宽频型迷宫式约束阻尼钢轨降噪特性试验研究

张校铭 周海洋 姚光磊 刘东娅 尹学军 赵才友

（1.西南交通大学土木工程学院，成都 610041；2.西南交通建设集团股份有限公司，昆明 650000；3.隔而固（青岛）振动控制有限公司，山东青岛 266101）

在中国轨道交通已成为城市居民主要出行工具。为了达到绿色环保，必须控制其噪声污染。控制噪声主要有3种途径：从声源上降低噪声，从传播途径上降低噪声，从接收点进行防护。地铁车辆行驶过程中产生的振动与噪声不仅仅通过空气传入车厢与司机室，车厢本身也通过结构振动产生噪声。噪声传播途径多种且复杂，从声源上降噪效果更好［1］。

当列车行驶速度在60～200 km/h 时轮轨噪声是主要成分，并主要集中在500～2 500 Hz。中国地铁列车运行速度一般为60 km/h，最高运行速度为80 km/h［2］。因此，轮轨噪声为地铁列车运行中主要噪声源。轮轨滚动噪声主要声源和辐射体为钢轨和车轮，在300～2 100 Hz 频段钢轨为主要噪声源；高于2 100 Hz 频段车轮为噪声主要辐射体［3］。轮轨系统动力学中，车轮与轨道并非孤立存在，是相互影响，相互耦合的。因此，抑制钢轨振动不仅能控制钢轨发出的噪声，而且能控制车轮的噪声辐射。

根据钢轨振动产生机理，可采用多种钢轨振动控制方法。阻尼钢轨可从噪声源控制噪声，其不仅控制范围比声屏障大，而且具有加工简单、安装便利的特点。关于阻尼钢轨技术，1993年欧洲ofwhat项目［4］研发的钢轨动力吸振器能降低钢轨辐射噪声2 dB；1994—1996 年法国MONA-RONA-VONA 项目研发了新型钢轨动力吸振器，可降噪4 dB。1997 年英国研制出将质量块嵌入黏弹性阻尼材料中的钢轨动力吸振器，提供630 Hz与1 350 Hz两个钢轨调谐频率。

近年来，我国也在快速推进阻尼钢轨的研究。魏鹏勃［5］研究发现，将阻尼材料与约束板材制成的复合阻尼板敷设在钢轨表面可有效降低钢轨振动。陈刚等［6］研发出在钢轨轨腰和翼板处粘贴阻尼层以及约束层控制振动噪声的技术，当钢轨产生弯曲振动时阻尼层随着钢轨一起振动，由于约束层弹性模量远大于阻尼层，限制阻尼层产生形变，起到耗能的效果，从而抑制钢轨振动。尹学军等［7］对普通约束阻尼钢轨进行优化，制造出新型的宽频型迷宫式约束阻尼钢轨。该型钢轨已应用于上海地铁吴中路车辆段。本文根据现场测试数据，详细分析宽频型迷宫式约束阻尼钢轨的降噪效果。

1 宽频型迷宫式约束阻尼钢轨降噪原理

与普通约束阻尼钢轨［8］相比，宽频型迷宫式约束阻尼钢轨的约束层不是平行于轨腰的平板，而是迷宫式凹凸不平且具有空腔，在空腔中填满阻尼材料，见图1。由于凹凸不平空腔的存在，使得阻尼层与钢轨轨腰的距离增大，且带槽约束层的剪切刚度远大于其弯曲刚度，使其具有更好的减振降噪效果。相比于普通约束阻尼钢轨，宽频型迷宫式约束阻尼钢轨具有更高的阻尼比，工作面积远大于普通约束阻尼钢轨，有更高的降噪效率。

图1 宽频型迷宫式约束阻尼钢轨示意

2 现场测试

2.1 测试概况

测试弯道在重庆轨道交通1号线双碑站—石井坡站高架桥曲线段，里程为YDK21+360—YDK21+668，测试段长308 m，曲线半径545.1 m。测试列车为B 型车，设计行车速度100 km/h。轨道上铺设了青岛隔而固环境控制技术有限公司生产的宽频型迷宫式约束阻尼钢轨。

测试在该阻尼装置安装前后同一位置、同一时段内进行，对比分析该阻尼装置安装前后车内噪声及环境辐射噪声的变化。测试期间地铁公司未对该试验段钢轨进行打磨。

2.2 仪器选用与测点布置

噪声测试仪器是高精度8 通道INV3060C 型24 位高精度采集仪。传感器为INV9206 型声压传感器，采样频率为51.2 kHz。数据分析软件是Coinv DASP V10声品质分析软件。

根据GB/T 3449—2011《声学 轨道车辆内部噪声测量》［9］布设测点。受噪声影响人群分为司机、车厢座位上乘客和车厢通道处乘客3 类。因此，测点根据不同人群接受噪声位置布设，分别在司机室内（测点距地面高度1.2 m 和1.5 m）以及紧邻司机室第1 节车厢内布设测点（测点距地面高度1.2 m 和1.5 m，相当于坐姿与站姿人耳处）。车厢内测点布设如图2所示，司机室内测点布设如图3所示。

