張校銘 周海洋 姚光磊 劉東婭 尹學軍 趙才友

（1.西南交通大學土木工程學院，成都 610041；2.西南交通建設集團股份有限公司，昆明 650000；3.隔而固（青島）振動控制有限公司，山東青島 266101）

在中國軌道交通已成為城市居民主要出行工具。為了達到綠色環(huán)保，必須控制其噪聲污染。控制噪聲主要有3種途徑：從聲源上降低噪聲，從傳播途徑上降低噪聲，從接收點進行防護。地鐵車輛行駛過程中產生的振動與噪聲不僅僅通過空氣傳入車廂與司機室，車廂本身也通過結構振動產生噪聲。噪聲傳播途徑多種且復雜，從聲源上降噪效果更好［1］。

當列車行駛速度在60～200 km/h 時輪軌噪聲是主要成分，并主要集中在500～2 500 Hz。中國地鐵列車運行速度一般為60 km/h，最高運行速度為80 km/h［2］。因此，輪軌噪聲為地鐵列車運行中主要噪聲源。輪軌滾動噪聲主要聲源和輻射體為鋼軌和車輪，在300～2 100 Hz 頻段鋼軌為主要噪聲源；高于2 100 Hz 頻段車輪為噪聲主要輻射體［3］。輪軌系統(tǒng)動力學中，車輪與軌道并非孤立存在，是相互影響，相互耦合的。因此，抑制鋼軌振動不僅能控制鋼軌發(fā)出的噪聲，而且能控制車輪的噪聲輻射。

根據鋼軌振動產生機理，可采用多種鋼軌振動控制方法。阻尼鋼軌可從噪聲源控制噪聲，其不僅控制范圍比聲屏障大，而且具有加工簡單、安裝便利的特點。關于阻尼鋼軌技術，1993年歐洲ofwhat項目［4］研發(fā)的鋼軌動力吸振器能降低鋼軌輻射噪聲2 dB；1994—1996 年法國MONA-RONA-VONA 項目研發(fā)了新型鋼軌動力吸振器，可降噪4 dB。1997 年英國研制出將質量塊嵌入黏彈性阻尼材料中的鋼軌動力吸振器，提供630 Hz與1 350 Hz兩個鋼軌調諧頻率。

近年來，我國也在快速推進阻尼鋼軌的研究。魏鵬勃［5］研究發(fā)現，將阻尼材料與約束板材制成的復合阻尼板敷設在鋼軌表面可有效降低鋼軌振動。陳剛等［6］研發(fā)出在鋼軌軌腰和翼板處粘貼阻尼層以及約束層控制振動噪聲的技術，當鋼軌產生彎曲振動時阻尼層隨著鋼軌一起振動，由于約束層彈性模量遠大于阻尼層，限制阻尼層產生形變，起到耗能的效果，從而抑制鋼軌振動。尹學軍等［7］對普通約束阻尼鋼軌進行優(yōu)化，制造出新型的寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌。該型鋼軌已應用于上海地鐵吳中路車輛段。本文根據現場測試數據，詳細分析寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌的降噪效果。

1 寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌降噪原理

與普通約束阻尼鋼軌［8］相比，寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌的約束層不是平行于軌腰的平板，而是迷宮式凹凸不平且具有空腔，在空腔中填滿阻尼材料，見圖1。由于凹凸不平空腔的存在，使得阻尼層與鋼軌軌腰的距離增大，且?guī)Р奂s束層的剪切剛度遠大于其彎曲剛度，使其具有更好的減振降噪效果。相比于普通約束阻尼鋼軌，寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌具有更高的阻尼比，工作面積遠大于普通約束阻尼鋼軌，有更高的降噪效率。

圖1 寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌示意

2 現場測試

2.1 測試概況

測試彎道在重慶軌道交通1號線雙碑站—石井坡站高架橋曲線段，里程為YDK21+360—YDK21+668，測試段長308 m，曲線半徑545.1 m。測試列車為B 型車，設計行車速度100 km/h。軌道上鋪設了青島隔而固環(huán)境控制技術有限公司生產的寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌。

