地铁车辆不同速度通过曲线段车内噪声研究

张凯轩，周劲松，宫　岛

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海　201804)

近年来，地铁车辆已经成为国内各大城市的主要交通工具之一。随着人们生活水平的提高以及环保意识的增强，对乘坐舒适性[1]提出了更高要求，对车内噪声[2-3]越来越关注。国内外许多学者对地铁车辆内部噪声进行了仿真[4-7]及试验[8-9]研究，但是大部分研究都是针对直线区段，对地铁车辆通过曲线段时车内噪声试验研究并不多见，而不同车速下通过曲线段的车内噪声研究则更少。本文以某地铁正线运营车辆为研究对象，采用多通道噪声测试与分析系统[10]，测试了地铁车辆以不同速度通过曲线段时客室和司机室的噪声，通过对测试结果进行分析，得出其噪声水平及频率特性，为车辆运营及设计提供参考依据。

1　试验设计

试验选取某地铁实际运行线路中的曲线区段(曲线半径350m,曲线段长400m)，采用实际运营的B型地铁列车，六节编组(四动两拖)，带司机室拖车长19.65m、动车长19.00m、宽2.89m，接触网供电，车辆最高运行速度为80 km/h，运行线路为全隧道线路。依据GB/T 3449—2011《声学-轨道车辆内部噪声测量》在司机室中心高1.2m处及客室中心高1.6m处分别布置1个测点，共计2个测点，如图1所示。

图1　测点布置示意图

试验设备包括丹麦B&K4189声传感器(量程6～20kHz)、丹麦B&K2671传声器前置放大器(量程6～50 000Hz)、丹麦B&K LAN-XI数据采集模块、测速雷达、笔记本电脑、屏蔽信号线(防止信号干扰)。试验现场如图2所示。

列车以不同速度(50km/h、55km/h、60km/h、65km/h)进入该曲线段时开始采集数据，驶出该曲线段时停止采集。为减小测试误差，采集多组数据，并进行有效数据筛选。

2　司机室噪声特性分析

列车以不同速度经过曲线段时，司机室测点时域信号如图3所示。为了分析各信号在各个频率段的分布特性，对其进行频域分析，如图4、图5所示。

图2　试验现场

图3　司机室测点时域信号

图4　司机室测点频谱图(0～1 000Hz)

图5　司机室测点频谱图(0～100Hz)

由图4可知，车速50km/h时司机室测点的噪声以低频成分(100Hz以下)为主，而在中频(340Hz及560Hz左右)出现局部峰值；车速55km/h时噪声仍以低频为主，但中频成分峰值向后延迟(360Hz及580Hz左右)；车速60km/h时噪声中频成分峰值不但进一步向后延迟(420Hz及670Hz左右)，而且幅值也明显提升，达到低频成分最大幅值的2/3；而车速65km/h时噪声中频成分峰值出现在440Hz及710Hz左右，并且最大幅值已经与低频成分相当，达到0.36Pa。

结合车速及频谱特性分析可知，100Hz以下噪声主要是车体板件的结构噪声，频率是由车辆结构的振动固有属性所决定，不随车速的变化而变化。幅值因车速提高导致车体结构振动加剧而变大。而在60～80Hz范围内，随着车速的升高，噪声的幅值反而出现下降的趋势。300～800Hz的中频成分主要为轮轨噪声，其频率分布与钢轨波磨的波长、车轮不圆阶次、车速等因素有关，频率和幅值随车速的提升有明显的提升。

图6为列车不同速度通过曲线段时司机室噪声测点A计权后的1/3倍频程频谱图。可以看出，不同速度测点的噪声峰值集中在63～80Hz、400～800Hz及6 300～8 000Hz范围内。在63～80Hz范围内，噪声声压级随着车速的提升而减小，该部分噪声主要为车辆结构噪声；在400～800Hz范围内，噪声声压级随着车速的提升而提升，并且峰值频率向后延迟，该部分噪声主要为轮轨噪声；而6 300～8 000Hz范围内噪声声压级也与车速正相关，该部分高频声主要为列车经过曲线段时轮缘内侧与钢轨内壁挤压引起的啸叫声。

