跨座式单轨列车与地铁列车通过高架线路时辐射噪声特性对比试验*

杜子学 王 建

(重庆交通大学机电与车辆工程学院,400074,重庆)

城市轨道交通(以下简称“城轨”)在快速发展的同时,也给城市带来了噪声污染问题,持续的高强度噪声会影响人的正常工作、休息,严重者甚至会造成听力损伤等一系列有害后果,因此有必要对由城轨运行带来的噪声进行分析,以减小其有害影响。城轨线路多为地下线路,但也存在部分高架线路和地面线路。地下线路的辐射噪声对地面居民影响较小,而地面线路和高架线路产生的辐射噪声对线路周边环境的影响较大。根据文献[1]可知,城轨地面线路仅占城轨线路总数的2%,其噪声影响范围有限,故本文的研究重点集中于城轨高架线。

跨座式单轨列车和地铁列车的构造类似,均由外部供电系统提供列车行进的动力,均采用多节(4节、6节、8节)车辆编组运行,均在编组列车两端各设置一列带驾驶室的车辆,均通过道岔改变运行线路和行进方向。跨座式单轨列车和地铁列车区别在于:①跨座式单轨列车的走行方式为橡胶轮胎与PC(预制)混凝土梁相接触,靠转向架侧边的导向轮和稳定轮同PC混凝土梁接触实现列车的稳定和导向功能;地铁列车采用钢轮钢轨耦合的走行方式,走行部为钢制车轮与钢轨相耦合,通过钢制车轮突出的轮缘和铁轨侧边相配合实现列车的导向功能。由于地铁线路采用标准轨距(1 435 mm),能够稳定列车车体,故无需像跨座式单轨列车一样设置额外的稳定轮。②跨座式单轨列车的受电弓位于列车底部的转向架上,通过固定于轨道梁上的刚性接触网为列车供电;地铁列车的受电弓位于列车顶部,通过架设于空中的柔性接触网对列车进行供电。③跨座式单轨列车转向架外侧由裙板包围,裙板由特制多孔状的吸声材料制成,能够减少部分轮轨接触和受电弓产生的辐射噪声;大部分地铁列车的转向架外侧并没有裙板,转向架部分直接裸露在外。

目前,已有学者对跨座式单轨列车和地铁列车的辐射噪声分别展开研究。文献[2]基于时频波束形成噪声源的识别方法发现,运行列车车外辐射噪声主要位于车厢最底部裙板与轨道梁接触区附近,其中500 Hz以上的噪声源主要来源于胎轨噪声和弓网噪声。文献[3]通过试验得出地铁列车以中低速在直线路段行驶时,其辐射噪声主要集中在 250～2 500 Hz的中低频段,且轮轨噪声是辐射噪声的主要成分。

上述研究无法直观地对比跨座式单轨列车和地铁列车这两种交通系统的区别,二者的结构不同是导致这二种交通系统具有区别较大的噪声辐射特性的原因。为了对这两种噪声辐射特性进行直观、定量的对比分析,本文采用试验的方法分别对跨座式单轨列车和地铁列车运行过程中的辐射噪声声压级进行分析,以期为城市轨道交通的辐射噪声控制提供借鉴。

1 试验概况

1.1 测量参数

城轨辐射噪声主要可分为弓网噪声、轮轨(胎轨)噪声和电机噪声。被测列车均为正常运行状态下匀速行驶的列车,列车头尾全部通过某一点的时间约为8～15 s。将列车视为线性声源,测量参数为列车等效连续A计权声压级。采用FFT(快速傅里叶变换)将时域声压信号转换为频域声信号,确定各频率上的声能量分布。由于辐射噪声覆盖的频段较广,选择频率范围为31.5～8 000.0 Hz进行1/3倍频程分析,且应保证最窄宽带与信号持续时间的乘积数值超过1[3]。

1.2 测量仪器

整个测量系统由传感器、数据采集仪及安装有采集软件的计算机组成,辅助设备包括BNC(卡扣配合型连接器)信号电缆、传感器支架、麦克风风罩、蓄电池、逆变器及测距仪等。每次测量前后,使用满足GB/T 15173—2010《电声学 声校准器》标准的1级声校准器进行校准,若两次校准之差大于0.5 dB(A),则判断测量结果无效。