測試在該阻尼裝置安裝前后同一位置、同一時段內進行，對比分析該阻尼裝置安裝前后車內噪聲及環(huán)境輻射噪聲的變化。測試期間地鐵公司未對該試驗段鋼軌進行打磨。

2.2 儀器選用與測點布置

噪聲測試儀器是高精度8 通道INV3060C 型24 位高精度采集儀。傳感器為INV9206 型聲壓傳感器，采樣頻率為51.2 kHz。數據分析軟件是Coinv DASP V10聲品質分析軟件。

根據GB/T 3449—2011《聲學 軌道車輛內部噪聲測量》［9］布設測點。受噪聲影響人群分為司機、車廂座位上乘客和車廂通道處乘客3 類。因此，測點根據不同人群接受噪聲位置布設，分別在司機室內（測點距地面高度1.2 m 和1.5 m）以及緊鄰司機室第1 節(jié)車廂內布設測點（測點距地面高度1.2 m 和1.5 m，相當于坐姿與站姿人耳處）。車廂內測點布設如圖2所示，司機室內測點布設如圖3所示。

對于高架線路，依據其周邊環(huán)境條件選取線路一側合適斷面，根據JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》［10］，在垂直于線路（橫向）30 m 范圍內，距線路中心線7.5，30 m 處分別布設測點（如圖4）。7.5 m 處測點用于測量機車車輛運行中所產生的噪聲，30 m 處測點用于測量軌道線路邊界噪聲。每一個測點的傳感器離高架橋面1.2 m。

圖2 B型車車廂內測點布設（單位：m）

圖3 B型車司機室測點布設（單位：m）

圖4 高架線路測點布設（單位：m）

2.3 試驗方法

為了研究寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌的降噪效果，需要對比其安裝前后各測點噪聲A 計權聲壓級數據。為保證測試數據具有代表性，每個測點的噪聲數據都反復測量10 次，下文所有數據均為10 次測量的平均值。對于高架橋環(huán)境輻射噪聲，每次噪聲數據采集持續(xù)1 h。

為消除行車速度與列車差異的影響，阻尼裝置安裝前后2次測試的同一列車在該區(qū)段內的行駛速度一致，各組數據均來自于同一車型列車上的測點，以最大限度保證對比數據的可靠性。

3 試驗結果分析

3.1 測試數據處理

無地鐵車輛經過時，背景噪聲與測試時噪聲A 計權聲壓級差值大于10 dB，因此無需對測試結果進行修正。參考JGJ/T 170—2009，采用等效A 聲壓級LAeq作為噪聲評價指標。

依據GB/T 14623—1993《城市環(huán)境噪聲測量方法》［11］，規(guī)定的測量時間T內等效 A 聲壓級LAeq的計算公式為

式中：LA為t時刻的瞬時A聲壓級，dB。

若測量是采樣測量，且采樣的時間間隔一定時，式（1）可表示為

式中：LAi為第i次采樣測得的A聲壓級；n為采樣總數。

二次噪聲測量值應大于背景噪聲3 dB 以上，并進行修正。

3.2 數據分析

3.2.1 車內噪聲

車廂內共有6 個測點，分別為測點1—測點6。其中測點1，2與測點5，6分別位于車體2個轉向架上部，測點1，2 與測點5，6 噪聲數據無明顯差異。測點3，4由于距轉向架距離略大，阻尼裝置安裝前后其等效A聲壓級較測點1，2 均低1～2 dB（A），因此選取測點1，2噪聲數據進行分析。

對截取時間范圍內車廂通過測試路段時測得的噪聲數據進行快速傅里葉變換分析，得到阻尼裝置安裝前后噪聲頻譜。

阻尼裝置安裝前后車廂內不同高度處噪聲聲壓對比見圖5?？梢钥闯觯簻y試路段鋼軌激發(fā)的噪聲頻率成分以523 Hz和745 Hz為主，安裝阻尼裝置后兩主頻率的聲壓峰值均降低50%以上。表明阻尼裝置有效抑制了鋼軌振動，顯著降低了噪聲聲壓幅值。

