地鐵車內(nèi)振動(dòng)與噪聲頻譜分布特征分析

周 力1

（1.  上海鐵院軌道交通科技有限公司，上海 200240）

        摘  要：地鐵運(yùn)行過程中引發(fā)的沿線建筑物振動(dòng)或高架輻射噪聲是軌道交通行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，但車內(nèi)的振動(dòng)與噪聲問題卻未得到足夠重視。本文以我國大部分城市采用的B型車為研究對象，分析了車輛在減振軌道上運(yùn)行時(shí)的車內(nèi)振動(dòng)與噪聲頻譜特征，發(fā)現(xiàn)了在運(yùn)行過程中車輛作為柔性體，不同部件的振動(dòng)頻譜成分復(fù)雜，但大多以低頻為主；車內(nèi)噪聲的頻譜特征與車內(nèi)振動(dòng)具有明顯的關(guān)聯(lián)性，但又有所差別；隨著運(yùn)行速度的增大，大多頻段內(nèi)的車內(nèi)振動(dòng)與噪聲均呈現(xiàn)出增大的趨勢，但超過一定速度后，某些頻段的振動(dòng)反而有所降低。

        關(guān)鍵詞：地鐵車內(nèi)振動(dòng)；車內(nèi)噪聲；頻譜分析；運(yùn)行速度

        中圖分類號(hào)：P733.22; U231          文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

        城市軌道在我國公共交通和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中承擔(dān)著非常重要的角色，在給城市居民出行帶來便利的同時(shí)，也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響。當(dāng)前，城市軌道交通在運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲問題便是其中之一，對沿線的人們的生活和工作都產(chǎn)生了一些影響。

        我國城市軌道交通制式多以輪軌為主，運(yùn)行過程中，輪軌間相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)難以避免。為了降低向沿線建構(gòu)筑物傳播的振動(dòng)或高架橋向外輻射的橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲，各種減振軌道被研發(fā)出來并投入使用，而相應(yīng)的減振與降噪效果也十分明顯[1]~ [3] 。但輪軌振動(dòng)除了向軌道下部結(jié)構(gòu)傳遞以外，也會(huì)通過車輪傳遞到車輛內(nèi)部，引發(fā)車內(nèi)振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生二次結(jié)構(gòu)噪聲；各種輻射噪聲，如輪軌輻射噪聲、隧道壁和道床板輻射噪聲等，同樣也會(huì)通過空氣傳播到車內(nèi)[4]~ [6]。上述原因?qū)е萝噧?nèi)乘客在乘坐過程中的體驗(yàn)不好，雖然大部分乘客的乘坐時(shí)間較短，但隨著城市規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，特別是對于北京、上海、廣州等超一線城市而言，越來越多的乘客每天乘坐時(shí)間將達(dá)到1～2個(gè)小時(shí)，甚至更久。因而，車內(nèi)的振動(dòng)與噪聲也將逐漸成為人們所關(guān)注的一個(gè)問題。

        本文以地鐵B型車為研究對象，分析其在直線區(qū)段減振軌道上運(yùn)行過程中的車內(nèi)振動(dòng)與噪聲頻譜分布特征，討論了車輛運(yùn)行速度對振動(dòng)與噪聲的影響，為將來車內(nèi)減振與降噪措施的研究提供一定的參考。

1 試驗(yàn)概況

        為了了解在運(yùn)行過程中的地鐵車內(nèi)的振動(dòng)與噪聲情況，本文通過在地鐵B型車車輛內(nèi)部布置了振動(dòng)與噪聲測點(diǎn)，如圖1所示。其中，三個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)V1、V2和V3分別位于車廂中部地板、轉(zhuǎn)向架中心上方地板和貫通道中央地板；三個(gè)噪聲測點(diǎn)S1、S2和S3分別位于振動(dòng)測點(diǎn)上方1.5m處，與站立時(shí)人耳高度一致。如圖2和3所示，室內(nèi)噪聲測試采用丹麥B&K 4189傳聲器，其頻響范圍為6.3Hz~20kHz，動(dòng)態(tài)范圍為14.5-146dB；室內(nèi)振動(dòng)測試采用B&K8340振動(dòng)加速度計(jì)，量程為0.5g 。測試工況分為車輛靜置、車輛運(yùn)行速度20km/h、40km/h和50km/h四種，測試過程中廣播和視頻等音頻設(shè)備均全程關(guān)閉。

        本文涉及到的振動(dòng)與噪聲采樣頻率均為51.2KHz ， 數(shù)據(jù)處理采用線性平均，加漢寧窗，重疊系數(shù)設(shè)置為3/4。 數(shù)據(jù)采集分析時(shí)間段為整個(gè)列車完全在鋼彈簧浮置板軌道上行駛的時(shí)間。

