基于長期監測的市域快線室內振動噪聲特性研究

中圖分類號：U238 文獻標志碼：A

本文引用格式：璐，等.基于長期監測的市域快線室內振動噪聲特性研究[J].華東交通大學學報，2025，42（2）：35-45.

Study on Indoor Vibration and Noise Characteristics ofUrban Subway Based on Long-Term Monitoring

ZhaiLihual2，Xiao Junhual，XuLu，Chen Yanwen3，Liu Qingjie （1.KeyLaboratoryofRoadandTraffcEngineering，MinistryofEducation，TongjiUniversity，Shanghai 2O1804，China; 2. Guangzhou Metro Design Institute Co.，Ltd.， Guangzhou 510o10， China; 3.Schoolof Transportation Engineering， EastChina JiaotongUniversity，Nanchang 33o013，China）

Abstract： In order to study the characteristics of indoor vibration and secondary noise of buildings induced by 160km/h urban subway，a long-term monitoring system was deployed in a building room along a new urban expressline to carry out long-term vibration and noise monitoring.Based on the analysis of a large number of monitoring data，the characteristics of indoor vibration and secondary structural noise of buildings along the highspeed underground line are studied，and the changes of vibration and noise characteristics at different driving speeds are studied.The analysis results show that each frequency band of indoor vibration induced by subway has a certain degree of dispersion. In the 25.0～125.0Hz frequency band，the dispersion degree of the frequencydivided vibration level is lower than that of other frequency bands.The dispersion of the frequency-divided sound pressure level of each frequency band of indoor secondary structural noise induced by subway is significantly greater than that of the frequency-divided vibration level of indoor vibration induced by subway.The difference between secondary structural noise and background noise is mainly concentrated in the 31.5～125.0Hz frequency band.The correlation between the vibration frequency-divided vibration leveland the secondary structural noise frequency-divided sound pressure level in the subway-induced room is large in the frequency band of 31.5～100.0Hz .After the speed increases，the correlation between the vibration level and the secondary structural noise does not increase significantly，but the dispersion degree of the vibration andsecondary structural noise monitoring data decreases.Afterthe speed increases，the vibration frequency division vibration level increases at 20.0～50.0Hz ，while the secondary noise sound pressure level of the structure increases only at 31.5Hz

Key words： urban subway; long-term monitoring; vibration; secondary structure noise

Citation format：ZHAILH，XIAOJH，XUL，et al.Studyonindoorvibration and noise characteristics of urban subwaybased on long-term monitoring[J].Journal ofEast China Jiaotong University，2025，42（2）： 35-45.

近年來，為加強中心城區與衛星城的聯系，最高運營速度達 160km/h ，以地下線為主要敷設方式的城際鐵路應運而生[1-2]。廣州地鐵18號和22號線是國內較早采用時速 160km/h 的全地下市域快線3。市域快線的發展大幅減少市民的通行時間[4，成為城市軌道交通發展的新熱點。城市軌道交通在方便人們出行的同時，也帶來了環境振動與二次結構噪聲污染[7-0]。市域快線與普速地鐵的振動特性差異顯著，主要體現在更快的車速、更大的隧道斷面尺寸和車輛類型不同等方面，目前我國關于地鐵誘發環境振動的相關研究主要集中在普通地鐵，既有的振動噪聲預測方法難以適用于 120～160km/h 的線路[11-12]因此，開展相關研究具有較強的理論和實踐意義。

隨著運營速度的增加，地鐵列車豎向加速度幅值顯著增大[13]。研究發現，市域快線在運營時引發的振動與普速地鐵存在較大差異，其振動峰值較小，振動頻率較高[416]。現場實測是預測和評估地鐵環境振動噪聲最可靠的手段。為了評價地鐵振動對沿線建筑物的影響，國內外學者通過實測進行了一系列的研究。地鐵振動易誘發沿線建筑物發生共振，產生二次結構噪聲，郝影等[8]將測試數據與國內標準對比，發現即使最大Z振級滿足《城市區域環境振動標準》（GB10070—1988）中的限值，居民的主觀煩惱度仍較高。實測是研究地鐵振動噪聲的有效方法[19]，李明航等[20]對某地鐵線路同一區間內2個斷面進行現場原位測試，發現測試斷面振動源強離散超過15.00dB，早晚高峰時段振動源強沒有明顯增大。

