地铁列车车内噪声特性试验分析
时间：2023-01-18 11:05:14 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张 勇，解建坤，肖 飞
（1 南京地铁建设有限责任公司，南京 210017；
2 中车南京浦镇车辆有限公司，南京 210031）
城市轨道交通在我国经历了10 多年的大力发展，现已逐步成为国民出行的主要工具，加强了城市间的交流。然而，在城市轨道交通运输普及的同时，其噪声问题也越来越受到人们的关注，并直接影响到司乘人员的乘坐体验［1-5］。近些年，地铁车辆运营速度等级不断提升，关于地铁噪声问题的投诉也不断增多，不利于我国市域轨道交通的快速发展。因此，我国相关业内人员对轨道车辆车内噪声特性开展了大量的研究。
我国对高速列车噪声和地铁噪声开展了较多的研究。朱妍妍等通过北京地铁某线路的车外噪声试验研究，掌握了车辆辐射噪声及衰减特性。结果表明，车辆辐射噪声在水平方向上的衰减特性趋向于点声源衰减特性，其主频在400～4 000 Hz频段内［6］。张捷等基于现场测试，对高速列车车内客室端部噪声分布特性进行分析研究，建议通过改变车内空腔的声学边界条件，在一定程度上减小由于声固耦合引起的客室端部异常噪声［7］。张骏等针对250 km/h 动车组车内噪声问题，使用试验和仿真相结合的方法，对车内声源特性及其贡献量进行分析。结果表明，250 km/h 动车组的客室端部噪声源主要是轮轨噪声，其次为气动噪声［8］。
上述研究主要针对高速动车组车内噪声特性，而对地铁列车研究较少。故文中以某120 km/h速度等级的B 型地铁列车为研究对象，对其车内噪声开展振动噪声与声源识别测试，并对车内噪声特性及声振传递特性进行分析。
地铁列车运行时，受到轮轨表面不平顺等因素的影响，会产生强烈的轮轨噪声。同时，由于空气动力学作用，会产生气动噪声。轮轨噪声和气动噪声激励车体壁板，引起车体壁板振动并向车内辐射噪声。另外，转向架的振动也会传递至车体，使之产生振动辐射噪声。车内噪声的水平和特征是直接影响车内司乘人员的乘坐舒适度的，也是我们研究地铁列车噪声的重点内容和重要指标。
将地铁列车的车厢分为5 个区域，分别为司机室区域、客室前区域、客室中区域、客室后区域和贯通道区域。在每个区域的车体纵向中心线上距离地板面1.2 m 高度处布置噪声测点，如图1 所示，图中红色标记表示噪声传感器位置，共计5 个噪声传感器。噪声测试的现场照片如图2 所示。
图1 车内噪声测点（示意图）
图2 车内噪声测试现场
通过在地铁列车车厢内各个区域布置噪声传感器，测试列车运行时的车内噪声。
地铁列车由于往返于相邻的城市以及之间的区县，距离短且站点较多，因此地铁列车的运行速度远不如高速列车，其速度一般在60～120 km/h。列 车分 别以 速 度60、80、100、120 km/h 匀 速运 行时，车内各个区域噪声水平如图3 所示。
图3 车内噪声水平
由图3 可知，车内司机室噪声最小、贯通道噪声最大，客室后端部噪声明显高于客室前和客室中，差值约2 dBA 左右。这说明车内噪声显著的区域是贯通道区域，贯通道隔声性能薄弱会导致其噪声显著，并且还会传递至车辆端部。列车运行速度每增加20 km/h，车内噪声增大1～3 dBA，且速度越高，车内噪声的相对增加值则越大。
以噪声最显著的贯通道区域为例，给出了静置状态下和以不同速度运行下的噪声1/3 倍频程谱如图4 所示。图4 中，横坐标为1/3 倍频程中心频率，纵坐标为声压级。其余区域的噪声1/3 频谱特性和贯通道区域类似，故不在此处给出。
图4 贯通道区域噪声频谱
由图4 可知，静置状态下，车内噪声中高频宽频特征明显，主要能量集中在中心频率为100～4 000 Hz 的1/3 倍频带；
列车分别以速度60、80、100、120 km/h 匀速运行时，车内噪声频谱规律相似，主要能量集中在中心频率为500～1 000 Hz 的1/3 倍频带，其中在中心频率为630、800 Hz 的1/3倍频带内尤为显著。
