城市轨道交通噪声测试分析

许平洋 陈 雷 夏小东

(长沙市轨道交通运营有限公司,410075,长沙∥第一作者,副总经理)

城市轨道交通噪声测试分析

许平洋 陈 雷 夏小东

(长沙市轨道交通运营有限公司,410075,长沙∥第一作者,副总经理)

从噪声原理、国家标准对噪声源进行了阐述,结合长沙市轨道交通2号线列车司机室内噪声振动测试情况,利用CALIPRI轮轨外形检测仪对轮轨进行检查,并通过Matlab软件对列车1轴左轮建立轮轨振动模型进行振动频谱分析。结果表明,当列车以80 km/h速度级运行时,轮对周向磨损和轨道波磨是造成司机室噪声增大的主要原因;车轮形状发生改变是引起轮轨滚动噪声和钢轨振动噪声的直接原因。

城市轨道交通; 轨道; 车辆; 噪声

Author′s address Changsha Rail Transit Operation Co.,Ltd.,410075,Changsha,China

随着我国城市化进程的加快,城市轨道交通以其舒适、安全、正点及快捷等特点受到人们的青睐。但是地铁内噪声过大将影响司机以及乘客的舒适度。因此地铁车内噪声控制成为城市轨道交通中亟待解决的重要课题之一。为此,本文从噪声原理及国家标准对噪声源进行了分析,结合长沙市轨道交通2号线噪声情况,通过噪声振动测试、轮轨检查,以及利用Matlab仿真,得到长沙轨道交通2号线列车噪声的主要来源。

1 车辆噪声的形成机理

1.1 噪声源

列车在运行过程中产生振动和噪声,主要的噪声源有轮轨噪声、牵引及制动系统和车下悬挂电气设备噪声及其他噪声等(见图1)。

图1 列车运行噪声源分析

(1) 轮轨噪声可以分为滚动噪声、冲击噪声、尖啸噪声、钢轨振动噪声及道床振动噪声。

(2) 牵引、制动系统和车下悬挂电气设备噪声包括:①主逆变器、辅助逆变器、制动电阻的冷却风机噪声;②牵引电机、齿轮箱高速运转时的噪声;③电磁噪声;④制动噪声。

(3) 其他噪声主要有车顶空调噪声、弓网摩擦噪声及气动噪声等。

1.2 噪声传播途径

地铁运行中,噪声通过固体和空气进行传播。因此车内噪声可分为固体声和空气声两大类。一种形式的固体声指从设备及轮轨等噪声源发出的噪声,以振动形式传播到车体构架等处,从而在车体内部振动,产生一次固体传播噪声;另一种形式的固体声是从噪声源以放射状发出的噪声,利用空气为媒介,传播到车体侧墙、地板等处,使上下墙板、车内地板、车窗等振动,从而使车体内部空气振动,进而产生二次固体传播噪声。随不同频率成分变化,固体传播和空气传播噪声能量的比例因车体结构而有所差别。空气声是噪声源发出的噪声以空气为媒介,从车窗、车体的缝隙传播到车内[1]。

1.3 噪声主要影响因素

1.3.1 速度的影响

城市轨道交通噪声由牵引噪声、轮轨噪声和气动噪声组成。按照牵引噪声、轮轨噪声和气动噪声占主导所对应的行驶速度称之为声学转换速度,且该转换速度与列车和轨道的状态以及减振措施等有关。列车速度对各主要噪声源的影响基本遵从图2的规律[2]:当列车以小于35 km/h速度行进时,噪声主要来源于牵引动力噪声;当列车以35～250 km/h运行时,轮轨噪声是主要噪声来源;当列车运行速度大于250 km/h时,气动噪声逐渐突显出来。

图2 列车运行噪声源及速度分区

1.3.2 轮轨关系及轨道的影响

轮轨关系及轨道状态是的影响噪声大小的主要因素[3]。其基本模型是典型的二阶或高阶非线性系统,物理模型较为复杂。学术界虽对此有相当多的研究,但受限于数据获取的不便利性及具体情况的差异性和复杂性,往往难以准确定位和实施缓解措施。轮轨关系及轨道对噪声的影响见图3。