大量的研究表明[21-22]，即使在同一天內，列車在相對確定的條件下運行，列車引起的振動噪聲在不同時刻也是高度隨機的，給實測和預測的應用帶來了很大困難[23-24]。為更準確地評價和分析地鐵誘發沿線建筑物室內振動與二次結構噪聲，需要大量的數據來彌補測試數據的離散和隨機性，傳統的現場測試方法已無法滿足要求。

為了更加深刻地掌握市域快線誘發環境振動和二次結構噪聲的特征，通過部署長期監測的方式，對某新建運營城際鐵路沿線建筑物室內振動噪聲進行實時監測，通過長時間的實時監測，獲取了大量的監測數據。基于龐大的數據量、較長的數據采集時間跨度，對市域快線誘發室內振動與二次結構噪聲的數據特征以及市域快線提速前后誘發室內振動噪聲與二次結構噪聲的變化進行研究。

1 監測系統概況

1.1 監測位置

在某 160km/h 市域快線沿線一處振動噪聲敏感建筑物內進行長期室內振動噪聲監測。該地鐵為市域快線，其軌道使用橡膠浮置板軌道、SFC型扣件、 60kg/m 鋼軌。監測點選擇在一間無人居住、門窗封閉，且受背景噪聲影響較小的房間內，布置振動噪聲監測系統。

1.2 監測儀器

如圖1所示，所采用的監測儀器包括希聲云軌道監測主機。該主機可實現定時、觸發及連續采樣，并支持邊緣計算，從而實時獲得幅值、頻譜、Z振級、A計權聲壓等指標，并將數據自動上傳至云端，實現長時間監測功能。室內環境振動采用PCB393B04加速度傳感器監測，二次結構噪聲采用GRAS聲傳感器監測。

1.3 監測布置

監測現場布置如圖2所示。該振動噪聲敏感點建筑物共5層，為磚混結構，無電梯。監測位置選在該建筑物一層靠近地鐵線路一側的房間內（面積約18.0m² ，層高 3.0m ），房間內擺放家具，墻壁為乳膠漆裝飾，無吸聲材料（見圖3）。建筑物外墻距離線路中心線約 5.0m ，線路埋深 23.0m 。為盡量減少室內駐波的影響，在房間中央處布置一個393B04加速度傳感器；在靠近房間中央處布置一個GRAS聲傳感器，距離地面 1.2m 。

1.4 監測流程

監測系統的工作流程圖如圖4所示。監測系統采用\"云邊協同\"25的方式實現數據的采集、邊緣計算、清洗工作。通過自動觸發的方式采集信號，當振動信號峰值大于監測主機設置的振動閾值 0.01m/s² 時，監測主機開始采集室內振動噪聲信號。列車運行速度為 時，采樣時間為 60s ；運行速度為160km/h 時，采樣時間為 25s_o 采樣頻率為 2560.0Hz_o （204號其中，監測初期一段時間內處理好的數據集用于進行模型訓練。數據采集完成后自動進人邊緣計算程序，計算得到振動噪聲信號的峰值、有效值、1/3倍頻程幅值等特征數據。隨后，各項特征數據通過5G網絡上傳至云端數據庫。通過部署在云端的K鄰近（K-nearestneighbor，KNN）分類模型對振動噪聲信號進行識別，實現對背景信號與車致信號的分離，最終得到由列車誘發的振動信號和二次結構噪聲信號，KNN分類模型的具體算法可參考文獻[25]，訓練集測試結果為召回率 98.10% ，精度為 94.85% 。監測系統振動噪聲信號分類圖如圖5所示，監測系統對于背景振動、列車引起振動、背景噪聲以及列車誘發二次結構噪聲有明顯的區分表示。

