地铁地下站点声场仿真分析及优化

汤 超，王岩松，尹正宜

（上海工程技术大学 汽车工程学院，上海 201620）

随着交通运输业的高速发展，地铁已经成为解决大中城市公共交通运输问题的最主要的途径。城市地铁交通具有运量大、快速、乘坐方便等特点，在改善城市道路交通现状方面发挥了重要的作用。

但是，地铁在给人带来方便的同时,也带来了地铁噪声，地铁站是乘客及地铁工作人员的集中区域，该区域的噪声对乘客及地铁工作人员产生了较大的影响[1―3]。在列车进站或出站这两个阶段中，车轮与轨道的碰撞、摩擦噪声、制动及设备运行噪声，使得候车区及工作区的噪声升高[4]，进而影响人的身心健康。

为降低地铁地下站点的噪声，人们采取了很多措施，其中，屏蔽门技术在世界范围内被广泛应用[5]，目前，多数新建地铁地下站点均安装了屏蔽门，但由于其材料及结构限制，屏蔽门对中低频噪声的降噪效果不佳。而在声学仿真方面，有限元方法、无限元方法、射线追踪法、统计能量分析等数值计算方法与仿真技术被广泛运用在各行各业[6]，为各类声学问题的解决提供了有效的手段。

本文采用有限元分析方法对地铁地下站点声场进行仿真和实验研究，以上海地铁9号线星中路站为研究对象，采集了地铁进、出站的噪声样本和站点的三维空间坐标，运用专业声学软件Actran进行仿真分析并提出优化设计方案，对改善地铁地下站点噪声环境具有重要意义。

1 噪声数据采集与分析

1.1 采集环境及测试仪器

本文以上海市地铁九号线星中路站为研究对象，星中路站为岛式站台，全长136.7 m，宽9.4 m，大理石地面，铝挂片吊顶，站台隧道墙体为水泥，未作吸声处理，全封闭式屏蔽门设计。上海地铁九号线为AC 04型车辆，6节编组，线路的车隔为5 min，每节车厢长23.54 m，宽3 m。

本研究采用丹麦B ＆ K麦克风和PULSE声音数据采集分析仪对地铁进、出站的噪声数据进行采集。麦克风间隔20 cm至25 cm，模拟人耳接受到的声压信号。采样频率设置为44 100 Hz，将采集到的噪声信号进行频程滤波，并将所有原信号和滤波信号存入计算机中以备后续处理。

1.2 测点布置

本文主要研究地铁地下站点乘车区、座椅区、工作人员工作区域的噪声水平，根据此研究目标设置测点:其中测点1、2、3为候车区及工作区，离屏蔽门距离1.2 m。麦克风高度为1.6 m。测点4、5为座椅区，麦克风高度1.2 m。测点及结构布置如图1所示。

图1 测点及结构布置

1.3 测试及数据分析

图2 不同工况1/3倍频程下的A计权声压级

测点3处麦克风将记录地铁减速进入站点到完全停车的噪声数据，作为地铁进站噪声样本。测点2将记录地铁减速进入站点到加速完全离开站点的全程噪声数据。测点1将记录屏蔽门刚关闭地铁启动到地铁车尾完全离开站点的噪声数据，作为地铁出站噪声样本。测点4、5将分别记录地铁进站到完全出站座椅区(A、B)的噪声数据。每个测点测量4次，经作者试听后选取环境干扰因素较少的噪声样本进行分析。将噪声样本中右耳麦克风采集到的噪声数据导入Matlab，编程计算噪声数据的有效声压级，根据声能量叠加的原理，得到不同测点噪声样本的总的声压级如表1所示。

表1 站点各测点的总声压级

将采集到的噪声数据进行1/3倍频程下的A计权声压级频谱分析，如图2 a所示。结合表1可以看出噪声水平最大为地铁进站时，最大等效声级为62 dB（A），总声压级为68.6 dB(A)，而座椅A区A计权声压级比B区略高。分析其原因，主要是座椅区距离隧道远，其声压级均比进、出站口低，而地铁进站制动时可能存在啸叫声[7]，造成进站口噪声水平升高。由于站点噪声以中低频噪声为主，而1/3倍频程下的A声级计权对中低频噪声衰减较多，为此对地铁在站间运行全程的噪声数据的各个频率上进行A计权处理以观察其噪声能量分布情况，频谱分布如图2 b所示。可以看出，地铁进出站时的噪声频率主要集中在低频。其中200 Hz左右噪声水平较高。

2 仿真分析与模型验证

2.1 地铁地下站点有限元模型的建立

以采集的地铁地下站点的三维坐标为基础，在Pro/E中绘制出了站点的空间模型。将模型做一定的简化处理并在左右两侧加入相当于地铁长度的隧道，根据《地铁设计规范》中AC04型车辆的长度、宽度及高度建立车辆模型[8]，在仿真计算时将地铁简化为一长方体，将CAD模型导入Hypermesh中完成网格绘制，按照声学网格每波长最少六单元的计算要求[9]，设定网格单元尺寸为0.28 m，共生成节点1 284 547个，7 445 068个网格。以地铁进站工况为例，得到星中路站有限元模型如图3。

