地鐵車內噪聲成因及影響因素研究概述

摘要 地鐵內部的噪聲問題主要源自列車外部噪聲傳播和內部振動激勵，受到軌道、列車和隧道三個方面因素的影響。軌道方面主要涉及軌道粗糙度、曲線半徑和扣件情況；列車因素包括速度、車體材料、密封性和內部設備；隧道影響則包括運行環境、截面和吸聲材料。文章總結了目前國內外有關車內噪聲的相關研究方向、影響車內噪聲的可能因素以及目前可采取的降噪措施，分析各自優缺點，為后續降低車內噪聲提供了研究建議和展望。

關鍵詞 地鐵噪聲；噪聲源；輪軌；隧道列車；降噪措施

中圖分類號 U270 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0017-06

0 引言

地鐵是城市軌道交通的主要形式，在許多城市中乘坐地鐵已經成為居民一種不可或缺的出行方式，地鐵列車在行駛過程中車內噪聲問題始終難以解決。地鐵車內噪聲主要來自列車外部噪聲源傳播以及車內的振動激勵，噪聲過大會直接影響乘客和司乘人員的舒適度，甚至會影響地鐵列車的安全駕駛，存在巨大的安全隱患。該文將從輪軌、列車以及隧道三個方面出發，提煉總結國內外有關地鐵列車內噪聲研究，包括現有的研究方法和相關降噪措施等，為后續研究地鐵列車的車內噪聲研究提供參考。

1 車內噪聲產生機理

振動和噪聲密切相關，振動越大，噪聲也就越大[1]，其中振動主要通過固體介質傳播，噪聲則主要通過空氣介質傳播，當物體振動時會引發噪聲。反之，噪聲也能引起固體介質的振動，根據噪聲傳播路徑的不同，地鐵車內噪聲大致可以分為結構噪聲和空氣噪聲[2]。結構噪聲主要來自列車轉向架以及車內設備的振動激勵，通過車體結構進行傳遞，引發車體內部件的振動，并向車內輻射噪聲。空氣噪聲則是由于輪軌噪聲、氣動噪聲等噪聲源直接向外輻射噪聲，通過不同的方式經空氣傳播進入車內，其中根據空氣噪聲進入車內方式不同將其分為透射聲以及直達聲，透過車廂壁板以及車窗等傳遞至車內的聲音稱之為透射聲，通過門縫等縫隙傳遞至車內的聲音為直達聲，車內噪聲來源大致如圖1所示。

2 輪軌對地鐵列車內噪聲的影響

大量研究表明[3-10]，在地鐵運行速度小于80 km/h工況下，輪軌噪聲是地鐵列車行駛過程中的主要噪聲源，其產生機理如圖2所示。按照其產生方式的不同可分為滾動噪聲、沖擊噪聲和嘯叫噪聲，其由于鋼軌與車輪之間的相互作用產生噪聲并向外輻射聲波[11]。滾動噪聲是車輪在直線鋼軌上滾動時發出的噪聲，通常是由于車輪在良好狀態的鋼軌上滾動而產生的，沖擊噪聲則是車輪通過軌縫或者道岔時產生的噪聲，嘯叫噪聲則是在地鐵列車通過小半徑曲線行駛時發出的尖叫聲，是由于車輪不能與鋼軌正常接觸并產生共振所導致的。

目前國內外關于輪軌對車內噪聲的研究主要聚焦于輪軌的粗糙度、小半徑曲線以及軌道類型這三個方面。

2.1 輪軌的粗糙度

輪軌的粗糙度包括車輪表面的粗糙度以及軌道的粗糙度，車輪表面的粗糙度是指車輪的不圓度[12-13]，當車輪表面較為光滑，則與軌道接觸時摩擦力較小，產生的振動和噪聲也相對較小。軌道的粗糙度是指軌道表面的不平整程度或表面的不規則性，其中軌道的波磨以及不平順是軌道表面常見的兩種病害。

