鋼軌波磨對地鐵車內噪聲影響及其控制試驗研究

陳 卓

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081)

引言

隨著現代城市規模日益擴大，軌道交通作為一種新型交通工具，以其運量大、速度快、安全可靠等特點，成為解決城市交通問題的重要手段[1-3]。然而，在軌道交通快速發展的同時，隨著列車提速和輕型化，車內噪聲已經成為運營部門亟待解決的問題。國際上已把噪聲列為七大環境公害之一，并已開始著手研究噪聲的污染規律、產生原因、傳播途徑與控制方法以及對人體的危害等問題[4-5]。

車內噪聲主要來源通常為輪軌噪聲[6-7]。此外，發動機、排氣裝置、進氣口、冷卻風扇以及傳動系統的噪聲也很明顯。目前，車上的空調系統由于空調機和管道的安裝空間有限，其噪聲也不可忽視。固定裝置，如安裝在車廂地板下或天花板上的壓縮機的噪聲也應引起重視。噪聲通過空氣聲路徑和結構聲路徑傳入車內，經結構聲路徑傳播的噪聲多在低頻段，經空氣聲路徑傳播的多在高頻段。

隨著公眾對車內噪聲的關注日益增強，降噪技術也成為科研人員關注的重點。目前，國內外車內噪聲研究也取得了豐富的成果。范蓉平等[8-9]將黏彈性阻尼材料用于車內減振降噪，試驗結果表明，改性瀝青和水性涂料比丁基橡膠減振降噪效果明顯。Soeta等[10]研究了輪軌摩擦和發動機等對車內噪聲特性的影響。耿烽等[7]根據規范測試了不同運行速度下鋁合金地鐵車輛車內噪聲，得到了車內噪聲頻譜特性，并且比較了聲壓和響度評價車內噪聲的差異，并提出了車內降噪的頻率范圍。張捷等[11]通過現場測試，對高速列車客室端部噪聲分布特性進行分析研究，并且結合車內、車下振動分析和車內空腔聲學模態計算，明確車內客室端部噪聲分布的形成機理，在此基礎上提出高速列車車內客室端部噪聲問題的改善建議。褚志剛等[12]基于結構聲的阻抗矩陣傳遞路徑分析方法和空氣聲的替代源傳遞路徑分析方法，給出一種綜合考慮結構聲和空氣聲的車內噪聲時域傳遞路徑分析方法，并闡明了實現流程。張捷等[13]通過眾多的試驗和數值模擬，對車輪多邊形磨耗與輪軌噪聲和高速列車內部噪聲之間的關系進行了詳細的研究。因此，針對某一車內噪聲超標的特定區段開展試驗研究，并且使用A計權和響度兩種不同方法評價鋼軌打磨前后車內降噪效果，為城市軌道交通車內降噪問題提供參考。

2 地鐵車輛內部噪聲特性

2.1 試驗準備

以某地鐵車內噪聲超標區間作為目標區段研究。為了了解目標區段車內噪聲特性，對目標區段車內噪聲進行現場測試。試驗地點為隧道區，鋪設無砟軌道，鋼軌為無縫焊接軌，扣件類型為先鋒扣件。地鐵車輛為B型車，設計速度80 km/h。

為了研究地鐵車內噪聲特性，分別對前端、中部后端車廂內噪聲進行測試，分別在車廂中間和轉向架上方1.2 m處布置一個聲壓傳感器，前端車廂傳感器依次為1和2，如圖1所示。中部和后端車廂傳感器編號依次為3，4，5和6。測試位置則選在車內噪聲顯著的目標區段，列車在目標區段運行速度為78 km/h。

圖1 車廂內噪聲測點示意

2.2 背景噪聲測試

車內噪聲是在空調全開時測得的，即噪聲值應是輪軌噪聲、空調系統噪聲等共同疊加的結果。而聲壓不能直接相加，可利用表1查值來計算

LP=LP1+ΔLP2

(1)

式中LP——總聲壓級，dB；

LP1——聲源1的聲壓級，dB；

LP2——聲源2的聲壓級，dB。

表1 分貝和增值[8]

則根據聲壓級的疊加原理，若背景噪聲與聲壓級之差超過15 dBA，則無需對測得的噪聲值進行修正。列車靜止情況下，空調全開時，列車內各測點的噪聲A計權聲壓級見表2。

表2 車內各測點噪聲值

列車靜止情況下，空調全開時，對車內背景噪聲進行測試，對所得結果進行頻譜分析，圖2為轉向架和車廂中間位置處A計權聲壓級的1/3倍頻程譜圖。

圖2 各測點處1/3倍頻程譜對比曲線

2.3 車內噪聲特性

2.3.1 車內噪聲特性A計權分析

A聲級是通過一組A計權的濾波器對不同頻率的聲壓級進行增減，模擬人耳聽覺特性。由于其簡單、方便，將A聲級作為本文的噪聲評價指標之一。表3為前端、中部和后端車廂中6個測點的A計權聲壓級。

