城市轨道交通车站轨行区降噪措施仿真分析*

黄旭炜 周 宇 韩延彬 木东升 张聪聪

(1. 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海; 2. 同济大学上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，201804，上海//第一作者，硕士研究生)

城市轨道交通车站站台是受噪声影响较严重的区域之一。目前部分已运营的城市轨道交通车站站台轨行区通过采取浮置板、减振器扣件等减振结构和部件来降低结构振动，但在车站轨行区靠近噪声源、噪声传播路径等处尚未考虑空气降噪措施，因此有必要针对车站轨行区的降噪措施进行研究和分析。

本文以某城市轨道交通车站为研究对象，建立车站站台区有限元模型，并生成噪声预测模型，模拟在轨行区噪声源最近的轨道上铺设道床吸音板，在噪声传播路径的轨行区结构上贴覆吸音材料等措施的降噪情况，分析单独上述某一措施以及综合上述两种措施的降噪效果。分析结果可为城市轨道交通车站站台区和轨行区的降噪措施设计和选型提供参考。

1 城市轨道交通车站轨行区建模

1. 1 车站条件和轨道条件

以某城市轨道交通车站为仿真分析对象，其中线路为钢轮钢轨制式，车站为地下终端站、岛式站台和曲线轨道，站台设置屏蔽门，车站轨道采用浮置板轨道和减振扣件，如图1所示。

图1 某城市轨道交通车站站台平面图

为了解既有车站噪声情况，并检验仿真模型的准确性，选取与仿真分析车站同等条件的某既有运营线路车站进行列车进出站噪声测试，其中测点位于站台一侧列车进、出站端及站台中部。测试包括单侧列车进出站时站台区端部、中部的噪声以及无列车时的噪声两种工况。分析时去除背景噪声(如停车后的广播声和屏蔽门开关声)以得到进出站时以车辆-轨道为主的噪声。结果发现，由某次列车进出站引起的轮轨噪声将呈增大趋势，如图2所示。

图2 单侧列车进出既有车站的时域噪声数据

从图2可以看出，轮轨噪声起出了等效声级的最大容许限值80 dB(A)[2]，即使列车进出站速度不高，但已经发生噪声超标的现象。实测列车进出站噪声瞬时达到83～85 dB(A)，因此有必要考虑对车站站台进行降噪。

1. 2 可行的降噪措施

城市轨道交通降噪措施应在靠近噪声源以及噪声传播路径等处设置，目前车站轨行区采用的降噪措施包括：①在靠近噪声源处(即轮轨界面最近的地方)的道床采用道床吸音板；②在噪声传播路径的轨行区结构上贴附吸音材料和吸音膜等。结合该车站站台轨行区横断面图，可行的降噪措施布置如图3所示。

1) 轨道：轨道区可以采用道床吸音板。吸音板为表面具有吸音尖劈形式的多孔板，可以全铺(布置在轨道中间和两侧)或半铺(只布置在轨道两侧或中间)在轨道上，因其靠近轮轨噪声源头，能起到较好的吸收轮轨噪声的效果。

图3 车站轨行区降噪措施布置示意图

2) 屏蔽门：屏蔽门具有一定的隔声作用，如在朝向列车一侧的玻璃上贴覆多孔吸音膜，可进一步在噪声传播途径上降低其能量。

3) 列车上方车站通风道底部：通风道底部为混凝土结构，可在此处安装蜂窝状吸音板或喷涂矿物纤维吸音材料，但这些吸音措施距离列车顶部较近，受列车风、振动、车辆空调高温影响较频繁，其使用可靠性和稳定性尚缺验证，还存在安全隐患，故本文不予考虑。

综上所述，城市轨道交通车站轨行区可行的降噪措施为铺设道床吸音板和屏蔽门玻璃贴覆吸音膜。由于道床吸音板已在既有城市轨道交通车站中有使用案例，因此道床吸音板的降噪效果采用现场实测和仿真预测相结合的方法来实现。因屏蔽门玻璃贴覆吸音膜目前尚未有使用案例，因此，在模型检验可靠的基础上，可采用仿真预测的方法进行分析。