國外學者通過試驗數據證實了輪軌粗糙度和滾動噪聲之間的線性關系[14]，國內學者的相關研究[15-21]主要集中在研究車輪粗糙度和軌道波磨對車內噪聲的影響。實驗發現，車輪粗糙度降低會顯著降低車內噪聲，軌道波磨的出現使得地鐵線路的噪聲和振動急劇增大，其噪聲引發的峰值主要集中在100～500 Hz的中頻段，通過對波磨地段的打磨可以有效減少車內噪聲，如圖3所示[16]。

2.2 小半徑曲線

地鐵在曲線線路上行駛時，地鐵列車因為輪緣與鋼軌的摩擦，會產生振動和輻射噪聲，特別是在小半徑曲線上。這些曲線會導致地鐵發生較高的側向加速度和側滑現象，增加了振動和共振的可能性，使得嘯叫聲更容易發生，曲線的半徑越小，輪軌之間的相互作用就越劇烈，導致鋼軌磨耗加劇，產生的輪軌噪聲也會更大[22]。

國外學者對于曲線地段輪軌尖嘯聲的研究開始得較早且深入，Monk-Steel等[23]、Pieringer[24]以及Brunel等[25]均認為曲線地段輪軌嘯叫聲是車輪在曲線軌道行駛過程橫向蠕滑較大而引起的，且曲線段的摩擦條件在很大程度上決定嘯叫噪聲的大小。國內學者采用現場試驗、數值模擬等方法研究小半徑曲線對車內噪聲的影響，例如付翔等[26]通過現場實測和頻域分析發現曲線段的車內噪聲的聲壓級、主頻峰以及次峰率均明顯大于直線段并且噪聲峰值隨著曲線半徑的減小而逐漸增大，如圖4所示[28]。周海洋[27]通過建立地鐵小半徑曲線下地段車內噪聲的預測模型研究可能對車內噪聲產生影響的因素，為數值模擬研究車內噪聲提供可能。

2.3 軌道類型及其扣件

地鐵運行產生的振動和噪聲相互影響，不同的減振軌道結構如彈性扣件、彈性支承塊和浮置板會影響車內噪聲水平，設計不當可能導致車輛振動共振，增加車內噪聲。在地鐵系統的設計和運營中，需要綜合考慮振動、噪聲、周邊環境和乘客舒適度等因素，并采取適當的措施來實現平衡和最優化。

國內學者通過現場測量的方式研究不同軌道類型對車內噪聲影響。研究表明[28-31]：采用減振類型軌道結構車內噪聲聲壓級普遍會高于采用普通整體道床，隨著隔振效率的提高，車內噪聲反而加劇并且發現剛度較低或者是彈性軌道扣件下車內噪聲會更嘈雜[32]；通過對不同軌道結構測得的數據進行頻譜分析和1/3倍頻程分析發現減振型軌道結構的噪聲主要集中在低頻及中頻段，并且采用減振型軌道結構可能會加劇低中頻噪聲范圍并使得車內噪聲增大，如圖5所示[29]。

2.4 降噪措施

針對以上有關輪軌對于車內噪聲的影響研究，可通過以下幾個方面實現對車內的降噪：

（1）鋼軌打磨[20][33]，通過定期對存在波磨區段的鋼軌以及處在小曲率半徑上的軌道進行打磨。

（2）減少車輪與軌道之間的摩擦系數[33]，通過一些車輪的順滑裝置以及對軌道涂油，降低車輪與軌道之間的摩擦系數從而減少鋼軌波磨以及車輪不圓度的產生。

（3）定期更換或者調整扣件，扣件的剛度越大車內噪聲越小[34]，通過增加以及更換剛度較大的扣件從而減小輪軌之間的振動響應。

（4）采用合適參數的彈性車輪[34]，采用彈性車輪能起到良好的減振降噪效果。

針對輪軌對于噪聲影響所采取的降噪措施，并且均是通過控制噪聲源的方式控制地鐵列車整體產生噪聲水平，具有很強的實用性，降噪效果也最為明顯，但存在著高成本、高能耗等缺點。

