地铁车内噪声超标分析

许孝堂，金学松

(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031；2.西南交通大学 牵引动力国家重点试验室，成都 10031)

地铁车内噪声超标分析

许孝堂1，金学松2

(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031；2.西南交通大学 牵引动力国家重点试验室，成都 10031)

针对某地铁车内噪声超标问题，从车辆、轮轨两个方面展开研究，利用Brüel&Kjær测试系统分析车辆的牵引、空调系统，车辆结构，轮轨粗糙度等因素对车内噪声的影响特性。研究表明，牵引、空调系统对运行车辆车内噪声影响较小。车内噪声的显著频带为400 Hz～800 Hz、1 105 Hz，与车轮非圆没有直接关系；1 105 Hz与钢轨打磨后磨痕有关。车内噪声主要与以下两个因素有关：一是透射噪声，车辆内移门存在漏风问题，车外噪声传入车内；二是结构传声，轮轨或轨道以上频段的振动激励经过轴箱-构架-车体传递，进而激励车内内装等结构振动产生辐射噪声。此研究对地铁车辆降噪有一定的参考价值。

声学；车内噪声；传递路径；地铁；振动；声辐射

地铁是城市轨道交通的一种重要形式，能够快捷、安全、舒适地运送旅客[1–2]。但是，地铁运行过程中也存在着振动噪声等问题。某地铁于2015年12月开通运营以来，车辆运行过程中车内噪声过大，最大可达89 dB(A)～90 dB(A)，远高于GB14892-2006中规定的限值83 dB(A)[3]。针对这个问题，本文从车辆、轮轨两个方面展开研究，系统测试和分析了轮轨粗糙度、车辆结构等因素对车内噪声的影响特性，掌握了噪声频谱特性、主要来源和噪声传递路径，并从车辆、轮轨两方面提出改进建议。

1 地铁车内噪声源种类及产生原因

根据传播方式和路径，车内噪声[4–6]可以分为4种类型（如图1所示）：第一类为直接噪声，即直接来自噪声源的噪声，对车内来说主要为空调换气设备发出的噪声。第二类为透射噪声，即车外产生的噪声透过车体结构的微小间隙传入车内的噪声。第三类为一次振动噪声，即附属于车体的各种设备、车内内装以及车体本身产生的振动以噪声的形式辐射至车内。第四类为二次振动噪声，即车外产生的各种噪声（电磁噪声、空气动力噪声等）诱发车体及车内各种结构产生振动，再以噪声的形式辐射至车内。

图1 噪声源及传播路径示意图

此外车内噪声根据激励源（包括振动源和噪声源两种）的能量传递路径，可以分为空气传声和结构传声两种主要形式[7–9]。

空气传声指的是激励源通过空气流体介质传递的路径，主要和噪声源强、车体密封性能以及壁板隔声特性有关。车内的直接噪声和透射噪声均属于空气传声。结构传声指的是激励源通过结构固体介质传递的路径，主要和振动源强、车体结构特性以及车辆悬挂参数有关。一次振动噪声和二次振动噪声均属于结构传声。

地铁车辆运行速度一般较低，约为60 km/h～90 km/h，此速度下，二次振动噪声贡献相对较小。因此本文主要研究前三类噪声对于车内噪声的影响。文中从车辆、轮轨两个方面展开研究，研究内容主要包括：通过测试牵引、空调系统关闭前后车内噪声情况，研究直接噪声对于车内噪声的影响；通过测试客室内不同区域的隔声量，分析车辆隔声薄弱环节，为车辆结构提供整改意见；通过对车轮和钢轨表面状态的调查，掌握轮轨激励源特性；进一步对车辆车内噪声、车下噪声、车体振动、转向架区域关键部件的振动进行测试，研究结构传声对于车内噪声的影响。

2 车辆结构对车内噪声的影响分析

2.1 牵引、空调系统对车内噪声的影响

为了分析牵引系统对车内噪声的影响，试验车辆以60 km/h匀速运行，分别测试车辆动力切除前后车内外噪声，结果如图2所示。

图2 车内外噪声频谱特性

通过图2可知，两种工况下车内外噪声无明显差别，即牵引系统噪声对车内噪声基本没有影响。

空调噪声对车内噪声的影响研究包括静止试验和线路运行试验两种工况。在线路运行试验中，车辆以60 km/h匀速运行，分别测试空调开关车内空调下方回风口处噪声。结果如表1所示，结果表明。

表1 空调噪声水平/dB(A)

