钢轨波磨对地铁车内噪声影响及其控制试验研究

陈 卓

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081)

引言

随着现代城市规模日益扩大，轨道交通作为一种新型交通工具，以其运量大、速度快、安全可靠等特点，成为解决城市交通问题的重要手段[1-3]。然而，在轨道交通快速发展的同时，随着列车提速和轻型化，车内噪声已经成为运营部门亟待解决的问题。国际上已把噪声列为七大环境公害之一，并已开始着手研究噪声的污染规律、产生原因、传播途径与控制方法以及对人体的危害等问题[4-5]。

车内噪声主要来源通常为轮轨噪声[6-7]。此外，发动机、排气装置、进气口、冷却风扇以及传动系统的噪声也很明显。目前，车上的空调系统由于空调机和管道的安装空间有限，其噪声也不可忽视。固定装置，如安装在车厢地板下或天花板上的压缩机的噪声也应引起重视。噪声通过空气声路径和结构声路径传入车内，经结构声路径传播的噪声多在低频段，经空气声路径传播的多在高频段。

随着公众对车内噪声的关注日益增强，降噪技术也成为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。范蓉平等[8-9]将黏弹性阻尼材料用于车内减振降噪，试验结果表明，改性沥青和水性涂料比丁基橡胶减振降噪效果明显。Soeta等[10]研究了轮轨摩擦和发动机等对车内噪声特性的影响。耿烽等[7]根据规范测试了不同运行速度下铝合金地铁车辆车内噪声，得到了车内噪声频谱特性，并且比较了声压和响度评价车内噪声的差异，并提出了车内降噪的频率范围。张捷等[11]通过现场测试，对高速列车客室端部噪声分布特性进行分析研究，并且结合车内、车下振动分析和车内空腔声学模态计算，明确车内客室端部噪声分布的形成机理，在此基础上提出高速列车车内客室端部噪声问题的改善建议。褚志刚等[12]基于结构声的阻抗矩阵传递路径分析方法和空气声的替代源传递路径分析方法，给出一种综合考虑结构声和空气声的车内噪声时域传递路径分析方法，并阐明了实现流程。张捷等[13]通过众多的试验和数值模拟，对车轮多边形磨耗与轮轨噪声和高速列车内部噪声之间的关系进行了详细的研究。因此，针对某一车内噪声超标的特定区段开展试验研究，并且使用A计权和响度两种不同方法评价钢轨打磨前后车内降噪效果，为城市轨道交通车内降噪问题提供参考。

2 地铁车辆内部噪声特性

2.1 试验准备

以某地铁车内噪声超标区间作为目标区段研究。为了了解目标区段车内噪声特性，对目标区段车内噪声进行现场测试。试验地点为隧道区，铺设无砟轨道，钢轨为无缝焊接轨，扣件类型为先锋扣件。地铁车辆为B型车，设计速度80 km/h。

为了研究地铁车内噪声特性，分别对前端、中部后端车厢内噪声进行测试，分别在车厢中间和转向架上方1.2 m处布置一个声压传感器，前端车厢传感器依次为1和2，如图1所示。中部和后端车厢传感器编号依次为3，4，5和6。测试位置则选在车内噪声显著的目标区段，列车在目标区段运行速度为78 km/h。

图1 车厢内噪声测点示意

2.2 背景噪声测试

车内噪声是在空调全开时测得的，即噪声值应是轮轨噪声、空调系统噪声等共同叠加的结果。而声压不能直接相加，可利用表1查值来计算

LP=LP1+ΔLP2

(1)

式中LP——总声压级，dB；

LP1——声源1的声压级，dB；

LP2——声源2的声压级，dB。

表1 分贝和增值[8]

则根据声压级的叠加原理，若背景噪声与声压级之差超过15 dBA，则无需对测得的噪声值进行修正。列车静止情况下，空调全开时，列车内各测点的噪声A计权声压级见表2。

表2 车内各测点噪声值

列车静止情况下，空调全开时，对车内背景噪声进行测试，对所得结果进行频谱分析，图2为转向架和车厢中间位置处A计权声压级的1/3倍频程谱图。

图2 各测点处1/3倍频程谱对比曲线

2.3 车内噪声特性

2.3.1 车内噪声特性A计权分析

A声级是通过一组A计权的滤波器对不同频率的声压级进行增减，模拟人耳听觉特性。由于其简单、方便，将A声级作为本文的噪声评价指标之一。表3为前端、中部和后端车厢中6个测点的A计权声压级。

