高架線列車車內噪聲測試及分析

任奇

（北京九州一軌隔振技術有限公司，北京 100070）

1 概述

軌道交通車內的噪聲會影響乘客的舒適度，車輛在線路條件差的地段，如通過特殊小半徑曲線時，噪聲更為明顯。某高架線路有多處小半徑曲線，車輛在通過曲線時噪聲明顯增大，且距離居民區較近，在試運營期間就接到了噪聲投訴。為研究不同曲線半徑噪聲的特點，若在高架橋上進行噪聲測試則需布置大量測點，且該項目的高架橋較窄，軌旁測點不滿足距行車線路中心線水平距離7.5m的要求，不滿足測點周圍2m內不應有反射物的要求，且車輛在運行過程中的主要噪聲源為輪軌噪聲，其附屬設備的噪聲對車內影響不大[1、2]，因此選擇在行進列車的內部設置噪聲測點。

高架線路的兩側設有半包圍聲屏障，頂部按消防要求開孔。屏障底部設吸聲結構，為孔板加吸聲材料，吸聲材料外包防水杜邦膜。噪聲敏感區段，列車先后通過直線—R100m曲線—直線—R45m曲線，之后進站停車。

測試列車通過時車內的噪聲情況，意在分析列車通過小曲線時的噪聲變化情況及噪聲的頻率組成，為噪聲治理提供數據支持。

2 測試依據

車內噪聲測試按《城市軌道交通列車 噪聲限值和測量方法》（GB 14892—2006）進行，該標準意在驗證車輛的設計、制造和檢驗，所以要求選擇線路條件較好的情況進行測量（坡度＜3‰，曲線半徑＞1500m）。標準中地面線車內噪聲限值為75dB（A），不適用于本次測試的小半徑曲線。所以本次測試僅采用標準規定的傳感器位置、朝向，門窗關閉，客室內人員不超過4人的要求，其余要求不做參考[3]。

3 測試儀器及方案

3.1 測試儀器

本次測試對后期數據的處理要求較高，所以采用在噪聲測試采集及信號處理分析方面有優勢的數據采集儀作為測試工具。可完成傳統聲級計無法實現的功能，如濾波、波形截取等。

3.2 測試方案

測試前充分考慮到后期數據處理過程中需要將噪聲的時域數據與車輛行進中的線型、車速相對應，所以測試方案中包括了多點視頻同步采集，需與噪聲測試同時啟停，同步記錄行車方向（線型）及實時車速變化。

客室內所有的門、窗關閉，保證測試期間客室內人員不超過4人。傳聲器置于客室縱軸中部，距地板高度1.2m，方向朝上。視頻采集位于車頭司機室處，記錄列車前進方向線路情況及車速。以區間兩車站為測試起止點，以列車啟動時開始測試，至列車進站停車終止測試。

4 數據處理分析

4.1 濾波

噪聲測量過程中受氣流、氣壓變化、手持晃動等影響，數據會出現波動。根據工程經驗通過對音頻數據進行高通濾波（截止頻率100Hz），可以消除相關干擾。圖1所示為同一組數據濾波前后的時域曲線。濾波對聲壓級尤其是A聲級影響很小，可忽略不計。

圖1 濾波前后噪聲時域波形

4.2 時域波形、音頻、視頻對比分析

4.2.1 音頻轉換

數據采集儀具有數據轉換功能，可以將傳聲器采集的原始文件轉換為可播放的聲音文件，幫助還原噪聲采集的過程，尤其是可以對異常數據的原因進行分析。

本次測試采集由列車出站至進站的全過程，所以數據的開頭及結尾可能會采集到車門及屏蔽門關閉時的提示音。如圖2所示，時域數據區域E范圍內即為屏蔽門關閉提示音。通過轉換格式后可清楚聽到并分辨出提示音出現的時間，與視頻中的聲音能很好地吻合，在噪聲分析過程中應去除該部分聲音，避免對數據的準確性產生影響。

圖2 噪聲時域波形區分

4.2.2 通過視頻標注時間節點

視頻文件長度與相應噪聲文件長度相同，視頻中可分辨列車進出曲線的時間段，轉換后的音頻文件在相同時間段的聲音與視頻相吻合，則可確認該段時間列車通過的線路情況。如圖2所示，將時域波形數據依次按時間節點進行標注，精確到秒，區分該段噪聲與線路的關系。

實際測試過程中，同一列車在該區間反復運行5個循環，以列車啟動出站為起點，進站停止為終點，記錄10組有效數據，數據一致性較好。從時域圖中可以清晰的分辨出列車通過曲線時，噪聲增大的情況。

