地铁车内噪声影响因素分析与改善

郭建强，孙召进，刘宗财，朱雷威

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司工程研究中心，山东 青岛 266111）

地铁车内噪声影响因素分析与改善

郭建强，孙召进，刘宗财，朱雷威

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司工程研究中心，山东 青岛 266111）

地铁车辆的主要噪声源是轮轨噪声，该噪声经过隧道壁面的反射，在隧道内形成混响声场，然后透过车体结构传递到车内，影响车内乘坐舒适性。研究经典理论和相关标准中对轮轨噪声影响因素的定性论述，通过国内地铁实测数据，定量分析各因素对车内噪声的具体影响程度。在此基础上，提出地铁车内噪声综合控制建议，供地铁线路规划设计参考。

声学；地铁；粗糙度；轨道衰减率；混响；隔声量

城市地铁车辆运营速度通常在60 km/h～80 km/h，相关研究已证明，该速度级下的主要噪声源为轮轨噪声[1]。而轮轨噪声的产生机理复杂，影响因素很多，对各因素的综合控制措施，通常决定了轮轨噪声的大小。运营环境方面，地铁车辆主要在隧道内运行，并且地铁隧道大都是单线隧道，截面积小，隧道内混响较大，轮轨噪声经隧道壁面的多次反射后，噪声级加强，对车内噪声的影响进一步加大。另外，为减小地铁线路对周边环境的影响，很多路段轨道板采用减振结构，能够有效减小车辆运行振动向路基方向的传递。但是，从能量守恒的角度考虑，多余的能量必然要传递到车辆结构中，因此常常导致车辆的低频振动和噪声问题更加突出。地铁车辆本身具有快速乘降、载客量大、成本控制严格等特点鲜明，同时受整车密封性、噪声控制产生的附加质量、高性能降噪材料价格昂贵等因素影响，给整车降噪设计带来很大的挑战。

本文针对地铁车辆噪声面临的诸多问题，以运营状态车内噪声为目标，系统研究了影响因素的作用，并从标准完善，控制措施等方面提出改善建议。

1 轮轨噪声的频率成份构成

英国南安普顿大学振动噪声研究所（ISVR）的David Thompson教授在其专著《Railway Noise and Vibration》中[1]，对轮轨噪声进行了深入研究后，提出轮轨噪声的大小与速度的3次方成正比，也就是说，车辆运营速度提高1倍，轮轨噪声增加约9 dB。同时，Thompson教授利用Twins软件分解出车轮噪声、钢轨噪声、轨枕噪声的主要频段，如图1所示，各部分噪声的主要频率为：

1)轨枕噪声：400 Hz以下；

2)钢轨噪声：500 Hz～1 000 Hz；

3)车轮噪声：1 250 Hz以上。

图1 轮轨噪声的主要频率成分构成[1]

国内某地铁线路实测结果表明，由于轨道线路条件的差异，同一列车辆在不同路段区间的噪声频谱差异很大，钢轨和轨枕噪声对应的峰值较为明显，由于采用了阻尼车轮，轮对噪声对应的峰值不显著。根据噪声频率特性，可以将轨道大致分为三种类型，如图2所示。

图2 国内某地铁线路的噪声典型频谱

1)类型1：500 Hz～1 000 Hz频段出现明显峰值，为轨道辐射噪声，是地铁车辆噪声的主要峰值；

2)类型2：无明显峰值；

3)类型3：200 Hz以下、500 Hz～1 000 Hz出现两个峰值，这是由于弹性轨道板和轨道辐射噪声两个因素造成的。

2 轨道特性对噪声影响研究

2.1 轮轨粗糙度对噪声影响研究

《ISO 3381-2005铁路应用-声学-有轨车辆内的噪声测量》附录A中，给出了钢轨粗糙度极限谱。轨道车辆噪声试验的轨道粗糙度应低于该限值曲线，否则可能会导致异常噪声问题[2]。

国内某采用了弹性扣件的地铁线路在运营了一段时间后，出现噪声和振动急剧加大的问题，车内噪声甚至超过90 dB(A)。经测试，该问题是由于轨道出现严重波磨导致，测试结果表明，该路段轨道的粗糙度，不仅超过了ISO规定的限值，而且出现明显峰值，结果如图3所示。