圖1  車內(nèi)振動(dòng)與噪聲測點(diǎn)布置示意圖

圖2  振動(dòng)測點(diǎn)

圖3  噪聲測點(diǎn)

2 車內(nèi)振動(dòng)頻譜分析

        如圖4所示，車輛處于靜置狀態(tài)下（車輛運(yùn)行速度為0，車載設(shè)備處于打開狀態(tài)）的車廂中部地板V1 、轉(zhuǎn)向架中心上方地板V2和貫通道中央地板V3的振動(dòng)加速度均主要以低頻為主（基準(zhǔn)值為10-6m/s2 ）。其中，V1測點(diǎn) 的振動(dòng)主要集中在25Hz～40Hz和125Hz～200Hz兩個(gè)頻段內(nèi)；V2和V3測點(diǎn)的振動(dòng)頻譜特征較為一致，主要振動(dòng)頻段為125Hz～200Hz。

        當(dāng)車輛處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于輪軌振動(dòng)明顯增大，因而車內(nèi)的振動(dòng)也明顯增加。如圖5所示，車輛運(yùn)行速度為50km/h時(shí)，車廂中部地板、轉(zhuǎn)向架中心上方地板和貫通道中央地板的振動(dòng)加速度均有所增加，且頻譜特征均有所變化。其中，車廂中部地板的振動(dòng)主要頻段轉(zhuǎn)移到63Hz～200Hz ，轉(zhuǎn)向架中心上方地板和貫通道中央地板在315Hz～500Hz出現(xiàn)了較大的峰值。此外，上述三個(gè)測點(diǎn)在2000Hz附近也存在局部峰值，但相對較小?？傮w而言，車輛處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，車廂地板振動(dòng)的振級(jí)有所增加，且振動(dòng)頻率向高頻方向轉(zhuǎn)移，這主要是由于輪軌振動(dòng)明顯增大。通過靜置與運(yùn)行兩種狀態(tài)下的對比結(jié)果來看，車輛運(yùn)行過程中，輪軌相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)對車廂 地板振動(dòng)的貢獻(xiàn)較大。一般來說，輪軌振動(dòng)主頻集中在中高頻（300 Hz～800Hz和2000Hz附近），但由于車輛一、二系懸掛的隔振作用，車廂地板振動(dòng)主要集中在中低頻段，但局部峰值頻段與輪軌振動(dòng)顯著頻段仍有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

圖4  車內(nèi)各振動(dòng)測點(diǎn)倍頻程圖（靜置狀態(tài)）

圖5  車內(nèi)各振動(dòng)測點(diǎn)倍頻程圖（車速50km/h）

3 車內(nèi)噪聲頻譜分析

        車輛處于靜置狀態(tài)時(shí)，車廂中部地板上方1.5m處噪聲測點(diǎn)S1 、轉(zhuǎn)向架中心對應(yīng)的地板上方1.5m處噪聲測點(diǎn)S2和貫通道中央地板上方1.5m處噪聲測點(diǎn)S3的頻譜分布如圖6所示。其中，車廂中部地板上方1.5m處噪聲和貫通道中央地板上方1.5m處噪聲的頻譜分布一致性較好，噪聲能量主要集中在25Hz～40Hz和100Hz～160Hz兩個(gè)頻段內(nèi)；轉(zhuǎn)向架中心對應(yīng)的地板上方1.5m處噪聲的主頻 段為25Hz～40Hz和125Hz～200Hz ，且該處噪聲相對于其它兩個(gè)測點(diǎn)區(qū)域的噪聲較大。車輛在該狀態(tài)下的噪聲源主要是車載設(shè)備噪聲和車內(nèi)振動(dòng)板件輻射的結(jié)構(gòu)噪聲。

        當(dāng)車輛運(yùn)行速度為50km/h時(shí)，車廂內(nèi)部噪聲的大小和頻譜分布均發(fā)生明顯變化。車廂中部地板上方1.5m處噪聲測點(diǎn)S1、轉(zhuǎn)向架中心對應(yīng)的地板上方1.5m處噪聲測點(diǎn)S2和貫通道中央地板上方1.5m處噪聲測點(diǎn)的噪聲聲壓級(jí)大小和頻譜分布均發(fā)生較為顯著的變化，噪聲能量主要集中在63Hz～100Hz和315Hz～500Hz ，同時(shí)在2000Hz～3150Hz附近也存在局部峰值。

        通過與該速度下的車內(nèi)地板振動(dòng)對比分析可知，車內(nèi)噪聲與地板振動(dòng)在局部峰值分布上存在一定的關(guān)聯(lián)性，但同時(shí)又略有不同。具體而言，二者均在63Hz～100Hz、315Hz～500Hz和2000Hz～3150Hz存在峰值，但地板振動(dòng)在100Hz～200Hz頻段內(nèi)存在全局峰值，而車內(nèi)噪聲在該頻段內(nèi)的能量分布并不突出。車內(nèi)噪聲影響因素較多，難以僅通過頻率分析得到確切原因。

