□江 茂□李 軍
重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院 重慶 400047
城市軌道交通噪聲分析及其控制措施
□江 茂□李 軍
重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院 重慶 400047
列舉了城市軌道車輛噪聲的主要類型、產(chǎn)生機(jī)理和影響因素,從軌道結(jié)構(gòu)和高架線路等方面分析了噪聲的控制措施,同時(shí)探討了國(guó)內(nèi)外城市軌道車輛噪聲的預(yù)測(cè)模式和研究方向。
軌道交通;噪聲;控制
我國(guó)城市軌道交通雖起步較晚,但近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,我國(guó)城市軌道交通建設(shè)已步入繁榮發(fā)展期,極大地緩解了城市交通壓力,但也不可避免地給城市帶來(lái)噪聲污染。研究者開(kāi)始注重軌道交通與城市環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,將控制軌道交通噪聲作為改善乘客舒適性和城市環(huán)境保護(hù)的重要課題。
筆者介紹了城市軌道交通噪聲聲源的分類和基本特性,對(duì)主要噪聲聲源的傳播與衰減特性、頻率特性及其影響因素作了詳細(xì)闡述,并歸納總結(jié)了城市軌道車輛噪聲的控制措施及相關(guān)減噪材料的使用情況,最后對(duì)城市軌道交通噪聲預(yù)測(cè)技術(shù)的研究成果進(jìn)行綜述,指出了該領(lǐng)域還需進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
軌道交通噪聲主要包括列車運(yùn)行時(shí)軌道接觸噪聲、車輛非動(dòng)力系統(tǒng)噪聲(車輛空氣壓縮機(jī)、空調(diào)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等)、牽引動(dòng)力噪聲、接觸網(wǎng)與受電弓之間產(chǎn)生的摩擦噪聲、地下鐵道的地面承載噪聲及橋梁結(jié)構(gòu)二次振動(dòng)引起的噪聲輻射等,城市軌道交通產(chǎn)生的噪聲是上述噪聲的綜合效果,并且受列車運(yùn)行狀態(tài)和軌道設(shè)備狀態(tài)的影響?,F(xiàn)有研究表明,當(dāng)列車行駛速度低于250 km/h時(shí),主要表現(xiàn)為輪軌噪聲;當(dāng)列車行駛速度高于250 km/h時(shí),主要表現(xiàn)為空氣動(dòng)力噪聲。城市軌道交通一般的運(yùn)行速度是60~80 km/h,所以輪軌噪聲是城市軌道交通噪聲的主要來(lái)源[1]。
輪軌噪聲是車輛行駛時(shí)車輪與鋼軌的接觸而產(chǎn)生的噪聲,輪軌噪聲又分為三類:滾動(dòng)噪聲、沖擊噪聲和摩擦噪聲[1-2]。
(1)滾動(dòng)噪聲。由于車輪踏面和鋼軌表面粗糙及凹凸不平,車輪在鋼軌上滾動(dòng)時(shí)所發(fā)出的噪聲。
(2)沖擊噪聲。車輪通過(guò)鋼軌接頭、道岔、軌縫時(shí)所產(chǎn)生的沖擊噪聲或車輪踏面擦傷剝離后在鋼軌上運(yùn)行時(shí)沖擊而產(chǎn)生的噪聲[1]。
(3)摩擦噪聲。當(dāng)列車通過(guò)小曲率半徑時(shí),由于車輪受轉(zhuǎn)向架約束,不能正切于鋼軌運(yùn)行,引起車輪沿著鋼軌滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生橫向滑動(dòng),由此產(chǎn)生輪軌接觸表面的粘著和空轉(zhuǎn),引起車輪共振而產(chǎn)生強(qiáng)的窄頻帶尖叫噪聲[3]。
牽引電動(dòng)機(jī)噪聲由空氣動(dòng)力噪聲、電磁噪聲及機(jī)械噪聲組成,其噪聲強(qiáng)弱與電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速有關(guān),通常有明顯的規(guī)律性。齒輪傳動(dòng)裝置的噪聲則發(fā)生在輪齒交替嚙合時(shí),嚙合處既有滾動(dòng)也有滑動(dòng),造成齒與齒之間產(chǎn)生沖擊和摩擦,使齒輪箱產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)出噪聲??諝鈮嚎s機(jī)噪聲主要是空氣壓縮機(jī)的部件之間沖擊和摩擦造成的,由進(jìn)氣口輻射的空氣動(dòng)力噪聲、運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和電動(dòng)機(jī)噪聲組成[4]。