由表3可知，列车在目标区段运行时，车内各测点声压级与列车静止时声压级差值均超过15 dBA，故背景噪声对车内噪声的影响忽略不计。

由表3可知，前端和后端车厢A计权声压级大于中部车厢，主要因为车头车尾噪声源比车厢中部多且更大。同一节车内，车厢中间和转向架上方的声压级相差不大。由图3可以看出，6个测点的噪声声压级均超过国家规范车内噪声限制要求，测点1即前端车厢转向架上方所测车内噪声A计权声压级最大，达到91.5 dBA，超出车内噪声限制要求8.5 dBA，而测点4即中部车厢中间位置所测车内噪声A计权声压级最小，达到了85.3 dBA，也超过了车内噪声限制要求2.3 dBA。列车运行到目标区段时，车内噪声超出限制要求2.3～8.5 dBA。

表3 A计权声压级

图3 实测A计权声压级

通过对目标区段钢轨状态进行现场勘察，发现目标区段钢轨表面存在波磨，其波长约为0.06 m，如图4所示。由于钢轨表面出现波磨，会急剧增加轮轨之间的作用力，使得列车运行时产生附加的振动噪声，从而增大了车内噪声。如果在钢轨(或车轮)上存在一个波长为L的波，并且以速度v传播，将产生如下频率的正弦振动[4]

(1)

产生的振动传入钢轨和车轮中，由振动结构将噪声向外辐射。

图4 目标区段钢轨波磨

对所测车内噪声进行频谱分析，图5为转向架和车厢中间位置处A计权声压级的1/3倍频程谱图。从图5测点1～测点6可以看出，前端、中部与后端车厢声压级幅值均在400 Hz和630 Hz处，且中部车厢400 Hz处声压级大于630 Hz频率处，而前端和后端车厢400 Hz处声压级小于630 Hz频率处，噪声能量主要集中在400～630 Hz。文献[4]的研究结果表明，轮轨噪声主要集中在500 Hz以上，其中钢轨振动声辐射频率在500～1 500 Hz，车轮声辐射频率在1 500 Hz以上，而低频段噪声主要来源于轨道结构噪声。

图5 各测点1/3倍频程谱对比曲线

对目标区段K4+910～K5+100区间的波磨进行测试，得到其功率谱如图6所示。

图6 功率谱

从图6可以得出，该区段内钢轨波磨的主波波长为0.0512 m，根据78 km/h的运行速度，通过式(1)计算得出主波对轮轨系统产生423 Hz激扰，而此波波长0.025 6 m也是一个明显的峰值，对轮轨系统产生846 Hz的激扰。同时波长由0.025 6～0.051 2 m存在多个峰值，这些波长的波磨会对轮轨系统产生423～846 Hz激扰，从而诱发423～846 Hz的轮轨滚动噪声。

2.3.2 车内噪声特性响度分析

A计权网络是通过一组A计权滤波器来补偿人耳的听力特性，用于评价声音的感觉强度，是目前广泛采用的噪声评价标准[10]。然而，A计权既不能说明人耳听觉系统的频率选择性和遮蔽性，又不能说明声音强度的非线性，因此与人的主观评价相差较大。

响度是反映人耳对声音强弱感觉的心理声学参数，能够体现人耳的时域遮蔽效应和频域遮蔽效应，根据它可以把声音排成轻到响的次序，它主要依赖于引起听觉的声压，同时也与声音的频率和波形有关，故能综合反映声音强弱与频率对人的影响，其单位为Sone。计算响度的方法有很多，Moore响度模型(ISO 532A)和Zwicker响度模型(ISO 532B)是使用最为广泛的。

本文选用Zwicker响度模型[14]。Zwicker响度模型主要考虑频域遮蔽效应，将以Hz线性频率单位为自变量的功率谱函数转变为以Bark频率为自变量的函数。频域与Bark域之间的关系见式(2)与式(3)，Zwicker理论计算总响度N的计算式如式(4)和式(5)。

(2)

(3)

式中Z——临界带宽，Bark；

fΔ——中心频率为f处临界带宽的频率带，Hz。

(4)

(5)

