地铁车内噪声特性试验研究

陈俊豪,柯文华,魏 晓,陈 嵘

(1.高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

1 概述

随着现代城市规模日益扩大，轨道交通作为一种新型交通工具，以其运量大、速度快、安全可靠等特点，成为解决城市交通问题的重要手段[1]。列车在轨道上行驶时，作用于钢轨一个交变的移动轮载，再加上轨道的不平顺和轮对的不圆顺，列车和轨道都会产生振动和噪声。为了提高乘客乘车的舒适性，地铁车内噪声问题成为亟待解决的问题。

车内噪声主要来源通常为轮轨噪声[3]。此外，发动机、排气装置、进气口、冷却风扇以及传动系统的噪声也很明显。目前，车上的空调系统由于空调机和管道的安装空间有限，其噪声也不可忽视。固定装置，如安装在车厢地板下或天花板上的压缩机的噪声也应引起重视。噪声通过空气声路径和结构声路径传入车内，经结构声路径传播的噪声多在低频段，经空气声路径传播的多在高频段。

随着公众对车内噪声的关注日益增强，降噪技术也成为了科研人员关注的重点。目前，国内外车内噪声研究也取得了丰富的成果。薛红艳等[4]通过对地铁车辆车内噪声进行测试，分析车内同一工况不同位置噪声分布规律，进行不同速度下各个测点声压级比较。张晓娟等[5]通过对轻轨车辆内部的噪声测试试验，分析了轻轨车辆内部的声场分布规律、噪声频谱特性和噪声通过分析产生的原因，得到轻轨车辆内部主要噪声源是轮轨噪声，频带主要集中在400～2 000 Hz。范蓉平等[6-7]将黏弹性阻尼材料用于车内减振降噪，试验结果表明，改性沥青和水性涂料比丁基橡胶减振降噪效果明显。张捷等[10]通过现场测试，对高速列车客室端部噪声分布特性进行分析研究，并且结合车内、车下振动分析和车内空腔声学模态计算，明确车内客室端部噪声分布的形成机理，在此基础上提出高速列车车内客室端部噪声问题的改善建议。褚志刚等[11]基于结构声的阻抗矩阵传递路径分析方法和空气声的替代源传递路径分析方法，给出一种综合考虑结构声和空气声的车内噪声时域传递路径分析方法，并阐明了实现流程。通过对某一地铁车辆车内噪声进行测试试验，并且使用A计权声压级作为评价方法分析车内噪声分布规律，为城市轨道交通车内降噪问题提供更多理论依据。

2 试验概况

2.1 现场概况

本次试验测试车辆车型为6节编组A型车，该车型设计速度为100 km/h。在地铁空载运行状况下，分别对地铁车辆静止时的背景噪声，以及运行速度在60、70 km/h和80 km/h三个速度下进行车内噪声测试。测试期间无其他车辆运行，车内除试验人员及司机外，无其他乘客，保证了试验数据的准确和非干扰性。试验地点为隧道区，铺设无砟轨道，钢轨为无缝焊接轨。试验采用24位精度，最高采样频率达到51.2 kHz的INV 3060S网络分布式采集分析仪。

2.2 测点位置

根据以往测试结果分析，带有司机室的头车车厢内噪声明显高于其他车厢，所以本次测试以带司机室的头车作为测试地点。测点布置考虑了乘客在车厢内坐立和站立的情况以及车门、车窗、转向架和空调系统等，车内测点布置示意如图1所示。将车厢分为两个断面进行测点布置，其中，转向架上方布置8个测点，车厢中部布置3个测点，各个测点位置如图1所示。

2.3 背景噪声测试

车内噪声是在空调全开时测得的，即噪声值应是轮轨噪声、空调系统噪声等共同叠加的结果。而声压不能直接相加，可利用表1查值来计算。

LP=LP1+ΔLP

(1)

式中LP——总声压级，dB；

LP1——声源1的声压级，dB；

LP2——声源2的声压级，dB。

则根据声压级的叠加原理，若背景噪声与声压级只差超过15 dBA，则无需对测得的噪声值进行修正。列车静止情况下，空调全开时，列车内11个测点的噪声A计权声压级见表2。

图1 车厢测点布置(单位：mm)

dB

表2 A计权声压级 dBA

3 试验结果分析

3.1 车内噪声分布规律

A声级是通过一组A计权的滤波器对不同频率的声压级进行增减，模拟人耳听觉特性。由于其简单方便，故将A声级作为噪声评价指标。表2为不同速度下车厢中11个测点的A计权声压级。

由表2可知，列车在运行时车内各测点声压级与列车静止时声压级差值均超过15 dBA，故背景噪声对车内噪声的影响忽略不计。

由图2可以清楚地看出，当列车以60、70 km/h和80 km/h三个不同速度行驶时，车厢内A计权声压级随着列车行驶速度的增大而增大。近地板处的测点8所测噪声A计权声压级是11个测点所测噪声中的最大值，且随着速度的增加，其值与其他测点之间的差值逐渐增大，说明轮轨作用通过地板透射入车厢内的噪声在车内噪声中占主导。近车窗处的测点9所测噪声A计权声压级最小，由此也可以说明该列车车窗密封环节良好。

