不同轨道结构对地铁车内噪声影响实验研究

刘存真,李 莉,卜 征,张云飞,吴亚楠

(1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海 201804； 2.上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室,上海 201804)

1 研究背景

近年来，随着城市轨道交通的不断发展，越来越多的城市居民选择地铁作为主要出行方式。一直以来，环境振动噪声的问题较为研究人员和管理者重视，为了减小地铁运行对周边环境振动的影响，高弹性扣件整体道床、梯形轨道、道砟垫、浮置板等隔振措施被广泛应用[1]。

研究表明，隔振轨道可以在一定频段内降低传至周围环境的振动能量，浮置板轨道的隔振特性尤为显著[2-3]。Grootenhuis[4]通过对比1962年应用在科隆的浮置板轨道和普通轨道，就得到浮置板轨道可以降低传播到线路周围15～200 Hz频率范围振动。然而从能量角度分析，浮置板轨道仅是隔离了部分轮轨振动向下传播，轮轨以上的振动反而有所增加。张生延[5]认为浮置板在减小板下振动的同时势必会引起轨道结构振动噪声增大以及疲劳伤损加快。肖安鑫等[6]发现，采取浮置板道床和减振扣件后，地铁车辆内部低频振动和噪声水平有所提高。农兴中等[7]对比了5种常见的轨道结构的车内噪声，发现隔振轨道车内噪声瞬时A计权声压均值较普通道床大0.6～5 dB。田建辉[8]对比钢弹簧浮置板和橡胶弹簧浮置板，对地铁车内噪声影响大小相当。国外研究表明，板式轨道的车内噪声较有砟轨道普遍大3～5 dB[9-10]，钢弹簧浮置板的车内噪声比弹性扣件普通整体道床大4 dB[11]，隧道环境会使车内噪声增加3～12 dB[12-13]。郭建强[14]通过实测，定量分析各因素对车内噪声的具体影响程度，并给出了合理建议。陈俊豪[15]在不同运行速度下测量了转向架和车体中部噪声分布。薛红艳[16]经测试发现近地板、通过台和车门处噪声比其他测点处声压级高2～3 dB(A)。朱士友[17]发现列车通过小曲线时，曲线半径大小对客室噪声影响明显，曲线半径小于600 m时，客室噪声主频带位于630～1 000 Hz。张晓排[18]对比列车在隧道内运行时，车内相应点处的噪声值比高架上高1.0～5.9 dB(A)。任海[19]提出了控制地铁车内噪声的一系列措施。韩文娟[20]比较了国内外城轨列车噪声标准，并对未来发展提出了建议。

图1 车内噪声测点平面布置示意

乘客乘坐地铁，除了有安全准时的需求之外，也期望车内环境舒适。嘈杂的车内声学环境影响通话质量和语言辨识度，可造成乘坐人员的听力损伤，使乘客产生疲劳感。轨道交通的减振降噪措施是一个系统工程，对环境的影响不仅包括对线路外部环境的影响，也应包括对列车的内部的影响。车内乘车舒适性和声学环境舒适性也是影响轨道交通行业竞争力的一个重要因素。地铁车内噪声由多重激励源产生，轮轨噪声是车内噪声的主要来源，车辆系统振动噪声、空调设备噪声、动力设备噪声也对车内噪声有贡献。目前有关车内噪声的文献中，多为现场测试，虽然有不同轨道结构下车内噪声的时域和频域特征的分析，但测点集中在一节列车内，没有体现测点在列车中不同位置、有无车辆动力和运行速度的影响。因此，研究地铁车辆不同轨道结构形式下的车内噪声特性和不同速度下噪声特性的变化特点对于今后改善地铁列车内部声环境，提高乘客满意度具有重要意义。

对普通整体道床、减振扣件整体道床、预制橡胶弹簧浮置板和钢弹簧浮置板4种轨道结构，对带司机室拖车Tc、带受电弓动车Mp、无受电弓动车M这相邻三节车内不同测点的车内噪声进行测试，分析在一组车中不同车辆位置时的噪声时域和频域特性，总结不同轨道的地铁车内噪声的分布规律。

2 车内噪声测试概况

试验区段选取某城市地铁隧道内的普通整体道床、减振扣件整体道床、预制橡胶浮置板、钢弹簧浮置板4种轨道结构的直线区段，钢轨无波浪形磨耗。普通整体道床和浮置板区段都采用了DTIII2型扣件，扣件垂向静刚度为21～25 kN/mm。减振扣件整体道床区段采用的为ZB扣件，扣件的垂向静刚度为10～12 kN/mm。车辆为4动2拖6节编组B型车，车内噪声测点位于带司机室拖车Tc、带受电弓动车Mp和无受电弓动车M的相邻三节车内。分为背景、定置0,20,40 km/h和60 km/h五种工况测试车内噪声。

