80 km/h速度条件下地铁隧道内轮轨及车内振动噪声关联性研究

迟义浩,肖 宏,时光明,张智海

(1.北京交通大学土木工程国家级实验教学示范中心,北京 100044; 2.北京交通大学轨道工程北京市重点实验室,北京 100044; 3.北京市地铁运营有限公司线路分公司,北京 100082)

引言

随着现代城市规模的日益扩大，由于城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准时等特点，逐渐成为人们出行的首选方式[1]。与此同时，列车运行过程中产生的振动和噪声成为市民普遍关注的问题之一[2]。

目前，国内外学者对地铁列车的振动特性、车内噪声等进行了大量研究工作。在试验研究方面，刘存真等[3]研究了列车不同运行速度途径、不同轨道结构形式时，车厢内不同位置的噪声，为实现地铁列车车内噪声测试的互通性，提出了规范轨道状态、列车速度、测点位置等参数建议；陈俊豪[4]分别对地铁列车静止时的背景噪声和3个不同运行速度下的车内噪声进行了测试，得到了转向架和车体中部噪声分布状况；孙金栋等[5]通过对北京地铁4号线、大兴线地铁列车车内噪声进行全程实时监测，明确了轮轨噪声是地铁列车车内噪声的主要影响因素；范思婷等[6]从时域、频域、时-频域及振级等4个角度，对隧道内列车运行引起的钢轨、轨枕和隧道壁振动实测数据进行了分析研究；LEE等[7]选择了汉城内部的9条地铁线和首尔地区周围的6条线，通过在通勤高峰时间测量和分析地铁列车车内噪声水平，获得了通勤者每日噪声暴露剂量等信息，为衡量地铁列车车内噪声对乘客的影响提供数据支撑和参考；ZHAO等[8]通过对地铁列车通过时的轨道振动性能、车辆外部噪声和内部噪声进行实测分析，表明钢轨打磨和钢轨阻尼器两种减振措施均具有良好的减振降噪效果。

在数值模拟方面，冯青松等[9]建立了隧道-车体有限元-边界元声学分析模型，分析了结构声和空气声对车内噪声的影响规律，为改善车内声学环境提供了理论依据；柳明[10]通过现场试验和数值模拟，对隧道内与明线两种运行环境下车内噪声特性、车内声源分布特性及区域贡献率之间的差异进行了分析；李博等[11]研究了在隧道内运行的列车车内噪声规律，根据分析结果得知列车在隧道内以120 km/h速度运行时车内噪声为85 dB左右，且客室车门结构是影响列车车内噪声的主要结构；DAI等[12]基于SVAEF理论，提出了统计振动和声能量流来直接预测车内噪声的新方法，并结合试验验证了该方法是可靠的；HAN等[13]开展了地铁列车在隧道内运行时钢轨波磨对车内噪声的影响研究，采用试验和仿真结合的方式，提出了基于车辆内部噪声限值的钢轨打磨标准；郭建强等[14]通过试验和仿真相结合的方式，分析了波磨对司机室车内噪声的影响，建立了二者之间的定量关系；TALOTTE等[15]通过对铁路噪声源的识别和建模进行了调查，并总结有关滚动和空气动力源的相关知识以及降低噪声的潜力，给出了未来的研究前景规划；NAGY等[16]通过有限元方法，分析了地铁运行引发的结构噪声模态，对沿隧道壁包围的空腔中声场进行了预测；LI等[17]通过现场测试，评估了钢轨扣件刚度对车内振动噪声的影响，并与TWINS模型的仿真结果进行了比较，结果表明，刚度较大扣件的振动一般在250 Hz以下，刚度较小扣件的振动在315 Hz以上。

综上可知，国内外已有研究均单独针对线路上或车内的振动噪声，涉及二者之间的相互关系研究较少。实际上，我国地铁列车制式单一，主要为A型车或B型车；地下结构一般采用盾构技术。在这种外部条件基本一致的情况下，可以寻求获得车辆内和线路上的振动噪声关联性，一旦明确了其内在联系后，就可以用某一方面的数据来评价另一方面的振动、噪声效果，这不仅对减少线路振动、噪声测试工作量具有重要意义，而且还对运营舒适性、司机及乘客的健康评估等都有一定的参考价值。

1 测试方案

1.1 现场概况

试验测试选择为一段地下线路，地铁列车为6节编组B型车，尺寸为为19 m(长)×2.8 m(宽)×3.8 m(高)，采用第三轨供电。线路线形为直线，线路正线运营速度约80 km/h，最小发车间隔约2 min。轨道结构为整体道床，采用DTVI2型扣件，如图1所示。隧道采用盾构技术修建，断面形式为圆形，内径尺寸约5 400 mm，如图2所示。