图3 国内某地铁线路的轨道波磨谱

2.2 轨道衰减率对噪声影响研究

轨道辐射噪声与轨道衰减率有关。《BS EN 15461:2008+A1:2010铁路应用噪音排放轨道车辆通过噪声测试用轨道动态特性描述》标准中详细规定了噪声型式试验用轨道衰减特性测试方法[3]。《ISO 3095-2013声学铁路应用轨道机车车辆发射噪声测量》中，规定轨道衰减率不得低于图4所示的曲线[4]。

图4 ISO3095规定的轨道衰减率下限

国内某地铁线路轨道垂向衰减率测试结果显示，除1 250 Hz外，其他频段垂向衰减率大都比ISO 3095的规定的下限值还低，尤其是在噪声峰值对应的400 Hz～800 Hz频段，轨道的垂向衰减率远远低于ISO 3095规定的下限值，可能是导致该频段噪声峰值突出的主要原因，如图5所示。

奥地利Deutsch-Wagram线的实测结果表明[5]，通过在轨道上安装阻尼片并安装减振垫等对轨道进行减振处理后，可有效降低轨道辐射噪声，可降低400 Hz～800 Hz频段噪声10 dB左右，如图6所示。

图5 国内某地铁线路轨道垂向衰减率测试结果

图6 (a)奥地利Deutsch-Wagram线轨道减振措施

图6 (b)奥地利Deutsch-Wagram线轨道采取减振措施后降噪效果

2.3 浮置板道床对噪声的影响

在某地铁车辆试验期间，车辆经过某些路段时，突然出现明显的低频“轰隆”声，在频谱图上，该噪声对应低频段，如图7所示（横坐标为频率，纵坐标为时间，颜色深浅为声压级大小），100 Hz以下，存在声压级较为突出部分。对照线路图分析发现，该路段为浮置板道床结构，结合轮轨噪声理论，可以断定该噪声由浮置板道床引起。

由于该峰值比400 Hz～800 Hz间的噪声峰值小10 dB(A)以上，因此对A计权噪声总值影响不大，但主观听觉不舒适感很强烈，对比分析图8所示浮置板道床与非浮置板道床的车内噪声频谱特性曲线，浮置板道床对应的峰值为80 Hz左右，幅值相对突出，产生较为明显的听觉感受。

图7 浮置板道床导致的低频噪声三维图

图8 浮置板道床与非浮置板道床噪声频谱

3 隧道环境对噪声影响研究

为了对比隧道环境对车辆噪声的影响，本文从两方面进行了研究：一是测试隧道内混响时间，从理论上计算混响产生的附加声压级；二是用同一辆地铁车辆，分别测试相同速度级下在隧道和明线运行时的车内噪声，对比两者的差异。测试结果表明，在400 Hz以上频段，混响产生的附加声压级的理论计算值与实测值较为接近，而车辆在隧道内运行时噪声比明线运行时高11 dB(A)～20 dB(A)，结果如图9所示。

图9 隧道和明线噪声对比

4 车辆隔声性能对噪声影响研究

为了满足乘客快速上下车的需求，很多地铁车辆选择了内移门结构，该结构的车门在车辆设计时很难保证密封性，对车辆噪声影响较大。实车隔声量测试结果表明，内移门下部区域隔声量只有22 dB，在高频有明显的漏声问题，而塞拉门结构整体隔声性能较好，测试结果如图10所示。线路测试结果表明，换装塞拉门后，车内噪声可降低3 dB(A)～5 dB(A)。

图10 内移门和塞拉门隔声量对比

5 地铁车内噪声改善建议

5.1 关于地铁车辆噪声标准修订

目前，地铁车辆噪声限值及测试方法主要执行《GB 14892-2006城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》标准，但该标准只规定了车辆中部位置的噪声限值，且对测试线路等条件规定很模糊。随着国内城市轨道交通的快速发展，该标准已难以满足工程应用的需要，作者建议从以下几方面进行完善：

