轨道交通列车不同运行速度下噪声特性对比研究

孙维娜，李 莉，罗雁云

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海， 201804）

轨道交通列车不同运行速度下噪声特性对比研究

孙维娜，李 莉，罗雁云

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海， 201804）

为了研究轨道交通列车不同运行速度状态下的噪声水平，利用同济大学轨道交通综合试验线对轨道交通列车运行时辐射噪声进行测试与分析，得出各监测点在不同运行速度下的噪声强度和频谱特性。结果表明：在车速小于47 km·h-1范围内，随着列车速度的增加，各监测点噪声值不断增大，基本呈线性增长；在4种不同车速工况下，距离噪声源越近，高度越高，噪声值越大；相反，距离噪声源越远，高度越低，噪声值越小。在不同运行速度下，各测点的主峰频率都在800 Hz左右，而噪声能量的主要分布范围随车速的提高而有规律地变化，随着行驶速度的提高，噪声能量的主要分布范围逐渐向800 Hz主峰频率趋近。研究结果可为轨道交通噪声措施的制定及噪声预测提供数据基础与科学依据。

轨道交通；速度；噪声；频谱特性

近年来，轨道交通以其诸多优势正在我国以前所未有的速度发展。高速铁路、地铁及轻轨等的大规模建设不仅在很大程度上满足了出行需求，缓解交通压力，解决城市交通拥堵等问题，同时带动了城乡建设和经济发展，减少污染，具有显著的经济和社会效益。但轨道交通系统在为人们提供诸多便利的同时，也不可避免地带来了振动及噪声等问题［1-2］。由于列车运行时噪声辐射具有复杂性的特点，因此，用一个简单的模型近似其辐射特性比较困难，这使得利用数值方法计算列车噪声的辐射情况带来一定的难度。所以，通过试验方法获取列车噪声特性的基础性数据，对于进一步分析其辐射特性是一项必要且有意义的工作。

本文在同济大学轨道交通综合试验线上，使用与实际运行中相同的列车进行地面段不同速度下的噪声现场试验，了解并分析轨道交通列车低速状态运行时不同速度的辐射噪声特性，研究结果将对于轨道交通管理部门采取既经济又高效地降噪措施以及噪声预测具有一定的参考价值。

1 轨道交通列车噪声源与传播衰减特性

1.1 列车噪声源

大量研究结果表明［3-5］，城市轨道交通噪声源主要来自于4个方面：轮轨系统噪声、动力系统噪声、车厢的空气动力噪声和桥梁结构的二次振动噪声。轮轨噪声分为3种主要类型：滚动噪声、撞击噪声和尖叫噪声。其中，在不同速度行驶下，又以滚动噪声为主要的铁路噪声辐射来源［6］。动力系统噪声包括牵引设备噪声和辅助设备噪声（如发动机、压缩机及通风、空调设备引起的噪声）。城市轨道交通的主要噪声源随着列车运行速度的变化而变化，如表1［4］。

1.2 列车噪声传播衰减特性

列车辐射衰减主要由声源的类别（点声源或线声源）以及声源辐射特性决定。根据汤峰［7］对上海轨道交通明珠线地面段30 m范围内近轨和远轨分别进行的噪声实地测试，轨道交通列车运行时并未呈线声源衰减特性，而是更接近点声源的声衰减规律，即距离加倍噪声级衰减约5 dBA（A计权声压级）；国外研究表明［8］，由于城市轨道交通列车噪声的影响范围大约在400 m以内甚至更少，所以认为空气吸收对噪声衰减影响不大，可以忽略不计；当声波沿地面传播较长距离时，由于地面声阻抗对声波传播具有很大影响，尤其当地面接近吸声性或软质时，如新耕田或植被覆盖的地区，使得噪声级衰减进一步加大。一般在较近的距离，如30～50 m以内，此衰减可以忽略，在70 m以上，可以考虑以单位距离衰减的dB（声压级）数来表示［9］。同时，在较大范围内，风和温度梯度可以改变地面吸收衰减量；声传播路径上由于经常有声屏障、地形、成排的建筑物或植被等因素而被阻断。其中，声屏障通常是降低噪声敏感区域最有效的手段，一般对于典型的交通系统噪声，在接受点处可降低5～15 dBA［8］。声波在空气中传播，遇到声屏障后将产生反射、透射和衍射等现象。声屏障的作用是阻止直达声的传播，隔离透射声，并使衍射声有足够的衰减。声屏障后面将形成“声影区”，在“声影区”内噪声有明显的下降，最终达到降低噪声的目的［10］。声屏障的降噪效果取决于声源、接收点的高度、声屏障高度和长度以及声源和接收点之间的距离。声屏障衰减量与噪声入射波的频率特性也有一定的关系，当其他因素都相同时，噪声频率越高，声屏障衰减量越大［11］。