由表3可知，列車在目標區段運行時，車內各測點聲壓級與列車靜止時聲壓級差值均超過15 dBA，故背景噪聲對車內噪聲的影響忽略不計。

由表3可知，前端和后端車廂A計權聲壓級大于中部車廂，主要因為車頭車尾噪聲源比車廂中部多且更大。同一節車內，車廂中間和轉向架上方的聲壓級相差不大。由圖3可以看出，6個測點的噪聲聲壓級均超過國家規范車內噪聲限制要求，測點1即前端車廂轉向架上方所測車內噪聲A計權聲壓級最大，達到91.5 dBA，超出車內噪聲限制要求8.5 dBA，而測點4即中部車廂中間位置所測車內噪聲A計權聲壓級最小，達到了85.3 dBA，也超過了車內噪聲限制要求2.3 dBA。列車運行到目標區段時，車內噪聲超出限制要求2.3～8.5 dBA。

表3 A計權聲壓級

圖3 實測A計權聲壓級

通過對目標區段鋼軌狀態進行現場勘察，發現目標區段鋼軌表面存在波磨，其波長約為0.06 m，如圖4所示。由于鋼軌表面出現波磨，會急劇增加輪軌之間的作用力，使得列車運行時產生附加的振動噪聲，從而增大了車內噪聲。如果在鋼軌(或車輪)上存在一個波長為L的波，并且以速度v傳播，將產生如下頻率的正弦振動[4]

(1)

產生的振動傳入鋼軌和車輪中，由振動結構將噪聲向外輻射。

圖4 目標區段鋼軌波磨

對所測車內噪聲進行頻譜分析，圖5為轉向架和車廂中間位置處A計權聲壓級的1/3倍頻程譜圖。從圖5測點1～測點6可以看出，前端、中部與后端車廂聲壓級幅值均在400 Hz和630 Hz處，且中部車廂400 Hz處聲壓級大于630 Hz頻率處，而前端和后端車廂400 Hz處聲壓級小于630 Hz頻率處，噪聲能量主要集中在400～630 Hz。文獻[4]的研究結果表明，輪軌噪聲主要集中在500 Hz以上，其中鋼軌振動聲輻射頻率在500～1 500 Hz，車輪聲輻射頻率在1 500 Hz以上，而低頻段噪聲主要來源于軌道結構噪聲。

圖5 各測點1/3倍頻程譜對比曲線

對目標區段K4+910～K5+100區間的波磨進行測試，得到其功率譜如圖6所示。

圖6 功率譜

從圖6可以得出，該區段內鋼軌波磨的主波波長為0.0512 m，根據78 km/h的運行速度，通過式(1)計算得出主波對輪軌系統產生423 Hz激擾，而此波波長0.025 6 m也是一個明顯的峰值，對輪軌系統產生846 Hz的激擾。同時波長由0.025 6～0.051 2 m存在多個峰值，這些波長的波磨會對輪軌系統產生423～846 Hz激擾，從而誘發423～846 Hz的輪軌滾動噪聲。

2.3.2 車內噪聲特性響度分析

A計權網絡是通過一組A計權濾波器來補償人耳的聽力特性，用于評價聲音的感覺強度，是目前廣泛采用的噪聲評價標準[10]。然而，A計權既不能說明人耳聽覺系統的頻率選擇性和遮蔽性，又不能說明聲音強度的非線性，因此與人的主觀評價相差較大。

響度是反映人耳對聲音強弱感覺的心理聲學參數，能夠體現人耳的時域遮蔽效應和頻域遮蔽效應，根據它可以把聲音排成輕到響的次序，它主要依賴于引起聽覺的聲壓，同時也與聲音的頻率和波形有關，故能綜合反映聲音強弱與頻率對人的影響，其單位為Sone。計算響度的方法有很多，Moore響度模型(ISO 532A)和Zwicker響度模型(ISO 532B)是使用最為廣泛的。

本文選用Zwicker響度模型[14]。Zwicker響度模型主要考慮頻域遮蔽效應，將以Hz線性頻率單位為自變量的功率譜函數轉變為以Bark頻率為自變量的函數。頻域與Bark域之間的關系見式(2)與式(3)，Zwicker理論計算總響度N的計算式如式(4)和式(5)。

(2)

(3)

式中Z——臨界帶寬，Bark；

fΔ——中心頻率為f處臨界帶寬的頻率帶，Hz。

(4)

