市域快速轨道交通越站噪声控制方案研究

张瑞，吕勇敢

（1.广州地铁集团有限公司，广州 510000；2.深圳中雅机电实业有限公司，广东 深圳 518031）

地铁已经成为各大中城市人们日常出行必不可少的交通工具，随着城市化进程的不断推进，重点地区已形成区域一体化发展格局，常规时速100km/h 的城市轨道交通已不能满足日常通勤需求。时速160km/h的市域地下轨道交通应运而生，同时在行车组织上采用快慢车越行方案，大大缩短了区域间通勤的时间。快慢车越行方案需设置不同数量的越行车站，时速160km/h 的越站列车在停站列车上下乘客时高速通过车站，其噪声问题是关系到越站列车能否实现的重要问题。本文主要阐述越站地铁列车的噪声传播特点及越站列车噪声的控制方案。

1 越站地铁噪声传播特点

我国拟建设时速160km/h 的越站车辆，在停站列车上下客期间，越站车辆以160km/h 的速度越站通过（见图1）。

图1 越站车辆简易模型

在越站地铁匀速直线运行的情况下，不考虑停站车辆自身噪声的影响，越站地铁的噪声主要以轮轨噪声及空气动力噪声为主，其传播路径见图2。

图2 噪声传播路径

（1）地铁通过车站时，噪声会通过停车轨道的缝隙即衰减区1 向停车轨道传播，此时停站地铁在上下乘客，噪声会通过停站地铁两侧及顶部的空隙衰减区2 向内进行传播，并通过屏蔽门向站台层内传播。

（2）越站地铁车辆在贴近墙体通过时，地铁车辆会挤压列车车体与墙壁之间的空气，噪声会随着空气通过墙壁两侧的间隙绕射和透射传播到停车轨道，在停车轨道内再通过停站地铁与隧道之间的间隙传入站台，并通过屏蔽门传入站台层。

2 消声构思与原理

2.1 消声构思

从噪声传播路径中可以看出，车辆轮轨噪声对站台的影响，其传播路径是封闭的隧道通道，是断面不规则壁面非刚性的空气通道。越站列车噪声传入站台主要是通过衰减区1、衰减区2 两个通道和越站轨道向站台内传播。将隧道中越站列车隧道和停站列车隧道剖切得到消声通道断面示意图（见图3）。

图3 消声通道断面示意

根据剖切的断面示意图，可以认为越站列车通道和停车列车通道是两个不规则的非刚性的空气通道，即具有消声功能的消声通道。

在没有增加任何消声措施的情况下，两个消声通道的消声量是有限的，远达不到降噪要求。由于隧道内部需要确保地铁的通行，所以在隧道内部是不能增加消声器等横截面积较大的消声设备的。为了增加两个消声通道的消声量，只能通过增加消声通道的消声系数以及改变消声通道的横截面积来增加消声通道的消声量。影响消声通道消声系数的主要因素为吸声衬里的吸声系数，所以需要增加消声通道壁面的吸声系数即安装吸声板来增加壁面的吸声系数。

图4 为对消声通道的构思，图中阴影区域为钢板封堵，在保证列车安全行驶的前提下，在四周增加吸声板。

图4 消声通道吸声板安装示意

2.2 消声原理

工程中应用较多的消声理论计算公式是由别洛夫公式发展而来的，其参数的选取基于实验研究，因此其相对精度高于别洛夫公式，并且使用范围有所扩展，对于较高频率仍有较好的分析精度（见下式）。

图5 消声通道

式中：

P——吸声衬里的通道截面周长（图5 中红色虚线总长度）；

S——吸声衬里的通道截面面积（图5 中蓝色面积）；

L——吸声衬里的通道长度（图5 中绿色虚线长度）；

——消声系数，由正入射系数α0确定。

与α0的关系见表1。

表1 消声系数与正入射系数α0的关系

表1 消声系数与正入射系数α0的关系

表示传播距离等于隧道半宽度时的噪声衰减量，其主要取决于壁面的声学特性。当声波沿非刚性壁面隧道传播时，声强应按指数规律随着传播距离的增大而衰减。当声波频率不太高并且壁面声阻抗较大时，可以认为管道内同一截面上各处声压近似相同。在这种条件下，消声系数用下式近似表示：

