城市轨道交通轮轨噪声主动控制措施应用研究

李克飞,王 进,石 熠,孙 鑫

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 100068； 2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室,北京 100068)

引言

城市轨道交通快速发展的同时也引发一定的噪声污染， 多个城市轨道交通线路收到乘客关于噪声的投诉。为提升城市轨道交通服务质量，增强其可持续发展能力，控制城市轨道交通噪声势在必行。

明确噪声源头是有效控制噪声的前提。轨道交通噪声源包括轮轨噪声、牵引噪声、隧道内空气动力噪声、桥梁结构噪声，车内还包含空调、风扇噪声等[1]。其中，因车轮与钢轨间滚动冲击、摩擦等相互作用而引起的轮轨噪声，是城市轨道交通主要的噪声源之一，在小半径曲线地段及钢轨波磨地段尤为突出[2-3]。

针对轮轨噪声，国内外专家、学者利用现场测试、数值模拟和解析分析等方法，探讨了轮轨噪声的产生机理[4-5]、频率及分布特性[6-8]、影响因素及控制措施[9-12]等。目前，相关标准[13]规定了城市轨道交通列车噪声的限值要求及测量方法等，但仅适用于列车的设计、制造和检验，仍缺乏运营列车内噪声的限值要求。

结合相关测试，对城市轨道交通轮轨噪声的频率特性及影响因素进行分析，并针对性研究了车速调整、钢轨打磨、车轮镟修、钢轨阻尼降噪装置等轮轨噪声主动控制措施的降噪效果，进而提出轮轨噪声的防、治措施建议。

1 轮轨噪声频率特性及影响因素

选取地铁某曲线地段车内噪声进行测试分析。测试线路由半径R=300 m的“S” 形曲线和夹直线组成，曲线地段铺设钢弹簧浮置板轨道，列车通过速度为50～55 km/h，钢轨踏面存在特征频率为60～80 Hz的波浪形磨耗。

1/3倍频程谱[14]能体现各频段噪声能量分布，列车通过以上“S” 形曲线的车内噪声1/3倍频程谱如图1所示，图2为部分中心频率噪声声压级谱值的时变曲线，其中纵坐标为噪声声压级Lp

(1)

式中，Lp为声压级，dB；p为中心频率对应的噪声声压，Pa；p0为基准声压值，取2×10-5Pa。

图1 车内噪声1/3倍频程谱

可见车内噪声存在10～20 Hz、50～80 Hz和600～800 Hz三个主要频段。分析可知，10～20 Hz低频段噪声与钢弹簧浮置板轨道系统自振频率[15-16]相关；中心频率63 Hz和80 Hz的车内噪声在曲线段出现峰值，50～80 Hz中频段噪声与曲线段钢轨波磨特征频率吻合，且此频段噪声最为突出；600～800 Hz高频段噪声是曲线段轮缘接触钢轨产生的窄频带摩擦噪声[17]。

综上分析，车内主频噪声主要源于轮轨相互作用，且与轨道系统特性、轮轨磨耗状态及线路参数等因素相关。

图2 部分中心频率声压级时变曲线

2 主动控制措施应用

噪声控制措施包括减少激振源、增加阻尼、吸声材料或声屏障等。结合噪声在线测试，以噪声等效A声级[13]及1/3倍频程谱(20～2 000 Hz)作为对比指标，针对性分析车速调整、钢轨打磨、车轮镟修、钢轨阻尼降噪装置等轮轨噪声主动控制措施的应用效果。

2.1 车速调整

轮轨噪声随着列车速度的变化而变化[18]，在车厢内安装声压计，如图 3所示，对动车(Mp车)客室内噪声进行在线测试，针对性分析车内噪声随车速变化情况。

图3 车内噪声测点

不同车速下车内噪声等效A声级如表1所示，可以看出随着列车速度降低，车厢内部噪声值降低明显，每减速20 km/h，车内噪声降低5 dB(A)。

表1 不同车速下的车内噪声等效A声级

图4 不同车速下噪声1/3倍频程谱对比

不同车速下车内噪声1/3倍频程谱如图4所示，可以看出随着车速降低，200 Hz以上频段声压级降低较为明显。

2.2 钢轨打磨

钢轨波浪形磨耗会加剧轮轨振动，增加轮轨噪声。为了降低轮轨噪声，可利用打磨措施去除钢轨波磨[19-20]。根据相关工务养护维修规则:“钢轨波磨波深接近0.5 mm时，应及时安排打磨，打磨后波深不大于0.3 mm”。