表1 主噪声源与速度的关系Tab.1 The relationship between the main noise source and speed

2 轨道交通列车噪声测试

试验地点位于同济大学嘉定校区轨道综合交通试验线，试验内容为对不同车速下列车辐射的噪声进行监测，对各监测点噪声的强度和频谱特性进行分析和比较。

2.1 试验条件

试验线路为直线线路、线路长度为1.2 km、Ⅱ型混凝土枕碎石道床，标准轨距1 435 mm，A型车。

2.2 测点布置

参考《声学铁路机车车辆辐射噪声测量》（GB/T 5111-1995）和《铁路边界噪声限制及其测量方法》

（GBl2525—1990），在距离轨道中心线7.5 m，15 m，20 m处分别布置距地面高为1.5 m，3 m共6个监测点，同时在近轨外侧1.5 m，高0.9 m处布置一监测点用于监测轮轨噪声。测点布置见图1。

图1 测点布置图Fig.1 Layout diagram of measuring points

2.3 测试仪器

噪声试验数据采集使用丹麦B&K的PULSE Lab—shop声学测量系统平台，主要由B&K的4190声传感器、PULSE Type 3560C数据采集记录仪和笔记本电脑组成。测试前，使用B&K的4231声级校准器对每个声传感器进行声学校准。同时，采用测速仪，用于测量列车通过测试断面时的运行速度。仪器在测量前均进行校正，满足国家相关标准要求。

2.4 测试方法

参考《铁路边界噪声限值及其测量方法》（GBl2525—1990）中的规定进行测量。试验前首先测量各监测点的背景噪声值，随后列车分别以20，30，40及50 km·h-1四种平均速度通过测试断面，规定从车头到达测试断面至车尾离开测试断面这段时间内为测量的积分时间。利用采集设备对噪声进行采样，各车速工况下均测试3次，得到噪声样本后根据试验需要进行数据处理和分析。

3 测试结果对比及分析

3.1 各测点在不同速度下的等效连续A声级对比分析

各监测点背景噪声值见表2，可见背景噪声值均比各试验工况下（见图2）的噪声低10 dBA以上。根据《铁路边界噪声限值及其测量方法》（GBl2525—1990）中背景值修正的要求，背景噪声对试验结果不构成影响，所以无需进行修正。

表2 监测点背景噪声值Tab.2 Background noise level of each monitoring points

图2是测点在不同运行速度下的等效连续A声级。列车实际通过速度分别为23，31，37及47 km·h-1。

由图2可得以下结论：

1）在4种不同车速工况下，距离噪声源越近，高度越高，噪声值越大；相反，距离噪声源越远，高度越低，噪声值越小。当车速为47 km·h-1时，测点1处噪声值最大，为85.9 dBA，测点3处噪声值最小，为75.9 dBA；当车速为37 km·h-1时，测点1处噪声值最大，为82.9 dBA，测点3处噪声值最小，为73.1 dBA；当车速为31 km·h-1时，测点1处噪声值最大，为81 dBA，测点3处噪声值最小，为70.8 dBA；当车速为23 km·h-1时，测点1处噪声值最大，为76.5 dBA，测点3处噪声值最小，为66.5 dBA。

2）在车速小于47 km·h-1范围内，随着列车速度的增加，各监测点噪声值不断增大，基本呈线性增长。如测点1，当车速为23 km·h-1时，为74.3 dBA，当车速为31 km·h-1时，为78.6 dBA，当车速为37 km·h-1时，为80.6 dBA，当车速为47 km·h-1时，为83.5 dBA。

3）当车速从23 km·h-1提升大约一倍至47 km·h-1时，各监测点的噪声值都有显著的增大，测点1升高了9.2 dBA，测点2升高了10 dBA，测点3升高了9.4 dBA，测点4升高了9.4 dBA，测点5升高了9.7 dBA，测点6升高了8.8 dBA，升高范围在8.8～10 dBA之间。

图2 各测点在不同运行速度下的等效连续A声级Fig.2 The equivalent noise A level of each monitoring point at different speeds

图3 测点1在不同运行速度下的1/3倍频程频谱图Fig.3 The 1/3 octave spectrum diagram of Point 1 at different speeds

4）根据有关“我国城市轨道交通环境噪声限值（建议）”的研究结果，昼间的噪声限值为70 dBA［12］，由上图可知当列车速度大于31 km·h-1时，各监测点的噪声值均已大于70 dBA。因此，当列车行驶速度大于31 km·h-1时应采取相关的措施降低噪声对沿线居民的影响。

3.2 各测点在不同速度下1/3倍频谱特性分析

1）测点1（距离轨道中心线7.5 m，高1.5 m）。从图3中可以看出不同运行速度下1/3倍频程谱波形相似且主峰频率都为800 Hz，主峰值按行驶速度由低到高分别为65.2，70.1，74.1和78.1 dBA。根据独立声源叠加原理，定义频率声压级最大值以下10 dB范围内的频率区域为噪声显著频段［13］。随着列车速度的增加噪声级也相应增大，在整个频谱范围内，不同行驶速度下噪声能量主要分布范围见表3。