3 列車對地鐵車內噪聲的影響

根據車內噪聲來源以及噪聲的傳播途徑，地鐵車內噪聲也受到地鐵自身的吸聲性能及其密封性和車內外聲源產生的噪聲等因素的影響。

3.1 列車速度

列車在高速運行過程中產生氣動噪聲，地鐵運行過程中也是如此，其是指由氣流直接產生的振幅和頻率雜亂、統計上無規則的聲音。隨著地鐵運行速度的提高，氣動噪聲會以冪次函數激增并且會超過輪軌噪聲成為主要的噪聲源[35-37]。

國內學者[38-40]通過現場測試發現地鐵車內噪聲會隨著速度的增大而增大，特別是高速行駛過程中氣動噪聲增加，會導致車內振動和噪聲水平的上升，如圖5所示[41]。對所得的時域數據進行頻域分析和1/3倍頻程頻譜分析發現，車內噪聲主要集中在中高頻段，其頻域特性不隨車速改變而改變，原因在于氣動噪聲的頻譜特性主要受列車和隧道等結構的影響，而這些因素在不同速度下并未顯著變化。

3.2 車體材質以及密封性

聲音傳播主要通過空氣和固體兩種途徑進行，輪軌噪聲是主要外部噪聲源，為有效控制地鐵車輛外部噪聲進入地鐵車內，可采用一些特殊的材質，創造良好的密封條件。

目前我國地鐵車體可采用的材質包括普通碳素鋼、低合金高強鋼、耐候鋼、不銹鋼、優質碳素鋼，以及鋁合金鋼，其中最常用的是普通鋼、不銹鋼以及鋁合金三種材料[42-44]。其中，耿烽和左言言[39]建立了鋁合金地鐵的車體有限元模型并采用聲學分析軟件SYSNOISE進行噪聲預測，結合南京地鐵一號線的實際測量結果發現，通過增加車體壁板厚度，車內噪聲聲壓級會有明顯的降低，如圖6所示[39]。

地鐵車內地板是車輛下部的噪聲進入車廂內部的主要途徑，車外噪聲源會經過車體的板件結構對車內進行輻射噪聲，試驗發現[45-48]通過對地板進行一定的處理，選擇不同的隔音材料、設計地板結構或者設計減振裝置等幾方面進行優化能有效控制噪聲進入地鐵列車內部。

3.3 列車內輔助設備

地鐵車內噪聲的可能來源包括電機、齒輪、壓縮機、風動設備、空調設備、門和輔助控制等設備[49]。

國內大部分學者[50-53]認為地鐵在靜置狀態下空調系統是車內噪聲的主要來源，其對送風口處影響較大而對于車內其他空間的噪聲影響較小，且在運行過程中，地鐵速度越小，空調系統對車內噪聲影響越大，隨著速度的增加，輪軌噪聲會逐漸成為主要的噪聲來源。

3.4 降噪措施

針對以上有關列車對于車內噪聲的影響，可通過以下方法來實現降低車內的噪聲：

（1）提高列車的密封性[50]，減少車外的噪聲通過門、窗戶和風擋傳入車內。

（2）對車內地板鋪設吸聲材料，通過在地板上使用減振阻尼材料，可以達到隔音和吸聲效果從而減少車內噪聲。

4 隧道對地鐵車內噪聲的影響

地鐵一般是在隧道里行駛，噪聲會以不同的形式傳入車廂，包括直接透過空氣、經過隧道墻壁和列車表面的反射。這些噪聲在隧道內形成了一個混響的環境，使得車內噪聲顯著增加[54]，同時隧道內的風速和隧道形狀也會影響噪聲傳播規律，導致噪聲聚焦并進一步傳入車內[2]。

目前隧道對于車內噪聲影響研究主要集中在地鐵行駛環境、隧道截面和隧道鋪設的吸聲材料及其鋪設面積。

4.1 地鐵行駛環境

地鐵有隧道以及明線兩種運營環境，其中隧道是地鐵運行的主要環境，主要有襯砌、洞口、隧道路面以及其他附屬建筑物組成。

相關研究表明[15][55-57]，相同位置下，隧道內噪聲的聲壓級高于明線下的聲壓級，如圖7所示[57]，且車內的噪聲主要是集中在中頻段帶，如圖8所示[57]。可能原因是隧道內的噪聲會通過隧道壁和車體表面的多次反射使得隧道內聲場在同一截面上聲壓較為均勻，而明線噪聲聲壓會向外擴散，導致傳播進入車內的噪聲較小。