图3 星中路站有限元模型

2.2 Accttrraann仿真分析与实验验证

Actran是基于有限元和无限元求解技术，其独有的用于快速计算频率响应函数的Krylov解算器，使计算效率大大提高。基础模块Actran acoustic，特别适合于声辐射、声传播分析，可以高效率地完成系统级的辐射噪声分析。

将构建完成的有限元模型以*.bdf的格式导入Actran中，采用直接频率响应分析，分析频率范围为20～200 Hz。国内外学者一致认为100 km/h以下中低速行驶列车的噪声源主要是轮轨[10]。所以，本文在隧道轮轨高度处设置一线声源来模拟轮轨噪声，并给与单位激励，同时定义了车体、屏蔽门、站点内结构等的材料属性，对模型外表面做全反射处理，通过Actran后处理计算得到了设置测点的声压级以及站点的声压级分布云图。

由于软件本身只能对声源固定的情况进行仿真分析，所以我们将采集到的地铁车头刚进入站点的瞬时噪声样本与Actran中相同测点位置的仿真值进行对比来验证模型的正确性。

将测点1、测点4地铁进、出站点的仿真数据与实验值对比如图4所示，其中（a）、（b）为地铁进站工况的声压级及1/3倍频程频谱图，（c）、（d）为地铁出站工况的声压级及1/3倍频程频谱图。

通过对比仿真结果与实际测定的声压级值可以看出，二者虽然存在误差，但趋势基本一致。其主要原因是实际测量的噪声中主要成分为轮轨噪声，同时还有车体设备噪声、牵引电机噪声等，而本文只实现了对轮轨噪声的仿真，同时地铁站点环境也存在很多不确定因素，在仿真中未能予以实现。但总的来说结果基本上表征了轮轨噪声的频谱特点，所以模型中对于声源的定义还是正确的。

图5为地铁进站时站点在40 Hz、100 Hz、160 Hz、200 Hz的声压级分布云图，通过观察我们可以看出，地铁所在的隧道内声压级最高，基本处于80 dB左右，而声音通过屏蔽门的衰减到达站点后，声压级明显下降，为55 dB左右，当噪声再经过一道屏蔽门到达另一侧隧道时，声压级已经降到了25 dB左右。对人影响几乎可以忽略不计。

图4 地铁进、出站点声场仿真与实验对比值

3 仿真优化设计

造成上述声压级分布的主要原因是隧道及站点内四壁都是坚硬的反射面，又没有一定数量的吸声体，使得噪声在屏蔽门与车体、端墙与车体以及屏蔽门与端墙之间、屏蔽门与站点内结构之间来回反射，从而使得隧道和站点内噪声值升高，同时噪声通过车体、玻璃窗以及门缝等处传至车内，使得车内噪声变大，严重影响了车内及站点乘客的乘坐舒适性。为改善这种状况可以对区间隧道进行吸声处理[11]，从而改善现有的声学环境。以地铁进站为例，考虑在隧道端墙处喷涂K13系列植物纤维吸声材料，喷涂长度为从地铁站进口端延长一倍车长至出口端延长一倍车长的距离，即图6 c中所指的墙面。并根据材料属性在Actran中做相应设置，将仿真出来的结果与未作声学处理的站点的声压级和1/3倍频程下的声压级进行对比，并以云图的形式较直观的表达出来，如下图6 a、b、c所示。

图5 星中路站声压级分布云图

图6 声学处理前后站点声压级对比

从图a我们可以看出，经过声学处理后，站点声压级整体趋势有所下降，图b中噪声数据经过1/3倍频程处理后趋势更加明显，各频带声压级降低了4～8 dB，总声压级降低了6 dB左右。图c为20 Hz站点声场处理前和处理后的云图，左侧为未经声学处理的站点声压级分布，右侧为经过声学处理后的声压级分布，可以很直观的看出，经过声学处理后，隧道及站点内声压级明显下降。仿真结果表明选用的吸声材料对低频噪声有较好的降噪效果。

4 结语

本文以上海地铁九号线星中路站为例，利用有限元仿真软件Actran对地铁进、出站点这两种工况的地铁轮轨噪声所引起的的站点声场分布特点进行了仿真分析，并与实验数据进行对比验证了模型的正确性，同时提出了一种在端墙处喷涂吸声材料的优化解决方案，在Actran中进行了仿真分析，实现了将站点噪声降低6 dB的良好效果，对改善地体地下站点的声学环境，减少噪声对乘客及工作人员危害具有较大的理论意义和实际应用价值。

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