1. 3 车辆条件

本文进行仿真预测的列车为A型车，其中转向架中心距为15 700 mm，车辆固定轴距为2 500 mm。仿真中，车轮作用在钢轨上引发的噪声源，可采用单极子点声源进行处理，同时考虑1个轮对的2个车轮分别作用在两股钢轨上的工况，这样钢轨上则具有2个噪声源。

1. 4 模型建立

采用有限元方法建立车站站台整体模型，再将车站站台有限元模型输入到声学软件中生成噪声预测模型，从而进行车站站台噪声预测。

车站站台有限元建模时，考虑该车站线路为曲线，因此将车站模型沿线路方向的横截面设置为变截面形式。计算中考虑同一时刻只有一侧轨道上存在列车进出站的情况，因此仅在站台一侧的轨行区设置声源。同时，道床吸音板和屏蔽门玻璃贴覆吸音膜只布置在声源一侧的轨行区。仿真工况如表1所示，仿真降噪措施参数如表2所示。

表1 车站站台噪声仿真工况

表2 车站站台降噪措施仿真参数

将前4种工况与未采取降噪措施的工况5进行对比得到降噪效果。车站空间模型、噪声源和降噪措施布置位置如图4所示。

图4 车站站台空间模型

将上述车站有限元模型在噪声预测软件中划分声学网格和场点网格,并定义流体材料和吸音板多孔材料属性和声源边界条件。此处将岛式站台定义为噪声分析区域，并将岛式站台及左右两侧轨行区的上方生成场点网格，如图5所示。图5中的参考点为仿真结果输出点，参考点距离站台顶面1.2 m，距离站台边缘0.5 m。

图5 车站站台场点网格划分

此外，由于屏蔽门玻璃贴覆吸音膜处于车站站台边缘，采用该措施可能会对站台广播产生一定影响，使得广播声声能量改变，影响站台参考点的噪声。因此，本文分析屏蔽门玻璃贴覆吸音膜降噪效果时考虑了站台广播，并分别对有、无站台广播干扰两种工况进行仿真分析。广播声源为点声源形式，作用位置为站台区顶部。

2 车站轨行区噪声预测模型检验

2. 1 半铺吸音板的降噪效果现场实测

由于城市轨道交通既有车站中已经有半铺道床吸音板的案例(在中间有凸台的浮置板基础上，将道床吸音板铺设在轨道两侧)，因此，为了检验本文所建模型的有效性，分别对轨行区采用整体道床、浮置板，以及采用浮置板和道床吸音板的既有车站进行了站台噪声现场实测[2]。实测测点位置与工况同本文1.1中所述，连续测量10次列车进出站等效A声级，求出10次进出站等效A声级的算术平均值，并将其作为该位置的噪声水平，进一步对比有无列车的工况从而得到列车进出站的噪声增量。既有车站站台在列车进出站时的噪声增量测试结果如表3所示。

表3 既有车站站台现场噪声增量测试结果

由表3可知:A线1号站和2号站背景噪声和列车在进出站时的站台噪声水平基本接近，但1号站的平均噪声增量要低于2号站，可认为是吸音板和浮置板轨道结构的综合降噪结果,则道床吸音板(半铺)+浮置板的综合降噪水平为2.4～4.1 dB(A);B线3号站和4号站的背景噪声和列车在进出站时的站台噪声水平基本接近，但3号站的平均噪声增量要低于4号站，可认为是浮置板的单独降噪的结果，浮置板的降噪水平为0.5～1.3 dB(A)。由此可分析推断，单独使用道床吸音板(半铺)的降噪措施可降低站台噪声1.9～2.8 dB(A)。