对于高架线路，依据其周边环境条件选取线路一侧合适断面，根据JGJ/T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》［10］，在垂直于线路（横向）30 m 范围内，距线路中心线7.5，30 m 处分别布设测点（如图4）。7.5 m 处测点用于测量机车车辆运行中所产生的噪声，30 m 处测点用于测量轨道线路边界噪声。每一个测点的传感器离高架桥面1.2 m。

图2 B型车车厢内测点布设（单位：m）

图3 B型车司机室测点布设（单位：m）

图4 高架线路测点布设（单位：m）

2.3 试验方法

为了研究宽频型迷宫式约束阻尼钢轨的降噪效果，需要对比其安装前后各测点噪声A 计权声压级数据。为保证测试数据具有代表性，每个测点的噪声数据都反复测量10 次，下文所有数据均为10 次测量的平均值。对于高架桥环境辐射噪声，每次噪声数据采集持续1 h。

为消除行车速度与列车差异的影响，阻尼装置安装前后2次测试的同一列车在该区段内的行驶速度一致，各组数据均来自于同一车型列车上的测点，以最大限度保证对比数据的可靠性。

3 试验结果分析

3.1 测试数据处理

无地铁车辆经过时，背景噪声与测试时噪声A 计权声压级差值大于10 dB，因此无需对测试结果进行修正。参考JGJ/T 170—2009，采用等效A 声压级LAeq作为噪声评价指标。

依据GB/T 14623—1993《城市环境噪声测量方法》［11］，规定的测量时间T内等效 A 声压级LAeq的计算公式为

式中：LA为t时刻的瞬时A声压级，dB。

若测量是采样测量，且采样的时间间隔一定时，式（1）可表示为

式中：LAi为第i次采样测得的A声压级；n为采样总数。

二次噪声测量值应大于背景噪声3 dB 以上，并进行修正。

3.2 数据分析

3.2.1 车内噪声

车厢内共有6 个测点，分别为测点1—测点6。其中测点1，2与测点5，6分别位于车体2个转向架上部，测点1，2 与测点5，6 噪声数据无明显差异。测点3，4由于距转向架距离略大，阻尼装置安装前后其等效A声压级较测点1，2 均低1～2 dB（A），因此选取测点1，2噪声数据进行分析。

对截取时间范围内车厢通过测试路段时测得的噪声数据进行快速傅里叶变换分析，得到阻尼装置安装前后噪声频谱。

阻尼装置安装前后车厢内不同高度处噪声声压对比见图5。可以看出：测试路段钢轨激发的噪声频率成分以523 Hz和745 Hz为主，安装阻尼装置后两主频率的声压峰值均降低50%以上。表明阻尼装置有效抑制了钢轨振动，显著降低了噪声声压幅值。

阻尼装置安装前后车厢内不同高度处噪声A 计权声压级对比见图6。可以看出：500～3 150 Hz 频率范围内噪声显著降低。2个测点在800 Hz频率下的降噪效果最为明显，1.2 m 测点处声压级降低11.6 dB（A），1.5 m 处测点声压级降低了14.4 dB（A）。但低于500 Hz 频率的噪声在阻尼装置安装前后几乎无变化，表明该装置对于低频噪声降噪效果不佳。

图5 阻尼装置安装前后车厢内不同高度处噪声声压对比

图6 阻尼装置安装前后车厢内不同高度处噪声A计权声压级对比

阻尼装置安装前后列车车厢内2个测点噪声A 计权总声压级及其差值见表1。由表中数据计算可得：车厢内1.2 m 处阻尼装置安装前A 计权总声压级为88.9 dB（A），安装后为81.6 dB（A），平均降噪7.3 dB（A）。车厢1.5 m 测点处阻尼装置安装前A 计权总声压级为88.5 dB（A），安装后为 81.3 dB（A），平均降噪7.2 dB（A）。

表1 阻尼装置安装前后列车车厢内2个测点噪声A计权总声压级及其差值 dB（A）

从阻尼钢轨的降噪机理上进行分析，钢轨引起的振动主要集中在500～1 000 Hz，而轮轨噪声的主要频率集中在500～2 500 Hz 频段内。阻尼装置对于该频段内的振动能够有效抑制，从而对噪声进行控制。依据数据推测，该装置抑制了523 Hz与745 Hz频率处钢轨振动，因此图6 中500 Hz 与800 Hz 峰值处噪声得到了明显控制。

3.2.2 司机室噪声

阻尼装置安装前后司机室内不同高度噪声声压对比见图7。对比图5 和图7 可知：司机室内噪声主频仍然在523，745 Hz 两个频率处，司机室内噪声峰值明显小于车厢内噪声峰值。原因在于司机室下方没有转向架，且与车厢有侧墙和门相隔，司机室与车厢相比轮轨噪声较小。此外，司机室的气密性好，减小了绕射进入司机室内的车外噪声。

