不同轨道结构地铁车内噪声影响特性分析

农兴中,魏 晓,陈明明,赵才友,史海欧

(1.广州地铁设计研究院有限公司,广州 510010； 2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031； 3.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

引言

轨道交通因其运量大、占地少、安全便捷、舒适环保等特点，时至今日，已经成为各大中城市居民出行的首选交通方式，然而轨道交通在给城市带来诸多便利的同时也带来了较多的环境污染问题，如环境振动与车内噪声[1-3]。随着人们生活水平的提高，对环保意识日益增强，对乘坐舒适性的要求逐渐提高。为了降低地铁运行时对周边环境的振动影响，现阶段提出了许多减振轨道结构，如减振扣件道床、梯形轨枕道床、钢弹簧浮置板道床等，并对不同减振结构展开相关研究。罗雁云[4]运用模型试验落锤激励法，测试了不同减振扣件的减振性能，得到了在4～200 Hz范围内不同减振扣件减振指标随频率变化趋势基本相同的结论。苏宇等[5]从理论推导与实验分析两个方面研究梯形轨枕道床的动力响应特性及减振性能，表明梯形轨枕道床具有良好的减振性能。孙晓静[8]通过建立车辆-轨道耦合系统动力学模型，对钢弹簧浮置板结构减振性能和地铁振动传播规律进行了深入研究。

随着时代的发展，社会各界在关注振动的同时，对噪声也是越来越关注。降噪技术也成为了科研人员关注的重点。目前，国内外车内噪声研究也取得了丰富的成果。任海、肖友刚等[2]分析了地铁车辆运行时车内噪声的成因及传播途径，并针对噪声源、隔声、吸声等多方面提出了控制地铁车内噪声的措施。薛红艳等[9]通过对地铁车辆车内噪声进行测试，分析车内同一工况不同位置噪声分布规律，进行不同速度下各个测点声压级比较。肖安鑫[10]通过对不同钢弹簧浮置板轨道地段车内噪声的对比测试，分析了钢弹簧浮置板轨道对车内噪声的影响。目前，虽然对车内噪声有一定研究，但是不同减振轨道结构形式对车内噪声影响的相关研究还较少且不全面[11-13]。

地铁运行过程中产生的振动与噪声问题，从产生机理与传播路径上看两者便是相互影响、不可分割的两部分，采用不同振动控制措施会对噪声产生直接影响。本文则将重点研究采用不同减振轨道结构形式时的车内噪声特性。分别研究了普通整体道床、减振扣件道床、梯形轨枕道床、中等钢弹簧浮置板道床、高档钢弹簧浮置板道床等5种轨道结构形式，采用A计权声压级对车内噪声的时域与频域特性进行了分析，对比研究了当列车在不同减振结构道床上运行时车内噪声分布规律。

1 试验设计

1.1 减振轨道结构简介

地铁等城市轨道交通穿行于居民区内，为了达到更好的减振降噪效果，常在原有轨道结构基础上使用减振扣件，减振扣件具有良好的减振性能。

梯形轨枕道床是以混凝土纵梁作为固定并连续支承钢轨的结构，在左右的纵梁之间用钢管材料进行横向刚性连接，组成“梯子式”的一体化结构。梯形轨道由钢轨、梯形轨枕、支承块构成，具有减振降噪、少维修等特点[5-7]。

钢弹簧浮置板减振轨道是将具有一定质量和刚度的混凝土道床板浮置于钢弹簧隔振器上，隔振器内放有螺旋钢弹簧和黏滞阻尼，钢弹簧隔振器内的粘滞阻尼使钢弹簧具有三维弹性，增加了系统的各向稳定性和安全性，具有较好的隔振减振效果[14-15]。

1.2 试验工况与测点布置

1.2.1 试验工况

本次试验测试车辆车型为6节编组A型车，该车线路设计速度为100 km/h。地铁空载以70 km/h稳定速度运行时进行车内噪声测试。试验地点为隧道区直线段，铺设无砟轨道，试验线路尚未开通，钢轨为60 kg/m轨，钢轨无波磨。

1.2.2 测点布置

本文的研究重点是使用不同轨道结构形式时车内噪声特性。选择在车厢转向架所在断面布置8个测点。测点布置如图1所示。

图1 测点布置示意(单位：mm)

在1.5 m高度位置水平等距布置5个测点，编号为1，2，3，4，5，用于采集车厢内不同位置站高处噪声信息。在车体中部垂向布置4个测点，高度分别为0.2，1.2，1.5，1.8 m，编号分别为8，7，3，6。高度为1.2 m与1.5 m的测点用于采集模拟乘客坐高与站高位置的车内噪声，0.2 m与1.8 m的测点用于采集近地板处与车厢顶部噪声。

试验采用北京东方振动和噪声技术研究所的高精度16通道INV3060S型双核采集仪，最高采样频率为51.2 kHz。测量传声器为声望(BSWA)的MPA201型传感器。