2. 2 半铺吸音板的降噪效果仿真预测

对图3、图4所示模型中采用半铺吸音板的工况进行噪声预测。车站三维模型仿真云图以频率为变量进行显示，为了便于直观显示半铺吸音板的降噪效果，分别取300 Hz、500 Hz和800 Hz 3个频率对吸音板半铺前后站台上方1.2 m处参考点的噪声声压进行了仿真分析，如图6所示。输出参考点处各频率下的噪声声压级降低情况如图7所示。

图6 吸音板半铺前后参考点处噪声声压级云图截图

图7 半铺吸音板前后参考点处的噪声声压级降低情况

从图6～7可见，车站站台的轨行区半铺道床吸音板可使站台噪声在4 kHz以下频段降低噪声0.5～2.5 dB(A)，与现场实测的半铺道床吸音板降低噪声1.9～2.8 dB(A)基本一致，表明建立的仿真模型符合实际情况，因此可进一步预测分析道床吸音板(全铺)和屏蔽门玻璃贴覆吸音膜两种降噪措施单独采用和综合采用的作用效果。

3 车站轨行区降噪措施效果分析

3. 1 铺设道床吸音板

图8显示了300 Hz、500 Hz和800 Hz 3种频率情况下，站台轨行区采用全铺道床吸音板前后的噪声声压级云图；其输出参考点处各频率下的噪声声压级降低情况如图9所示。

图8 吸音板全铺前后参考点处噪声声压级云图截图

图9 全铺吸音板前后参考点处的噪声声压级降低情况

从图8～9可见，在车站内轨道区全铺道床吸音板可使站台噪声降低1.5～5.2 dB(A)。降噪效果：①对于50～250 Hz低频噪声，全铺道床吸音板可降低站台区噪声1.5～2.6 dB(A)；②对于250～2 000 Hz的中高频轮轨噪声，全铺道床吸音板可降低站台区噪声4.0～5.2 dB(A)；③对于2 000 Hz以上高频噪声，全铺道床吸音板可降低站台区噪声3.3～4.0 dB(A)。

3. 2 屏蔽门玻璃贴覆吸音膜

屏蔽门玻璃贴覆吸音膜工况下，站台局部区域噪声预测结果如图10～11和表4所示。

图10 无降噪措施、有广播时站台局部区域噪声声压级云图(1 000 Hz)截图

图11 屏蔽门玻璃贴覆吸音膜且有广播时站台局部区域噪声声压级云图(1 000 Hz)截图

工况右侧站台局部区域噪声/dB(A)左侧站台局部区域噪声/dB(A)300 Hz1 000 Hz300 Hz1 000 Hz未采取降噪措施64.166.458.363.6无站台广播屏蔽门玻璃贴覆吸音膜61.864.056.061.2降噪值2.32.42.32.4未采取降噪措施78.080.572.377.9有站台广播屏蔽门玻璃贴覆吸音膜76.178.670.375.9降噪值1.91.92.02.0

从图10～11和表4可见，屏蔽门玻璃贴覆吸音膜后站台局部区域噪声声压级有所降低，具体表现如下：

1) 无论有无车站广播，车站左、右侧站台区在采用屏蔽门玻璃贴覆吸音膜时降噪效果基本相同。

2) 300 Hz工况时，无广播情况下屏蔽门玻璃贴覆吸音膜的降噪效果为2.3 dB(A)；有广播情况下降噪约1.9 dB(A)。

3) 1 000 Hz工况时，无广播情况下屏蔽门玻璃贴覆吸音膜的降噪效果为2.4 dB(A)；有广播情况下降噪约1.9 dB(A)。

4) 屏蔽门玻璃贴覆吸音膜降噪主要针对1 000 Hz以下的低频噪声。在250～1 000 Hz内，屏蔽门玻璃贴覆吸音膜可降低站台测点噪声1.8～2.4 dB。

3. 3 道床吸音板+屏蔽门玻璃吸音膜综合措施

车站站台轨行区综合采用全铺道床吸音板和屏蔽门玻璃吸音膜时的噪声降噪效果如图12～13所示。

根据图12～13可知：对于50～250 Hz低频噪声，综合降噪措施可降低站台噪声2.0～3.5 dB(A)；

图12 采用综合降噪措施前后参考点处噪声声压级云图

图13 采用综合降噪措施前后参考点处噪声声压级降低情况

对于250～2 000 Hz的中高频噪声，综合降噪措施可降低站台噪声4.0～7.0 dB(A)；对于2 000 Hz以上的高频噪声，综合降噪措施可降低站台噪声3.5～4.5 dB(A)。