（1）车辆静止工况，空调关闭状态时车内噪声为45 dB(A)；空调满负荷（通风或制冷）时车内噪声为71 dB(A)。相比之下，增加了26 dB(A)，说明空调噪声对车辆静止工况的车内噪声有很大影响。

（2）60 km/h运行工况，无论空调开关，车内噪声均为83 dB(A)，说明空调噪声对运行工况车内噪声基本没有影响。

（3）空调噪声作为车内直接噪声，对车辆静止时车内噪声贡献很大[10]，对运行工况下车内噪声影响较小。

2.2 车体结构隔声量对车内噪声的影响

车辆不同区域的隔声量如图3所示。

从总隔声量看，客室内移门区域的隔声量相对偏小，尤其是内移门下部，隔声量只有22 dB，比上部密封较好的区域低5 dB。对比车门结构发现这与内移门下部密封差（漏声）有关，如图4所示。车外产生的噪声透过车门漏声位置，以透射噪声的形式传入车内。

2.3 车辆振动对车内噪声的影响

前面主要开展了空气传声对车内噪声影响的研究，包括车内的直接噪声和透射噪声。如前面所述，噪声的另外一种传递路径为结构传声，即激励源通过结构固体介质传递的路径。

图3 客室不同区域的隔声量

图4 车门下部漏声照片

为了进行车辆振动和结构传声特性研究，针对目前线路情况，对车内、车下噪声和车辆零部件振动进行测试，得到车辆振动和车内、车下噪声特性，进而分析结构传声路径与车内噪声的关系。

地铁车内噪声线路试验方法依据GB/T 14892-2006，同时参照GB/T 3449-2011[11]等相关标准规定进行。图5给出了车内、车下测点布置示意图。其中，“●”表示声学测点、“■”表示振动测点。如图5（b）所示，在动车、拖车内地板上方1.6 m处，分别布置3个传声器，在动车和拖车车间连接处布置一个传声器。另外，在动车和拖车转向架车轮外侧分别布置麦克风，见图 5（a）。

图5 车内声学、车辆振动加速度测点示意图

对选取车辆的一个动车和一个拖车的车体、构架、轴箱的振动加速度进行测试，其中的车辆振动噪声测试仪器如表2所示。

表2 车辆振动噪声测试仪器

进行车内噪声问题的研究，首先要确定其噪声水平。因为噪声水平的高低，将直接影响乘客的乘坐舒适性。图6给出了相邻动车和拖车客室内上下行各区间的噪声水平。

图6 某地铁各区间噪声水平

可见，动车和拖车客室在全程各个区间的噪声水平全部超过GB 14892‐2006中规定的限值83 dB(A)。其中F-G、H-J、K-J三个区间噪声显著，约高出3 dB(A)～7 dB(A)。

为了更深入地研究车内噪声特性，图7给出了客室后声压级频谱图。

图7 客室后-声压级频谱图

根据声叠加原理[12]，定义声压级最大值以下10 dB范围内的频率区域为噪声显著频段，该频段的噪声能量主导了车内噪声的总声压级水平。

由图7可见，噪声声压级频谱在476 Hz、556 Hz、1 105 Hz附近处有局部峰值，显著频带为400 Hz～800 Hz、1 105 Hz。

同样，通过客室后声压级时频图（如图8）可以得到相似的结论：声压级在400 Hz～800 Hz分布有亮带，1 105 Hz处有亮线。而且1 105 Hz亮线能够看到与速度相关特征[13]，初步推测与钢轨波磨有关。另外两处亮带没有发现与速度相关特征。

图8 客室后-声压级时频图

在结构传声方面，列车在运行时，由于轮轨表面存在不平顺，其产生的振动激励通过转向架结构和悬挂系统向车体传递，引起车体振动，并激励车内内装结构振动产生声辐射，通过测试分析轴箱、构架、车体的振动加速度，并将它们和车内、车下噪声频谱进行对比，可以获得结构传声对车内噪声的影响。

图9－图10给出了车辆垂向、横向振动与噪声相干关系。分析可知：轮轨表面不平顺产生的476 Hz振动激励经过轴箱-构架-车体的横向振动传递；690 Hz振动激励经过轴箱-构架-车体的垂向振动传递；556 Hz、1 105 Hz振动激励经轴箱-构架-车体垂向和横向振动传递；进而激励车内内装结构振动产生声辐射。

图9 车辆垂向振动与噪声相干关系图

由此可见，此地铁车内噪声超标与结构传声具有较大的相关性。

3 轮轨状态对车内噪声的影响分析

地铁最重要的噪声源是轮/轨接触时车轮和钢轨的振动所引起的滚动噪声[14]，占主导作用。

其对车内噪声的贡献主要表现在两方面：一是轮轨振动辐射噪声以透射噪声的形式传入车内；二是轮轨振动经过结构传声方式引起车内噪声。因此需要从轮轨表面不平顺情况研究轮轨状态对车内噪声的影响。