2 監測數據特性分析

選取2022年某月采集的室內振動噪聲數據，分析市域快線誘發室內振動和二次結構噪聲的數據特征，以及列車誘發振動與背景振動、列車誘發室內二次結構噪聲與背景噪聲的區別。

2.1 頻譜分析

車致振動1/3倍頻譜箱型圖如圖6所示。振動的主要頻率在 50.0Hz 附近，最大幅值為54.00dB，次級主要頻率在 12.5Hz 附近。各分頻振級都存在不同程度的離散，最大差值為 15.70dB 。在 1.0～20.0Hz 頻段，分頻振級離散程度較大，在此頻段內分頻振動主要受背景振動的影響較大，導致數據的離散性較高，有更多的異常值；在 25.0～125.0Hz 頻段內，分頻振級離散程度較其他頻段內更低，數據較穩定，異常值較少;在 1.0～50.0Hz 頻段內，分頻振級總體呈現增大趨勢，峰值出現在 50.0Hz 處為 54.30dB 。

二次結構噪聲1/3倍頻譜箱型圖如圖7所示。噪聲的主要頻率在 50.0Hz 附近，最大幅值為 49.00dB 。在 20.0～50.0Hz 頻段內，分頻聲壓級逐漸增大，在50.0Hz 處達到頂峰，在 50.0Hz 處，差值最大為7025%＼～75%工1.5IQR內的范圍60 一中位線□振值異常值50 振值均線BP/ 403020 T □ □1009 20203540 000 09 0'08 0'001 1250 0'09 2.000 2050000 0'000 2350頻率/Hz

27.33dB；在 20.0～125.0Hz 頻段內，二次結構噪聲分頻聲壓級隨頻率變化的規律與車致振動分頻振級相似，且峰值均出現在 50.0Hz 處，因此，可以得出，在此頻段內二次結構噪聲分頻聲壓級主要受列車運行引起的振動影響；在 125.0～1000.0Hz 頻段內，分頻聲壓級主要源自環境噪聲的影響。從離散程度的角度分析，環境噪聲對車致二次結構噪聲的影響程度明顯要大于環境振動對車致振動的影響，因此二次結構噪聲有更多的異常值。

2.2車致信號與背景信號分析

對比列車誘發室內振動和室內背景振動的頻譜數據，得出受列車振動影響較大的敏感頻段。列車誘發室內振動與室內背景振動的1/3倍頻譜圖如圖8所示。在 1.0～20.0Hz 頻段，車致振動與背景振動分頻振級幾乎一致，因為被測建筑所在環境非常安靜，背景振動比較穩定，建筑地面的振動存在相對穩定的振動模式；在 25.0～125.0Hz 頻段，兩者差異較大，車致振動分頻振級大于背景振動，由于列車的振動源強主頻為 40.0～80.0Hz ，經過底層的衰減會在 50.0Hz 附近產生峰值，這個峰值附近的頻段環境振動與車致振動差異明顯，說明該頻段區間為車致振動的敏感頻段。車致振動與背景振動中心頻率分別出現在 12.5，50.0Hz 處。

車致二次結構噪聲與室內背景噪聲的1/3倍頻譜圖如圖9所示。噪聲峰值中心頻率均在 50.0Hz 處。車致二次結構噪聲分頻聲壓級與背景噪聲分頻聲壓級的差異主要集中在 25.0～125.0Hz 頻段內，其他頻段兩者差異不大，說明當列車通過時，室內二次結構噪聲在 25.0～125.0Hz 頻段內受列車運行影響較大，其他頻段主要受環境固有噪聲的影響。

3長期監測數據分析

長期監測期間，列車運行速度在不同時段有所變化。通過分析列車以 40km/h 運行時監測的一個月內的4177組地板中央處垂向振動加速度級與室內二次結構噪聲聲壓級數據的分頻擬合圖，以及速度增大后以 160km/h 運行時監測的一個月內的8291組數據的分頻擬合圖（1/倍程），研究列車在不同運行速度下對沿線建筑物內環境振動噪聲的影響。

