地铁车内噪声成因及影响因素研究概述

摘要 地铁内部的噪声问题主要源自列车外部噪声传播和内部振动激励，受到轨道、列车和隧道三个方面因素的影响。轨道方面主要涉及轨道粗糙度、曲线半径和扣件情况；列车因素包括速度、车体材料、密封性和内部设备；隧道影响则包括运行环境、截面和吸声材料。文章总结了目前国内外有关车内噪声的相关研究方向、影响车内噪声的可能因素以及目前可采取的降噪措施，分析各自优缺点，为后续降低车内噪声提供了研究建议和展望。

关键词 地铁噪声；噪声源；轮轨；隧道列车；降噪措施

中图分类号 U270 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）18-0017-06

0 引言

地铁是城市轨道交通的主要形式，在许多城市中乘坐地铁已经成为居民一种不可或缺的出行方式，地铁列车在行驶过程中车内噪声问题始终难以解决。地铁车内噪声主要来自列车外部噪声源传播以及车内的振动激励，噪声过大会直接影响乘客和司乘人员的舒适度，甚至会影响地铁列车的安全驾驶，存在巨大的安全隐患。该文将从轮轨、列车以及隧道三个方面出发，提炼总结国内外有关地铁列车内噪声研究，包括现有的研究方法和相关降噪措施等，为后续研究地铁列车的车内噪声研究提供参考。

1 车内噪声产生机理

振动和噪声密切相关，振动越大，噪声也就越大[1]，其中振动主要通过固体介质传播，噪声则主要通过空气介质传播，当物体振动时会引发噪声。反之，噪声也能引起固体介质的振动，根据噪声传播路径的不同，地铁车内噪声大致可以分为结构噪声和空气噪声[2]。结构噪声主要来自列车转向架以及车内设备的振动激励，通过车体结构进行传递，引发车体内部件的振动，并向车内辐射噪声。空气噪声则是由于轮轨噪声、气动噪声等噪声源直接向外辐射噪声，通过不同的方式经空气传播进入车内，其中根据空气噪声进入车内方式不同将其分为透射声以及直达声，透过车厢壁板以及车窗等传递至车内的声音称之为透射声，通过门缝等缝隙传递至车内的声音为直达声，车内噪声来源大致如图1所示。

2 轮轨对地铁列车内噪声的影响

大量研究表明[3-10]，在地铁运行速度小于80 km/h工况下，轮轨噪声是地铁列车行驶过程中的主要噪声源，其产生机理如图2所示。按照其产生方式的不同可分为滚动噪声、冲击噪声和啸叫噪声，其由于钢轨与车轮之间的相互作用产生噪声并向外辐射声波[11]。滚动噪声是车轮在直线钢轨上滚动时发出的噪声，通常是由于车轮在良好状态的钢轨上滚动而产生的，冲击噪声则是车轮通过轨缝或者道岔时产生的噪声，啸叫噪声则是在地铁列车通过小半径曲线行驶时发出的尖叫声，是由于车轮不能与钢轨正常接触并产生共振所导致的。

目前国内外关于轮轨对车内噪声的研究主要聚焦于轮轨的粗糙度、小半径曲线以及轨道类型这三个方面。

2.1 轮轨的粗糙度

轮轨的粗糙度包括车轮表面的粗糙度以及轨道的粗糙度，车轮表面的粗糙度是指车轮的不圆度[12-13]，当车轮表面较为光滑，则与轨道接触时摩擦力较小，产生的振动和噪声也相对较小。轨道的粗糙度是指轨道表面的不平整程度或表面的不规则性，其中轨道的波磨以及不平顺是轨道表面常见的两种病害。

国外学者通过试验数据证实了轮轨粗糙度和滚动噪声之间的线性关系[14]，国内学者的相关研究[15-21]主要集中在研究车轮粗糙度和轨道波磨对车内噪声的影响。实验发现，车轮粗糙度降低会显著降低车内噪声，轨道波磨的出现使得地铁线路的噪声和振动急剧增大，其噪声引发的峰值主要集中在100～500 Hz的中频段，通过对波磨地段的打磨可以有效减少车内噪声，如图3所示[16]。

2.2 小半径曲线

地铁在曲线线路上行驶时，地铁列车因为轮缘与钢轨的摩擦，会产生振动和辐射噪声，特别是在小半径曲线上。这些曲线会导致地铁发生较高的侧向加速度和侧滑现象，增加了振动和共振的可能性，使得啸叫声更容易发生，曲线的半径越小，轮轨之间的相互作用就越剧烈，导致钢轨磨耗加剧，产生的轮轨噪声也会更大[22]。

国外学者对于曲线地段轮轨尖啸声的研究开始得较早且深入，Monk-Steel等[23]、Pieringer[24]以及Brunel等[25]均认为曲线地段轮轨啸叫声是车轮在曲线轨道行驶过程横向蠕滑较大而引起的，且曲线段的摩擦条件在很大程度上决定啸叫噪声的大小。国内学者采用现场试验、数值模拟等方法研究小半径曲线对车内噪声的影响，例如付翔等[26]通过现场实测和频域分析发现曲线段的车内噪声的声压级、主频峰以及次峰率均明显大于直线段并且噪声峰值随着曲线半径的减小而逐渐增大，如图4所示[28]。周海洋[27]通过建立地铁小半径曲线下地段车内噪声的预测模型研究可能对车内噪声产生影响的因素，为数值模拟研究车内噪声提供可能。