在车厢内安装声压计，波磨地段钢轨打磨前、后车内噪声等效A声级如表2所示，可以看出钢轨打磨能够降低车内噪声3～5 dB(A)。

表2 钢轨打磨前后车内噪声等效A声级 dB(A)

钢轨打磨前、后车内噪声1/3倍频程谱如图5所示。可以看出，钢轨打磨能有效降低各频段车内噪声，100 Hz附近降噪效果不明显，说明此特征频率附近钢轨波磨打磨不彻底，钢轨打磨质量直接影响轮轨噪声控制效果。

图5 钢轨打磨前后噪声1/3倍频程谱对比

2.3 车轮镟修

与钢轨类似，车轮踏面也存在周期性磨损和波浪形磨耗。当轮对在轨面上滚动时，轮面不平顺会导致轮轨相对运动及本身弹性振动，向外辐射轮轨噪声[10]。对磨耗到限车轮开展相关镟修工作，以降低轮轨噪声。

在车厢内安装声压计，车轮镟修前、后车内噪声等效A声级如表3所示，可以看出车轮镟修能够降低车内噪声4～6 dB(A)。

表3 车轮镟修前后车内噪声等效A声级 dB(A)

车轮镟修前、后车内噪声1/3倍频程谱如图6所示。可以看出，车轮镟修能有效降低各频段轮轨噪声。

图6 车轮镟修前后噪声1/3倍频程谱对比

2.4 安装钢轨阻尼降噪装置

在轮轨噪声明显地段可采用针对性的局部处理措施，钢轨阻尼降噪装置是在钢轨上附加调频式阻尼措施，以降低轮轨噪声。

钢轨阻尼降噪装置安装段位于半径R=800 m的曲线上，铺设了梯形轨枕，列车通过速度为85 km/h，轨面存在特征波长为125 mm的波浪形磨耗。钢轨阻尼降噪装置安装前、后进行轨旁噪声测试，以评估其降噪效果。声压计安装在钢轨外侧，高度与轨面平齐，方向垂直于钢轨纵向，如图7所示。

图7 钢轨阻尼降噪装置安装位置及噪声测点布置

安装前轨旁噪声等效A声级为112 dB(A)，安装后为105 dB(A)，降低7 dB(A)。安装前、后轨旁噪声1/3倍频程谱如图8所示，可以看出，全频段轨旁噪声因钢轨阻尼降噪装置而降低，200 Hz以上频段轨旁噪声降低效果较为明显。

图8 钢轨阻尼降噪装置安装前后噪声1/3倍频程谱

3 结论

轮轨噪声是城市轨道交通主要的噪声源之一。结合运营线路噪声测试，对城市轨道交通轮轨噪声频率特性及影响因素进行分析，针对性研究了车速调整、钢轨打磨、车轮镟修、钢轨阻尼降噪装置等主动控制措施的降噪效果。

(1)轮轨噪声随车速变化明显，每减速20 km/h，车内噪声降低5 dB(A)，车速对200 Hz以上频段噪声影响较为显著。

(2)轮轨噪声与车轮、钢轨磨耗状态密切相关，钢轨打磨能降低车内噪声3～5 dB(A)，车轮镟修能够降低车内噪声4～6 dB(A)，打磨及镟修质量直接影响降噪效果。

(3)钢轨阻尼降噪装置能降低轨旁噪声7 dB(A)，200 Hz以上频段噪声降效较明显。

结合城市轨道交通轮轨噪声影响因素及相关降噪效果，提出以下轮轨噪声防、治措施建议。

(1)优化新建线路规划设计，避免小半径“S”形曲线，综合考虑减振措施，提高线路平顺性，改善轮轨匹配关系，降低轮轨噪声。

(2)细化既有线钢轨打磨、车轮镟修管理办法、技术要求和验收标准，加强钢轨打磨、车轮镟修的差异化、精细化管理，确保打磨及镟修质量，降低轮轨噪声。