        由車輛在靜置與運(yùn)行兩種狀態(tài)下的車內(nèi)噪聲分布對比可知，車輛運(yùn)行時(shí)，各主頻段噪聲聲壓級(jí)均顯著增加，輪軌振動(dòng)所導(dǎo)致的車內(nèi)噪聲增加量對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量較大。實(shí)際上，輪軌振動(dòng)通過兩種方式導(dǎo)致車內(nèi)噪聲增加：一是直接方式，即輪軌振動(dòng)輻射噪聲及道床、隧道振動(dòng)的輻射噪聲通過空氣傳入到車內(nèi)，直接導(dǎo)致車內(nèi)噪聲增加；二是間接方式，即輪軌振動(dòng)引發(fā)的車輛振動(dòng)增大，車輛內(nèi)部振動(dòng)板件輻射的結(jié)構(gòu)噪聲引發(fā)車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)增大。因而，車內(nèi)噪聲的降低主要還是通過降低輪軌振動(dòng)引發(fā)的直接或間接的噪聲增加來實(shí)現(xiàn)。

圖6  車內(nèi)各噪聲測點(diǎn)倍頻程圖（靜置狀態(tài)）

圖7  車內(nèi)各噪聲測點(diǎn)倍頻程圖（車速50km/h）

4 速度影響分析

圖8 V2測點(diǎn)在不同工況下的頻譜變化

圖9 V3測點(diǎn)在不同工況下的頻譜變化

        圖8和9分別給出了運(yùn)行速度為20km/h 、40km/h和50km/h三種工況下轉(zhuǎn)向架中央對應(yīng)地板和貫通道地板的振動(dòng)頻譜變化，可以看出隨著速度的提高，各頻段的振動(dòng)整體上基本呈現(xiàn)增大的趨勢，特別是31.5Hz~3150Hz 頻段的振動(dòng)，其余頻段的振動(dòng)變化相對較小。此外，不同運(yùn)行速度下，車廂地板振動(dòng)的局部峰值分布頻段也略有差異。

圖10 S2測點(diǎn)在不同工況下的頻譜變化

圖11 S3測點(diǎn)在不同工況下的頻譜變化

        圖10和1分別給出了運(yùn)行速度為20km/h 、40km/h和 50km/h三種工況下轉(zhuǎn)向架中央對應(yīng)地板上方1.5m處和貫通道地板上方1.5m處的噪聲頻譜變化，可以看出隨著速度的提高，各頻段的噪聲同樣整體上呈現(xiàn)增大的趨勢，特別是31.5Hz~3150Hz頻段的振動(dòng)，其余頻段的噪聲變化相對較小。此外，不同運(yùn)行速度下，車廂內(nèi)噪聲的局部峰值分布頻段也略有差異。上述車內(nèi)噪聲變化規(guī)律與地板振動(dòng)變化規(guī)律有明顯的一致性，說明車內(nèi)噪聲與車廂振動(dòng)存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

5 結(jié)論

        本文對不同運(yùn)行速度和靜置狀態(tài)下的地鐵車內(nèi)振動(dòng)與噪聲測試結(jié)果進(jìn)行分析，探討了車內(nèi)振動(dòng)與噪聲的頻譜分布規(guī)律和速度對車內(nèi)振動(dòng)與噪聲的影響，得到如下結(jié)論：

1）運(yùn)行過程中，車內(nèi)地板的振動(dòng)能量主要分布在低頻范圍內(nèi)，主頻段為63Hz～200Hz ，但在315Hz～500Hz和2000Hz附近頻段也存在局部峰值。

2）運(yùn)行過程中，車內(nèi)噪聲具有明顯的低頻特性，噪聲能量主要集中在63Hz～100Hz和315Hz～500Hz ，同時(shí)在2000Hz～3150Hz附近也存在局部峰值，與地板振動(dòng)局部峰值分布范圍具有較好的一致性。

3）與靜置狀態(tài)下相比，車輛運(yùn)行時(shí)，各噪聲測點(diǎn)的主頻段聲壓級(jí)均顯著增加；隨著車速的增加，車內(nèi)噪聲整體上呈現(xiàn)增大的趨勢，說明車輛運(yùn)行過程中輪軌振動(dòng)通過直接或間接的方式所導(dǎo)致的車內(nèi)噪聲增加量對車內(nèi)噪聲有較大影響。

4）車內(nèi)振動(dòng)與噪聲明顯的低頻特性，均會(huì)降低乘客的乘車體驗(yàn)，因而在未來車內(nèi)減振與降噪的工程設(shè)計(jì)中均應(yīng)該考慮以低頻段為目標(biāo)頻段。

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