2.3 轨道类型及其扣件

地铁运行产生的振动和噪声相互影响，不同的减振轨道结构如弹性扣件、弹性支承块和浮置板会影响车内噪声水平，设计不当可能导致车辆振动共振，增加车内噪声。在地铁系统的设计和运营中，需要综合考虑振动、噪声、周边环境和乘客舒适度等因素，并采取适当的措施来实现平衡和最优化。

国内学者通过现场测量的方式研究不同轨道类型对车内噪声影响。研究表明[28-31]：采用减振类型轨道结构车内噪声声压级普遍会高于采用普通整体道床，随着隔振效率的提高，车内噪声反而加剧并且发现刚度较低或者是弹性轨道扣件下车内噪声会更嘈杂[32]；通过对不同轨道结构测得的数据进行频谱分析和1/3倍频程分析发现减振型轨道结构的噪声主要集中在低频及中频段，并且采用减振型轨道结构可能会加剧低中频噪声范围并使得车内噪声增大，如图5所示[29]。

2.4 降噪措施

针对以上有关轮轨对于车内噪声的影响研究，可通过以下几个方面实现对车内的降噪：

（1）钢轨打磨[20][33]，通过定期对存在波磨区段的钢轨以及处在小曲率半径上的轨道进行打磨。

（2）减少车轮与轨道之间的摩擦系数[33]，通过一些车轮的顺滑装置以及对轨道涂油，降低车轮与轨道之间的摩擦系数从而减少钢轨波磨以及车轮不圆度的产生。

（3）定期更换或者调整扣件，扣件的刚度越大车内噪声越小[34]，通过增加以及更换刚度较大的扣件从而减小轮轨之间的振动响应。

（4）采用合适参数的弹性车轮[34]，采用弹性车轮能起到良好的减振降噪效果。

针对轮轨对于噪声影响所采取的降噪措施，并且均是通过控制噪声源的方式控制地铁列车整体产生噪声水平，具有很强的实用性，降噪效果也最为明显，但存在着高成本、高能耗等缺点。

3 列车对地铁车内噪声的影响

根据车内噪声来源以及噪声的传播途径，地铁车内噪声也受到地铁自身的吸声性能及其密封性和车内外声源产生的噪声等因素的影响。

3.1 列车速度

列车在高速运行过程中产生气动噪声，地铁运行过程中也是如此，其是指由气流直接产生的振幅和频率杂乱、统计上无规则的声音。随着地铁运行速度的提高，气动噪声会以幂次函数激增并且会超过轮轨噪声成为主要的噪声源[35-37]。

国内学者[38-40]通过现场测试发现地铁车内噪声会随着速度的增大而增大，特别是高速行驶过程中气动噪声增加，会导致车内振动和噪声水平的上升，如图5所示[41]。对所得的时域数据进行频域分析和1/3倍频程频谱分析发现，车内噪声主要集中在中高频段，其频域特性不随车速改变而改变，原因在于气动噪声的频谱特性主要受列车和隧道等结构的影响，而这些因素在不同速度下并未显著变化。

3.2 车体材质以及密封性

声音传播主要通过空气和固体两种途径进行，轮轨噪声是主要外部噪声源，为有效控制地铁车辆外部噪声进入地铁车内，可采用一些特殊的材质，创造良好的密封条件。

目前我国地铁车体可采用的材质包括普通碳素钢、低合金高强钢、耐候钢、不锈钢、优质碳素钢，以及铝合金钢，其中最常用的是普通钢、不锈钢以及铝合金三种材料[42-44]。其中，耿烽和左言言[39]建立了铝合金地铁的车体有限元模型并采用声学分析软件SYSNOISE进行噪声预测，结合南京地铁一号线的实际测量结果发现，通过增加车体壁板厚度，车内噪声声压级会有明显的降低，如图6所示[39]。

地铁车内地板是车辆下部的噪声进入车厢内部的主要途径，车外噪声源会经过车体的板件结构对车内进行辐射噪声，试验发现[45-48]通过对地板进行一定的处理，选择不同的隔音材料、设计地板结构或者设计减振装置等几方面进行优化能有效控制噪声进入地铁列车内部。

3.3 列车内辅助设备

地铁车内噪声的可能来源包括电机、齿轮、压缩机、风动设备、空调设备、门和辅助控制等设备[49]。

国内大部分学者[50-53]认为地铁在静置状态下空调系统是车内噪声的主要来源，其对送风口处影响较大而对于车内其他空间的噪声影响较小，且在运行过程中，地铁速度越小，空调系统对车内噪声影响越大，随着速度的增加，轮轨噪声会逐渐成为主要的噪声来源。