表3 不同运行速度下测点1噪声能量主要分布频率范围Tab.3 The main distribution frequency range of noise energy of Point 1 at different speeds

2）测点2～测点6。表4给出了测点2至测点6在不同运行速度下的主峰频率、主峰值及噪声能量主要分布频率范围。

表4 不同运行速度下测点2～6主峰频率、主峰值及噪声能量主要分布频率范围Tab.4 The first peak frequency,value and the main distribution frequency range of noise energy of Point 2 to 6 at different speeds

由上述各监测点分析可得：

1）当车速为23 km·h-1时，噪声能量主要集中在125～3 150 Hz，当车速为31 km·h-1时，噪声能量主要集中在160～2 500 Hz，当车速为37 km·h-1时，噪声能量主要集中在200～2 000 Hz，当车速为47 km·h-1时，噪声能量主要集中在400～2 000 Hz。

2）在整个频谱范围内，随着车辆速度提高噪声级增大，不同行驶速度下各测点1/3倍频程谱分布规律相似，各测点的主峰频率都在800 Hz左右，而噪声能量的主要分布范围却随车速提高而有规律地变化，噪声主要能量分布范围的最低中心频率有上升的趋势，最高中心频率有下降的趋势（如图4所示），即噪声能量的主要分布范围逐渐向800 Hz主峰频率趋近。

图4 不同运行速度下的最低和最高中心频率Fig.4 The lowest and highest central frequency at different speeds

4 结论

对同济大学轨道交通综合试验线列车进行现场噪声测试，分析列车不同运行速度下各监测点的噪声特性，得到以下结论：

1）在4种不同车速工况下，距离噪声源越近，高度越高，噪声值越大；相反，距离噪声源越远，高度越低，噪声值越小。当车速为47 km·h-1时，距离轨道中心线7.5 m，高3 m处的声压级最高，为85.9 dBA；当车速为23 km·h-1时，距离轨道中心线20 m，高1.5 m处的声压级最低，为66.5 dBA。

2）在车速小于47 km·h-1范围内，随着列车速度的增加，各监测点噪声值不断增大，基本呈线性增长。当车速从23 km·h-1提升大约一倍至47 km·h-1时，各监测点的噪声值都有显著的增大，升高范围在8.8～10 dBA。

3）按行驶速度由低到高，噪声能量分别主要集中在125～3 150 Hz，160～2 500 Hz，200～2 000 Hz以及400～2 000 Hz。

4）在整个频谱范围内，随着车辆速度提高噪声级增大，不同行驶速度下各测点1/3倍频程谱分布规律相似，各测点的主峰频率都在800 Hz左右，而噪声能量的主要分布范围随车速的提高而有规律地变化，随着行驶速度的提高，噪声能量的主要分布范围逐渐向800 Hz主峰频率趋近。

本文研究结果可为轨道交通噪声预测提供基础性参考数据，建议轨道交通管理部门在线路两侧设置声屏障降低列车运行所产生的噪声时，为提高声屏障的降噪效果，应根据列车不同工况下辐射噪声的强度和频率特性不同分段进行降噪设计，有关声屏障的几何和声学参数应根据不同路段的噪声特性综合考虑后选择确定。

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Comparative Study on Noise Characteristics of Rail Traffic Vehicles at Different Speeds

Sun Weina,Li Li,Luo Yanyun
(Institute of Railway and Urban Mass Transit,Tongji University,Shanghai 201804,China)

Based on the test and analysis of the rail traffic noise produced by the vehicles running on the testing line in Tongji University,this paper studies noise levels of rail traffic vehicles in different conditions,and the noise intensity and spectrum characteristics are recorded accordingly.The results indicate that the noise value at each monitoring point increases instantly as the velocity of the vehicle climbs up when the speed is below 47km/h,and it almost tends to be a linear increase,specifically,in spite of the four different conditions of vehicle speed,the noise value increases unanimously as the distance between the monitoring point and the noise producer decreases and the height increases,and vice versa.At different speeds,all the peak frequencies from each monitoring point are around 800 Hz while the main range of the noise energy varies regularly as the vehicle speed changes,that is,the main range of the noise energy approaches 800 Hz gradually with the increasing speed of the vehicle.The re⁃sults may provide the statistical and scientific basis for the measures of controlling the rail traffic noise and its pre⁃diction.

rail traffic;speed;noise;spectrum characteristics

U239.5

A

1005-0523（2014）02-0032-05

2013-11-21

国家科技支撑计划（2009BAG11B02）；中央高校科研基金项目（同济大学2860219025）作者简介：孙维娜（1990—），女，硕士研究生，从事铁路噪声与振动控制方面的研究；罗雁云（1960—），男，教授，博导，研究方作者简介：向为铁路轨道工程。