图10 车辆横向振动与噪声相干关系图

3.1 车轮表面粗糙度对车内噪声的影响

车轮镟修后，拖车客室后声压级由89.0 dB(A)降低为81.6 dB(A)，比镟修前降低了7.4 dB(A)。分析其原因发现，镟修后200 Hz～900 Hz频带内声压级显著下降，如图11所示（其中①－④轮如图5所示）。

图11 镟修前后-客室后-声压级频谱图

此外车轮镟修消除了原有的556 Hz局部峰值。但是通过对相应车轮周向不平顺测试发现，4个车轮在1～70阶内除了1阶偏心以外，没有其他显著波长，如图12所示。根据车辆运行速度为75 km/h，以及车轮直径约为840 mm，依据公式

式中fo——车轮非圆振动基频；v——车辆运行速度；

d——车轮直径。

计算得到振动的基频为7.9 Hz。由此可见前面所提到的车内噪声显著频率，与车轮非圆没有直接关系。

3.2 钢轨表面粗糙度对车内噪声的影响

依据标准ISO 3095-2013[15]，对打磨后4个月后的钢轨表面进行粗糙度测量发现，钢轨表面存在约16 mm的显著波长，如图13（a）所示。通过现场观察发现，钢轨表面存在明显的打磨留下的周期性痕迹，其间隔约为16 mm，该痕迹即为钢轨粗糙度的主波长，如图 13（b）所示。

图12 6车（拖车）后转向架对应车轮非圆阶次图

图13 上行线_k15+332-k15+392钢轨不平顺

列车运营速度为60 km/h～80 km/h，通过公式（2）计算发现，该钢轨特征波长的通过频率约为1 041 Hz～1 388 Hz。这也验证了前面的猜测，1 105 Hz车内噪声显著频率与钢轨波磨有关。

式中fp——波磨通过频率；v——车辆运行速度；

λ——车轮直径。

4 结论与建议

针对某地铁车内噪声超标问题，从车辆和轮轨两个方面展开研究，系统测试分析了车辆的牵引、空调系统、车辆结构、轮轨粗糙度等因素对车内噪声的影响特性。研究结论与建议如下：

（1）牵引、空调系统噪声对运行车辆车内噪声影响较小。

（2）车内噪声的显著频带为400 Hz～800 Hz、1 105 Hz，其与车轮非圆没有直接关系，1 105 Hz与钢轨打磨后周期性磨痕有关。400 Hz～800 Hz激励源有待进一步进行噪声传递路径分析。周期性地镟轮和打磨，有利降低噪声整体水平。

（3）车辆内移门存在漏风问题，车外噪声以透射噪声传入车内。需要增强车门处的密封隔声水平。

（4）轮轨或轨道此频段振动激励经过轴箱-构架-车体传递，进而激励车内内装等结构振动产生辐射噪声。

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Analysis of the Excessive Interior Noise in a Metro Coach

XU Xiao-tang1,JIN Xue-song2
（1.CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.Ltd.,Qingdao 266031,Shandong China;2.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The excessive interior noise in a Metro coach is studied in the aspects of vehicles and wheel-rail system by field tests.The influences of the traction system,the air conditioning,wheel-rail roughness and the vehicle structure on the vehicle interior noise are analyzed with the Brüel&Kjær test system.The results show that the traction system and the air conditioning only have slight influence on the interior overall sound pressure levels,whose resonance frequency bands are 400 Hz-800 Hz and 1 105 Hz,which have no direct relationship with the out-of-round of wheels,while the 1 105 Hz has some relation to the rail grinding scrapes.Excessive interior noise is caused mainly by the following two factors:one is the transmission noise caused by the air leakage of the door,and the other is the structure-borne noise due to the excitation of the vibration transferred from the wheel-rail through the axle box and the framework and finally into the coach.This excitation results in the vibrations of the interior appurtenances that generate the acoustic radiation.The research results have some reference value for the interior noise reduction of the metro coaches.

acoustics;interior noise;transfer path;metro;vibration;acoustic radiation

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.016

1006-1355(2017)05-0075-05+102

2017-03-07

国家自然科学基金青年基金资助项目(51605394；51605395)

许孝堂（1987－），男，山东省临沂市人，研究生，主要研究方向为轨道车辆减振降噪技术，钢轨打磨技术研究。

E-mail:sky_xxtang@yeah.net