3.1不同速度下車致振動噪聲相關性分析

列車以 40kmΩ 運行時監測的一個月內的振動噪聲數據擬合圖部分如圖10所示。 x 為振動加速度級， dB;y 為噪聲聲壓級，dB； R² 為決定系數。各頻率振動加速度級與噪聲聲壓級均存在一定的離散性，且離散程度各不相同。20.0，25.0，125.0，160.0，200.0Hz 的線性相關性較低，數據離散性較大；在受列車影響較大的 31.5～100.0Hz 頻段線性相關性較高。此外，頻率在振動中心頻率 50.0Hz 附近的振動加速度級與噪聲聲壓級線性相關性較高。

列車以 160km/h 運行時監測的一個月內的振動噪聲數據擬合圖如圖11所示。各頻率振動加速級與噪聲聲壓級數據特征同 40km/h 時類似。20.0，25.0，125.0，160.0，200.0Hz 的線性相關性較低，距離振動中心頻率越近相關性越高。對比不同速度各中心頻段的擬合圖可知，地下快速線運營車速提高導致地板中心振動變大與二次結構噪聲變化并不是簡單的線性關系，如在 31.5Hz 頻率處，列車運行速度為 160km/h 時室內振動加速度級與噪聲聲壓級相關性反而降低；而在 50.0Hz 處，相關性升高。

由于列車引發地板振動與二次結構噪聲并非簡單的線性相關，因此，為研究兩者的單調關系，引入斯皮爾曼相關性系數，斯皮爾曼相關系數計算式如

式中： ρ 為斯皮爾曼等級相關系數； n 為數據對（觀測值對）的數量； d_i 為第i對觀測值等級之間的差異。

斯皮爾曼相關性系數如表1所示。總體趨勢是

靠近特征頻率附近頻率的斯皮爾曼相關性系數較大，而20.0，25.0，125.0，160.0，200.0Hz頻率的斯皮爾曼相關性系數較小，驗證了地板振動中心頻率附近為影響二次結構噪聲的主要頻段。

3.2 監測數據對比分析

列車以不同速度運行時監測的一個月內的列車誘發室內振動數據箱型圖如圖12所示。對比得知，運行速度 40km/h 時監測的每日的振動數據分布較高速時相對分散，說明列車運營速度越低，不同列車之間誘發室內振動差異較大。此外，運行速度為 時數據箱型圖中位線變化較高速時大，說明速度越大，列車誘發室內振動值變化越穩定。

不同速度下監測的一個月內的列車誘發室內振動均值對比圖如圖13所示。列車運行速度增大后，平均每天的振動均值增加了約2.12dB，且隨著運營時間的增加，列車誘發室內振動并未逐漸增大，而是在一定區間內波動。在該月中，不同運行速度每日振動均值差異較大，運行速度為 時最大均值差為3.74dB，而運行速度為 160km/h 時最大均值差只有 1.35dB 。

不同速度下監測的一個月內的列車誘發室內二次結構噪聲數據箱型圖如圖14所示。對比得知，運行速度為 160km/h 時監測的每日的二次結構噪聲數據的離散性比 40km/h 時小。與振動差異顯著不同，不同速度監測到的二次結構噪聲隨速度增大而增大的規律并不明顯。

不同速度下監測的一個月內的列車誘發室內二次結構噪聲均值對比圖如圖15所示。列車運營導致室內二次結構噪聲沒有隨速度增大而增大的規律，且列車運行速度增大后，平均每天的二次結構噪聲均值減少了0.93dB左右。在該月中，運行速度為 40km/h 時二次結構噪聲最大均值差為3.65dB，運行速度為 160km/h 時最大均值差為 3.19dB ，兩者差異不大。

