列车在不同弹性扣件区段车内振动噪声的对比研究

谢蓥松，王安斌，戚柳飞

（上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海201620）

随着城市轨道交通在中国的飞速发展，轨道车辆本身所带来的振动噪声问题也日益得到人们的重视。为了解决城市轨道交通对沿线环境产生的振动噪声问题，国内外采用了一系列轨道减振降噪措施，弹性扣件是其中非常有效的措施之一[1–2]。扣件应有足够的刚度、合适的弹性和满足使用要求的耐久性，并保证钢轨与轨枕的连接安全可靠。当钢轨扣件系统具有较大的弹性时，可以有效减小轮轨作用力，实现轨道交通减振降噪的目的。

但是轨道交通对环境的影响不仅仅包括对线路外部环境的影响，也应包括对列车的内部环境的影响。轨道交通对环境的影响是一个系统工程，不能一味地为追求减少对外部环境的影响，而降低车辆内部的环境质量。车内声学环境舒适性也是影响轨道交通行业竞争力的一个重要因素。

现对运行在具有不同弹性的两种型号扣件区段上的地铁A 型车进行车内振动和噪声测试，来研究扣件系统弹性的变化对轨道车辆车内振动噪声的影响。

1 振动噪声的评价指标

噪声评价指标为声压级，由于人耳对不同频率的声音的感受程度也是不一样的，同样强度的声音，若其频率不同，则人耳的感受也不同，A计权得到的结果与人耳感觉十分接近，因此应用十分广泛。在本文中，对轨道交通列车车内噪声同时采用线性声级和A声级进行分析。

目前城市轨道交通的车内振动评价并没有一个统一的规范，而涉及影响人体的振动问题和环境振动问题中表明振动大小的量常用加速度，而不用位移和速度，故本文采用的振动评价指标是振动加速度级。人能感觉到的振动频率范围为1 Hz～1 000 Hz，其中1 Hz～80 Hz为敏感频率段，这主要是由于人体各种组织器官的共振频率集中在这个范围[2]。因为Z 振级是反映人体竖直方向对环境振动的感受，X 振级是反映人体水平方向对环境振动的感受（计权因子见规范GB/T13441.1-2007），故在本文中，轨道交通列车车内垂向振动和横向振动分别采用Z振级和X振级进行分析。

2 现场测试过程

在弹性扣件区段和普通扣件区段上测量车内振动噪声，进行对比试验。线路上弹性扣件的动刚度在疲劳试验前约为10 kN/mm～15 kN/mm，300万次疲劳试验后约为15 kN/mm～18 kN/mm；一般型扣的动刚度在疲劳试验前约为30 kN/mm～35 kN/mm，300 万次疲劳试验后约为35 kN/mm～40 kN/mm。

测试车辆为轨道交通A 型车，一动一拖两节编组，线路为直线段平坡轨道。

根据《声学－轨道机车车辆内部噪声测量》（GB/T3449-2011）和《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB5599-1985）规定和列车车体结构，测试中的噪声测点的布置如图1所示。振动传感器位置如图2所示。