影响车辆轮轨噪声的因素很多,如：钢轨类型、轨枕垫刚度、轨枕垫损耗因子、轨枕类型、轨枕间距、道碴刚度、道碴损耗因子、车轮偏差、钢轨偏差、车轮粗糙度、非规则钢轨粗糙度、列车速度、轴重及环境温度等。其中，车轮粗糙度、轨枕刚度、轨枕类型及钢轨粗糙度等因素对噪声影响都很明显。轨道对噪声影响最大,因此,轨道在整个项目噪声控制中也起主要作用。

图3 轮轨关系及轨道对噪声的影响

1.3.3 运行环境的影响

车辆在地面上行驶,一般没有周围障碍物时运行环境近似为半自由声场;车辆在隧道内运行时,运行环境近似为混响声场。隧道运行比地面运行时的噪声大。根据城市轨道交通列车国家噪声标准,司机室噪声在隧道内比在隧道外允许增加5～9 dB (A)。

2 噪声控制的国家标准

目前，国内针对城市轨道交通列车制造和运营的噪声控制主要遵从两个标准:ISO 3381—2005 《声学-轨道机车车辆内部噪声测量》,ISO 3095—2005 《声学-铁路车辆辐射噪声的测量》。噪声控制的国家标准见表1。

表1 噪声控制的国家标准

3 长沙轨道交通2号线噪声状态

长沙轨道交通2号线列车采用中国中车株洲电力机车有限公司生产的B型车,每列为6节编组。随着列车运行时间和公里数的增加,在2号线经过人民东路至长沙大道区间(简为人长区间)时司机室内噪声问题逐渐凸显。因此在人长区间对2号线列车进行了噪声测试研究。

3.1 噪声测点布置

(1) 车外测点布置。传感器放置在距轨道中心水平距离7.5 m处的列车司机室外侧,分别设置距轨面高为1.2 m的测点a和距轨面高为3.5 m的测点b(见图4)。

(2) 车内测点布置。在列车司机室中心线上,离司机室内地面高1.2 m处布置1个测试点c。

3.2 噪声测试工况条件

列车以80 km/h速度级在隧道内正线运行,测试区间为人长区间上行线,以及近似为半自由声场的试车线。同时,对轮对进行了镟修,以及对钢轨进行了打磨等工况都做了测试。具体工况见表2。

图4 车辆外测点图

工况运行区间运行速度/(km/h)轮对是否镟轮钢轨是否打磨备注工况1试车线0否否新车工况2试车线0否否已运行8个月工况3试车线0否否已运行9个月工况4试车线0是否已运行10个月工况5人长区间79．8否否已运行10个月工况6人长区间79．7否否已运行10个月工况7人长区间79．8否否已运行10个月工况8人长区间79．7是否已运行10个月工况9人长区间79．7否是已运行10个月工况10人长区间79．8是是已运行10个月

3.3 噪声测试结果

一般采用A声级计权对地铁噪声进行评价。人耳听音的频率范围为20 Hz到20 kHz,高低相差1 000倍。为方便,通常把宽广的声音频率变化范围划分为若干较小的段落,将一个倍频程划分为3个频程,即1/3倍频程。此处对监测点1/3倍频程中心频处的A声级进行分析。

3.3.1 试车线测试结果

通过噪声测量得到列车车内测点的噪声频谱,并对监测点1/3倍频程中心频处的A声级进行分析。分析结果如图5所示。其中，测点的总声压级为:

式中:

Lpi——第i声源的声压级,i=1～n。

测点的总声压级计算结果如表3所示。

表3 各测点不同工况下总声压级 dB(A)

图5 不同工况下3个测点的频谱图

(1) 对3个监测点在工况1、2、3、4下的总声压级进行对比可以看出,各工况下测点的噪声频谱变化规律相似,在低频范围内声压级较低,峰值基本出现在630 Hz左右;