城市軌道交通的噪聲級(jí)與車輛的性能、軌道系統(tǒng)的特性及所處位置和區(qū)域的不同有關(guān),而軌道位置是影響城市軌道交通噪聲的決定性因素[5]。在城市立體軌道交通中,采用地下軌道形式所引起的振動(dòng)和噪聲最小,聲源主要來(lái)自于行駛在地下軌道的車輛與軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng),由此激發(fā)地鐵隧道的振動(dòng)、地下及墻壁的振動(dòng)和室內(nèi)二次輻射的噪聲,屬于頻段為16~250 Hz的低頻噪聲。地面噪聲是地鐵輻射和地面環(huán)境噪聲的綜合,噪聲大小處于地下軌道和高架結(jié)構(gòu)噪聲之間。高架結(jié)構(gòu)噪聲幅值最大,當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)高架橋時(shí),車輪相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞給支撐結(jié)構(gòu),支撐結(jié)構(gòu)將噪聲向周圍建筑物傳播,并與周圍交通噪聲混合形成較高的噪聲,當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)高架橋時(shí),噪聲會(huì)提高2~10 dB[6]。
根據(jù)城市軌道交通噪聲頻率特性的研究成果,在1 700 Hz以下頻段,以鋼軌的振動(dòng)噪聲為主,在1 700 Hz以上頻段,車輪振動(dòng)噪聲占主導(dǎo)地位[7],因此大量關(guān)于降噪措施的研究都集中在治理輪軌噪聲上。影響輪軌噪聲的因素主要有軌道聲學(xué)粗糙度和垂向、橫向軌道衰減率,其中軌道衰減率是對(duì)軌道噪聲輻射影響最大的參數(shù),軌道聲學(xué)粗糙度對(duì)輪軌噪聲的最大貢獻(xiàn)則可達(dá)8.5 dB[8],所以輪軌噪聲采用優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)和合理選擇軌道結(jié)構(gòu)等主動(dòng)性措施來(lái)控制。
李建斌[2]依據(jù)減振降噪軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則,對(duì)傳統(tǒng)的三級(jí)軌道減振降噪措施(一般減振、較高減振、特殊減振)做了增加,在原有的較高減振和特殊減振之間加入高等減振措施。高等減振措施能降噪8~15 dB,它是通過(guò)采用扣件或道砟墊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。特殊減振措施的降噪效果一般在15 dB以上,在噪聲敏感環(huán)境區(qū)域采用特殊減振軌道結(jié)構(gòu),如橡膠浮置板道床或鋼彈簧浮置板整體道床。
練松良等[9]研究了減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)相較普通軌道結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)勢(shì),提出了不同的軌道結(jié)構(gòu),其減振降噪的能力也不同,針對(duì)降噪要求不同的地區(qū),應(yīng)選擇不同類型的軌道結(jié)構(gòu)。減振降噪軌道結(jié)構(gòu)主要是無(wú)砟軌道、彈性扣件、彈性支承塊和浮置板,對(duì)于有特殊減振要求的0類地區(qū)(如醫(yī)院、文教區(qū)),采用可更換式彈性軌枕直接連接軌道或浮置板軌道;對(duì)于一般減振要求的1類地區(qū),采用彈性支承塊式整體道床軌道;對(duì)于其它地區(qū),考慮到軌道和車輛的運(yùn)行要求,建議采用彈性扣件。
高架結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)相比具有建設(shè)周期短、費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì),是今后城市軌道交通建設(shè)的重要發(fā)展方向,因而國(guó)內(nèi)外研究者也逐漸從較成熟的輪軌噪聲控制措施研究轉(zhuǎn)移到橋梁結(jié)構(gòu)噪聲上。沈保紅[10]、賀建良等[11]研究了上海軌道交通3號(hào)線的噪聲特性,發(fā)現(xiàn)列車通過(guò)時(shí)的主要噪聲頻率范圍是1 000 Hz以下。韓江龍等[12-15]總結(jié)得出橋梁結(jié)構(gòu)的頻率主要分布在0~300 Hz范圍內(nèi),且當(dāng)列車以不同的速度經(jīng)過(guò)時(shí),不同測(cè)點(diǎn)位置的峰值頻率多集中在50 Hz。劉加華[16]對(duì)上海軌道交通3號(hào)線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,得出橋梁結(jié)構(gòu)噪聲峰值頻率出現(xiàn)在80~125 Hz。