图7 阻尼装置安装前后司机室内不同高度噪声声压对比

阻尼装置安装前后司机室内不同高度噪声A 计权声压级对比见图8。对比图6 和图8 可以看出：车厢内和司机室500 Hz 以上频率的噪声均得到了一定程度抑制。2 个测点在800 Hz 频率处降噪效果最明显，1.2 m处测点声压级降低10.5 dB（A），1.5 m处测点声压级降低了11.4 dB（A）。多个测点在800 Hz 处噪声A 计权声压级均降低了10 dB（A）以上，表明该装置对主频噪声的控制效果十分明显。

图8 阻尼装置安装前后司机室不同高度噪声A计权声压级对比

表2 阻尼装置安装前后司机室内2个测点噪声A计权总声压级及其差值 dB（A）

阻尼装置安装前后司机室内2个测点噪声A 计权总声压级及其差值见表2。由表中数据计算可得：司机室1.2 m 处阻尼装置安装前A 计权总声压级为83.4 dB（A），安装后A 计权总声压级为76.9 dB（A），平均降噪6.5 dB（A）；司机室1.5 m处阻尼装置安装前A 计权总声压级为 82.0 dB（A），安装后A 计权总声压级为76.0 dB（A），平均降噪6.0 dB（A）。对比表1，该装置对于司机室内噪声控制效果劣于车厢内，原因是司机室内噪声声压级较低，因此降噪效果没有车厢内明显。

3.2.3 高架桥环境辐射噪声

阻尼装置安装前后高架桥环境辐射噪声声压对比见图9。可以看出：对于高架桥环境辐射噪声，在523 Hz 处的噪声峰值明显高于745 Hz 处的噪声峰值，表明523 Hz 频率为噪声最主要频率。该装置在523 Hz处的降噪效果十分明显，峰值降低了70%以上。

阻尼装置安装前后高架桥环境辐射噪声A 计权声压级对比见图10。可以看出：阻尼装置有效控制的频带范围为500～3 150 Hz，在7.5 m 处测点最大降噪11.7 dB（A），最大值出现在2 000 Hz 频率处。在30 m处测点最大降噪11.7 dB（A），最大值亦出现在2 000 Hz频率处。

图9 阻尼装置安装前后高架桥环境辐射噪声声压对比

阻尼装置安装前后高架桥2个测点噪声A 计权总声压级及其差值见表3。综合表中数据可得：7.5 m 处阻尼装置安装前A 计权总声压级为85.2 dB（A），安装后A计权总声压级为76.8 dB（A），平均降噪8.4 dB（A）；30 m处阻尼装置安装前A计权总声压级为79.4 dB（A），安装后A计权总声压级为74.2 dB（A），平均降噪5.2 dB（A）。7.5 m 处降噪效果明显好于30 m 处，表明该装置降噪效果随着距轨道中心线的距离增大而衰减。

表3 阻尼装置安装前后高架桥2个测点噪声A计权总声压级及其差值 dB（A）

4 结论

对比阻尼装置安装前后噪声数据，可得出以下结论：

1）对于车厢内和司机室噪声，因钢轨激发的轮轨噪声频率成分以523 Hz和745 Hz为主，安装阻尼装置后两主频（523，745 Hz）降低了50%以上。该装置吸振频带较宽，不仅在523 Hz 与745 Hz 两频率之间，在500～3 150 Hz频带范围内均有降噪效果。其抑制了钢轨振动的同时限制了轮对与钢轨的耦合振动，从而降低了更高频域内噪声。

2）对于高架桥环境辐射噪声，在2 000 Hz 频率处降噪效果最好，7.5 m 处平均降噪8.4 dB（A），30 m 处平均降噪5.2 dB（A）。由于阻尼装置通过抑制钢轨振动来减少噪声，所以对机车车辆行驶噪声的降噪效果较好。噪声在传播过程中无控制手段，即30 m 处降噪原因仅为噪声源得到控制。降噪效果随距轨道中心线距离的增大而衰减。

3）该阻尼钢轨有效控制频带范围为500 ～3 150 Hz，此频带为钢轨辐射噪声的主要频带。对频率高于3 150 Hz 的噪声也有一定抑制效果，但不如500～3 150 Hz 频带效果好；对于低于500 Hz 的噪声该阻尼装置安装前后无明显差别。这表明该阻尼装置仅对轮轨噪声有一定的控制效果，整体控制频带较宽。

总体来看，在高架线路曲线段无论是对于车厢内噪声、司机室噪声，还是高架桥环境辐射噪声，该阻尼装置都具有良好的降噪效果。该装置对于车内噪声能有效降噪5.0～7.7 dB（A）。