(2) 新车运行以及列车运行8个月、9个月、10个月后3个测点的噪声频谱均未发生很大变化,总声压级也基本相同,说明列车运行10个月内并未导致车辆的整体性能、隔声性能发生变化;

(3) 工况4进行了镟轮,但是静态下3个测点的噪声频谱趋势并未发生明显改变,说明镟轮并不影响静态下的噪声值;

(4) 静态下,司机室内监测点c的噪声最大。车外7.5 m远、高度1.2 m处的噪声比高度3.5 m处的噪声大,说明车外噪声随高度的升高而减小。

3.3.2 正线测试结果

车辆在隧道内正线运行时,其噪声组成更为复杂。司机室监测点c的1/3倍频程中心频处的声压级如图6所示。

图6 测点c频谱图

根据式(1),得到测点c在各工况下的总声压级(见表4所示)。

表4 测点c各工况总声压级 dB(A)

从图6和表4中可以看出:

(1) 对80 km/h速度下正线噪声进行了3次测试(即工况5、6、7)。通过对比测试结果发现,总声压级相差不多。因此,本次试验的结果具有一定的可靠性。

(2) 通过对工况7和工况8的试验结果对比发现,列车进行整体镟轮后,测点c的噪声值总声压级显著降低了14.7 dB(A)。这表明车轮状态对噪声值的影响巨大。而且降幅较大范围出现在400～1 250 Hz范围内,降幅最大的频段在630 Hz处。

(3) 通过对工况7和工况9的试验结果比较发现,进行钢轨打磨后,测点c的噪声值总声压级明显降低3.7 dB(A)。这说明钢轨的状态对噪声影响较大。

(4) 通过工况7和工况10的试验结果比较发现,镟轮和钢轨打磨相互配合后,测点c的噪声值总声压级降低更加明显,降幅达到15.7 dB(A)。这说明镟轮和打磨钢轨相互结合可以有效地降低噪声。

4 噪声源诊断

在静态状态下,3个监测点的噪声没有明显变化。这说明列车在运行的10个月内状态相差不多,列车车体的隔声性能良好,整体性能(包括刚性)也没有变化。根据对铁路运行环境噪声的测量,当列车速度在250 km/h之上时,气动噪声占主导;当列车速度在300 km/h以上时,集电系统噪声是列车的主要噪声源[4]。2号线运营速度最高为80 km/h,因此不考虑气动噪声和集电系统噪声。实测结果显示,改变钢轨状态和车轮状态后,司机室的噪声有明显降低,应着重考虑轨道振动噪声和轮轨噪声,因此,需要对轨道和轮对进行检查。

4.1 轨道检查

经检查发现，人长区间轨道有波磨,但其幅值λ较小(λ在 30～50 mm范围内),且车辆运营速度为80 km/h。假设理想状态下列车以80 km/h的速度在此轨道运行,轮对振动频率f=v/λ。当λ=0.03 m时,轮对振动频率为740.7 Hz;当λ=0.05 m时,轮对振动频率为444.4 Hz。因此,轨道波磨造成的噪声频率范围粗算为444.4～740.7 Hz。由实车测得的噪声频谱分析可知,在630～800 Hz频段内的噪声变化较为明显。这和轨道波磨产生的噪声频段一致。

4.2 车轮圆跳动检查

2014年11月12日,2号线运营公司车辆部专业技术人员采用CALIPRI轮轨外形检测仪对列车的轮对进行了圆跳动检测。现将圆跳最大的1轴左轮踏面按照360°进行平面展开(见图7)。

图7 1轴左轮踏面按照360°进行平面展开

由图7可见,车轮圆跳动为0.275 mm,符合《长沙市轨道交通2号线转向架维修手册》中车轮圆跳小于0.5 mm的要求。

4.3 车轮振动频率粗算分析

车轮表面出现长度不同的层状磨损,且呈现灰白交替状。这种层状磨损痕迹最长的长度为25～30 mm范围内,即λ=25～30 mm。假设此列车以80 km/h的速度在光滑的平直轨道行走,则轮对振动频率f=v/λ。当λ=0.025 m时,轮对振动频率为822.2 Hz;当λ=0.03 m时,轮对振动频率为685.2 Hz。因此,车轮层状磨损造成的噪声频率范围为685.2～822.2 Hz。实车测试发现车轮进行镟修后,噪声总声压级明显降低,而且降低最多的频段主要集中在630～1 250 Hz频率段,与粗算所得的车轮磨损噪声频率685.2～822.2 Hz基本一致,因此车轮磨损是噪声增大的原因之一。