噪声测点1：贯通道中央1.6 m(车体结构薄弱位置)；

噪声测点2：转向架上方1.2 m(车内主要噪声源)；

图1 噪声测点布置图

噪声测点3：转向架上方1.6 m(车内主要噪声源)；

噪声测点4：车体中央1.2 m（GB14892-2006）；

噪声测点5：车体中央1.6 m（GB14892-2006）；

噪声测点6：端部车门中线与车体纵向中线交点1.2 m(车体结构薄弱位置)；

噪声测点7：端部车门中线与车体纵向中线交点1.6 m(车体结构薄弱位置)；

噪声测点8：司机室地板中部1.2 m（GB14892-2006）。

图2 振动测点布置图

振动测点1：车体端部车窗，Y向；

振动测点2：车体中部车窗，Y向；

振动测点3：转向架上方地板面，Z、Y、X向；

振动测点4：车体中央地板面，Z、Y、X向；

振动测点5：端部车门中线与车体纵向中线交点处地板面，Z、Y、X向。

测试中采用的振动加速度传感器型号为丹麦BK8340（灵敏度为10 000 mV/g，频率范围为0.1 Hz～13 kHz，动态范围为±0.5 g）和LC0152 内装IC 压电式（灵敏度为100 mV/g，频率范围为0.7 Hz～10 kHz，动态范围为±50 g），声压传感器为丹麦BK4189（灵敏度为50 mV/Pa，频率范围为6.3 Hz～20 kHz，动态范围为14.6 dB～146 dB），采集仪为东方所INV3060S多通道数据采集记录仪，数据采集处理软件为东方所DASP-V10，其他测试设备还包括三脚架、数据线等。

根据标准规范和现场行车条件，选择试验车速为40 km/h，在两种不同弹性扣件地段至少进行6次以上测量，取这组测量数据的算术平均值作为试验结果，如果相同条件下该组读数的最大差值超过3 dB，那么数据无效，要重新进行测量。

3 车内噪声对比分析

3.1 声压级分析

根据文献资料可知，当列车速度v≤240 km/h时，车内噪声的主要噪声源为轮轨噪声，超过了列车总噪声能量的2/5。车内噪声主要是车轮在钢轨表面上运行产生的滚动噪声通过转向架附近地板传入车内，同时结构噪声和空气噪声激励车体外壳，车内地板、两侧墙板以及车窗等产生振动扰动周围空气向车内辐射，进一步提高噪声能量[2]。

测试采集各通道信号后，进行计算和分析，根据本次测试结果，背景噪声低于试验声压约20 dB(A)～30 dB(A)，符合试验规范要求。不同弹性扣件地段车内不同位置噪声测点的总声压级如图3所示。

由图3可知：

图3 不同弹性扣件地段噪声声压级对比

（1）车速为40 km/h时，在两个不同弹性扣件地段，测点1（贯穿通道中央1.6 m）、测点2（转向架上方1.2 m）和测点6（端部车门中线1.2 m）的声压级值都高于其他测点，测点4（车体中央1.2 m）、测点5（车体中央1.6 m）和测点8（司机室中部1.2 m）的声压级值都小于其他测点；不同位置的声压级差值在8 dB～10 dB左右；这说明车内不同位置的车内噪声差别较大，车厢两端部的噪声远大于车厢中部的噪声。

（3）各测点的声压级在弹性扣件地段比在普通扣件地段略大；测点1、测点2、测点3、测点6和测点7 的声压级在弹性扣件地段比在普通扣件地段高2 dB～3 dB 左右；测点4、测点5 和测点8 的A 声级在在弹性扣件地段比在普通扣件地段高0.5 dB～1 dB左右；这说明扣件系统弹性变化对转向架上方、端部车门附近和贯通道中央的噪声影响较大，对车体中央和司机室的噪声影响较小。

3.2 噪声频谱分析

用1/3 倍频程来分析车内噪声的线性声级和A声级。图4所示为车内不同位置噪声测点的线性声级和A声级的1/3倍频程。由图4可知：

（1）各个测点在弹性扣件区段和普通扣件区段的1/3倍频声压级图变化趋势一致，且在2 000 Hz～5 000 Hz高频范围内弹性扣件区间和普通扣件区间噪声声压级的差异很小，说明扣件刚度的变化并不会影响车内噪声的峰值频率和高频段的噪声。

（2）车内8 个噪声测点的线性声级频谱都呈宽频带分布，噪声能量主要集中在20 Hz～800 Hz的中低频范围内，A 声级则主要集中在125 Hz～800 Hz的中低频范围内；车内噪声的线性声级和A 声级在100 Hz～2 000 Hz 的范围内在弹性扣件地段比在普通扣件地段大，差值约2 dB～5 dB，而在25 Hz～80 Hz 的范围内在弹性扣件地段比在普通扣件地段反而略小。