式中：

——消声系数；

a——法向入射时通道内部结构的相对声阻率；

b——法向入射时通道内部里结构的相对声抗率。

特殊情况下，当声波频率与壁面吸声结构的共振频率接近时，声抗近似为0。如果a＞1，则消声系数可用垂直入射的吸声系数α0表示。

这就是目前常用的消声系数计算公式。

2.3 消声设计

根据上文提到的消声原理，隧道可以认为是一个大的消声器。在隧道尺寸及隧道长度一定的情况下，影响消声器的主要因素是隧道的消声系数。隧道内的尺寸信息见表2。

表2 隧道尺寸信息

隧道内未做任何降噪措施时，各个衰减区的衰减量见表3。

表3 未做处理时各个区域衰减量

在隧道衰减区1 内安装吸声板增加隧道的消声系数，各个区域的衰减量见表4。

表4 采取措施后各个区域衰减量

在衰减区内，还存在空气吸声。例如，当隧道内大气压101.3kPa、温度25℃、湿度30%时，频率4000Hz 有1.0dB(A)的衰减量，8000Hz 有3.7dB(A)的衰减量。

在隧道安装吸声板后，有11.3dB(A)的降噪量。

3 消声降噪方案的评估

3.1 可行性评估

在地铁隧道内安装吸声板时需要考虑以下几点：1）隧道内线路管道多且复杂，安装吸声板后不能影响线路管道；2）隧道内需要经常通车，吸声板安装的结构强度必须大，不能有脱落危险；3）安装吸声板后，不能影响隧道内的日常检修。

为解决以上问题，采取的措施为：1）吸声板内部可以穿插通过线路，在有管道的位置，对吸声板进行开孔设计，做好开孔位置的边缘处理；2）吸声板的安装采用高强度结构，由穿孔板、吸声材料、型钢、挡板及高强度膨胀螺栓组成，保证达到强度要求（结构见图6）；3）隧道内需要检修的位置设置检修门或检修口，以便正常检修。

穿孔板内填充的吸声材料为超细离心玻璃棉，A 级不燃，不挥发有害物质，现已广泛应用在地铁通风管道消声器及隔声板中。

图6 消声通道吸声板安装示意

通过以上分析认为，在隧道内安装吸声板的消声方案是可行的。

3.2 消声效果评估

噪声控制需要明确三点，即噪声源、传播路径和控制点。本文中传播路径和控制点已经明确，但是噪声源的大小没有指出。

根据我国现有已经实测的同类型列车的噪声声压级以及理论公式推算出160km/h 的列车在隧道内匀速行驶时的单位长度声功率级为104dB(A)。

由于越站列车并不是一个稳态的噪声源，而是一个相对于测点随时间变化的匀速移动的有限长的线声源。因此，还需要计算车辆噪声在考量时间期间内的等效连续A 计权声压级LAeq,T。

式中：

LAeq,T——考量时间T的等效连续A 计权声压级，dB(A)；

T——测量经过的时间段，T=t2-t1，s；

pA(t)——噪声瞬时A 计权声压，Pa；

p0——基准声压，p0=20μPa。

当A 计权声压用A 声级LpA表示时，则如下式所示：

在站台内取3 个控制点，分别为离第一个屏蔽门1m 处、离最后一个屏蔽门1m 处和站台中心。控制点示意见图7。

图7 三个典型测点位置示意

在隧道内未做任何降噪措施之前，假设屏蔽门的打开时间为60s 且30s 时越站列车刚好运行到中间墙体的中心，消声通道通过自身衰减传到站台位置三个测点的通过时间段内的等效A 计权声压级见表5。

表5 降噪前不同测点不同考量时间平均声压级（忽略背景噪声）

由于隧道内的安装位置有限，只在衰减区1 内中间墙体和顶面增加吸声板，得到的降噪量见表6。

表6 采取降噪措施后的消声量频谱数据

降噪后站台内3 个不同测点的通过时间段内的等效连续A 计权声压级见表7。

分析越站列车不同时刻对站台层的噪声影响时，先假设屏蔽门的关闭时间为60s，在30s 时列车刚好处于中间墙体的中心处。在采取消声措施后60s 内不同时刻3 个测点的噪声变化曲线见图8。

表7 站台不同测点不同考量时间平均声压级（忽略背景噪声）

图8 不同时刻站台内不同测点的噪声曲线

通过以上分析，认为在考量时间为60s 时，传入站台中心的平均声压级为61dB(A)，满足地铁设计规范中70dB(A)的限值。因此，此消声方案是可行有效的。

4 结语

本文介绍了一种降低越站列车对站台噪声影响的消声方案。在隧道内可以增加吸声板的位置安装吸声板，能够有效降低越站列车传入站台的噪声，降噪量为11.3dB(A)。由于考量的时间不同，站台测点通过时间内的等效连续A 计权声压级也不同。在采取降噪措施后，考量时间为60s 时，站台中心的等效连续A 计权声压级为61dB(A)，满足地下铁路站台噪声规范中70dB(A)的限值要求。但是在考量时间较短的前提下，站台内三个测点的噪声值达不到要求限值，需要进行进一步的降噪处理，以保证站台内的噪声值满足限值要求。