图1 钢轨状态及扣件细部

图2 隧道内整体道床轨道

1.2 测点布置

依据DB 11/T 838—2019《地铁噪声与振动控制规范》[18]、GB 14892—2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》[19]等相关规范布置相应测点，其中，钢轨、道床、隧道壁振动测量方向皆为铅垂向，车内振动噪声测点布置在车厢中部位置，噪声测点声压传感器距地面1.5 m，具体测点布置如图3所示。

图3 测点布置(单位：mm)

1.3 测试方法

本次试验测试采用压电式加速度计、声压传感器、数据采集分析仪等进行测试。其中，钢轨位置加速度计型号为LC0103，适用频率范围为0.35～10 000 Hz，量程为100g；道床位置加速度计型号为LC0108，适用频率范围为0.35～5 000 Hz，量程为10g；隧道壁位置加速度计型号为LC0130T，适用频率范围为0.5～1 000 Hz，量程为0.12g；车厢中部位置加速度计型号为LC0108，适用频率范围为0.35～5 000 Hz，量程为10g；声压传感器型号为INV9206，适用频率范围为20～20 000 Hz，动态范围为20～146 dB。测试数据采集过程如图4所示。

图4 仪器配置流程

2 测试结果与分析

2.1 钢轨波磨测试结果

为评估线路质量状态，对钢轨波磨进行了测试分析，绘制左右钢轨表面粗糙度级曲线，如图5所示。

图5 钢轨表面粗糙度级曲线

由图5可知，该区间内，左右轨无明显特征波长波磨，但在所有范围的波长段钢轨表面粗糙度均超过了欧洲标准ISO 3095[20]规定值，可见测试的区间线路钢轨表面较粗糙。

2.2 时域和频域分析

为保证测试数据的全面性及正确性，选取了一天中的高峰时间段和非高峰时间段对测试数据进行处理。

2.2.1 时域分析

本节截取列车经过时典型的振动曲线进行对比，从时域角度对测试数据进行分析。列车经过测试断面时运行速度约为80 km/h，各测点的加速度时域图如图6所示。

图6 铅垂向加速度时域

根据图6(a)～图6(c)可知，列车经过时，时域图曲线呈现出一定的周期性，列车从远处靠近测试断面到远离测试断面，振动响应由小变大再变小，与列车产生的轨道振动客观规律一致。从测试数值来看，钢轨的振动加速度最大值约为78g，道床约为6.5g，隧道壁约为0.12g，车内约为1.3g，对比测试数值可知，车内振动加速度约为道床的1/5。

2.2.2 频域分析

从频域角度对测试数据进行分析，绘制各测点铅垂向频域图和1/3倍频程如图7、图8所示。

图7 铅垂向加速度频谱

图8 铅垂向1/3倍频程振动加速度级

由图7可知，钢轨振动主要以高频振动为主，钢轨振动加速度卓越频率主要集中在450～550 Hz、1 000～1 200 Hz、1 500～1 700 Hz之间；道床振动主要以中高频振动为主，卓越频率主要集中在300～350 Hz、500～700 Hz之间，卓越频率有所降低，但振动能量已有大幅度衰减，最大幅值降低约90%；隧道壁振动加速度卓越频率主要集中在250～300 Hz、500～550 Hz之间，隧道壁振动比道床稍低，也以中高频为主，且振动能量进一步衰减；车内振动加速度卓越频率主要集中在300～350 Hz、500～700 Hz之间。对比测试数据可知，车内振动响应与道床响应频率基本一致。

由图8可知，虽然各测点1/3倍频程图中幅值各有高低、曲线形式也存在差异，但其中心频率均集中在512 Hz附近。

2.3 振动测试数据评价

2.3.1 振动加速度级

根据国际标准ISO 2631/1—1997[21]和国标GB 10070—1988《城市区域环境振动标准》[22]中规定，振动加速度级VAL计算公式为：加速度与基准加速度之比以10为底的对数乘以20，单位为分贝(dB)。

(1)

式中，a为振动加速度有效值，m/s2；a0为基准加速度，根据GB 50894—2013《机械工业环境保护设计规范》[23]规定，取1×10-6m/s2。

选取高峰时间段(17:00—19:00)和非高峰时间段(20:00—23:00)各20组列车经过时各测点数据进行计算，所得平均值如表1所示。

表1 各测点振动加速度级 dB

由表1对比分析可知，振动是由车轮与钢轨相互作用而产生的，因而，钢轨处振动加速度级最大，由钢轨传递到道床，振动加速度级衰减了约20 dB，衰减幅度约12.5%；由道床传递到隧道壁，振动加速度级衰减了约30 dB，衰减幅度约20%；对比线路上钢轨与车内的振动加速度级数值可知，通过车体底部结构的作用，使得车内振动加速度级衰减了约30 dB，衰减幅度约25%。高峰时段相较于非高峰时段，各测点振动加速度级相差-1～2 dB，表明车内客流量对振动的影响较小。

