地鐵運行對周邊建筑物振動噪聲影響研究

歐 陽 昭

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

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地鐵運行對周邊建筑物振動噪聲影響研究

歐 陽 昭

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

基于實際地鐵線路地下區間的實測數據，對建筑物樓板三向振動和室內噪聲在時域和頻域內作了初步分析，總結歸納了振動傳播規律，并采用相干函數詳細分析了樓板各向振動與對應點噪聲之間的頻域特征和相干關系，辨別出產生建筑物二次輻射噪聲的主要振動方向及其頻譜分布特點。

地鐵，振動，二次輻射噪聲，頻譜分析，1/3倍頻程，相干分析

近年來，地鐵在我國得到了迅猛發展，成為了許多城市公共交通的主干力量，但其在給市民的出行帶來諸多方便的同時，也不可避免地給沿線居民的生活造成了許多困擾，其中最為突出的便是振動問題和噪聲問題。與傳統的地鐵高架線路相比，地鐵地下線路周邊建筑物內的噪聲主要由線路地下結構振動導致的地面建筑物二次振動引發，其聲源更加復雜和分散，傳播的過程難以得到控制，后期治理難度大。

目前，國內外對地鐵運行引起周邊環境振動噪聲問題進行了較為廣泛的理論和實測研究，其中振動問題多集中于振動在土體中的傳播方面[1，2]，對建筑物內部的實測分析較為有限。此外，目前國內對于建筑物振動和二次噪聲相關性的討論還有所欠缺，常見的研究方法是在最大Z振級與最大聲級散點圖的基礎上擬合得到兩者的線性關系[3]，此法忽略了橫縱兩向的影響，在頻域方面也沒有細致討論。

本文在以上研究的基礎上，分析了地鐵周圍建筑物振動噪聲的特性和傳播規律，并根據相干函數在頻域內的分布特點及峰值大小評價結構三向振動的聲輻射特點，確定了室內二次輻射噪聲的主要貢獻源，為以后采取有針對性的減振降噪措施提供參考。

1 振動噪聲實測介紹

本文對某實際地鐵線路沿線的5個典型地下區段進行了實測，各測試斷面均位于區間內，線路埋深在14 m左右，測試環境包含住宅區及廠區，建筑物以低層磚混結構為主。建筑物結構振動測試在線路上方各樓層樓板中心部位進行布點，每個測點設置垂向(鉛垂方向)、橫向(水平垂直于地鐵延伸方向)、縱向(水平沿地鐵延伸方向)共3個傳感器。噪聲測試均在密閉的室內進行，選擇與振動測點相同位置進行布點。當列車通過時，對各測點的振動加速度數據和噪聲聲壓級數據進行同步采集，各區段采集過程中通過列車不少于10列。

2 振動實測分析

2.1 建筑物振動響應

本文共得到5個測試斷面共68組列車駛過隧道的有效數據，取其中1個典型斷面的實測振動加速度平均值進行分析。按照我國標準GB 10070—1988城市區域環境振動標準[4]將測量得到的建筑物各向振動加速度值按式(1)換算成加速度級，統計得到各測點的振動加速度級如表1所示。

(1)

由表1可知，列車通過時，建筑物內的結構振動呈現以下特征：

1)三向振動中垂向振動的加速度級最大，縱向振動要遠小于垂向和橫向振動，說明列車運行時周邊建筑物的結構振動以垂向振動為主。

2)建筑物的垂向和橫向振動都有顯著的增長，增幅在5 dB～7 dB左右，縱向振動的增長最不明顯，和環境背景振級的差值不超過1 dB，說明列車運行對上方建筑物的影響主要體現在垂向和橫向。

3)樓層越高，振動級的增幅越小，以垂向振動為例，其在1層，2層，3層的振級分別增加了6.67 dB，6 dB，4.86 dB，說明樓層越高，樓板振動受列車影響越不明顯。

4)隨著樓層的升高，樓板各向振動都有所衰減，其中橫向振動的衰減速率最快，從1層傳遞至3層時其振級減小了8.14 dB，除去環境振動的自然衰減值外仍有3.5 dB的額外衰減量。

表1 實測結構振動數據匯總表 dB

2.2 建筑物振動頻譜特性

圖1為列車通過上述典型測試地段時，線路上方某幢居民樓底層樓板的垂向、橫向、縱向振動加速度響應及對應的幅頻特性曲線。從樓板振動加速度的幅頻特性曲線可以看出，樓板垂向、橫向、縱向加速度所含頻率成分主要集中在100 Hz以內，其中，樓板垂向振動加速度幅值頻率為63 Hz，橫向和縱向加速度幅值頻率均為50 Hz，可知地鐵列車引起的建筑物結構振動主要以頻率低于100 Hz的低頻振動為主，其中尤以50 Hz～63 Hz振動最為顯著。

3 二次輻射噪聲實測分析

為了了解地鐵運行引起的建筑物二次輻射噪聲的頻率特征，對列車經過時段的室內噪聲實測數據以及背景噪聲數據進行1/3倍頻程分析，比較分析兩者在各個1/3倍頻帶上的聲壓級差異。

圖2為室內實測噪聲與背景噪聲的1/3倍頻程對比圖，由圖可知，無列車時，1樓的噪聲聲壓級在50 Hz處達到最大，而2樓和3樓的噪聲聲壓級最大的頻段中心頻率均在20 Hz以下，列車通過時，各樓層噪聲聲壓級最大的頻段中心頻率均在50 Hz～63 Hz之間。