4.2.3 截取波形進行分析

按時間節點截取相應的時域數據，分別進行倍頻程分析，得到R100m、R45m、直線的聲壓級。平均方式：線性平均，重疊系數7/8，FFT分析點數：32768，矩形窗。不同線型/車速噪聲數據見下表。

測試結果

對數據進行頻譜分析可精確的得知能量集中的頻率，如R100m時的噪聲在5.8kHz及7.95kHz處存在能量集中（見圖3）。

4.2.4 倍頻程分析及三維譜陣

對4段數據進行1/3倍頻程分析，可看出不同車速、不同曲線半徑條件下噪聲的頻率分布情況（見圖4）。直線時速20km時在100Hz至200Hz，1.6kHz至25kHz的噪聲較時速10km時均有增大。

圖3 R100m噪聲頻域波形

圖4 1/3倍頻程分析

信號的傅里葉頻譜只能反映信號在整個時間過程中的平均頻率情況，使用三維譜陣分析則可反映長數據信號的頻率特性隨時間變化而變化的情況。

三維譜陣分析是對一個長信號在其不同時間位置上，取一定長度的數據點（一般為1024點）分別進行傅里葉譜分析，然后將各次的譜分析結果在三維空間中依次排列起來，以表現在不同時間位置上的信號頻譜特性。相鄰兩條譜線所取時間的間隔通常相等，并使各次分析的時間位置在整個時間軸上均勻分布。分析譜線條數越多，越能精確反映信號頻率隨時間變化的特性。見圖5，通過三維譜陣可看出列車在經過R100m及R45m小曲線半徑時，除低頻能量增加外，在5.8kHz及7.95kHz附近有明顯的能量集中。該部分噪聲為小半徑曲線特有的尖嘯聲（嘯叫聲），由內側車輪在內側鋼軌蠕滑引起。從本質上說，蠕滑力就是摩擦力，在高蠕滑狀態下，蠕滑力的下降特性被認為是動態不穩定作用形成的主要原因，進而產生尖嘯聲[4]。

列車通過直線段時噪聲主要頻率集中在2kHz以下，通過小半徑曲線段時噪聲頻率范圍較寬，至8kHz均有分布。其中5.8kHz及7.95kHz兩個頻段的能量較為集中，可作為小曲線噪聲的特征頻率。在三維譜陣圖中通過特征頻率可驗證不同線型時間節點的準確性，當特征頻率出現時即為車輛進入曲線，見圖5。

圖5 三維譜陣

4.2.5 時變參量分析

對于變化的聲音信號，可以通過時變參量分析得到各個時刻的聲壓級，獲取聲壓級—時間曲線。列車通過時各個時刻的聲壓級見圖6。從圖6可看出列車進出小半徑曲線時噪聲會陡然增加及下降。噪聲持續時間與曲線長度及車速相關。

圖6 時變參量分析

5 測試結論

列車通過小半徑曲線車內噪聲測試結論如下：

（1）直線段時速20km時，聲壓級70.1dB（A），大于時速10km時聲壓級68.3dB（A）。R100m車內聲壓級78.4dB（A），R45m車內聲壓級76.8dB（A）。

（2）小曲線地段高頻聲頻率集中在5.8kHz及7.95kHz附近，由輪軌摩擦、蠕滑產生。

（3）對于車內噪聲測試分析，一定要將測試數據與線路、車輛、軌道、車速等一一對應。建議測試前對照線路圖及運行圖了解車輛進出曲線的大概時間節點，測試過程中采用添乘錄制車輛前進方向及實時車速，或錄制車廂縱向影像的方式判斷車輛是否進入曲線，與聲級計采集的數據做到同步，以便后期在時域分析過程中，對照視頻資料判斷噪聲產生時的線路情況。如條件允許，還應到線路實地考察，觀察隧道/高架線路情況，考察軌道扣件型式有無減振措施，有無波磨等。綜合各種情況后才能對噪聲各頻帶有清晰地分析。

6 噪聲控制建議

小半徑曲線易產生軌道病害，對于該區段的噪聲控制提出以下建議：

（1）打磨鋼軌消除原始不平順，并加裝TRD阻尼器抑制鋼軌波磨。

（2）在外軌加裝摩擦控制裝置，在內軌加裝鋼軌涂油裝置，對內外鋼軌進行全面潤滑，減少側磨及蠕滑。

（3）針對列車噪聲對周邊居民的影響，建議設置全封閉屏障，檢查杜邦膜安裝情況及對吸聲材料的影響。