1.3 数据采集

1.3.1 数据记录形式

地铁敷设中在同一区段常采用几种道床形式，本文中实验人员使用秒表与采集仪同步计时，其中一名实验人员在司机室观察里程，记录当测试车辆进入和离开指定里程区段的时间间隔。在测试完成后，依据秒表的记录，确定列车在不同轨道结构形式上运行的时间。

1.3.2 数据分析方法

噪声评价指标：A计权声压级是目前我国声环境评价规范中比较统一的量化评价指标。本文选用A计权声级作为噪声的量化评价值，用LAeq表示，dB(A)。

A计权声压级的具体计算公式如下

(1)

式中，LPA(t)为某时刻瞬时A声级，dB；T为时间，s。

当在规定的时间T内，需要分时间段采集时，如T=T1+T2+T3+…+Trv，则T时间内的A计权声压级计算公式为

(2)

2 试验结果分析

为方便分析，分别选取当列车在不同轨道结构形式上运行20 s的数据作为研究对象。在此期间测试车辆以速度70 km/h稳定运行。得到当列车通过普通整体道床、减振扣件道床、高档钢弹簧浮置板道床、中档钢弹簧浮置板道床，梯形轨枕道床时车内噪声瞬时A计权声压级时域图与频域图，如图2、图3所示。

图2 不同轨道结构形式下瞬时A计权声压级时域

图3 不同轨道结构形式的频域

2.1 时域分析

如图2所示，时域分析选取2号、3号、7号测点作为研究对象，对比研究横向与垂向不同位置瞬时A计权声压级。从时域上看，当列车通过各种轨道结构形式时，车厢内站高与坐高位置车内噪声A计权声压级的差值在0.5 dB左右。普通整体道床车内噪声瞬时A计权声压级均值为76.6 dB，方差为5.5。采用减振扣件时车内噪声瞬时A计权声压级均值为82.3 dB，方差为27.3，全程幅值变化较大。梯形轨枕道床瞬时A计权声压级均值为77.2 dB，方差为4.9。中档钢弹簧浮置板道床瞬时A计权声压级均值为76.8 dB，方差为4.4。当列车在高档钢弹簧浮置板道床上运行时，车内噪声瞬时A计权声压级均值为81.6 dB，方差为4.9。

减振扣件作为常见的减振措施，其具有较低的垂向刚度，可减弱钢轨与轨下基础的耦合作用，隔离从钢轨往下传递的振动能量，减小地面振动以及降低建筑物的二次噪声。然而，轨下支承刚度的改变将引起振动能量的重分配[16]，被减振扣件所隔离的振动能量将反射到上方的轮轨系统中并增大滚动噪声，轮轨噪声再经列车地板透射到车内。

梯形轨枕属于纵向轨枕的一种，其轨枕是由PC制的纵梁和钢管制的横向联接杆构成，利用减振材料等间隔支撑，不但具有复合轨道刚性的特点，同时轨道构造具有充分的弹性。这一结构同样对振动向下传递具有一定的阻碍作用[5]。

地铁经过普通道床时所引起的振动，可通过道床基础向四周传播，而浮置板道床因下部支撑为弹簧，不利于振动传播，钢轨、车轮和转向架等声源处更多的声能向车内辐射[17]。减振扣件道床、梯形轨枕道床、钢弹簧浮置板道床3种轨道都具有减振功能，当地铁运行时会有更多的能量反射到轮轨系统和车体中，会产生更大的振动，产生更大的车内噪声。同时因为隔振效果的差异，导致参与重分配的能量也会有差异，对车内噪声的增强效果也不同。总体上减振轨道车内噪声瞬时A计权声压级要高于普通整体道床[16]。

2.2 频域分析

图3为试验中5种轨道结构形式所对应的频域图。以1，2，3，4，5测点为研究对象，研究车厢内不同位置站高处车内噪声的频率特征。对比5种工况的频域图，发现5种轨道结构形式在600～1 000 Hz的频带内均出现明显峰值。其中，减振扣件的峰值幅值最高，梯形轨枕峰值幅值最小。中档钢弹簧浮置板道床与高档钢弹簧浮置板道床在50～125 Hz的频带内都出现峰值。两种浮置板道床A计权声压级幅值在低频与中低频都明显高于普通整体道床与梯形轨枕道床。这是由于钢弹簧浮置板自振频率较低，对地基及其周围隔振效果较好，但车辆本身动态的振动响应将随着频率降低而增大。随着车辆局部的振动激励，导致结构的声辐射以及封闭车厢内的低频声混响的加剧，车内噪声无疑也将增加[10]。

