降噪环对各型地铁车轮降噪性能影响的研究

陈 敏 顾 骅

(1.中车株洲电力机车有限公司 湖南 株洲 412000；2.上海天佑铁道新技术研究所股份有限公司 上海 201024)

1 研究背景

一般来说，地下线路的环境问题主要为振动干扰；由于城市轨道交通大多穿越或位于闹市区，因此车辆噪声、轮轨噪声与结构噪声等噪声源对周围环境影响变得十分突出，成为建设高架轨道交通的最大障碍。能否将振动和噪声控制在最低限度内,是城市轨道交通建设的关键之一[1-2]。

故研究了一种应用广泛，且安全、经济的钢环消音轮。该消音轮已在香港地铁大量采用，其优点是：安全(2个环形槽嵌入2个钢环组装方便,不易脱落)；无可燃材料；无须检修,便于检查；消音效果好，在中频域可降低27 dB；占用车轮的空间小，可安装制动盘。

2 噪音产生的机理

城市轨道交通车辆车速较低，构成的列车噪声包括轮轨噪声、牵引动力噪声、受流噪声与空气噪声等。作为其中的主要声源轮轨噪声，可分为3种主要类型：摩擦噪声、冲击噪声和滚动噪声。大量研究表明，改变车轮结构能有效降低轮轨噪声。本文主要从噪声衰减的角度，对4种结构的地铁车轮的噪声特性进行测试、比较与分析[3-4]。

3 钢环消音车轮的消音原理

当车轮发出声音时，车轮必然在按某种模态发生振动，经有限元分析得知地铁车轮的低阶模态如表1所示。

表1 地铁车轮的各阶模态频率

不论车轮按哪种模态振动，车轮必发生翘曲变形(横向变形)，例如第三阶模态(见图1)，频率为370.4 Hz。

不管是哪种振形，钢环与车轮槽之间发生摩擦，消耗其能量，使振动很快衰减，从而使轮轨之间的噪音得以减少。轮轨之间由于相互摩擦产生噪音，尤其是通过小曲线半径时噪音明显，钢环消音轮能增加车轮振动时的阻尼，比普通轮能降低噪音15 dB。

4 降噪环在不同车轮中的室内降噪效果

试验用车轮A轮为基于某A公司的消音轮，在车轮轮辋的外侧距外侧面32 mm处安装1个钢环。B轮为基于某B公司的消音轮，在车轮轮辋的外侧距外侧面15 mm处安装钢环，车轮结构如图2所示。C轮为国内自行研究提出的消音轮，在车轮轮辋内、外侧各安装1个钢环。O轮为某地铁集团有限公司提出的统型车轮(原型)。

图2 B轮车轮结构图

4.1 噪声测试、预测及评价方法

为有效评价声强，分别用A、B、C加权曲线代表人对正常声强、高声强和超高声场的响应。一般环境噪声都在“正常”声强范围内，所以用A加权声级能较好反映人耳的响应，交通噪声的基本噪声单位采用A加权声级。

目前所采用的噪声强度评价指标为：最大噪声级(Lmax)，即单个噪声事件内的最大噪声级。

4.2 噪声测试参考标准

环境噪声测量方法标准参考GB/T 3222—1994《声学—环境噪声测量方法》：户外测量时，要求测点离地面的高度大于1.2 m以上，每次测量时，其位置与高度保持不变；在建筑物内测量时，测点位置最好离墙面或其他反射面至少1 m，离地面1.2～1.5 m，离窗1.5 m处。

4.3 试验方法

将车轮通过在轮毂孔处支承一弹性木棍悬挂起来，使车轮处于“自由支承状态”。为了得到相同的激振力，使试验具有可比性，在试验中自制了一套单摆系统，采用1根细绳将1 kg重击振钢球与框架紧密相连，击振球被水平拉至距轮踏面1 m高，自由落下，撞击车轮踏面或轮背面，如图3所示。用专用仪器进行数据采集与分析。

图3 车轮噪声测试示意图

4.4 试验条件

为了尽量减小环境噪声的影响，试验在凌晨或夜晚寂静的环境中进行，对各种低噪音车轮和标准普通车轮的噪声测试在各种工况完全相同的条件下进行。

4.5 测试内容

为了测量所试制的低噪音车轮的减噪效果，进行了4种车轮的噪声对比试验。按照国外的运用经验，低噪音车轮主要对于高频的轮轨尖啸噪声和冲击噪声具有明显的抑制作用，本次试验采用锤击法对车轮踏面和轮背面进行径向和轴向激励，在进行总体噪声比较的基础上通过频谱分析，找到低噪音车轮能起降噪作用的关键频域范围。

相同测试重复5次，取平均值。具体测试时，记录各种不同车轮在相同激励下产生噪声的内容为：(1)最大噪声级Lmax；(2)噪声时间历程曲线(A计权等效声压级)；(3)1/3倍频程噪声级频谱。