（3）贯穿通道中央上方1.6 m 处噪声线性声级和A 声级都在125 Hz 左右出现峰值；转向架上方1.2 m 处噪声的线性声级和A 声级都在200 Hz 左右出现峰值，转向架上方1.6 m处噪声的线性声级和A声级都在160 Hz左右出现峰值；车体中央上方1.2 m和1.6 m处噪声的线性声级和A声级都在160 Hz左右出现峰值；车门中线上方1.2 m 和1.6 m 处噪声的线性声级和A 声级都在160 Hz左右出现峰值；而司机室与车厢内噪声频谱不同，司机室中央上方1.2 m处噪声线性声级在125 Hz 左右出现峰值，A 声级都在630 Hz左右出现峰值。

（4）转向架上方1.2 m 处的声压级最大值比1.6 m 处大，相差3 dB 左右；车体中央上方1.2 m 处的声压级和1.6 m 处非常接近；车门中线上方1.2 m 处的声压级和1.6 m 处非常接近；贯穿通道中央上方1.6 m 处和转向架上方1.2 m 处的声压级远大于其余测点，说明越靠近转向架，车内噪声越明显。

4 车内振动对比分析

4.1 振动加速度级分析

地铁列车的车体是由车底架、侧墙、车顶、端墙（驾驶室）四大部分组成的封闭筒形薄壳整体承载结构，列车底架承托着车体，是车体的基础。在地铁列车运行时，车体底架还承受运行过程中所引起的轮轨作用力和各种其它外力。A型地铁列车的车窗采用玻璃+中空层+玻璃的结构，具有抗冲击性、难燃性、隔热、隔音、抗压力波等功能[3]。由参考文献[4]可以知道，车窗处的振动比侧墙大，故对车窗上的横向振动进行测量和分析。图5所示为车内各个振动测点的振动加速度级。

由图5可知：

图4 车内噪声线性声级和A声级频谱图

（1）从端部车门中心线对应的地板到车体中央地板，垂向振动加速度级降低了约15 dB，横向振动加速度级降低了约5 dB，纵向振动加速度级降低了约10 dB；车厢底板面上各测点垂向振动最大，比纵向振动高5 dB～10 dB；由于端部车门中线与车体纵向中线交点比较靠近转向架，其振动受到转向架和车厢贯通道连接的影响，故端部车门中心线地板垂向振动最大，比其他测点振动高10 dB～20 dB；这说明越靠近车厢端部，垂向、横向和纵向振动都越大；

（2）车速为40 km/h时，车窗的横向振动加速度级在115 dB 左右，接近于转向架上方测点的垂向振动加速度级；端部车窗的横向振动加速度级比中部车窗高，差值约为5 dB；

（3）车窗的横向振动随扣件弹性变化很小，转向架上方地板测点的垂向、横向和纵向振动加速度随扣件弹性变化较大；在弹性扣件区段上时的车内底板面各个测点的振动加速度级都高于在普通扣件区段上时的值，差值约2 dB～4 dB。

图5 车内不同位置振动加速度级对比

对垂向振动加速度进行1 Hz～80 Hz 范围内的Z计权，对水平振动加速度（包括横向和纵向振动加速度）进行1 Hz～80 Hz 范围内的X 计权，以此来评价车内振动对人体全身的影响。

图6 所示为车内测点垂向加速度的Z 振级对比图，图7 所示为车内测点横向和纵向加速度的X 振级对比图。由图6和图7可知：

图6 车内测点垂向加速度的Z振级对比图

图7 车内测点横向和纵向加速度的X振级对比图

（1）车速为40 km/h 时，车内底板面垂向振动Z振级从车厢两端到中部是不断降低的，且在弹性扣件区段的Z 振级比在普通扣件区段大，差值约为2 dB；

（2）端部车窗比中部车窗的横向振动X振级略高，车窗振动X 振级都高于车内底板面各个测点振动的X振级；随着测点位置的变化，车内底板面同一个方向振动的X 振级变化很小；车内水平方向振动测点的X振级在弹性扣件区段。反而低于在普通扣件区段，差值约4 dB～6 dB。