(5)

式中N1——特性響度，Sone/Bark；

ETQ——安靜狀況下人耳聽閾對應的激勵；

E0——與參考聲強I=10-12W·m-2對應的激勵。

當聲音的頻率、聲壓改變時，人對響度大小的感覺也將發生變化，依據聲壓和頻率綜合定出人對聲音的主觀響度感受量，稱為響度級，單位為方(Phon)。響度N與響度級Ls的關系式如下

(6)

根據響度的Zwicker響度模型計算車內噪聲響度。表4為前端、中部和后端車廂6個測點車內噪聲總響度。由表4可以看出，前端和后端車廂總響度大于中部車廂，而同一節車內，車廂中間和轉向架上方的總響度相差不大，這與A計權聲壓級分析結果相同。

表4 車內噪聲總響度

圖7為車內6個測點噪聲的特性響度曲線，從圖7分析可知，前端、中部與后端車廂4～7 bark(400～720 Hz)的特性響度對總響度有著較大的貢獻率，這與A計權聲壓級分析結果相同。前端和后端車廂在3～5 Bark(300～500 Hz)和5～7 Bark(500～720 Hz)上均有明顯的峰值，而中部車廂只在3～5 Bark(300～500 Hz)范圍內有峰值，而由A計權聲壓級的1/3倍頻程譜圖可知，6個測點在400 Hz和630 Hz處均出現峰值，這與響度分析結果存在差異，這說明人耳對中部車廂5～7 Bark內的噪聲感覺并不明顯，并不像A計權聲壓級反映出的結果。

圖7 車內噪聲特性響度曲線

3 鋼軌打磨對車內降噪的影響效果

鋼軌打磨是通過磨蝕劑清除軌頭表面金屬的過程。自1930年以來，鐵路運輸部門將打磨方法用于清除諸如軌面波紋、磨耗、波羅等軌頭缺陷[14]。通過打磨鋼軌，可以降低輪軌之間的動荷載，有利于延長鋼軌的使用壽命和減少維護次數。同時，通過打磨鋼軌清除軌面波磨這類缺陷，還可以降低振動和噪聲，提高乘車的舒適性。在此次研究中，通過對鋼軌打磨后地鐵車內噪聲進行測試，分析鋼軌打磨對車內降噪的影響效果。

3.1 鋼軌打磨效果

對目標區段K4+910～K5+100區間鋼軌進行打磨，對打磨后的鋼軌進行現場測試，將打磨前后功率譜進行對比，如圖8所示。

圖8 功率譜

鋼軌打磨前，該區段內鋼軌波磨主波波長為0.051 2 m，同時波長從0.025 6～0.051 2 m之間存在多個峰值，這些波會對輪軌系統產生423～846 Hz激擾，從而誘發423～846 Hz的輪軌滾動噪聲。鋼軌打磨后，波長0.025 6～0.051 2 m范圍內沒有明顯的峰值，且打磨后波深也比打磨前小。

3.2 車內降噪效果A計權分析

表5為鋼軌打磨后，前端、中部和后端車廂中6個測點的A計權聲壓級。由表5可以看出，6個測點的A計權聲壓級較打磨前有明顯的下降，測點1即前端車廂轉向架上方降噪最為明顯，達到5.1dBA，而測點4即中部車廂中間降噪效果不理想，但依然有0.6dBA的下降。由此可以看出，鋼軌打磨對前端和后端車廂內降噪效果明顯，而中部車廂降噪效果不如前者，但仍然能起到降噪效果。

表5 A計權聲壓級 dBA

對打磨后車內噪聲進行頻譜分析，圖9為6個測點位置處A計權聲壓級的1/3倍頻程譜圖。由圖9可以看出：打磨前，前端、中部和后端車廂A聲級幅值出現在400 Hz和630 Hz，車內噪聲能量主要集中在400～630 Hz。打磨后，前端、中部和后端車廂A聲級幅值在400～630 Hz之間都有所減小。

圖9 各測點1/3倍頻程譜曲線

鋼軌打磨后，5個測點在400 Hz和630 Hz處的A計權聲壓級較打磨前有明顯的下降，僅有測點3在630 Hz處上升0.4dBA，但仍在噪聲限值要求之內。6個測點400 Hz處車內噪聲A計權聲壓級降幅明顯大于630 Hz處。在400 Hz處，測點5和測點6車內噪聲A計權聲壓級降幅最大，達到8.6 dBA和9.2 dBA，明顯高于其他測點，說明鋼軌打磨清除了波長0.025 6 m的波磨。該波長的波磨會對輪軌系統產生423 Hz的激擾，且400～630 Hz的A計權聲壓級都較打磨前有明顯降低，與圖8中波長0.025 6～0.051 2 m范圍沒有明顯峰值相符合。由此可以看出，通過鋼軌打磨清除鋼軌上0.025 6～0.051 2 m的波，能夠抑制423～846 Hz的輪軌滾動噪聲，從而降低了地鐵車內噪聲。