通过频域分析可以发现，普通整体道床峰值出现在1 000 Hz频率位置，幅值为74 dB。普通整体道床与其他几种道床形式相比，主峰值更为明显。采用减振扣件这一工况，车内噪声A计权声压级频率图在300 Hz与1 000 Hz处出现峰值，幅值大小分别为78、79 dB。在315～800 Hz频带内，曲线幅值变化较小。说明在这种工况下车内噪声有两个主频，分别为300 Hz和1 000 Hz。对于梯形轨枕道床频域图在800 Hz左右出现唯一的峰值。说明此频段为该工况下车内噪声的一个主频。中档钢弹簧浮置板道床频域图中出现了两个峰值，分别在800 Hz和50～125 Hz的频带内，两峰值幅值都在70 dB左右。高档钢弹簧浮置板道床与中档钢弹簧浮置板道床相似，在50～125 Hz频带和800 Hz处出现峰值，但两处峰值差距较大。

2.3 车内噪声空间分布拟合

对5种工况所采集的20 s数据进行分析，可以得到20 s内8个测点处车内噪声总A计权声压级，所得结果如表1所示。

表1 不同工况各测点平均A计权声压级 dB

采用插值方法得到不同轨道结构形式下各断面A计权声压级空间分布特征。易强、王平等人在研究环境噪声空间分布特性时也使用了这一方法[18]。5种工况A计权声压级的空间分布云图如图4所示。

图4 A计权声压级空间分布特征

由图4可知，各断面A计权声压级分布具有对称性，具体表现为A计权声压级在车厢两侧近门窗处大，车厢中部小，近地板处最大，近车顶处最小。之所以呈现这一现状，因为噪声传入车内的途径可分为空气传播和固体传播。空气传播声是指车外噪声通过车体各部分的缝隙传入车内的噪声。固体传播声可分为一次固体声和二次固体声。一次固体声是指钢轨和车轮间的振动通过弹簧系统传给转向架和车体，使地板等振动产生的噪声。二次固体声是指声源辐射的声能激振车体外壳，使车内地板、下墙板、车窗等产生振动， 并向车内辐射的噪声，即车外噪声通过车体结构传播的透射噪声[19-20]。由以往研究可知，滚动噪声以及车外噪声的二次固体声占车内噪声的大部分[2]。

轮轨噪声主要通过列车地板透射到车内，声压的传播方向是由下至上。故高度的差别致使近地板处的噪声A计权声压级最高，随高度的增加，噪声A计权声压级逐渐减小。二次固体声激振车体外壳，向车内辐射噪声，声压的传播方向是由两侧向中部。故在横向上车内噪声两侧最大、车厢中部小。比较5种工况下乘客坐高和站高处噪声情况，由图4 A计权声压级云图的空间分布可以发现，梯形轨枕坐高处与站高处噪声A计权声压级分别为77，76.5 dB，中档钢弹簧浮置板道床为77.5，77 dB，减振扣件道床为83，82.5 dB，高档钢弹簧浮置板道床为82，81.5 dB，普通整体道床为77.5，77 dB。如图5所示，各工况站高与坐高处总A计权声压级比较图。使用减振扣件的工况，车内噪声A计权声压级最大，高档钢弹簧次之。中档钢弹簧与普通整体道床相等，梯形轨枕最小。

图5 站高与坐高处A计权声压级比

3 结论

当列车以70 km/h的速度运行时，采用A计权对5种工况下车内噪声的时域与频域特性进行分析，得到了不同轨道结构形式下，瞬时A计权声压的大小、车内噪声的频谱特征以及总A计权声压级的空间分布特征。主要结论如下。

(1)普通整体道床车内噪声瞬时A计权声压级均值为76.6 dB。减振扣件为82.3 dB，梯形轨枕道床为77.2 dB，中档钢弹簧浮置板道床为76.8 dB，高档钢弹簧浮置板道床为81.6 dB。

(2)列车在普通整体道床上运行时，车内噪声A计权声压级频域图，主峰值出现在1 000 Hz频率位置。当使用减振扣件时，车内噪声有两个主频，分别为300 Hz和1 000 Hz。梯形轨枕道床车内噪声的主频为800 Hz。高档钢弹簧浮置板道床与中档钢弹簧浮置板道床车内噪声拥有100、800 Hz两个主频。

(3)车内噪声A计权声压级在空间分布上，同一水平车厢两侧近门窗处比车厢中部约高1.5 dB。在垂向上近地板处噪声A计权声压级最大，随高度的增加逐渐减小。5种工况下车厢内坐高比站高处噪声A计权声压级高0.5 dB。

(4)在5种轨道结构形式中：梯形轨枕道床车内噪声总A计权声压级最小，站高与坐高处分别为77，76.5 dB；中档钢弹簧浮置板道床与普通整体道床在站高与坐高处分别为77.5，77 dB。高档钢弹簧浮置板道床分别为82，81.5 dB。减振扣件最高，站高与坐高处分别为83，82.5 dB。