4.4 轮轨振动频谱精算分析

假设轮与轨接触为点接触,轨道为平滑面,则单一考虑轮对的不平顺对振动的影响,通过Matlab软件对列车1轴左轮建立轮轨振动模型。假定左轮以80 km/h的速度在光滑轨道上运行,得到其轮轨的振动波形见图8 a),振动波长l=πD=2.634 m,振动周期t=l/v=0.118 s。

利用matlab仿真软件对图8 a)振动波形进行振动频谱分析。通过图8 b)可以看出,轮对的不平顺引起的振动频率在600～700 Hz之间。这说明该频段即为产生轮轨振动噪声的主要频段。这也是列车噪声产生的原因。

综上所述,车轮圆跳、车轮表面磨损及车轮形状发生改变是引起轮轨滚动噪声和钢轨振动噪声的直接激励源,是造成司机室内噪声增大的重要原因。

5 结论

(1) 通过对试车线进行的实车静态噪声测量可知,其噪声频谱在低频范围内声压级较低,峰值基本出现在630～800 Hz范围内。

(2) 研究结果说明，列车在运行10个月内并未导致车辆的整体性能及隔声性能发生变化。这为列车噪声诊分析提供了车况依据。

(3) 进行钢轨打磨后,测点的噪声值降低了3.7 dB(A)。对列车进行整体镟轮后,测点的噪声值降低了14.7 dB(A)。镟轮和钢轨打磨相互配合后,测点的噪声值总声压级降低更加明显,降幅达到15.7 dB(A)。因此，镟轮和打磨钢轨相互结合可以有效

降低噪声。这也表明造成长沙地铁车辆噪声的主要来源是轮轨滚动噪声和钢轨振动噪声。

(4) 对列车轮对进行测量,发现车轮出现明显圆跳动。经频谱分析及Matlab软件模拟分析发现,圆跳及车轮形状发生改变是引起轮轨滚动噪声和钢轨振动噪声的直接原因。

(5) 查找导致轮对周向磨损和轨道波磨的原因,加强轮轨检查、轮轨磨耗分析及定期镟轮和钢轨打磨,从而降低轮轨噪声是下一步要进行的重要工作。

[1] 龙华炜,何小军.SFM05型地铁动车噪声预测及声学贡献度分析 [D].长沙:中南大学,2010.

[2] 黄莎.高速列车车外气动噪声数值模拟研究[D].长沙:中南大学,2010.

[3] 陈向东.轮轨振动、噪声模型及预测[D].大连:大连交通大学,2004.

[4] 马龙.高速铁路集电系统噪声及治理措施研究[C]∥中国铁道学会环保委员会.中国铁道学会环保委员会噪声振动学组年会交流论文集.北京:《中国学术期刊》电子杂志社,2008:22-25.

Analysis of Urban Mass Transit Noise Test

XU Pingyang, CHEN Lei, XIA Xiaodng

Theories on noise principle and requirements of national standards for metro noise are described.According to the noise and vibration testing in vehicle driver′s cab on Changsha metro Line 2,CALIPRI wheel/rail profile tester is used to inspect the wheel/ rail condition,and through software Matlab,a wheel/rail vibration model based of the left wheel of the first shaft is built for vibration spectrum analysis.The result shows the circumferential wear of wheel and track abrasion is the main reason for the increase of cab noise,and wheel shape changes are the direct reason for wheel/rail rolling noise and rail vibration noise.

urban mass transit; track; metro vehicle;noise

U 270.1+6

10.16037/j.1007-869x.2016.12.025

2016-02-05)