建筑物實測噪聲在31.5 Hz～500 Hz的頻段內增長明顯，且以40 Hz～63 Hz的增長最為顯著，對比背景噪聲的增量可達10 dB～20 dB，而在500 Hz以上的頻段內，實測噪聲與背景噪聲的值基本一致，差值在2 dB以內，這說明地鐵引起的周邊建筑物二次輻射噪聲主要為31.5 Hz～500 Hz的中低頻噪聲。

通過對比各樓層的二次噪聲1/3倍頻程圖可以看出，在噪聲的主頻段上(50 Hz～63 Hz)，2樓噪聲的聲壓級增量最大，受列車的影響最為顯著。

4 振動與噪聲相干分析

4.1 相干分析方法

相干函數可以說明兩個信號之間在頻域上的相干程度，可以根據相干函數結果判斷某一輸入信號對輸出信號的影響程度，并通過比對判斷此輸出信號的主要來源以及各輸入信號的貢獻大小。對于一個確定信號x(t)，其自相關函數可按式(2)定義，根據Wiener-Khintchine關系，其自功率譜密度函數即自相關函數的傅里葉變換，見式(3)[5]：

(2)

(3)

相應的，兩個信號的互相關函數及互功率譜密度函數可按式(4)及式(5)進行定義[5]：

(4)

(5)

基于以上定義，輸入信號和輸出信號的相干函數定義為[5]：

(6)

相干函數的數值越大，表明輸入信號對輸出信號的影響越大[5]。因此，將樓板各方向的振動信號作為輸入信號，相對應的噪聲信號作為輸出信號，結合功率譜密度函數來得到樓板各方向振動和噪聲的頻域特征及相干程度，從而判斷建筑物二次噪聲中結構各向振動的貢獻大小。

4.2 相干分析結果

樓板垂向振動與室內噪聲的相干函數如圖3a)所示。由圖可知垂向振動和室內噪聲在53 Hz處的相干函數值最大，達到0.716，并在75 Hz,163 Hz和230 Hz處出現局部峰值，說明樓板的垂向振動對室內噪聲的獨立貢獻主要集中在以這四個頻點為中心的局部頻段上，且以45 Hz～55 Hz的頻段最為突出。

樓板橫向振動與室內噪聲的相干函數如圖3b)所示。與垂向計算結果相比，橫向振動與室內噪聲的相干函數在全頻率范圍內都有所減小，函數值分布也更為集中，其最大相干函數值僅為0.271，在150 Hz～280 Hz外的頻帶上則基本接近于0。此外，其在53 Hz，163 Hz和230 Hz處的峰值與垂向結果相重合，但相干函數值有明顯減小，特別是在53 Hz處其峰值僅為0.118，相較同頻率下的垂向相干函數值減小約83.5%。

樓板縱向振動與室內噪聲的相干函數如圖3c)所示。由圖可以得知，縱向振動與室內噪聲的相干性極不明顯，在全頻率范圍內其相干系數均小于0.1，最大峰值出現在110 Hz處，對應的相干系數僅為0.108。

綜上，地鐵運行時產生的建筑物二次噪聲與樓板的垂向振動

相干關系明顯，其影響作用在45 Hz～55 Hz范圍內最為顯著，這一頻段也是建筑物垂向振動最突出的頻段，說明豎向振動信號在頻域上的局部峰值會引起室內噪聲的局部峰值，樓板的垂向振動是產生室內二次噪聲的主要原因。

5 結語

在該實際地鐵線路地下區間斷面進行現場實測與分析的基礎上，得出了以下結論：1)地鐵運行引起的建筑物樓板振動以垂向和橫向為主，對于本文實測的低層磚混結構建筑，樓層越高，樓板振動受列車影響越不明顯，且以橫向振動的衰減速率最快。2)地鐵引起的建筑物結構振動主要以頻率低于100 Hz的低頻振動為主，峰值頻段為50 Hz～63 Hz。3)地鐵引起的周邊建筑物二次輻射噪聲主要為31.5 Hz～500 Hz的中低頻噪聲，其峰值頻段為40 Hz～63 Hz。4)建筑物的二次噪聲與建筑物樓板的垂向振動相干性最為明顯，其重點影響頻率為45 Hz～55 Hz，與樓板垂向振動的主振頻率相重合，因此可以考慮采取以控制建筑物豎向振動為主的隔振措施來進行噪聲控制。

[1] 徐忠根，任 氓，楊澤群，等.廣州市地鐵一號線振動傳播對環境影響測定與分析[J].環境技術，2002(4):12-14.

[2] 謝偉平，孫洪剛.地鐵運行時引起的土的波動分析[J].巖土力學與工程學報，2003,22(7):1180-1184.

[3] 儲益萍.地鐵引起的結構振動與噪聲及其相關性分析[J].噪聲與振動控制，2011(4):85-88.

[4] GB 10070—1988,城市區域環境振動標準[S].

[5] J.S.Bendat，A.G.Poersol.相關分析和譜分析的工程應用[M].北京：國防工業出版社，1983.

Study on the impact of metro operation upon surrounding architectural vibration noise

Ouyang Zhao

(InstituteofRailwayandUrbanMassTransit,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Based on actual underground subway measurement data, the paper preliminarily analyzes three dimensional vibrations and indoor noise of architectural slab within time domain and frequency domain, summarizes vibration propagation law, specifically analyzes spectral characteristics and relevant relationship of floor slab vibration and indoor noise, and finally identifies major vibration direction and its frequency distribution features of secondary radiation noise.

metro， vibration， secondary-radiation noise， spectrum analysis， 1/3 octave， coherence analysis

2014-12-04

歐陽昭(1991- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)06-0130-03

U270.16

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