式中N1——特性响度，Sone/Bark；

ETQ——安静状况下人耳听阈对应的激励；

E0——与参考声强I=10-12W·m-2对应的激励。

当声音的频率、声压改变时，人对响度大小的感觉也将发生变化，依据声压和频率综合定出人对声音的主观响度感受量，称为响度级，单位为方(Phon)。响度N与响度级Ls的关系式如下

(6)

根据响度的Zwicker响度模型计算车内噪声响度。表4为前端、中部和后端车厢6个测点车内噪声总响度。由表4可以看出，前端和后端车厢总响度大于中部车厢，而同一节车内，车厢中间和转向架上方的总响度相差不大，这与A计权声压级分析结果相同。

表4 车内噪声总响度

图7为车内6个测点噪声的特性响度曲线，从图7分析可知，前端、中部与后端车厢4～7 bark(400～720 Hz)的特性响度对总响度有着较大的贡献率，这与A计权声压级分析结果相同。前端和后端车厢在3～5 Bark(300～500 Hz)和5～7 Bark(500～720 Hz)上均有明显的峰值，而中部车厢只在3～5 Bark(300～500 Hz)范围内有峰值，而由A计权声压级的1/3倍频程谱图可知，6个测点在400 Hz和630 Hz处均出现峰值，这与响度分析结果存在差异，这说明人耳对中部车厢5～7 Bark内的噪声感觉并不明显，并不像A计权声压级反映出的结果。

图7 车内噪声特性响度曲线

3 钢轨打磨对车内降噪的影响效果

钢轨打磨是通过磨蚀剂清除轨头表面金属的过程。自1930年以来，铁路运输部门将打磨方法用于清除诸如轨面波纹、磨耗、波罗等轨头缺陷[14]。通过打磨钢轨，可以降低轮轨之间的动荷载，有利于延长钢轨的使用寿命和减少维护次数。同时，通过打磨钢轨清除轨面波磨这类缺陷，还可以降低振动和噪声，提高乘车的舒适性。在此次研究中，通过对钢轨打磨后地铁车内噪声进行测试，分析钢轨打磨对车内降噪的影响效果。

3.1 钢轨打磨效果

对目标区段K4+910～K5+100区间钢轨进行打磨，对打磨后的钢轨进行现场测试，将打磨前后功率谱进行对比，如图8所示。

图8 功率谱

钢轨打磨前，该区段内钢轨波磨主波波长为0.051 2 m，同时波长从0.025 6～0.051 2 m之间存在多个峰值，这些波会对轮轨系统产生423～846 Hz激扰，从而诱发423～846 Hz的轮轨滚动噪声。钢轨打磨后，波长0.025 6～0.051 2 m范围内没有明显的峰值，且打磨后波深也比打磨前小。

3.2 车内降噪效果A计权分析

表5为钢轨打磨后，前端、中部和后端车厢中6个测点的A计权声压级。由表5可以看出，6个测点的A计权声压级较打磨前有明显的下降，测点1即前端车厢转向架上方降噪最为明显，达到5.1dBA，而测点4即中部车厢中间降噪效果不理想，但依然有0.6dBA的下降。由此可以看出，钢轨打磨对前端和后端车厢内降噪效果明显，而中部车厢降噪效果不如前者，但仍然能起到降噪效果。

表5 A计权声压级 dBA

对打磨后车内噪声进行频谱分析，图9为6个测点位置处A计权声压级的1/3倍频程谱图。由图9可以看出：打磨前，前端、中部和后端车厢A声级幅值出现在400 Hz和630 Hz，车内噪声能量主要集中在400～630 Hz。打磨后，前端、中部和后端车厢A声级幅值在400～630 Hz之间都有所减小。

图9 各测点1/3倍频程谱曲线

钢轨打磨后，5个测点在400 Hz和630 Hz处的A计权声压级较打磨前有明显的下降，仅有测点3在630 Hz处上升0.4dBA，但仍在噪声限值要求之内。6个测点400 Hz处车内噪声A计权声压级降幅明显大于630 Hz处。在400 Hz处，测点5和测点6车内噪声A计权声压级降幅最大，达到8.6 dBA和9.2 dBA，明显高于其他测点，说明钢轨打磨清除了波长0.025 6 m的波磨。该波长的波磨会对轮轨系统产生423 Hz的激扰，且400～630 Hz的A计权声压级都较打磨前有明显降低，与图8中波长0.025 6～0.051 2 m范围没有明显峰值相符合。由此可以看出，通过钢轨打磨清除钢轨上0.025 6～0.051 2 m的波，能够抑制423～846 Hz的轮轨滚动噪声，从而降低了地铁车内噪声。