数据采集仪为VibRunner数据采集仪。传感器为NTS-2533A型ICP(内置压电传感器)加速度传感器,为了去除风噪声的影响,在传感器前加装防风罩。

1.3 测点设置

将重庆轨道交通1号线作为地铁列车辐射噪声试验对象,将重庆轨道交通3号线作为跨座式单轨列车辐射噪声试验研究对象。重庆轨道交通1号线列车采用架空式柔性接触网供电的B型地铁列车,走行方式为钢轮钢轨,采用标准轨距1 435 mm,其车体为不锈钢焊接而成。重庆轨道交通3号线列车采用刚性接触网供电的跨座式单轨列车,车体由铝合金焊接而成,采用橡胶充气轮胎与混凝土轨道梁耦合接触实现列车走行和导向功能。

选取地铁高架线路和跨座式单轨高架线路的典型运行工况设置测试点,包括直线路段工况和曲线路段工况。跨座式单轨高架线路的直线路段工况测点(S1—S3,与靠近传感器一侧轨道梁中心的距离分别为7.5 m、10.0 m、20.0 m)位于一座跨座式单轨高架线路下方的人行天桥上,曲线路段工况测点(S4—S6,与靠近传感器一侧轨道梁中心的距离分别为7.5 m、10.0 m、20.0 m)位于一段半径为270 m 的曲线路段上,所有测点距离轨顶面竖直高度均为1.2 m。由于日间跨座式单轨高架线路下方公路上其他车辆的噪声水平较高,所以选择在夜间噪声水平较低时进行试验。地铁高架线路的直线路段工况测点(M1—M3,与靠近传感器一侧轨道梁中心的距离分别为7.5 m、10.0 m、20.0 m)位于线路经过的一个停车场内,曲线路段工况测点(M4—M6,与靠近传感器一侧轨道梁中心的距离分别为7.5 m、10.0 m、20.0 m)位于一段半径为460 m的曲线路段。地铁高架线路在竖直方向的测点设置情况同跨座式单轨高架线路。地铁列车辐射噪声测试点所处位置为受环境影响较小的地点,所以在日间或者夜间进行试验均可。两个曲线路段工况均选择在曲线路段内弯处进行试验,所有传感器均水平指向被测列车。

跨座式单轨高架线路和地铁高架线路测试示意图如图1所示。试验工况及相关参数如表1所示,各工况被测列车通过测试点时的车速以列车司机室仪表显示的速度值为准,每次测量时均有一人在列车内部记录速度值。

表1 试验工况及相关参数

a) 跨座式单轨高架线路

2 试验数据分析

不同工况下跨座式单轨和地铁列车各测点声压级对比如图2所示。跨座式单轨和地铁列车在直线路段工况和曲线路段工况的声压级均随着距离的增加而减小,且各自呈现出不同的特点。地铁列车曲线路段工况的声压级大于直线路段工况,而跨座式单轨列车曲线路段工况的声压级小于直线路段工况。两种工况下,跨座式单轨列车的声压级均小于地铁列车。

a) 跨座式单轨列车直线路段工况

两种工况下,不同测点处跨座式单轨和地铁列车声压级对比如图3所示。在7.5 m测点处,直线路段跨座式单轨列车和地铁列车的声压级相差较大,最大差值约为10 dB(A)。在10.0 m测点处,跨座式单轨列车和地铁列车声压级差均比7.5 m测点处小约2.0 dB(A)。在20.0 m测点处,跨座式单轨列车和地铁列车的声压级相差较小,两者的差值在4.0 dB(A)以下,且大部分测点声压级均在80.0 dB(A)以下。

a) 7.5 m测点处

3 结语

跨座式单轨列车在直线路段工况的声压级整体大于曲线路段工况,且随着与靠近传感器一侧轨道梁中心距离的增加而逐渐减小,直线路段工况的声压级比曲线路段工况的声压级大约4 dB(A)。地铁列车在直线路段工况的声压级整体大于曲线路段工况,且随着与靠近传感器一侧轨道梁中心距离的增加而逐渐减小,直线路段工况的声压级比曲线路段工况的声压级小约1～4 dB(A)。无论在直线路段还是曲线路段,跨座式单轨列车的声压级均比地铁列车小约4～10 dB(A)。一般而言,城市轨道交通列车的辐射噪声在20 m以外不应大于80 dB(A),当地铁列车通过直线路段时,其个别声压值大于80 dB(A),且地铁列车在曲线路段存在明显高分贝啸叫,因此地铁列车的辐射噪声应当予以重点控制。

需要注意的是,本文的研究重点为对比两种列车的噪声对环境的整体影响,故没有对声源位置做识别分析,后续研究可以采用声全息法测得列车三维空间的声场分布,分别对跨座式单轨列车和地铁列车辐射噪声的辐射声源位置做进一步研究。