)的規(guī)定主要執(zhí)行GB 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，客室噪聲測試位置為“客室縱軸中部，距地板高度1.2 m，方向朝上”，列車按照最高運(yùn)營速度的75%運(yùn)行時(shí)，該位置的噪聲限值見表1。從標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，地鐵車輛噪聲型式試驗(yàn)考核測點(diǎn)為客室中部位置，對客室端部和車間連接處的噪聲沒有限值要求。

UIC 660—2002《保證高速列車技術(shù)兼容性的措施》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于鐵路客運(yùn)列車噪聲限值的規(guī)定，允許車廂端部噪聲比中部噪聲高2 dB（A），參照此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，客室端部噪聲限值應(yīng)為：地下85 dB（A）；地上77 dB（A）。

2" 軌道特性對車內(nèi)噪聲影響

2.1" 車輪表面粗糙度

ISO 3095—2013《聲學(xué)鐵路應(yīng)用軌道機(jī)車車輛發(fā)射噪聲測量》規(guī)定：車輪應(yīng)在正常條件下且軌道交通正常的情況下至少已運(yùn)行3 000 km；車輪踏面應(yīng)盡可能光滑無擦傷。

通過對某線路打磨前后的噪聲進(jìn)行測試對比分析，粗糙度對比如圖2所示，打磨前后車內(nèi)噪聲降低2 dB（A），從圖3所示的頻譜上看，噪聲的降低主要得益于400～1 000 Hz頻段的噪聲峰值降低，此頻段內(nèi)的噪聲主要來源于輪軌噪聲。

2.2" 軌道表面粗糙度

ISO 3381—2005《鐵路應(yīng)用-聲學(xué)-軌道車輛內(nèi)部噪聲測量》給出鋼軌粗糙度的影響為0.7～3.9 dB不等。波磨是導(dǎo)致噪聲增大的常見問題。

如圖4所示，通過對某線路打磨前后的噪聲進(jìn)行測試對比分析，鋼軌打磨后可降低車內(nèi)噪聲1～3 dB（A）；從頻譜上看，噪聲的降低主要得益于400～1 000 Hz 頻段的噪聲峰值降低，此頻段內(nèi)的噪聲主要來源于輪軌噪聲。

2.3" 浮置板道床的影響

某線路實(shí)測過程中發(fā)現(xiàn)部分區(qū)間部分路段有明顯的低頻“轟隆轟隆”聲，對乘客的舒適性體驗(yàn)影響較大。

經(jīng)過對比線路圖（圖5）發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)異常聲音的路段均對應(yīng)浮置板道床區(qū)間，噪聲主要影響160 Hz以下頻段，其中峰值為63 Hz和80 Hz。

2.4" 軌道衰減率影響

對軌道衰減率是鋼軌在外部激勵(lì)下的衰減特性，是計(jì)算聲輻射的重要參數(shù)，是噪聲峰值頻率的主要影響因素。

根據(jù)ISO 3095—2013《聲學(xué)鐵路應(yīng)用軌道機(jī)車車輛發(fā)射噪聲測量》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軌道衰減率限值曲線，實(shí)測值應(yīng)在該曲線以上。實(shí)際線路的軌道衰減率在500～1 000 Hz往往不能滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求，而阻尼改造的成本較大。具體如圖6、圖7所示。

3" 車輛影響因素分析

從傳播路徑分類，大致可分為3種類型：透射聲、空氣聲和結(jié)構(gòu)聲。

透射聲是從噪聲源發(fā)出，以空氣為媒介，從車窗、車門、上線口的縫隙和排風(fēng)口等直接傳播到車內(nèi)的聲音。

空氣聲是指客室外的各種聲源，先經(jīng)空氣介質(zhì)傳播，繼而透過車體材料，傳到車內(nèi)的聲音。

結(jié)構(gòu)聲。轉(zhuǎn)向架處結(jié)構(gòu)聲傳遞主要通過構(gòu)架和車體的連接處，如空簧、中心銷、減振器等，設(shè)備的結(jié)構(gòu)聲主要通過吊掛設(shè)備的橫梁傳遞到車內(nèi)；輪軌聲、設(shè)備噪聲及車體表面噪聲為空氣聲的主要激勵(lì)源。

3.1" 車輛密封

根據(jù)城軌車輛內(nèi)外噪聲頻譜曲線分析，如圖8所示，車內(nèi)外噪聲頻譜曲線一致性相當(dāng)強(qiáng)，尤其在400～1 000 Hz頻率與車外輪軌噪聲頻率完全吻合。相關(guān)試驗(yàn)測試表明，城軌車輛的中高頻隔聲并不差，但實(shí)車所表明的中高頻噪聲偏高，這可能與車輛的密封有關(guān)，車輛存在明顯的泄漏。

通過前期研究分析，影響車輛密封的關(guān)鍵部件主要包括車門密封、貫通道密封、不銹鋼車體密封和貫通部位的密封等。尤其是城軌車輛車門較多，車門密封性能決定了整車的密封水平。

3.2" 車門隔音對車內(nèi)影響

車輛發(fā)展階段，內(nèi)移門以其安裝結(jié)構(gòu)簡單和維修性能好得到了廣泛的應(yīng)用；但是從整體的隔音量出發(fā)，客室內(nèi)移門區(qū)域的隔聲量相對偏小，尤其是內(nèi)移門下部，隔聲量只有22 dB，比上部密封較好的區(qū)域低5 dB，這與該區(qū)域密封差（漏聲）有關(guān)。