4.6 室内试验结果分析

(1)最大噪声级Lmax

根据表2和图4中的车轮最大噪声级，径向激励下，B车轮最低，较A车轮降低0.4 dB，较C车轮降低了1.5 dB，较普通车轮降低4.4 dB。轴向激励下，C车轮与B车轮基本相同，较A车轮降低了1 dB左右，较普通车轮降低约6 dB。

表2 最大噪声级Lmax /dB

图4 车轮最大噪声级

(2)噪声时间历程曲线

根据噪声时间可计算不同车轮辐射噪声的衰减率。衰减率采用噪声衰减过程中，声压级下降20 dB所需时间来表示。在径向激励下，A车轮与B车轮基本相同，为0.63 s，C车轮为1.25 s，普通车轮最大，为2.15 s。轴向激励下，B车轮最低，为0.63 s，与径向激励下一致，A车轮为1.71 s，C车轮噪声衰减较慢，为3.3 s，普通车轮衰减最慢，达3.62 s。

(3)1/3倍频程噪声级频谱

根据径向激励下车轮噪声声压级1/3倍频程可知：在315 Hz以上频域，A车轮与B车轮的噪声声压级低于C车轮与普通车轮；630 Hz～1 kHz以外频域，C车轮的噪声声压级均低于普通车轮。由径向激励下特定频率处声压级值(见表3)可得：400 Hz频率处，B车轮最低，较A车轮降低6.2 dB，较C车轮降低约9.5 dB，较普通车轮降低了12.9 dB；1 kHz频率处，A车轮与B车轮基本相同，较C车轮降低约14 dB，较普通车轮降低了15 dB左右。

表3 特定频率处声压级值(径向激励) /dB

5 安装降噪环前后的室外降噪效果

5.1 试验目的

通过分析测试数据，研究对比地铁车辆安装消音环前后在试车线上和正线上的噪声，验证消音环的降噪效果，并对安装消音环前后的降噪效果进行对比。

5.2 测试方法和测点布置

测试车辆参考国际标准ISO 3095《轨道车辆噪声测试》，在试车线列车速度分别为V=15 km/h、V=40 km/h和V=60 km/h进行噪声测试，选取2个侧点，分别为距离车轮0.2 m处(T1)和距离轨道中心线3 m、高1.2 m处(T2)。在车厢内测试时，选取2个测点，都在转向架正上方距地板1.2 m处。

5.3 测试结果对比

车轮安装消音环前后在试车线上的测试数据对比如表4所示。

由表4可知，由于装消音环的背景噪声有效值比不装消音环的大5 dB,所以，在相同环境下，装消音环的“Leq平均值”实际应比测量值小5 dB。对未装消音环Leq平均值和装消音环Leq修正值作比较(Leq修正值=Leq平均值-5)。由表3可得：试车线速度为15 km/h和60 km/h时，与不装消音环相比，装消音环的列车噪声分贝降低大约5.3 dB和3.2 dB。

表4 测点1声压级对比 /dB

车轮安装消音环前后在正线车厢内的测试数据对比如表5所示。

由表5可知，与不装消音环相比，装消音环的背景噪声有效值大3.4 dB,所以，在相同环境下，装消音环的“Leq平均值”实际应比测量值小3.4 dB。对未装消音环Leq平均值和装消音环Leq修正值作比较(Leq修正值=Leq平均值-3.4)，根据表5：在所测的10个测试区间内，全部区间装消音环声压级比不装消音环声压级小，最大差值为7.2 dB，这10个区间中有5个区间差值不小于3 dB。

6 结论

通过室内试验得知B车轮在安装降噪环后其降噪综合性能最佳，轴向与径向激励下，噪声衰减均很快。对车辆在线路、站台、车厢内的噪音测试，得

表5 车厢内声压级对比 /dB

知在试车线速度为15 km/h和60 km/h时，装消音环比不装消音环列车噪声分贝降低大约5.3 dB和3.2 dB；正线上车厢内噪声，在所测的10个测试区间内，全部区间装消音环声压级比不装消音环声压级小，最大差值为7.2 dB，这10个区间中有5个区间差值不小于3 dB。

故而，不同的车轮在安装降噪环后，所得的降噪效果是不同的，且降噪效果和安装降噪环的数量无直接关系。但总体来说，安装降噪环的确对车辆行驶过程中产生的噪音有明显的抑制作用，能够提高乘客乘坐的舒适性，并从一定程度上降低车辆产生的噪音污染。后续将与各大主机厂保持密切的技术沟通，将此类降噪环运用于国内外更多的城轨项目中，尽可能地降低车轮振动带来的噪音，减少对轨道交通周边的环境影响。