不同轨道参数对地铁车辆车内噪声的影响

2021-06-29汤继新周俊召罗雁云

城市轨道交通研究 2021年6期

汤继新周俊召刘艳* 罗雁云

(1.宁波市轨道交通集团有限公司，315101,宁波； 2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海 ∥ 第一作者，高级工程师)

为了解决城市轨道交通对沿线环境产生的振动噪声问题，国内外学者对城市轨道交通振动与噪声进行了多方面研究，也在实际运营中采取了一系列减振降噪措施，取得了一定的效果。但随之而来的问题是，越来越多的乘客反映在对轨道结构采取减振措施之后，车内噪声存在增大的现象[1-2]，本文针对这一问题开展研究。

由于理论研究较为复杂，因此，本文采取现场测试的方法，研究实际运营状态下空车时段地铁车辆的噪声现状，分析列车运行速度、轨道结构型式及钢轨几何线型等参数对车内噪声的影响特性、原因及程度，从而为降低地铁列车车内噪声提供依据，以改善旅客乘车环境。这对提升轨道交通车辆市场竞争力具有重要意义。

1 试验研究方法

本文采用试验研究的方法，按照一定的地铁车辆内部噪声级和频谱的测量条件，获得可再现和可比较的测量结果，从而表征车辆的内部噪声，实现研究车内噪声在轨道结构及钢轨几何线形等不同参数影响下的特征规律。

试验车辆采用地铁6B型车，车辆编组为四动两拖。现场测试按照文献[3-4,7]的要求，在以轨道结构或钢轨平纵向几何线型为变量对车内噪声的影响规律进行研究时，使线路周围建筑物等大型反射结构，甚至背景噪声等可能改变车内噪声的因素(如扣件、刚度等)尽量保持一致或相似，因此选取某城市轨道交通2号线(以下简为“2号线”)7个不同区段进行车内噪声测试。2号线各区段分组如表1所示。其中A、B、C、D区段均采用DTIII2型扣件，其竖向静刚度为21～25 MN/m；E、F区段采用ZB扣件，其竖向静刚度为10～12 MN/m。

表1 2号线各区段分组表

为了更好地观测车内噪声的分布，在车内布置了一系列测点。根据EN ISO 3381:2011《Railway applications—Acoustics—Measurement of noise inside railbound vehicles》、EN ISO 3095：2005《Railway applications—Acoustics—Measurement of noise emitted by railbound vehicles》，及GB/T 3449—2011《声学轨道车辆内部噪声测量》等标准中对传声器布置的规定，参考车内人耳高度，确定站立区传声器高度距车辆地板1.5 m，坐姿区域传声器距车辆地板1.2 m，具体布置如图1所示。对于拖车，除布置上述测点外，在司机所在位置布置传声器(见图1中的“测点1”)，高度为人耳所在位置，距离座椅0.1 m以内。测试列车在以20 km/h、40 km/h及该区段最高允许速度60 km/h通过所选7个区段，以实测所有测点的噪声信号。

图1 车内噪声测点布置图

2 结果对比分析

对列车运行激发的车内噪声进行分析时，首先计算各测点在计算频率下的实际声压级，然后对各个频率下的噪声声压级进行有限值累积，从而获得总声压级。根据A计权曲线的特点，处于1 000 Hz以内的低频声压级削减较多[5]、高频声压级削减较少，这改变了线性声压级具有的部分特性。因此，在分析车内噪声特性时，采用线性声压级进行研究。

2.1 不同轨道结构下车内噪声声压级对比

为了说明不同轨道结构对车内噪声的影响，选取 A、C、E、G等4个区段进行分析。上述4个区段皆处于直线段，且4个区段的轨道结构类型分别为高档钢弹簧浮置板、普通整体道床、减振扣件整体道床、预制橡胶浮置板和中档钢弹簧浮置板。各测点的噪声总声压级见表2。线性计权声压级曲线见图2。

表2 不同轨道结构下各测点的噪声平均总声压级表

由表2可知，高档钢弹簧浮置板轨道区段(A)车内噪声略小于预制橡胶浮置板和中档刚弹簧浮置板区段(G)及减振扣件区段(E)；且不同轨道结构下A计权声压级相差不大，平均差值为1.9 dB(A)。

与表2中A计权声压级情况不同，图2在低于200 Hz频率段内，高档钢弹簧浮置板轨道区段(A)的车内噪声声压级明显大于普通整体道床轨道区段(C)的车内噪声；在低频段内，减振扣件轨道区段(E)测得的车内噪声低于高档钢弹簧浮置板轨道区段(A)，而浮置板道床(A)的隔振效率远高于减振ZB扣件。因此，减振轨道结构在低频噪声范围内会使车内噪声声压级增大，且隔振效率越高，车内噪声声压级越大。

图2 不同轨道结构下车内噪声线性计权声压级曲线

图3为3种采用减振措施的轨道结构与普通整体道床的1/3倍频程对比曲线。图3验证了采用减振轨道结构，会在低频噪声范围内使车内噪声声压级明显增大；高档钢弹簧浮置板轨道(A)线性声压级最大，预制橡胶浮置板和中档钢弹簧浮置板区段(G)和减振扣件区段(E)次之，普通整体道床(C)最小。