3.4 降噪措施

针对以上有关列车对于车内噪声的影响，可通过以下方法来实现降低车内的噪声：

（1）提高列车的密封性[50]，减少车外的噪声通过门、窗户和风挡传入车内。

（2）对车内地板铺设吸声材料，通过在地板上使用减振阻尼材料，可以达到隔音和吸声效果从而减少车内噪声。

4 隧道对地铁车内噪声的影响

地铁一般是在隧道里行驶，噪声会以不同的形式传入车厢，包括直接透过空气、经过隧道墙壁和列车表面的反射。这些噪声在隧道内形成了一个混响的环境，使得车内噪声显著增加[54]，同时隧道内的风速和隧道形状也会影响噪声传播规律，导致噪声聚焦并进一步传入车内[2]。

目前隧道对于车内噪声影响研究主要集中在地铁行驶环境、隧道截面和隧道铺设的吸声材料及其铺设面积。

4.1 地铁行驶环境

地铁有隧道以及明线两种运营环境，其中隧道是地铁运行的主要环境，主要有衬砌、洞口、隧道路面以及其他附属建筑物组成。

相关研究表明[15][55-57]，相同位置下，隧道内噪声的声压级高于明线下的声压级，如图7所示[57]，且车内的噪声主要是集中在中频段带，如图8所示[57]。可能原因是隧道内的噪声会通过隧道壁和车体表面的多次反射使得隧道内声场在同一截面上声压较为均匀，而明线噪声声压会向外扩散，导致传播进入车内的噪声较小。

4.2 隧道截面

地铁隧道的断面形式包括矩形、拱形、圆形和椭圆形等，主要采用矩形和圆形两种形式。通过仿真模拟方法研究发现[58]，隧道截面形状对车内噪声的影响并不显著，圆形隧道在低频段车内声压值高于矩形隧道，在中高频段却相反[55]，可能是因为隧道截面形状在噪声传播过程中没有明显的局部增益或减弱效应，且在不同频段下相互抵消。

4.3 隧道壁吸声材料及其铺设面积

地铁车内噪声主要源自车外噪声通过空气传播进入车厢，部分声波经过隧道壁的反射和叠加，形成高于声源的噪声水平。研究发现[55][59][60]，在隧道壁铺设吸声材料可显著降低隧道内噪声，但铺设面积增加对车体表面区域的降噪效果明显，而对车内客室降噪效率则减小。目前国内外铁路隧道吸声材料主要分为多孔吸声和共振吸声两种类型，应用情况如表1所示[61]。多孔吸声是通过声波进入材料内部激发空气振动转化为热能来衰减声能，而共振吸声则是通过振动产生摩擦转化部分声能为热能来消耗声能。

4.4 降噪措施

根据隧道对于车内噪声的影响，可通过以下方法来降低车内的噪声：

（1）在隧道内壁铺设吸声材料，通过对隧道内部铺设吸声材料，削弱噪声能量以达到被动降噪的效果。

（2）在轨道两边安装吸声板或者是设置声屏障[62]，地铁声屏障是一个隔声设施，其能阻止直接声的传播，隔离透射声，使反射声有足够的衰减，而吸声板则是通过吸声达到降噪的效果。

5 总结与展望

地铁列车在行驶过程中的车内噪声问题普遍存在，当车内噪声达到一定程度时会对乘客的出行体验产生负面影响，为制定合适的降噪措施，必须深入了解地铁车内噪声成因和影响因素。总结现有资料发现，地铁车内噪声主要受到轮轨、列车以及隧道三方面因素的影响。

（1）轮轨对地铁车内噪声的影响主要涉及轮轨粗糙度、小半径曲线和轨道类型。轮轨粗糙度、小半径曲线和轨道类型显著影响车内噪声。车轮不圆度和轨道波磨会显著提高噪声峰值，特别是在粗糙地段。小半径曲线段易产生啸叫噪声，使得曲线段噪声高于直线段。此外，轨道减振设计旨在减少振动和噪声传播，但如果设计不当，可能导致共振，反而增加噪声。因此，合理设计轨道刚度和弹性至关重要。

（2）地铁列车对车内噪声的影响主要来自行驶速度、车体材质和车内辅助设备。随着速度增加，气动噪声增强，导致车内声压级升高。采用密封材料和底板阻尼处理可以减少噪声传递。车内辅助设备，尤其是空调系统，在列车静止时噪声显著，但速度增加时其影响逐渐减小。

（3）隧道对车内噪声的影响主要涉及行驶环境（隧道或明线）、隧道截面形状（矩形或圆形）和隧道表面吸声材料。隧道环境与明线相比，车内噪声更高，主要由于隧道内多次声波反射增加了声压级。虽然隧道截面形状对噪声频谱影响有限，但隧道壁的声波反射会增加车内噪声。通过在隧道壁上安装吸声材料，可以有效减少反射，降低车内噪声。

（4）当前噪声研究以现场试验和数值模拟为主。尽管现场试验数据精确，但成本较高，而数值模拟成本低、效率高，逐渐成为主流方法。未来，基于数据驱动的数值模拟将广泛应用，提升噪声预测和控制能力。

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