4.2 隧道截面

地鐵隧道的斷面形式包括矩形、拱形、圓形和橢圓形等，主要采用矩形和圓形兩種形式。通過仿真模擬方法研究發現[58]，隧道截面形狀對車內噪聲的影響并不顯著，圓形隧道在低頻段車內聲壓值高于矩形隧道，在中高頻段卻相反[55]，可能是因為隧道截面形狀在噪聲傳播過程中沒有明顯的局部增益或減弱效應，且在不同頻段下相互抵消。

4.3 隧道壁吸聲材料及其鋪設面積

地鐵車內噪聲主要源自車外噪聲通過空氣傳播進入車廂，部分聲波經過隧道壁的反射和疊加，形成高于聲源的噪聲水平。研究發現[55][59][60]，在隧道壁鋪設吸聲材料可顯著降低隧道內噪聲，但鋪設面積增加對車體表面區域的降噪效果明顯，而對車內客室降噪效率則減小。目前國內外鐵路隧道吸聲材料主要分為多孔吸聲和共振吸聲兩種類型，應用情況如表1所示[61]。多孔吸聲是通過聲波進入材料內部激發空氣振動轉化為熱能來衰減聲能，而共振吸聲則是通過振動產生摩擦轉化部分聲能為熱能來消耗聲能。

4.4 降噪措施

根據隧道對于車內噪聲的影響，可通過以下方法來降低車內的噪聲：

（1）在隧道內壁鋪設吸聲材料，通過對隧道內部鋪設吸聲材料，削弱噪聲能量以達到被動降噪的效果。

（2）在軌道兩邊安裝吸聲板或者是設置聲屏障[62]，地鐵聲屏障是一個隔聲設施，其能阻止直接聲的傳播，隔離透射聲，使反射聲有足夠的衰減，而吸聲板則是通過吸聲達到降噪的效果。

5 總結與展望

地鐵列車在行駛過程中的車內噪聲問題普遍存在，當車內噪聲達到一定程度時會對乘客的出行體驗產生負面影響，為制定合適的降噪措施，必須深入了解地鐵車內噪聲成因和影響因素。總結現有資料發現，地鐵車內噪聲主要受到輪軌、列車以及隧道三方面因素的影響。

（1）輪軌對地鐵車內噪聲的影響主要涉及輪軌粗糙度、小半徑曲線和軌道類型。輪軌粗糙度、小半徑曲線和軌道類型顯著影響車內噪聲。車輪不圓度和軌道波磨會顯著提高噪聲峰值，特別是在粗糙地段。小半徑曲線段易產生嘯叫噪聲，使得曲線段噪聲高于直線段。此外，軌道減振設計旨在減少振動和噪聲傳播，但如果設計不當，可能導致共振，反而增加噪聲。因此，合理設計軌道剛度和彈性至關重要。

（2）地鐵列車對車內噪聲的影響主要來自行駛速度、車體材質和車內輔助設備。隨著速度增加，氣動噪聲增強，導致車內聲壓級升高。采用密封材料和底板阻尼處理可以減少噪聲傳遞。車內輔助設備，尤其是空調系統，在列車靜止時噪聲顯著，但速度增加時其影響逐漸減小。

（3）隧道對車內噪聲的影響主要涉及行駛環境（隧道或明線）、隧道截面形狀（矩形或圓形）和隧道表面吸聲材料。隧道環境與明線相比，車內噪聲更高，主要由于隧道內多次聲波反射增加了聲壓級。雖然隧道截面形狀對噪聲頻譜影響有限，但隧道壁的聲波反射會增加車內噪聲。通過在隧道壁上安裝吸聲材料，可以有效減少反射，降低車內噪聲。

（4）當前噪聲研究以現場試驗和數值模擬為主。盡管現場試驗數據精確，但成本較高，而數值模擬成本低、效率高，逐漸成為主流方法。未來，基于數據驅動的數值模擬將廣泛應用，提升噪聲預測和控制能力。

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