传声器为型号为4189-1/2英寸自由场传声器，噪声采样频率为25.6 kHz，满足频域分析的要求。

2.1 详细测点布置

测点位置的确定依据GB 14892—2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》中对传声器布置的规定，并参考ISO 3381:2005 Railway applications-Acoustics-Measurement of noise inside railbound vehicles， Railway applications-Acoustics-Measurement of noise inside railbound vehicles，详见表1和图1。参考人耳高度，坐姿区域的传感器设置高度距离地板1.2 m，而其他区域距离地板1.5 m。

表1 测点布置

车内噪声现场测试见图2。红色为司机室坐姿区，蓝色为乘客站姿区，绿色为乘客坐姿区。

图2 车内噪声测试现场

2.2 数据处理和评估方法

根据GB 14892—2006《城市轨道交通列车噪声测量限值和测量方法》规定的测量及数据处理方法，对各测点的测量数据进行算术平均。

对于城市轨道交通系统列车噪声测试，为了反映人对噪声的响度感觉，采用等效A声压级作为评价量，按下式计算

(1)

3 实验结果分析

3.1不同轨道结构下车内噪声特性

为了说明不同轨道结构对车内噪声的影响，选取车速为40 km/h、无受电弓动车M转向架处16号测点进行比较。列车通过4种轨道结构的时间均截取10 s，将这4段时域拼接，时域如图3所示。

图3 4种轨道结构下M车转向架16号测点噪声时域

图4 4种轨道结构下车内各测点声压级

图4为40 km/h时的车内各测点等效声级变化情况，以Tc车坐姿区测点3为例，钢弹簧浮置板区段车内噪声为75.7 dB(A)，预制橡胶浮置板区段车内噪声为72.9 dB(A)、减振扣件整体道床区段车内噪声为71.2 dB(A)、普通整体道床区段车内噪声为70.6 dB(A)。

当速度为40 km/h时，M车坐姿区测点8在不同轨道结构下的A计权1/3倍频程见图5。图5可看出，车内等效A声级噪声在1/3倍频程中心频率80 Hz和800 Hz左右时有明显峰值。车内低频噪声差异明显：钢弹簧浮置板区段车内噪声最大，预制橡胶浮置板浮置板区段次之，减振扣件区段第三，普通整体道床区段最小。

图5 不同轨道结构下车内噪声1/3倍频程

通过对不同轨道结构下的车内噪声频谱分析，4种轨道结构下车内噪声变化趋势基本一致，均在100 Hz以下产生第1个峰值。随频率增高车内噪声的声压级降低，并产生数个次阶峰值。图6为M车坐姿区测点8的频谱。

图6 不同轨道结构下车内噪声频域

3.2 不同速度时车内噪声特性

以普通整体道床区段为例，不同速度时，车内噪声的A计权等效声压级如图7所示。随着车速的提高，车内噪声声压级显著增大。车速从0 km/h增加到20 km/h时，Mp车和M车车内噪声迅速增大；Tc车车内噪声增长相对较慢。

图7 不同速度下车内各测点A计权等效声压级

以M车坐姿区测点8为例，车辆定置状态的噪声比背景噪声增加了18.3 dB(A)；而速度从0 km/h变化到60 km/h时，每提高20 km/h时，声压级增加量分别为11.6 dB(A)、1.7 dB(A)、1.6 dB(A)。

图8为测点8在不同速度下的1/3倍频程A计权等效声压级曲线。中心频率在500 Hz以下和2 000 Hz以上的频段内，车内噪声A计权等效声压级随速度增加而增加。速度为20 km/h时，车内噪声在1 000 Hz处达到峰值72.0 dB(A)；速度40 km/h时，车内噪声在630 Hz处达到峰值71.3 dB(A)；速度60 km/h时，车内噪声在630 Hz处达到峰值68.8 dB(A)。

图8 测点8不同速度下A计权1/3倍频程

3.3 不同车辆车内噪声频域特性

为了解释不同车辆的车内噪声特性，以普通整体道床，速度为40 km/h为例。由于车内噪声频域在2 000 Hz之后较小，因此本次频域特性分析的频率范围为0～2 000 Hz。

测点1～测点6在Tc车中。驾驶室和乘客区之间的声压级差别小于1 dB(A)。座位区(测点高度为1.2 m)的噪声略大于转向架位置(测点高度为1.5 m)的噪声。站立区的声压级基本相同，即站立区的转向架对车内噪声的影响很小。

Tc车频域中的声压级如图9所示。在25 Hz附近，出现第一峰值。随着频率增加，Tc车内噪声的声压级降低，没有其他峰值。

图9 Tc车内噪声频域(40 km/h)