阻尼裝置安裝前后車廂內不同高度處噪聲A 計權聲壓級對比見圖6?？梢钥闯觯?00～3 150 Hz 頻率范圍內噪聲顯著降低。2個測點在800 Hz頻率下的降噪效果最為明顯，1.2 m 測點處聲壓級降低11.6 dB（A），1.5 m 處測點聲壓級降低了14.4 dB（A）。但低于500 Hz 頻率的噪聲在阻尼裝置安裝前后幾乎無變化，表明該裝置對于低頻噪聲降噪效果不佳。

圖5 阻尼裝置安裝前后車廂內不同高度處噪聲聲壓對比

圖6 阻尼裝置安裝前后車廂內不同高度處噪聲A計權聲壓級對比

阻尼裝置安裝前后列車車廂內2個測點噪聲A 計權總聲壓級及其差值見表1。由表中數據計算可得：車廂內1.2 m 處阻尼裝置安裝前A 計權總聲壓級為88.9 dB（A），安裝后為81.6 dB（A），平均降噪7.3 dB（A）。車廂1.5 m 測點處阻尼裝置安裝前A 計權總聲壓級為88.5 dB（A），安裝后為 81.3 dB（A），平均降噪7.2 dB（A）。

表1 阻尼裝置安裝前后列車車廂內2個測點噪聲A計權總聲壓級及其差值 dB（A）

從阻尼鋼軌的降噪機理上進行分析，鋼軌引起的振動主要集中在500～1 000 Hz，而輪軌噪聲的主要頻率集中在500～2 500 Hz 頻段內。阻尼裝置對于該頻段內的振動能夠有效抑制，從而對噪聲進行控制。依據數據推測，該裝置抑制了523 Hz與745 Hz頻率處鋼軌振動，因此圖6 中500 Hz 與800 Hz 峰值處噪聲得到了明顯控制。

3.2.2 司機室噪聲

阻尼裝置安裝前后司機室內不同高度噪聲聲壓對比見圖7。對比圖5 和圖7 可知：司機室內噪聲主頻仍然在523，745 Hz 兩個頻率處，司機室內噪聲峰值明顯小于車廂內噪聲峰值。原因在于司機室下方沒有轉向架，且與車廂有側墻和門相隔，司機室與車廂相比輪軌噪聲較小。此外，司機室的氣密性好，減小了繞射進入司機室內的車外噪聲。

圖7 阻尼裝置安裝前后司機室內不同高度噪聲聲壓對比

阻尼裝置安裝前后司機室內不同高度噪聲A 計權聲壓級對比見圖8。對比圖6 和圖8 可以看出：車廂內和司機室500 Hz 以上頻率的噪聲均得到了一定程度抑制。2 個測點在800 Hz 頻率處降噪效果最明顯，1.2 m處測點聲壓級降低10.5 dB（A），1.5 m處測點聲壓級降低了11.4 dB（A）。多個測點在800 Hz 處噪聲A 計權聲壓級均降低了10 dB（A）以上，表明該裝置對主頻噪聲的控制效果十分明顯。

圖8 阻尼裝置安裝前后司機室不同高度噪聲A計權聲壓級對比

表2 阻尼裝置安裝前后司機室內2個測點噪聲A計權總聲壓級及其差值 dB（A）

阻尼裝置安裝前后司機室內2個測點噪聲A 計權總聲壓級及其差值見表2。由表中數據計算可得：司機室1.2 m 處阻尼裝置安裝前A 計權總聲壓級為83.4 dB（A），安裝后A 計權總聲壓級為76.9 dB（A），平均降噪6.5 dB（A）；司機室1.5 m處阻尼裝置安裝前A 計權總聲壓級為 82.0 dB（A），安裝后A 計權總聲壓級為76.0 dB（A），平均降噪6.0 dB（A）。對比表1，該裝置對于司機室內噪聲控制效果劣于車廂內，原因是司機室內噪聲聲壓級較低，因此降噪效果沒有車廂內明顯。