4.2 振动加速度频谱分析

对在不同弹性扣件区段上车内不同位置测点的振动信号进行1/3倍频程对比分析，得到的振动测点各个方向振动加速度级的频谱如图8 所示。由图8可知：

（1）在弹性扣件区间和在普通扣件区间各个测点同一方向的振动加速度的1/3 倍频振级图变化趋势一致；除了在车门中线和转向架上方对应底板处测点的垂向振动外，其他水平方向的振动在3 150 Hz～5 000 Hz高频范围内在弹性扣件区间和在普通扣件区间加速度级差异很小，说明扣件刚度的变化并不会影响车内振动加速度级的峰值频率和高频段的振动。

（2）车窗的横向振动加速度级的频谱都呈宽频带分布，振动能量主要集中在12.5 Hz～800 Hz的中低频范围；车内底板面处3 个测点不同方向振动加速度级的频谱都呈宽频带分布，振动能量主要集中在100 Hz～1 000 Hz 的中低频范围内；不同位置测点在各个方向的振动加速度级在315 Hz～2 000 Hz的范围内在弹性扣件地段时比在普通扣件地段时大，差值约6 dB～10 dB，而在10 Hz～80 Hz 的范围内在弹性扣件地段时比在普通扣件地段时略小。

图8 在不同弹性扣件区段上车内振动测点频谱图

（3）端部车窗的横向振动大于中部车窗，端部车窗横向振动加速度级在20 Hz、100 Hz、250 Hz 左右出现峰值，中部车窗横向振动加速度级在20 Hz、100 Hz、315 Hz左右出现峰值；车内底板面3个测点3个方向的振动都是垂直振动最大，且端部车门中线对应的底板处振动测点的垂向振动峰值最大，达到了123 dB；车内底板面处3个测点的垂向振动在200 Hz 左右出现峰值，横向振动和纵向振动都在200 Hz、800 Hz左右出现峰值。

5 结语

本文研究不同弹性扣件对地铁A型列车车内振动和噪声的影响，通过对比在普通扣件区段时和在弹性扣件区段时的车内振动噪声，得到以下结论：

（1）A 型列车车内不同位置处的振动噪声差别较大，车厢两端部的振动噪声大于车厢中部的振动噪声。

（2）车内噪声声压级和车厢底板振动加速度级在弹性扣件地段时比在普通扣件地段时大；扣件系统弹性变化对转向架上方、端部车门附近和贯通道中央的噪声影响较大，对车体中央和司机室的噪声影响较小；车窗的横向振动随扣件弹性变化很小，车厢底板的垂向、横向和纵向振动加速度随扣件弹性变化较大。

（3）车内振动噪声频谱都呈宽频带分布，噪声能量都主要集中在20 Hz～800 Hz的中低频范围内，车窗横向振动能量主要集中在12.5 Hz～800 Hz 的中低频范围，车厢底板振动能量主要集中在100 Hz～1 000 Hz 的中频范围内；车内振动噪声的峰值频率大多都出现在125 Hz、160 Hz、200 Hz左右。

（4）普通扣件刚度是弹性扣件刚度的2～3 倍时，在100 Hz～2 000 Hz 的范围内车内噪声在弹性扣件地段时比在普通扣件地段时大，差值约2 dB～5 dB；在315 Hz～2 000 Hz 的范围内车内振动加速度级在弹性扣件地段时比在普通扣件地段时大，差值约6 dB～10 dB；扣件系统弹性的变化并不会影响车内振动噪声的峰值频率和3 150 Hz以后高频段的振动噪声。

（5）对于车内振动对人体全身的影响，弹性扣件区段上车内垂向振动的Z振级比在普通扣件区段上大，但在弹性扣件区段上水平方向振动的X 振级反而低于在普通扣件区段上的值。