1）测试条件：采用相关ISO标准的规定，明确噪声试验用线路和轨道条件，车辆的噪声型式试验，不一定要在正线上进行，而应该在满足试验条件的线路上进行测试；

2）完善车辆不同区域限值标准：对车辆中部、端部、车间连接处的噪声限值应进行不同的限定；

3）以明线试验结果作为车辆考核指标，隧道试验结果作为地铁系统整体考核指标：目前标准中规定了明线和隧道两项指标，而隧道环境是车辆系统无法控制的，会带来明线达标，隧道运行不达标的情况；另外，有些地铁正线全部为隧道环境，存在无法进行明线测试的问题。

5.2 关于地铁线路噪声控制

地铁线路规划和建设过程中，建议从以下五方面采取噪声控制措施：

1）线路建设时，应综合考虑环境减振和车辆降噪的要求，谨慎选择轨道减振结构。建议尽量采用刚度较大的减振结构，降低低频噪声对车辆的影响；

2）适当提高道路建设标准，保证线路的平顺性；

3）选择振动衰减率大的轨道和安装结构形式，同时建议对钢轨进行阻尼减振处理或声屏蔽处理。欧洲的应用经验表明，这些措施能够有效减小400～800 Hz频段的轨道声辐射，有助于车内外噪声控制；

4）制定轨道定期打磨和车轮定期镟修流程，保证轨道和车轮的粗糙度；

5）隧道环境内，采取适当的吸声措施。建议适当采用吸声道床、吸声隧道壁等结构，以降低隧道内混响噪声

5.3 关于地铁车辆噪声控制

车辆采购和设计制造时，选择密封和隔声性能优良的结构，提高车辆的隔声降噪性能，建议采用塞拉门并加强车辆过线孔密封等措施。

6 结语

地铁车内噪声是整个地铁系统共同作用的结果，主要噪声源是轮轨噪声，隧道内混响和车体结构隔声性能也会影响车内噪声。因此，地铁车内噪声的控制，应从线路和车辆两方面进行综合治理，其中降低轮轨噪声是根源。本文在对车内噪声综合影响因素研究的基础上，提出了一些噪声控制建议，但这些建议的落实，需要地铁公司、高校和科院院所、线路建设方、车辆制造企业加大研究投入，提出高效、经济的综合解决方案。

[1]DAVID THOMPSON.Railway Noise and Vibration[M].Elsevier Science,2008:12-36.

[2]ISO 3381-2005铁路应用-声学-轨道车辆内部噪声测量[S].

[3]BS EN 15461-2008+A1-2010铁路应用噪声排放轨道车辆通过噪声测试用轨道动态特性描述[S].

[4]ISO 3095-2013声学铁路应用轨道机车车辆发射噪声测量[S].

[5]KOLLER,GUNTHER.“Noise barrier”directly on the rail[R].01207180,DVV Media Group,2010:8-12.

Analysis and Improvement of the Factors Influencing Interior Noise of the Metro

GUO Jian-qiang,SUN Zhao-jin,LIU Zong-cai,ZHU Lei-wei
（National Engineering Research Center for High-speed EMU of CRRC,Qingdao Sifang Co.Ltd.,Qingdao 266111,Shandong China)

The main noise source of the Metro is the wheel-rail noise.This noise will generate a reverberation sound field in the tunnel after reflecting from the tunnel’s wall and then penetrating the carriage’s structure into the carriage,which will affect the riding comfort.In this paper,the qualitative statements of the influence factors of the wheel-rail noise in classical theories and the relevant standards are studied.The test data acquired in the domestic Metro lines is used to quantitatively analyze the influence of each factor on the noise inside the carriage.On this basis,suggestions for comprehensive control of the noise inside the Metro are put forward.This work may provide a reference for the subway route planning.

acoustics;metro;roughness;rail attenuation rate;reverberation;sound insulation amount

TU112.3

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.018

1006-1355(2017)05-0084-04

2017-03-09

地铁噪声影响因素及控制技术研究（2017CCB111）

郭建强（1980－）：男，山东省青岛市人，博士生，主要研究方向为轨道车辆噪声控制。

E-mail:guojianqiang@cqsf.com