3.3 车内降噪效果响度分析

列车以78 km/h的速度行驶时车内噪声总响度值见表6。

从表6可以看出，钢轨打磨后，前端和后端车厢的4个测点车内噪声总响度降低，而在中部车厢的2个测点总响度略有增大。这一结果与表5采用A计权声压级得到的结果有差异，对于测点1来说，采用A计权声压级分析在打磨前后车内噪声A计权声压级降幅最大，达到5.1 dBA，而采用响度分析后，测点1响度虽然有所下降，但是降幅不大，为2.1Phon，这说明相对于人耳的感知情况，A计权方式高估了测点1处钢轨打磨后带来的车厢内降噪效果；而对于测点3和测点4，采用响度分析钢轨打磨后的降噪效果，总响度不降反升，这说明人耳在测点3和测点4感官会增加，而不是A计权声压级反映出来的降低。综上所述，在对钢轨进行打磨后，车内噪声对人耳感官的影响方面，测点1、2、5和测点6的效果相较于A声压级分析来说效果并不明显，甚至在测点3和测点4还增大人耳对噪声的感知情况。

表6 车内噪声总响度 Phon

图10为车内6个测点打磨前后噪声的特性响度曲线对比。从图10可以看出，打磨后，测点1、2、5和测点6的特性响度在0～24 Bark上都有所下降，而测点4和测点5在3～5 Bark(300～500 Hz)中的特性响度有明显的下降，但在1～3 Bark(100～300 Hz)中有明显的上升，且取代3～5 Bark成为主要频段，这说明由于A计权对低频的修正值较大，会导致频率特性中低频段声压级被修正而无法体现其实际影响，钢轨打磨后，在全频段降低了测点1、2、5和测点6车内噪声对人耳感官的影响，而放大了车厢中部测点4和测点5在低频对人耳感官的影响。

图10 车内测点噪声的特性响度曲线

3.4 车内降噪范围建议

总的来说，通过打磨钢轨降低了车内噪声，但车内6个测点的A计权声压级仍然略大于车内噪声限值要求。若以降低A声级为目标，车内噪声的主要能量分布仍然集中在400～630 Hz上，因此应力求降低该频段内的噪声。而A声级低估了低频噪声对人体的影响，为了达到乘客乘坐的舒适度，应采用以心理声学参数响度评价方法为指导，以降低特征响度为目标，则前端和后端车厢应主要降低3～8 Bark临界频段内的中频噪声，在中部车厢则应该降低1～3 Bark临界频段内的低频噪声。车内噪声依然超标的原因可能是车轮踏面不平滑，由于降低车轮和钢轨的联合粗糙度可降低噪声，降噪效果与粗糙度成正比，通过打磨钢轨，在一定程度上降低了车内噪声。但是需要强调的是应同时考虑车轮和钢轨的粗糙度，如果只改善其中一方的粗糙度，其降噪效果达不到预期。

4 结论

通过对地铁车内噪声进行测试，将测试数据通过传统的A计权分析方法和基于心理学响度的方法分析了钢轨打磨前后车内降噪效果，结论如下。

(1)波长0.025 6～0.051 2 m波磨是地铁车内噪声超标的主要原因，通过清除波长0.025 6～0.051 2 m波磨，6个测点A计权声压级明显，起到了降噪效果。

(2)通过A计权分析，钢轨打磨对前端和后端车内降噪效果明显，而中部车厢降噪效果不如前者，但仍然能起到降噪作用。而通过响度分析，前端和后端车厢的4个测点车内噪声总响度降低，而在中部车厢的2个测点总响度略有增大。

(3)评价噪声主观感觉大小的A计权低估了中部车厢100～300 Hz频率的噪声影响，而响度作为反映人耳对声音强弱感觉的心理声学参数，能够更为准确地评价低频车内噪声对人耳的影响。

(4)若以降低A声级为目标，则应力求降低400～630 Hz内的噪声。若以降低特征响度为目标，则在前端和后端车厢应主要降低3～8 Bark临界频段内的中频噪声，在中部车厢则应该降低1～3 Bark临界频段内的低频噪声。