图6　司机室测点1/3倍频程频谱图

3　客室噪声特性分析

列车以不同速度经过曲线段时，客室测点时域信号如图7所示。为了分析各速度下信号在各个频率段的分布特性，对其进行频域分析，如图8、图9所示。

图7　客室测点时域信号

图8　客室测点频谱图(0～1 000Hz)

图9　客室测点频谱图(0～100Hz)

由图8可知，不同车速下客室测点噪声的频谱分布规律与司机室基本一致，主要分为低频(100Hz以下)和中频(300～800Hz)，并且中频部分的峰值随着车速的提升，频率向后延伸且幅值变大。不同于司机室的是，客室测点噪声的中频能量更大，65km/h时最大幅值达到0.47Pa,大大超过了低频噪声的幅值，已成为噪声的主要成分。

对比客室和司机室噪声特性可以看出，车内噪声均主要由车辆结构噪声(100Hz以下)和轮轨噪声(300～800Hz)组成，但客室噪声受轮轨噪声影响更大。分析原因，是由于司机室位于列车的头部，其受隧道内壁反射的轮轨噪声较少；而客室位于列车的中部，容易在运行当中接收到更多隧道内壁反射的轮轨噪声。

图10为列车以不同速度通过曲线段时客室噪声测点A计权后的1/3倍频程频谱图。可以看出，不同速度测点的噪声峰值集中在63～80Hz、400～800Hz范围内。在63～80Hz范围内，噪声声压级随着车速的提升而减小，该部分噪声主要为车辆结构噪声；在400～800Hz范围内，噪声声压级随着车速的提升而提升，并且峰值频率向后延迟，该部分噪声主要为轮轨噪声。

图10　客室测点1/3倍频程频谱图

4　A计权声压级时域分析

为了详细了解列车通过曲线段时司机室和客室噪声A计权声压级的变化规律，截取不同车速下列车通过的33s声压信号进行滤波和时变参量分析，得到各噪声测点的A计权声压级时域特性，如图11和12所示。

图11　司机室测点A计权声压级时域特性

图12　客室测点A计权声压级时域特性

列车通过曲线段时，司机室内噪声A计权声压级相比直线段明显增加，且随着车速的提高增加量也不断提高。50km/h通过曲线段时司机室内噪声最大达到89dB(A)；55km/h通过曲线段时司机室内噪声最大达到91dB(A)；60km/h通过曲线段时司机室内噪声则明显提升，最大达到97dB(A)；而以65km/h通过曲线段时司机室内噪声则增加到最大99dB(A)，比在直道时增加了25dB(A)。

客室内噪声在列车通过曲线段时呈现出与司机室相同的变化规律，但总体上客室噪声A计权声压级要比司机室高。50km/h通过曲线段时客室内噪声最大达到92dB(A)；55km/h通过曲线段时客室内噪声最大达到93dB(A)；60km/h通过曲线段时客室内噪声则明显提升，最大达到99dB(A)；而以65km/h进入曲线段时客室内噪声则增加到最大102dB(A)，比在直道时增加了25dB(A)。

5　结束语

本文通过对某地铁线路实际运营的B型列车通过曲线段时司机室和客室内噪声进行频谱分析及A计权后的1/3倍频程频谱分析，得到了司机室和客室噪声特性分布，并对不同车速下车内噪声A计权声压级时域特性进行了分析对比，得到了司机室和客室内噪声声压级随车速的分布规律。

研究发现：1)司机室和客室内的噪声以低频的车辆结构噪声(100Hz以下)和中频的轮轨噪声(300～800Hz)为主；2)低频结构噪声的频率由车辆结构的振动固有属性所决定，不随车速的变化而变化，幅值因车速提高导致车体结构振动加剧而变大；3)中频轮轨噪声的频率分布与钢轨波磨波长、车轮不圆阶次及车速有关，其频率和幅值随车速的提升有明显的提升；4)列车通过曲线段时，司机室和客室内噪声A计权声压级相比直线段明显增加，且随着车速的提高增加量也不断提高，总体上客室噪声A计权声压级要比司机室高；5)车速60km/h以上通过曲线段时车内噪声显著增加，声压级达到97～102dB(A)，比在直道时增加了25dB(A)左右。将车辆曲线通过速度降低到55km/h以下可以有效改善过曲线段时噪声过大的问题。本文以曲线通过噪声A计权声压级指标作为评价方法，为地铁列车实际运营时曲线段通过速度标准提供了参考依据。

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