图3 不同轨道结构下车内噪声 1/3倍频程对比图

高档钢弹簧浮置板轨道(A)车内噪声线性声压级最为突出，且在25～250 Hz范围内，呈低频特性。预制橡胶浮置板和中档钢弹簧浮置板区段(G)的车内噪声线性声压级明显大于其余3种轨道结构，且出现在800 Hz和 1 600 Hz附近，呈中频特性。相比于普通整体道床，减振扣件区段(E)在63 Hz低频段之前，其车内噪声线性声压级明显增大。

由此可见，采用减振措施，会使车内噪声在低中频段出现线性声压级增大的现象，但由于A计权使得低频部分被明显削弱，因此，高档钢弹簧浮置板轨道(A)的车内噪声A计权声压级反而小于E、G区段。

2.2 不同车厢位置车内噪声声压级对比

针对上述情况，车厢位置的不同也可能引起车内噪声差异。为排除其对结果的影响，根据各测点在不同频率下噪声的实际声压级，对各个频率的声压级进行有限值累计获得总声压级。各测点的噪声总声压级见表3。各测点的频率曲线见图4。

表3 同一轨道结构及车速下各测点的噪声总声压级

图4 列车车速为40 km/h时各测点的频率曲线

表3中，列车车内坐姿区域测点为3、5、8、10、13、15，其余位置测点均位于站立区。由表3可知，Tc和Mp两车厢相邻的测点噪声相差3.8 dB(A)，其频率特性也有所差别，这可能与拖车的声压级特征峰值主要为50 Hz、而动车的声压级特征峰值主要为25 Hz有关，进一步体现了A计权对声压级特性的影响。此外，拖车内坐姿区域噪声为1 dB(A)，略大于站立区域,且车厢站立区域转向架对噪声的影响不大；动车内总体上坐姿区域与站立区域噪声基本相同，但带受电弓的站立区域噪声约4 dB(A)，明显小于其他位置，这可能是由于受电弓导致该处结构振动特性改变所致。

总体而言，在列车运行过程中，车内不同场点噪声主要频带集中在0～200 Hz范围内，呈低频特性。无论是动车还是拖车、站姿区域还是坐姿区域，以及是否存在转向架，其对噪声大小影响差值均在5 dB(A)以内，位于带司机室的拖车和受电弓处噪声最小。由此可见，同一车速下车内噪声大小受到车厢结构及其所处位置的影响较为明显。

2.3 不同车速下车内噪声声压级对比

地铁列车车内不同位置测点变化趋势基本一致，车内噪声整体呈现随列车速度的增加，噪声声压级增加的趋势。不同车速行驶状态下，各测点的噪声声压级对比见图5。由图5可知，车辆起动且处于定置状态时比背景状态下车内噪声声压级平均增加了18.46 dB(A)；车速由0 提高到60 km/h(最高允许速度)时，噪声声压级增加量分别为9.56 dB(A)、2.98 dB(A)、1.09 dB(A)，这与车速变化非线性相关。由此可见，车辆在定置状态下，其附属设备产生的噪声对车内噪声起主导作用，因此，建议车内设备都可以采用线性电机牵引以避免部分噪声的产生[7]；而在车辆运行状态下，设备噪声不再成为主要噪声，轮轨噪声成为影响车内噪声的主要因素，且随着车速的提高，车内噪声变化趋于缓慢。

图5 不同车速下各测点的噪声总声压级

不同车速下各测点的1/3倍频程曲线如图6所示。由图6可知，车速处于不同状态下，车内噪声频段主要集中在20～80 Hz的低频段；车速大于0时，其在315～3 150 Hz的中高频段存在明显噪声波动。由此可见，相比于背景噪声，不同车速都会在低频段25 Hz频率处产生明显的噪声，因此，低频段的全局噪声声压级峰值应为列车的固有特性。

图6 不同车速下的车内噪声1/3倍频程曲线

而在列车运行过程中，需注意中频段产生的局部噪声峰值主要为轮轨噪声。当车速为20 km/h时，车内噪声声压级频率在1 000 Hz左右；当车速为40 km/h时，车内噪声声压级频率在800 Hz左右；当车速为60 km/h时，车内噪声声压级频率在500 Hz左右。车速为20 km/h时，噪声声压级次峰峰值最为明显，且该轮轨噪声峰值基本呈随车速提高而频率减小的趋势，这些不同车速下的特征频率应对车内噪声起主要作用。

2.4 不同几何线型下车内噪声声压级对比

当车辆处于直线段时，各测点的噪声平均总声压级为74.22 dB(A)，当车辆处于曲线段时，各测点的噪声平均总声压级为75.50 dB(A)。由此可见，曲线段车内噪声声压级略大于直线段，约为1.28 dB(A)。不同的钢轨几何线型下车内噪声频域特性如图7所示。由图7可知，曲线段主峰频率为75 Hz，而直线段为25 Hz；曲线段与直线段的次峰频率分别为800 Hz和650 Hz；曲线段车内噪声线性声压级频率在40～300 Hz范围内，且明显大于直线段。