2.3.2 铅垂向Z振级

铅垂向Z振级为按照国际标准ISO 2631/1—1997[21]规定的全身振动Z计权因子修正后得到的铅垂向振动加速度级，记为VLZ，单位为分贝(dB)，频率计权范围为0.1～400 Hz，计算所得结果如表2所示。

表2 各测点铅垂向Z振级 dB

由表2对比分析可知，由钢轨传递到道床，铅垂向Z振级衰减了约20 dB，衰减幅度约16.7%；由道床传递到隧道壁，铅垂向Z振级衰减了约20 dB，衰减幅度约20%；对比线路上钢轨与车内的铅垂向Z振级数值可知，通过车体底部结构的作用，使得铅垂向Z振级衰减了约20 dB，衰减幅度约16.7%。此外，车内数据与道床数据较近似，非高峰时段与高峰时段基本相同。

2.3.3 累计百分之十Z振级

在规定的测量时间内，有10%时间的Z振级超过某一VLZ10值，这个VLZ10值叫作累计百分之十Z振级，单位为分贝(dB)，计算所得结果如表3所示。

表3 各测点累计百分之十Z振级 dB

由表3对比分析可知，由钢轨传递到道床，累计百分之十Z振级衰减了约30 dB，衰减幅度约23.1%；由道床传递到隧道壁，累计百分之十Z振级衰减了约20 dB，衰减幅度约20%；对比线路上钢轨与车内的累计百分之十Z振级数值可知，通过车体底部结构的作用，使得累计百分之十Z振级衰减了约25 dB，衰减幅度约20%；车内数据与道床数据较近似，非高峰时段与高峰时段基本相同。

2.3.4 最大Z振级

在规定的测量时间T内或对某一独立振动事件，测得的Z振级最大值，记为VLZmax，单位为分贝(dB)。根据GB10071—1988《城市区域环境振动测量方法》[24]，进行城市轨道交通及铁路交通振动测试时，读取每次列车通过时的最大示数，每个测点连续测量20次列车，以20次VLZmax的算数平均值为评价量，所得结果如表4所示。

表4 各测点最大Z振级 dB

由表4对比分析可知，由钢轨传递到道床，最大Z振级衰减了约30 dB，衰减幅度约22.2%；由道床传递到隧道壁，最大Z振级衰减约25 dB，衰减幅度约23.8%；对比线路上钢轨与车内的最大Z振级数值可知，通过车体底部结构的作用，使得最大Z振级衰减了约20 dB，衰减幅度约14.8%，非高峰时段与高峰时段基本相同。

2.4 噪声测试数据评价

根据GB 14227—2006《城市轨道交通车站站台声学要求和测量方法》[25]可知，等效连续A声级的定义为在规定的时间内，某一连续稳态声的A计权声压，具有与时变的噪声相同的均方A计权声压，则这一连续稳态声的声级就是此时变噪声等效声级，记作LAeq，T，单位为分贝(dB)，计算公式为

(2)

式中，pA(t)为噪声瞬时A计权声压，Pa；p0为基准声压，取20 μPa。

绘制列车通过时，轨旁噪声和车内噪声频谱如图9所示，计算所得结果见表5所示。

图9 噪声频谱特性曲线

表5 各测点等效连续A声级 dB

由表5对比分析可知，由于轨旁处接近噪声声源，故轨旁噪声较大，地铁列车车门和底板发挥着隔音的作用，使得车内噪声比轨旁噪声低28～30 dB。根据规范GB 14892—2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》[19]要求，城市轨道交通系统中地铁列车司机室内噪声，等效连续A声级的最大容许限值为80 dB，客室内为83 dB。由此可知，高峰时间段车内噪声超出限值5.04 dB，非高峰时间段车内噪声超出限值4.21 dB。据此可推测，当轨旁噪声超过108 dB时，司机室内噪声超限；轨旁噪声超过111 dB时，客室内噪声超限。

3 结论

选取北京某盾构地下线路系统地进行了线路上、车内的振动和噪声测试，从时域、频域、振级等角度建立了轮轨及车内振动噪声之间的关联关系，主要结论如下。

(1)时域方面，列车经过时引起的钢轨振动传递到道床，振动加速度最大值出现大幅度衰减，衰减速率约90%；从道床到隧道壁，衰减速率约98%。车内振动与道床振动处于同一数量级，但数值上车内振动加速度最大值约为道床的1/5。

(2)频域方面，道床与车内的振动响应大致相同，卓越频率均主要集中在300～350 Hz、500～700 Hz之间，1/3倍频程中心频率均集中在512 Hz附近。

(3)振动噪声评价方面，道床的铅垂向Z振级与车内的振动大小基本相同；与钢轨相比，车内振动减少约20 dB；此外，轨旁噪声比车内噪声高28～30 dB，从健康角度考虑，建议设计时轨旁噪声不超过108 dB。

(4)对比高峰时段与非高峰时段各测点测试数据，相差-1～2 dB，可见车内客流量多少对振动噪声影响很小。