針對(duì)高架結(jié)構(gòu)噪聲特性,最常采用的減振措施是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和梁體的減振和隔振,如橋梁支座采用橡膠支座,以避免系統(tǒng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。葛世平[17]等從橋梁結(jié)構(gòu)上提出三點(diǎn)措施:①采用框架式防振隧道結(jié)構(gòu),其換算的振動(dòng)加速度可降低噪聲8~15 dB;②在隧道襯砌內(nèi)側(cè)設(shè)置隔振層,避免軌道與隧道的直接接觸;③采用雙箱梁或多箱梁等。此外,對(duì)于高架線路上的車輛也應(yīng)增設(shè)裙板在車底設(shè)置吸聲結(jié)構(gòu)。
聲屏障是對(duì)噪聲傳播途徑進(jìn)行控制,多設(shè)立在城市交通敏感地帶。聲屏障的設(shè)置需要充分考慮聲波的傳播原理及注意密封的安裝問(wèn)題,其材料大多采用透明夾層復(fù)合安全玻璃、卡普隆板、不透明的彩色塑鋼板、德國(guó)產(chǎn)吸聲王及WSR型吸聲板等[18]。根據(jù)不同的降噪要求,可分別采用吸聲式、隔聲式或組合式聲屏障。根據(jù)景觀設(shè)計(jì)的需要,可設(shè)計(jì)成直立型、折角型、弧面型或全封閉型聲屏障。同時(shí),可在聲屏障靠近噪聲源一側(cè)采用吸聲涂層,以減少聲反射[19]。在軌道線路兩側(cè)種植樹(shù)木,形成天然屏障,也可以起到降噪效果。
目前,城市軌道交通噪聲預(yù)測(cè)模型的研究已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界和各國(guó)政府關(guān)心的一大課題,鐵路噪聲預(yù)測(cè)模型方法的研究成果可應(yīng)用在城市軌道交通噪聲的預(yù)測(cè)研究中。
軌道交通噪聲的預(yù)測(cè)主要根據(jù)列車類型、列車流量、軌道結(jié)構(gòu)、軌道兩側(cè)的環(huán)境及背景噪聲等多種因素確定[20],所建立的預(yù)測(cè)模型均根據(jù)共同的思路聲源-聲波-受聲點(diǎn),利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式,計(jì)算出受聲點(diǎn)處輪軌噪聲的A聲級(jí)和等效聲級(jí)。
美國(guó)采用的鐵路噪聲預(yù)測(cè)模型[20-21]較為成熟和有效,在歐盟國(guó)家有較大的影響。當(dāng)車輛通過(guò)速度低于200 km/h時(shí),受聲點(diǎn)的暴露聲級(jí)為輪軌噪聲和牽引噪聲的能量和。當(dāng)行車速度高于200 km/h時(shí),受聲點(diǎn)的暴露聲級(jí)為輪軌噪聲、牽引噪聲和空氣噪聲的能量和。美國(guó)聯(lián)邦運(yùn)輸管理局提出了單列列車運(yùn)行一次時(shí)的暴露聲級(jí)計(jì)算式為:
其中,輪軌噪聲為:
牽引噪聲為:
空氣動(dòng)力噪聲為:
式中:LmSEi為列車在規(guī)定狀態(tài)下(速度、編組、軌道磨耗等)距軌道中心線15 m處的暴露聲級(jí),dB;m為距聲源距離,m;Di為聲源到受聲點(diǎn)之間的距離,m;G為大地衰減;AS為考慮地面吸收衰減和屏障作用后的修正值。
日本提出的北陸法[21]是以石井子安的預(yù)測(cè)方法為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一套預(yù)測(cè)模型,這一方法將列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲源大致分為輪軌、構(gòu)筑物、集電系和車輛上部空氣動(dòng)力噪聲,其中列車速度低于15 km/h時(shí)車輛上部空氣動(dòng)力噪聲較小,可忽略。北陸法將列車的子聲源視為無(wú)指向性的有限長(zhǎng)線聲源,這一方法提出的聲級(jí)計(jì)算式為:
式中:LZ為車輛總噪聲級(jí),dB;LR為車輛下部噪聲級(jí),dB;LS為構(gòu)筑物噪聲級(jí),dB;LP為集電系噪聲級(jí),dB;LA為車輛上部空氣動(dòng)力噪聲,dB。
高飛等[22]通過(guò)在北京軌道交通5號(hào)線高架橋試驗(yàn)段進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果表明,用北陸法模型計(jì)算出的聲壓值與實(shí)測(cè)值的誤差基本控制在5%以內(nèi),模型較為真實(shí)地反映了軌道交通高架結(jié)構(gòu)附近的聲場(chǎng)分布。
我國(guó)嚴(yán)格按照環(huán)境保護(hù)部2009年4月1日實(shí)施的HJ453—2008《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》規(guī)定選擇預(yù)測(cè)方法、預(yù)測(cè)范圍、預(yù)測(cè)時(shí)段、預(yù)測(cè)量與評(píng)價(jià)量。這一方法將列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲源視為點(diǎn)聲源,列車通過(guò)受聲點(diǎn)的等效聲級(jí)計(jì)算式[23]為:
式中:Leq,i為受聲點(diǎn)列車運(yùn)行噪聲等效聲級(jí),dB;T為預(yù)測(cè)時(shí)間,h;n為T時(shí)段內(nèi)通過(guò)的列車數(shù);tj為第j列車通過(guò)時(shí)段的等效時(shí)間,h;LPO,j為參考點(diǎn)第 j列車通過(guò)時(shí)段內(nèi)最大垂向指向性方向上的噪聲輻射源強(qiáng),dB;Cij為噪聲修正項(xiàng),包括列車速度修正量、線路和軌道結(jié)構(gòu)修正量、垂向指向性修正量;A為聲波傳播途徑引起的衰減量,dB,包括幾何發(fā)散衰減、空氣吸收衰減、地面效應(yīng)引起的衰減、屏障插入引起的衰減等。
我國(guó)并沒(méi)有關(guān)于跨座式單軌噪聲預(yù)測(cè)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo),劉蘭華[24-26]等驗(yàn)證了HJ453—2008對(duì)跨座式單軌有適用性,將重慶軌道交通3號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的列車輻射噪聲源強(qiáng)特性、垂向分布、傳播衰減、速度特性等結(jié)果代入修正方法中,計(jì)算得出的預(yù)測(cè)值誤差在1.7 dB以內(nèi),小于HJ453—2008中有關(guān)修正原則獲得的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差(2.0~4.6 dB)。
目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)噪聲源基本特性、傳播規(guī)律及控制措施進(jìn)行了大量研究,并且取得了一定的研究成果。對(duì)于城市軌道交通噪聲的預(yù)測(cè)模式及分析方法目前還沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)準(zhǔn)則,國(guó)外的預(yù)測(cè)模式較為成熟,我國(guó)的預(yù)測(cè)技術(shù)相對(duì)于美國(guó)、日本等起步較晚,雖然可借鑒鐵路噪聲的預(yù)測(cè)方法,但很多方法存在設(shè)備昂貴、系統(tǒng)復(fù)雜、精確度不高等問(wèn)題[10]。
城市軌道交通噪聲問(wèn)題可以從以下幾個(gè)方面繼續(xù)研究。
(1)大多數(shù)國(guó)家都沒(méi)有明確提出地鐵引起二次輻射噪聲頻率范圍,如何確定低頻噪聲及控制地鐵引起的室內(nèi)二次輻射噪聲是值得研究的課題。
(2)城市軌道交通根據(jù)區(qū)域地形的特點(diǎn)選擇地下結(jié)構(gòu)還是高架結(jié)構(gòu),而高架結(jié)構(gòu)相對(duì)于地下結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢(shì)。在高架結(jié)構(gòu)的降噪措施研究中,是否設(shè)置加筋肋和修改截面形式,以及箱型梁、槽型梁和T型梁[12]的對(duì)比目前還是研究空白。
(3)軌道交通的高速發(fā)展為減振降噪材料提供了廣闊的市場(chǎng)。研發(fā)新材料是未來(lái)必將迎接的挑戰(zhàn),高阻尼發(fā)泡吸聲材料、高阻尼隔聲材料及軌道交通橡膠減振彈性元件[26]是應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展研究的項(xiàng)目。
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Themain typesof noisesin urban rail vehicle,themechanismof production and influencingfactors werespecified.Thenoisecontrol measureswereanalyzed fromtheaspectsof rail structureand elevated lines.At thesametime,theprediction modeand research direction of thenoiseof urban railcar werediscussed.
Rail Transit;Noise;Control
TH122;U239.5
B
1672-0555(2017)03-044-04
2017年2月
江茂(1993—),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄔ肼暱刂?/p>
(編輯:?jiǎn)?德)