不同轨道结构地铁噪声辐射测试及分析

张啟乐，刘林芽，陈高峰

（1.中国电子系统工程第二建设有限公司，江苏 无锡 214135；2.华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，南昌 330013；3.隔而固（青岛）结构设计事务所有限公司,山东 青岛 266108）

钢弹簧浮置板作为一种成熟有效的隔振系统，在轨道交通减振领域被广泛应用，许多专家学者对钢弹簧浮置板系统做了大量的研究[1–4]。近些年来随着钢弹簧浮置板运营里程的增加，关于钢弹簧浮置板轨道对地铁车辆影响的研究逐渐增多，部分研究成果显示，相对于普通整体道床轨道，列车通过浮置板轨道时车体振动有所增加[5–6]，车内噪声也有一定程度增大[6–10]。

浮置板道床厚度一般设计为300 mm～350 mm[7]，根据频率计算公式可知，其他参数确定的情况下，增加系统配重能降低隔振系统频率，提高减振效果[11]。

由于道床板厚增加除了可以增加系统配重以降低系统频率外，还可以提高板的抗弯刚度，有利于板的结构受力，所以具有厚道床板、低频特性的钢弹簧浮置板的应用也越来越多，本文以长枕埋入式普通整体道床及低频钢弹簧浮置板道床作为对比研究对象，以现场实测的方式分析钢弹簧浮置板道床对车内外噪声的影响。为使表述简洁，下文将钢弹簧浮置板道床简称为浮置板，长枕埋入式普通整体道床简称普通道床。

1 测试条件说明

1.1 轨道

本次测试选取的某地铁线路区间隧道断面为马蹄型，隧道内铺设60 kg/m 钢轨，扣件为DTⅥ2 型，测试区间上行线浮置板铺设长度270 m，下行线浮置板铺设长度320 m。上下行浮置板厚度均为370 mm，宽度均为3 m，标准板长度25 m，浮置板一阶弯曲频率设计值为8.07 Hz。普通道床与浮置板道床在区间内的分布情况如图1所示。现场勘验显示两种道床轨道状态均良好，钢轨无波磨。

图1 普通道床与浮置板道床在区间内分布图

1.2 车辆

测试的运营车辆为6 节编组B 型车，设计轴重14t，车辆长宽高分别为19 m、2.8 m和3.8 m，区间内列车设计时速为80 km/h，为配合测试，列车以71 km/h速度在两种道床空载运行。

1.3 测试设备

隧道内噪声测试采用LMS SCADAS Mobile SCM01 采集系统，BSWA MPA201 S/N:492171 声传感器及防风罩，采样频率51 200 Hz，车内噪声测试采用手持式B&K2250 Light 声级计，采样频率48 000 Hz。测试前后声传感器灵敏校准均小于0.1 dB，满足GB14892－2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》规定。

1.4 测点布置

噪声测试在隧道内和车厢内同步进行。隧道内测试，在距钢轨顶面0.5 m 与1.2 m 隧道壁处布置两个测点，为防止列车在隧道内运行产生的活塞风影响，声传感器加防风罩，如图2（a）所示；车厢内测试，根据GB14892－2006 规定，传声器布置于客室纵轴中部，距地板高度1.2 m，方向朝上，声级计如图2（b）所示。

图2 测点布置图

上行线在列车前进方向1 车、4 车内布置测点；下行线在列车前进方向1车、3车内布置测点。为消除随机干扰，隧道内及车厢内每个测点均选取10组数据的算术平均值进行分析。

2 隧道内噪声数据分析

2.1 评价指标

等效声级（等效连续A计权声级）能较好地反映人耳对噪声的主观感觉，对人耳不敏感的低频声衰减较多，中频衰减较少，高频不衰减甚至放大[12]，GB14892－2006中给出的便是等效声级的最大容许限值。本文同时计算线性声级（即无计权），以对比分析A计权对噪声评价的影响。

等效声级计算公式如下：

式中：

LAeq,T——等效声级，单位为dB(A)；

t2、t1——规定的时间间隔，单位为s；

pA(t)——噪声瞬时A计权声压，单位为Pa；

p0——基准声压（20 μPa）。

2.2 声压时程

列车通过普通道床与浮置板道床时隧道内各测点典型声压时程曲线（无计权）如图3所示，时程数据频率范围16 Hz～24 000 Hz。

由图3可知，随着列车驶近测点，隧道内声压级逐渐增大；随着列车驶远，测点声压级逐渐减小；在进入浮置板道床地段后，隧道内的声压级在时域上（第5 s左右时刻）有明显的变化。同时还可以发现，在同一道床结构上钢轨顶面0.5 m处测点与1.2 m处测点声压在时域上的幅值基本一致；但不同轨道结构上与轨面相同距离测点的声压幅值不同，浮置板地段的声压幅值高于普通道床地段。