由上述分析可知，列車速度增大會導致監測點室內地板振動顯著增大，且速度增大后不同列車誘發的振動值差異較小，此外，速度的提升對室內二次結構噪聲的影響并不明顯。

不同速度下地板振動1/3倍頻程對比圖如圖16所示。不同速度振動各中心頻率的振級變化都是隨頻率的增大而增大，在 50.0Hz 處達到峰值，但運行速度為 160km/h 時在 31.5Hz 頻率處出現第二峰值。對比不同速度振動數據1/3倍頻程變化可知，160km/h 時地板振動加速度級在 20.0～50.0Hz 頻段內均有所提高。其中，在 31.5Hz 處提高了 6.99dB ，在 40.0Hz 處提高了 2.90dB ，此頻段為振動增大的主要原因。

不同速度下二次結構噪聲1/3倍頻程對比圖如圖17所示。與地板振動不同，列車運行速度為160km/h 時室內監測點二次結構噪聲并沒有隨列車運行速度的提高而增大。在該速度時噪聲聲壓級在 31.5Hz 處顯著提高，提高了 5.18dB ；但在40.0～50.0Hz 頻段與振動數據表現相反，速度增大后各頻段聲壓級均有所減少。

綜上所述，速度增大后地板振動增大的主要原因是速度增大后地板振動在 20.0～63.0Hz 頻段內振動加速度級增大，其中，影響最大的是 31.5Hz 處；同振動加速度級一樣，速度增大后二次結構噪聲聲壓級在 31.5Hz 處有顯著增大，但在其主要頻率附近的其他頻段內，聲壓級并沒有明顯增大。速度增大后室內二次結構噪聲無明顯增大。

3.3 監測數據統計分析

不同速度下振動Z振級正態分布統計對比圖如圖18所示。運行速度為 160km/h 時60.00dB以下的振動數據明顯減少，而 60.00～65.00dB 的振動數據增多。運行速度為 40kmΩ 時，列車誘發室內地板振動受車輛狀態、軌道狀態、載客量等因素影響較大， 40km/h 時振動Z振級整體分布較為分散，而 160km/h 時分布更為緊密、數據離散性更小。

不同速度下室內二次結構噪聲聲壓級正態分布統計對比圖如圖19所示。由于噪聲數據受速度增大的影響較小，數據并沒有明顯增多，但運行速度為 160km/h 時噪聲數據分布緊密度更高。在該速度時噪聲數據在 25.00～35.00dB 分布較提速前無顯著變化，而在 35.00～40.00dB 分布有所減少。

4結論

對某 160km/h 市域快線沿線建筑物進行了室內振動和二次結構噪聲進行了長期監測，通過對長期監測數據的分析得到如下結論。

1）室內振動頻譜分析結果表明，列車誘發室內振動能量主要集中在 25.0～125.0Hz 頻段內，在50.0Hz 處幅值最大為 54.0dB 。并且在各頻段均具有一定的離散性，其中，在 25.0～125.0Hz 頻段內，分頻振級離散程度較其他頻段更低，在這一頻段內，列車誘發室內振動受環境振動影響較小。

2）列車誘發室內二次結構噪聲在各頻段分頻聲壓級的離散性要明顯大于列車誘發室內振動分頻振級的離散性，二次結構噪聲與背景噪聲的差異主要集中在 31.5～125.0Hz 頻段內。

3）列車誘發室內振動分頻振級與二次結構噪聲分頻聲壓級在 31.5～100.0Hz 頻段內相關性較大，速度增大后振動與二次結構噪聲相關性并沒有顯著提高，但振動與二次結構噪聲監測數據離散程度有所減少。

4）列車速度增大后振動分頻振級在 20.00～ 50.00Hz 頻段內均有所增大，而二次結構噪聲聲壓級僅在 31.50Hz 處增大，在其他頻段還有所減少。因此，速度增大后振動較提速前顯著增大，而二次結構噪聲無顯著增大。

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第一作者：翟利華（1978一），男，教授級高級工程師，博士，研究方向為城市軌道交通工程設計。E-mail：zhailihua@gm-di.com。

通信作者：肖軍華（1980一），男，教授，博士生導師，研究方向為鐵路和城市軌道交通線路變形控制。E-mail：jhx-iao@tongji.edu.cn。

（責任編輯：姜紅貴）