3.3 車內降噪效果響度分析

列車以78 km/h的速度行駛時車內噪聲總響度值見表6。

從表6可以看出，鋼軌打磨后，前端和后端車廂的4個測點車內噪聲總響度降低，而在中部車廂的2個測點總響度略有增大。這一結果與表5采用A計權聲壓級得到的結果有差異，對于測點1來說，采用A計權聲壓級分析在打磨前后車內噪聲A計權聲壓級降幅最大，達到5.1 dBA，而采用響度分析后，測點1響度雖然有所下降，但是降幅不大，為2.1Phon，這說明相對于人耳的感知情況，A計權方式高估了測點1處鋼軌打磨后帶來的車廂內降噪效果；而對于測點3和測點4，采用響度分析鋼軌打磨后的降噪效果，總響度不降反升，這說明人耳在測點3和測點4感官會增加，而不是A計權聲壓級反映出來的降低。綜上所述，在對鋼軌進行打磨后，車內噪聲對人耳感官的影響方面，測點1、2、5和測點6的效果相較于A聲壓級分析來說效果并不明顯，甚至在測點3和測點4還增大人耳對噪聲的感知情況。

表6 車內噪聲總響度 Phon

圖10為車內6個測點打磨前后噪聲的特性響度曲線對比。從圖10可以看出，打磨后，測點1、2、5和測點6的特性響度在0～24 Bark上都有所下降，而測點4和測點5在3～5 Bark(300～500 Hz)中的特性響度有明顯的下降，但在1～3 Bark(100～300 Hz)中有明顯的上升，且取代3～5 Bark成為主要頻段，這說明由于A計權對低頻的修正值較大，會導致頻率特性中低頻段聲壓級被修正而無法體現其實際影響，鋼軌打磨后，在全頻段降低了測點1、2、5和測點6車內噪聲對人耳感官的影響，而放大了車廂中部測點4和測點5在低頻對人耳感官的影響。

圖10 車內測點噪聲的特性響度曲線

3.4 車內降噪范圍建議

總的來說，通過打磨鋼軌降低了車內噪聲，但車內6個測點的A計權聲壓級仍然略大于車內噪聲限值要求。若以降低A聲級為目標，車內噪聲的主要能量分布仍然集中在400～630 Hz上，因此應力求降低該頻段內的噪聲。而A聲級低估了低頻噪聲對人體的影響，為了達到乘客乘坐的舒適度，應采用以心理聲學參數響度評價方法為指導，以降低特征響度為目標，則前端和后端車廂應主要降低3～8 Bark臨界頻段內的中頻噪聲，在中部車廂則應該降低1～3 Bark臨界頻段內的低頻噪聲。車內噪聲依然超標的原因可能是車輪踏面不平滑，由于降低車輪和鋼軌的聯合粗糙度可降低噪聲，降噪效果與粗糙度成正比，通過打磨鋼軌，在一定程度上降低了車內噪聲。但是需要強調的是應同時考慮車輪和鋼軌的粗糙度，如果只改善其中一方的粗糙度，其降噪效果達不到預期。

4 結論

通過對地鐵車內噪聲進行測試，將測試數據通過傳統的A計權分析方法和基于心理學響度的方法分析了鋼軌打磨前后車內降噪效果，結論如下。

(1)波長0.025 6～0.051 2 m波磨是地鐵車內噪聲超標的主要原因，通過清除波長0.025 6～0.051 2 m波磨，6個測點A計權聲壓級明顯，起到了降噪效果。

(2)通過A計權分析，鋼軌打磨對前端和后端車內降噪效果明顯，而中部車廂降噪效果不如前者，但仍然能起到降噪作用。而通過響度分析，前端和后端車廂的4個測點車內噪聲總響度降低，而在中部車廂的2個測點總響度略有增大。

(3)評價噪聲主觀感覺大小的A計權低估了中部車廂100～300 Hz頻率的噪聲影響，而響度作為反映人耳對聲音強弱感覺的心理聲學參數，能夠更為準確地評價低頻車內噪聲對人耳的影響。

(4)若以降低A聲級為目標，則應力求降低400～630 Hz內的噪聲。若以降低特征響度為目標，則在前端和后端車廂應主要降低3～8 Bark臨界頻段內的中頻噪聲，在中部車廂則應該降低1～3 Bark臨界頻段內的低頻噪聲。