图3 隧道内测点声压典型时程曲线

2.3 1/3倍频程分析

（1）声压级（无计权）分析

为消除列车驶入测试断面之前与驶出测试断面之后对声传感器的影响，仅截取列车通过时间数据进行分析，10 组数据1/3 倍频程声压级（无计权）算术平均值见图4和表1所示。

图4 隧道内0.5 m与1.2 m测点声压级

表1 两种道床声压级（无计权）峰值及峰值频率

由图4可知，相对于普通道床，浮置板地段隧道内的2 个测点无计权声压级在25 Hz～1 000 Hz 与4 000 Hz～20 000 Hz频段有所增大，其中在40 Hz～125 Hz 频段增大量最大；在20 Hz～25 Hz 与1 000 Hz～4 000 Hz 频段，浮置板道床声压级略低于普通道床。

由表1可知，轨道结构相同时，距离轨面近的测点噪声更大，说明轮轨噪声为主要噪声源；道床结构不同，列车运行产生的噪声的峰值频率和峰值均存在较大差异，普通道床地段隧道内噪声的主频在500 Hz～800 Hz，0.5m 测点声压级最大值为103.3 dB；浮置板地段隧道内噪声的主频在80 Hz，0.5 m测点声压级最大值为109.1 dB。

（2）A计权声压级

将1/3倍频程声压级曲线进行A计权，计权后的声压级算术平均值如图5和表2所示。

图5 隧道壁0.5 m与1.2 m测点A计权声压级

由图5和表2可知，A 计权后普通道床0.5 m 测点峰值频率由500 Hz变为800 Hz，1.2 m测点峰值频率未发生改变，仍为800 Hz；浮置板道床两个测点A计权声压级峰值频率则发生了明显偏移，由80 Hz变为800 Hz。

表2 两种道床A计权声压级峰值及峰值频率对比

A计权后普通道床与浮置板道床0.5 m与1.2 m测点声压级峰值均在800 Hz出现，相同道床不同测点的A计权声压级峰值差别不大。

2.4 与A计权等效声级

隧道内测点线性声级（不计权）与A计权等效声级计算结果如表3所示。

表3 隧道内测点线性声级与A计权声级

由表3可知，如果以线性声级进行评估，则浮置板道床相对于普通道床有所增大，在0.5 m 处增大4.4 dB，1.2 m处增大4.7 dB；若以A计权等效声级指标进行评估，则浮置板道床噪声辐射相对普通道床增大量较小，增大量不大于0.3 dB（A）。

3 车内噪声数据分析

3.1 时频分析

图6为上行线典型声压时程曲线与时频图。

图6 上行线1车车内典型声压时程曲线与时频图

由图6时频图可看出，在21.5 s～37.5 s之间，车内噪声信号的频率成分有较为明显的改变，由此可推断测试车厢通过浮置板道床的起止时间约为21.5 s～37.5 s，同理可推测列车通过普通道床的起止时间为50 s～66 s。截取以上时间段内声压数据进行分析，下行线及其他车内测点数据截取原则相同，每个测点均截取10组数据计算算术平均值。

3.2 1/3倍频程分析

（1）上行线声压级（无计权）测试结果分析

车内噪声测试在上行线和下行线分别开展，上行线声压级（无计权）测试结果如图7及表4所示。

由图7和表4可知，1 车和4 车内噪声峰值的频率相同，但是噪声峰值有略微区别，4车内的噪声峰值略大于1 车，这两个测点的声压级在频域内均表现出：在20 Hz～400 Hz 频段，浮置板地段车内噪声要大于普通道床地段，其他频段浮置板道床车内噪声不大于普通道床段。普通道床地段车内噪声峰值频率均为25 Hz，4 车内噪声峰值为83.8 dB，浮置板地段车内噪声峰值频率均为63 Hz，4车内噪声峰值为90.4 dB。