頻譜特性上，內(nèi)移門隔聲量較低的頻段出現(xiàn)在400～2 000 Hz，這與隧道內(nèi)噪聲源較高的頻段重合，不利于車內(nèi)噪聲控制，而塞拉門由于其密封性較好，能夠很好地彌補(bǔ)該頻段的隔聲量低谷，如圖9所示。

因此建議對運(yùn)行速度低于80 km/h的地鐵車輛，且主要在隧道內(nèi)運(yùn)行車輛，建議采用密封性好的塞拉門；對運(yùn)行速度大于80 km/h的地鐵車輛，建議采用密封性更好的氣密塞拉門。

4" 車內(nèi)噪聲改善建議

4.1" 關(guān)于城軌車輛噪聲標(biāo)準(zhǔn)合理限值

截至目前，城軌車輛噪聲限值及測試方法主要執(zhí)行GB 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》標(biāo)準(zhǔn)的要求，隨著城軌行業(yè)近十幾年的發(fā)展，對噪聲的要求和測試要求有了更加清楚的認(rèn)識，建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作。

1）明確線路條件要求：參考ISO 3381—2005《鐵路應(yīng)用-聲學(xué)-軌道車輛內(nèi)部噪聲測量》和ISO 3095—2013《聲學(xué)鐵路應(yīng)用軌道機(jī)車車輛發(fā)射噪聲測量》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，明確實(shí)驗(yàn)時(shí)的線路條件要求，同時(shí)建議在線路建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中增加線路條件的要求，做到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，更真實(shí)地體現(xiàn)車輛的噪聲水平。

2）制定合理的限值：建議根據(jù)不同速度等級、車內(nèi)不同區(qū)域設(shè)定合理限值，尤其部分城軌市域線路的速度達(dá)到160 km/h，仍采用原有限值，對車輛的重量和成本設(shè)計(jì)帶來較大的挑戰(zhàn)。

3）建立標(biāo)準(zhǔn)隧道測試環(huán)境：城軌車輛多數(shù)運(yùn)行于隧道內(nèi)，建立合格的隧道測試環(huán)境是車輛檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，建議制定標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境要求。

4.2" 關(guān)于線路噪聲控制措施

1）合理的打磨策略：波磨的產(chǎn)生為軌道固有特性類型，同時(shí)調(diào)查發(fā)現(xiàn)線路鋼軌打磨后，降噪效果不佳，制定了基于噪聲的打磨標(biāo)準(zhǔn)，粗糙度大于10 dB（A）的時(shí)候建議打磨。打磨后，噪聲降低10 dB（A）以上，后期跟蹤效果良好。

2）“減振扣件型”波磨特征是短波長，發(fā)生在曲線和直線，波長20～60 mm。其中，扣件剛度對鋼軌振動(dòng)和波磨發(fā)展有重要影響。研究發(fā)現(xiàn)，很低的剛度會(huì)導(dǎo)致波磨發(fā)展的加劇，很高的剛度減振效果差。建議剛度30～80 kN/mm。

3）針對磨耗型波磨，摩擦系數(shù)0.3～0.4對波磨的緩解和控制起到很好的緩解和控制作用。

4）鋼軌硬度低，易產(chǎn)生塑性變形，加劇波磨產(chǎn)生，可適當(dāng)提高鋼軌硬度，一方面減緩波磨發(fā)展，另一方面可降低鋼軌側(cè)磨，建議半徑R≤500 m小半徑曲線軌道采用熱處理鋼軌，硬度為340～400 HB。

5）隨著技術(shù)發(fā)展及乘坐舒適度要求的提高，開發(fā)基于聲學(xué)和振動(dòng)學(xué)原理的智能監(jiān)測系統(tǒng)，可以對軌道波磨、車輪多邊形、車輪徑跳進(jìn)行在線監(jiān)測，及時(shí)識別故障，以指導(dǎo)鋼軌和車輪維護(hù)避免引起較大噪聲及對車輛結(jié)構(gòu)件的影響。

4.3" 關(guān)于車輛噪聲控制

車輛設(shè)計(jì)時(shí)需要充分平衡重量、空間和成本之間的關(guān)系。通過提高車體、車門等部件的密封性能和整體制造過程控制，提升車輛的密封性能。優(yōu)先采用密封性能較好的塞拉門。

5" 結(jié)論

1）輪軌噪聲是目前城軌車輛的主要噪聲源，隧道為主要的運(yùn)行工況，需要保證車輛長期的運(yùn)行過程中采取優(yōu)化措施，保證滿足車輛限值要求。

2）軌道主要的影響因素包括車輪粗糙度、軌道粗糙度、浮置板道床和軌道衰減率等，通過合理的打磨策略、減少浮置板道床的應(yīng)用，通過軌道減振器等措施實(shí)現(xiàn)對軌道條件的優(yōu)化。

3）車輛密封水平和斷面隔音水平直接決定了車內(nèi)噪聲水平，外界因素排除的情況下，應(yīng)加強(qiáng)密封性能減少車輛漏聲，增大各斷面隔音量減少空氣聲的透射。

4）城軌車輛噪聲是整個(gè)系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，需要運(yùn)營公司、科研院所、軌道建設(shè)和車輛廠等協(xié)同合作，共同研究，提出高效、經(jīng)濟(jì)的綜合解決方案。

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