测点7～测点11在Mp车中。中间站立区域(测点9)比其他位置大2.3～4.9 dB(A)。测试仪器靠近测点9，这可能会增加测点9的噪声。坐姿区的噪声比站立区转向架的噪声高1.8 dB(A)。但是带有受电弓的站立区域的声压级小于车内的其他区域。结合Mp车频域分析，还可以发现受电弓测点(测点11)的声压级远小于其他测点。由于受电弓本身产生的噪声主要是空气动力噪声、离线产生的火花噪声以及滑板与接触导线间产生的滑动噪声，而由于本次试验地铁车辆运行速度最高为60 km/h，因此占主要的气动噪声较为不明显。

Mp车频域中的声压级如图10所示。在25 Hz附近，产生第1个峰值。随着频率增加，Mp车内噪声的声压级降低，第2个峰值在600 Hz附近，第3个峰值在800 Hz附近，第4个峰值在1 125 Hz附近，第5个峰值在1 400 Hz附近。

图10 Mp车内噪声频域(40 km/h)

测点12～测点16都在M车中。由于转向架的站立区测点(测点12)声压级接近Mp车，因此噪声比车辆中的其他测点高。M车中其他位置的A计权等效声压级为74.9～75.7 dB(A)。

M车的频域中的声压级如图11所示。在50 Hz附近，产生第1个峰值。随着频率增加，M车内噪声的声压级降低，第2个峰值在600 Hz附近，第3个峰值在925 Hz附近，第4个峰值在1 125 Hz附近，第5个峰值在1 450 Hz附近。

图11 M车内噪声频域(40 km/h)

从图8～图10可以看出，在40 km/h速度下，不同车辆的不同位置在25～50 Hz的频率范围内具有第1个峰值，峰值大小在78.5～84.5 dB。Tc车没有明显的次阶峰值；Mp车、M车具有明显的多个次阶峰值，不同车辆车内噪声具有不同的频率特性。

总体上，坐姿区的噪声比站立区的噪声稍大，并且站立区的转向架对噪声的分布影响很小。

以测点3、测点8、测点13(坐姿)为例，在40 km/h的速度下，Tc车声压级为70.7 dB(A)，Mp车声压级为74.6 dB(A)，M车声压级为75.7 dB(A)。

4 结论

(1)整体而言，钢弹簧浮置板区段车内噪声最大，预制橡胶浮置板区段次之，减振扣件区段第3，普通整体道床区段最小。这是由于浮置板区段和普通整体道床区段都采用了DTIII2型扣件，其垂向静刚度为21～25 kN/mm，减振区段采用的为ZB扣件，其垂向静刚度为10～12 kN/mm，浮置板道床的隔振效率远高于ZB扣件，因此其车内噪声更为显著。

(2)车内噪声整体呈现出随着车速的增加而增加的趋势，速度从0 km/h起，每增加20 km/h，车内噪声分别增加11.6，1.7，1.6 dB(A)(以测点8为例)。

(3)整辆车上的每个测点在25～50 Hz的低频范围内都有一个噪声峰值，其峰值大小在78.5～84.5 dB(以40 km/h为例)。Tc车、Mp车、M车的内部噪声具有不同的频率特性。

(4)带司机室的拖车Tc车内，司机室和客室内的噪声声压级相差在1 dB(A)以内，坐姿区域噪声略大于转向架位置，站立区有无转向架对噪声影响不大；带受电弓的动车Mp车内，中部站立区域噪声显著大于其他位置，坐姿区域噪声与站立区转向架噪声相差在1 dB(A)以内，受电弓处站立区噪声最小；不带受电弓动车M转向架站立区测点噪声较其他车厢突出。

5 讨论

在城市轨道交通车内噪声测试中，主要参照以下几个标准。

(1)GB 14892—2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》

(2)GB/T 3449—2011《声学 轨道车辆内部噪声测量》

(3)ISO 3381:2005《铁路设施-声学-有轨车辆内部的噪声测量》

(4)VDV-154:2011Noise from mass transit rail vehicles Acc. To Bostrab

GB 14892—2006仅针对地铁车辆提出地上地下两种线路的客室(司机室)内1.2 m处车内等效A声级最大容许限值，对运行速度、轨道结构形式、空调工况没有做明确规定。

VDV-154：2011仅规定了地上段明线线路条件下，恒速运行(空调半载，60 km/h)的3种轨道车辆客车室/司机室内噪声限值，而且对静止时车内噪声做了详细规定。但此规范并不适用于地下隧道区段。

我国车内噪声标准的发布时间较早，与目前车辆新技术发展水平相比，存在一定的滞后性。国外线路主要采用有砟轨道与国内地铁线路普遍采用的无砟轨道有差别，为实现不同厂家不同检测方对车内噪声检测的通用性，需要规范轨道交通车内噪声测试方法，明确轨道形式或轨道状态、车辆运行速度、空调工况、车辆种类、地上段或是地下段，并根据不同测试位置确定相应的限值。