3.2.3 高架橋環(huán)境輻射噪聲

阻尼裝置安裝前后高架橋環(huán)境輻射噪聲聲壓對比見圖9?？梢钥闯觯簩τ诟呒軜颦h(huán)境輻射噪聲，在523 Hz 處的噪聲峰值明顯高于745 Hz 處的噪聲峰值，表明523 Hz 頻率為噪聲最主要頻率。該裝置在523 Hz處的降噪效果十分明顯，峰值降低了70%以上。

阻尼裝置安裝前后高架橋環(huán)境輻射噪聲A 計權聲壓級對比見圖10。可以看出：阻尼裝置有效控制的頻帶范圍為500～3 150 Hz，在7.5 m 處測點最大降噪11.7 dB（A），最大值出現在2 000 Hz 頻率處。在30 m處測點最大降噪11.7 dB（A），最大值亦出現在2 000 Hz頻率處。

圖9 阻尼裝置安裝前后高架橋環(huán)境輻射噪聲聲壓對比

阻尼裝置安裝前后高架橋2個測點噪聲A 計權總聲壓級及其差值見表3。綜合表中數據可得：7.5 m 處阻尼裝置安裝前A 計權總聲壓級為85.2 dB（A），安裝后A計權總聲壓級為76.8 dB（A），平均降噪8.4 dB（A）；30 m處阻尼裝置安裝前A計權總聲壓級為79.4 dB（A），安裝后A計權總聲壓級為74.2 dB（A），平均降噪5.2 dB（A）。7.5 m 處降噪效果明顯好于30 m 處，表明該裝置降噪效果隨著距軌道中心線的距離增大而衰減。

表3 阻尼裝置安裝前后高架橋2個測點噪聲A計權總聲壓級及其差值 dB（A）

4 結論

對比阻尼裝置安裝前后噪聲數據，可得出以下結論：

1）對于車廂內和司機室噪聲，因鋼軌激發(fā)的輪軌噪聲頻率成分以523 Hz和745 Hz為主，安裝阻尼裝置后兩主頻（523，745 Hz）降低了50%以上。該裝置吸振頻帶較寬，不僅在523 Hz 與745 Hz 兩頻率之間，在500～3 150 Hz頻帶范圍內均有降噪效果。其抑制了鋼軌振動的同時限制了輪對與鋼軌的耦合振動，從而降低了更高頻域內噪聲。

2）對于高架橋環(huán)境輻射噪聲，在2 000 Hz 頻率處降噪效果最好，7.5 m 處平均降噪8.4 dB（A），30 m 處平均降噪5.2 dB（A）。由于阻尼裝置通過抑制鋼軌振動來減少噪聲，所以對機車車輛行駛噪聲的降噪效果較好。噪聲在傳播過程中無控制手段，即30 m 處降噪原因僅為噪聲源得到控制。降噪效果隨距軌道中心線距離的增大而衰減。

3）該阻尼鋼軌有效控制頻帶范圍為500 ～3 150 Hz，此頻帶為鋼軌輻射噪聲的主要頻帶。對頻率高于3 150 Hz 的噪聲也有一定抑制效果，但不如500～3 150 Hz 頻帶效果好；對于低于500 Hz 的噪聲該阻尼裝置安裝前后無明顯差別。這表明該阻尼裝置僅對輪軌噪聲有一定的控制效果，整體控制頻帶較寬。

總體來看，在高架線路曲線段無論是對于車廂內噪聲、司機室噪聲，還是高架橋環(huán)境輻射噪聲，該阻尼裝置都具有良好的降噪效果。該裝置對于車內噪聲能有效降噪5.0～7.7 dB（A）。