明确车内噪声水平及特征后，还需要识别其噪声来源，进而获得车内噪声形成机理，提出切实有效的改善措施。
声源识别通常采用基于平面波声源模型和波束形成的球形阵列声源识别方法。这是一种球谐函数声场分解与重构，快速实现全方位识别和声源可视化的一种声源识别方法。文中运用B&K 公司制造的刚性球形阵列系统进行车内声源识别（频率范围100 Hz～12 kHz），其构成主要包括50 个传声器以及12 个摄像头，如图5 所示。
图5 声源识别测试
列车以120 km/h 速度匀速运行时，客室后端声源识别结果如图6 所示，云图结果以动态范围3 dBA 的形式给出。其中图6（a）为全频段（50 Hz～5 kHz）A 计权声压云图。图6（b）和图6（c）分别为客室后端显著频段630 Hz 和800 Hz 频段内的声源识别结果。由图可见，客室后端无论是全频段（50 Hz～5 kHz）噪声还是显著频段噪声，均主要来源于左右两侧车门的下部区域，与车门下部的隔声和密封有关。因此，在对地铁列车车内噪声进行降噪优化时，一方面需要重点关注列车车门的隔声性能，另一方面车门和车体连接处的密封性也需要得到保障，避免轮轨噪声和气动噪声通过缝隙泄漏至车内。
图6 声源识别结果
如前文所述，转向架区域的振动噪声是车内噪声的主要来源。在列车一位转向架轴箱、构架、车体外地板，二位转向架轴箱、构架、车体外地板、齿轮箱、牵引电机等位置布置振动测点，在一位转向架车轮区域、二位转向架车轮区域、二位转向架牵引电机区域布置噪声测点，具体如图7 所示。图中，红色标记表示噪声测点，蓝色标记表示振动测点。
图7 振动噪声测点示意图
列车在高架区间以速度120 km/h 匀速运行时，一位转向架区域、二位转向架区域噪声与车内噪声的对比频谱如图8 所示。
图8 转向架区域噪声传递特性
由图8 可知，列车在高架区间运行时，无论客室前端或客室后端，车内噪声均在400～450 Hz 和680～720 Hz 这2 个频率范围内存在局部峰值，峰值频率分别为430 Hz 和710 Hz 左右，而一位转向架区域和二位转向架区域噪声同样在上述2 个频率范围内存在局部峰值。客室端部噪声和转向架区域噪声在频谱分布上规律一致，转向架区域噪声对客室端部噪声存在明显贡献。
列车在高架区间以速度120 km/h 匀速运行时，一位转向架区域和二位转向架区域振动与车内噪声的频谱特性对比如图9 所示。
由图9 可知，列车在高架区间运行时，车内噪声在400～450 Hz 和680～720 Hz 频率范围内存在局部峰值，一位转向架区域和二位转向架区域的振动同样在上述2 个频率范围存在局部峰值。虽然经过一系减振、二系减振之后轮轨振动传递至车体的能量已有大幅衰减，但是车体在400～450 Hz和680～720 Hz 频率范围内的局部峰值依旧明显。因此，轮轨振动传递和轮轨噪声一样，对车内噪声具有重要贡献。控制车内400～450 Hz 和680～720 Hz 频率范围的噪声，从声源处需要控制轮轨振动噪声，从路径上则需要提高车体隔声、降低车体振动。
图9 转向架区域振动传递特性
以某120 km/h 速度等级的B 型地铁为研究对象，对其车内噪声开展振动噪声与声源识别测试，并对其车内噪声特性及声振传递特性关系进行分析，得到以下结论：
（1）车辆运行时，车内司机室噪声最小、贯通道噪声最大，客室后端部噪声明显高于客室前和客室中，差值约2 dBA 左右。
（2）列车运行速度每增加20 km/h，车内噪声增大1～3 dBA，且速度越高，车内噪声的相对增加值则越大。
（3）客室后端无论是全频段（50 Hz～5 kHz）噪声还是显著频段噪声，均主要来源于左右两侧车门的下部区域。因此，在对地铁列车车内噪声进行降噪优化时，需要重点关注列车车门的隔声特性及密封性。
（4）转向架区域振动噪声在400～450 Hz 和680～720 Hz 这2 个频率范围对客室端部噪声贡献明显。控制轮轨振动噪声，提高车体隔声、降低车体振动是客室端部噪声控制的关键。
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