图2 实测A计权声压级

3.1.1 坐高和站高处噪声情况比较

比较地铁车辆内乘客坐高1.2 m和站高1.5 m的噪声情况，从图3可以看出，在相同速度下，转向架上方两测点的噪声A计权声压级均大于车厢中部，但两者相差不大。在同一断面，1.5 m处的噪声A计权声压级均小于1.2 m处，且随着速度增加，两者之间的差值增大，其原因是1.2 m处测点距离地板更近，而在列车低速运行时，轮轨作用通过地板透射到车内的噪声是车内的主要噪声，故高度的差别致使坐高处的噪声A计权声压级高于站高处。

图3 坐高与站高处噪声声压级对比

3.1.2 转向架上方噪声情况比较

比较转向架上方各测点噪声情况，从图4可以看出，测点1～测点5即转向架上方1.5 m处横向5个测点，测点1即靠近车门处A计权声压级值最大，而测点3即中心位置处的值最小，横向整体呈现从中间逐渐向两边增大的趋势，测点1和测点5的值与车厢内其他测点的值相比差距不大，由此也可以说明车门密闭性良好。

比较测点3和测点6～测点8即转向架上方纵向4个测点可知，测点8即靠近地板处噪声A计权声压级最大，而通过轮轨作用从地板透射入车厢的噪声对车内噪声的影响更大。测点8与测点1和测点5相比，靠近地板处所测噪声值大于靠近车门处。

图4 不同测点下噪声声压级对比

3.2 车内噪声频谱分析

为了了解列车运行时车内噪声频谱特性，对车内11个测点噪声进行频谱分析，并绘制其频谱特性曲线进行研究。在不同速度下，车内坐高1.2 m和站高1.5 m处噪声特性频谱图如图5所示。图6为时速80 km转向架上方和车厢中部位置处各测点噪声特性频谱图。

图5 站高与坐高处噪声特性频谱图

图6 转向架上方各测点噪声特性频谱

3.2.1 坐高和站高处噪声的频谱分析

从图5可以看出，坐高1.2 m和站高1.5 m处噪声频带主要集中在20～125 Hz和500～800 Hz处。由于铁路噪声主要由牵引噪声、轮轨噪声和空气动力噪声等组成，列车速度在35～250 km/h时，轮轨噪声占主导[3]。而车速对车内噪声的影响十分明显，随着车速的增加，车内噪声线性声压级也随之增加。对比车速60、70 km/h和80 km/h三个速度下各个测点对应的噪声特性频谱图可以看出，随着速度的增加，500～800 Hz处中高频成分突出，而对中低频处噪声影响相对较小。由此可知，随着列车运行速度的增加，噪声在500～800 Hz处中高频成分突出，说明运行速度对列车车内噪声中高频影响较大，而对中低频影响相对较小。

3.2.2 转向架上方噪声的频谱分析

由图6可以看出，在80 km/h的速度下，11个测点的车内噪声的主频都主要集中在20～125 Hz和500～800 Hz处。其中，在20 Hz和630 Hz处11个测点噪声值均达到峰值，630 Hz以后，噪声特性曲线逐渐衰减，这是由于中高频波长短，衰减速度快。对于转向架上方横向5个测点来说，其频谱特性几乎一致。而对于纵向4个测点，测点6即靠近空调机组处噪声线性声压级在80～125 Hz处相较于其他3个点更高，说明空调机组内部风机压缩机的机械振动对车内噪声在80～125 Hz处有较大的贡献值。

4 结论

对某地铁轨道交通车内噪声进行现场实测后，选出效果较好的数据进行分析，并且计算车内噪声各测点A计权声压级和线性声压级，得到主要结论如下。

(1)在同一断面，站高1.5 m处的噪声A计权声压级均小于坐高1.2 m处，且随着速度的增加，两者之间的差值增大，其原因是坐高1.2 m处测点距离地板更近，而在列车低速运行时，轮轨作用通过地板透射到车内的噪声是车内的主要噪声，故高度的差别致使坐高处的噪声A计权声压级高于站高处。

(2)转向架上方横向各测点A计权声压级整体呈现从中间逐渐向两边增大的趋势。从转向架上方纵向各测点来看，空调机组对车内噪声的影响相对较小，而通过轮轨作用从地板透射入车厢的噪声对车内噪声的影响更大。

(3)随着列车运行速度的增加，噪声在500～800 Hz处中高频成分突出，说明车辆运行速度对列车车内噪声中高频影响较大。

(4)对于纵向4个测点，测点6即靠近空调机组处噪声线性声压级在80～125 Hz处相较于其他3个点更高，说明空调机组内部风机压缩机的机械振动对车内噪声在80～125 Hz处有较大的贡献值。