图7 上行线1车与4车车内声压级

表4 上行线两道床车内声压级（无计权）峰值频率及峰值

（2）下行线声压级（无计权）测试结果分析

下行线声压级（无计权）均值如图8和表5所示。

图8 下行线1车与3车车内声压级

由图8和表5可知，下行线车内噪声在频域内的特性与上行线车内噪声测试结果类似。31.5 Hz～250 Hz 频段，浮置板地段车内噪声大于整体道床地段，其他频段浮置板地段车内噪声不大于普通道床地段。普通道床地段车内噪声峰值频率均为25 Hz，3 车内噪声峰值为83.5 dB，浮置板地段车内噪声峰值频率为均63 Hz，3车内噪声峰值为93.4 dB。

表5 下行线声压级（无计权）峰值频率及峰值

（3）上行线A计权声压级测试结果分析

上行线车内A 计权声压级均值如表6和图9所示。

表6 上行线A计权声压级峰值频率及峰值

图9 上行线车内A计权声压级

A 计权后，普通道床车内声压级峰值频率由25 Hz变为变为630 Hz～800 Hz；浮置板道地段车内声压级峰值频率均由63 Hz变为630 Hz。车内噪声最大值仍发生在4 车，普通道床地段车内噪声最大值为74.9 dB(A)，浮置板地段车内噪声最大值为75.2 dB(A)。A 计权后普通道床和浮置板地段车内噪声频域内峰值几乎无差别。

（4）下行线A计权声压级测试结果分析

下行线车内A 计权声压级均值如图10 和表7所示。

图10 下行线1车与3车车内A计权声压级

表7 下行线A计权声压级峰值频率及峰值

通过A 计权后，普通道床地段车内声压级峰值频率由25 Hz变为500和800 Hz；浮置板地段车内声压级峰值频率均由63 Hz 变为500 Hz，普通道床地段车内最大声压级发生在1 车，为75.8 dB(A)，浮置板地段车内最大声压级发生在3 车，为74.8 dB(A)。普通道床和浮置板地段车内噪声频域内峰值相差约1 dB(A)。

3.3 线性声级与A计权等效声级

普通道床和浮置板地段车内噪声线性声级（不计权）和A计权等效声级对比如表8所示。

表8 车内测点线性声级与等效声级

（1）分析上行线车内测试数据可发现，如果以线性声级进行分析，浮置板地段车内噪声比普通道床地段分别大5.0 dB（1 车）和4.9 dB（4 车）；如果以A 计权等效声级进行分析，浮置板地段车内噪声比普通道床地段分别大1.8 dB(A)和4.9 dB(A)。

（2）分析下行线内测试数据可发现，如果以线性声级进行分析，浮置板地段车内噪声比普通道床地段分别大6.4 dB（1车）、6.2 dB（3车）；如果以A计权等效声级进行分析，浮置板地段车内噪声比普通道床地段分别小1.7 dB(A)和0.3 dB(A)。

综上分析可知，列车在浮置板道床地段运行时，车内300 Hz以下部分频带噪声辐射量会明显增加，如果噪声分析时考虑人耳对噪声的主观感受及对频率的敏感性然后对声压级进行A 计权，则两种道床的车内噪声1/3倍频程曲线峰值差别不大，部分频段浮置板地段车内A计权声压级甚至小于普通道床地段，即A 计权等效声级计算方法弱化了浮置板道床对40 Hz～125 Hz频段增大的影响，本次研究中关于噪声频谱分布及等效声级大小与文献[13]基本一致。

4 结语

通过对某地铁线路长枕埋入式普通整体道床及重型钢弹簧浮置板地段车内外噪声辐射测试分析，可得以下主要结论：

（1）轨道结构相同时，隧道内距离轨面近的位置噪声更大，说明轮轨噪声为主要噪声源，浮置板地段隧道内噪声在40 Hz～125 Hz 频段较普通道床地段有所增大，但在其他频段浮置板道地段声压级低于普通道床；

（2）对隧道内噪声的声压级曲线进行A 计权后，普通道床和浮置板道床地段压级峰值频率均会发生偏移，较A计权之前峰值频率更高；

（3）轨道结构相同时，不同车厢内噪声峰值的频率相同，但是噪声峰值有略微区别；浮置板地段车内噪声在20 Hz～400 Hz频段大于普通道床地段，其他频段浮置板道床车内噪声不大于普通道床地段；

（4）对车内噪声的声压级进行A 计权后，普通道床和浮置板地段车内噪声峰值的频率均变高，但是两种道床地段车内噪声峰值差别不大。