结合两种降噪措施单独作用的仿真结果，可以确定综合降噪措施下全铺道床吸音板的降噪贡献量为73%～84%，屏蔽门玻璃吸音膜的降噪贡献量为16%～27%。

3. 4 降噪措施注意事项

从上述分析可知，道床吸音板和屏蔽门玻璃吸音膜都对站台轨行区的降噪有效，在具体使用时，还应该注意：

1) 为提高降噪效果，针对道床吸音板，建议保持一定的吸音面积和厚度。尽量采取全铺道床吸音板，若遇到凸台浮置板则只能铺设在轨道两侧，如图14所示。吸音板在轨道中间铺设时，应与两侧轨底各保留一定距离，从而不影响扣件、钢轨的正常使用与轨道的正常检查。吸音板在轨道两侧铺设时，建议根据两侧条件进行设计。当轨旁有第三轨时，在不影响第三轨和排水沟功能的前提下保持一定的吸音效果，如控制吸音板的高度防止影响列车与第三轨之间的受流；根据第三轨的支架位置间隔布置吸音板；避免吸音板覆盖到排水沟。

图14 凸台浮置板情况下道床吸音板铺设示意图

2) 在屏蔽门玻璃上贴覆吸音膜时，在不影响活动门开启的情况下，固定门和活动门的玻璃上均可进行粘贴，这样可提供较多的吸音面积。但由于空间位置的限制，以及出于避免增加屏蔽门玻璃负担的考虑，建议吸音膜厚度控制在2 mm以内。

4 结论

本文以某城市轨道交通车站为原型建立有限元模型并生成噪声预测模型，通过与现场实测数据对比验证了模型的合理性，对全铺道床吸音板与屏蔽门玻璃贴覆吸音膜两种降噪措施在单独和综合使用时的降噪效果进行了仿真预测，得到如下结论：

1) 对半铺道床吸音板降噪工况进行仿真，对采取相同措施的车站进行现场测试；仿真结果表明4 kHz频段以下站台噪声降低了0.5～2.5 dB(A)；实测结果表明4 kHz频段以下噪声降低了1.9～2.8 dB(A)。仿真和实测结果基本一致，验证了模型的有效性。

2) 全铺道床吸音板的仿真结果表明，对于50～250 Hz低频噪声，可降低1.5～2.6 dB(A)；对于250～2 000 Hz的中高频轮轨噪声，可降低4.0～5.2 dB(A)；对于2 000 Hz以上的高频噪声，可降低3.3～4.0 dB(A)。50～4 000 Hz全频段内降噪1.5～5.2 dB(A)。

3) 屏蔽门玻璃贴覆吸音膜仿真结果表明，降噪主要针对1 000 Hz以下的低频噪声，在250～1 000 Hz频段内，可降低站台测点噪声1.8～2.4 dB(A)。

4) 综合降噪措施的仿真结果表明，对于50～250 Hz低频噪声，可降低2.0～3.5 dB(A)；对于250～2 000 Hz的中高频噪声，可降低4.0～7.0 dB(A)；对于2 000 Hz以上高频噪声，可降低3.5～4.5 dB(A)；50～4 000 Hz全频段降低噪声2.0～7.0 dB(A)。在全频段内，全铺道床吸音板的降噪贡献量为73%～84%，屏蔽门玻璃贴覆吸音膜的降噪贡献量为16%～27%。