摘要 地鐵內(nèi)部的噪聲問題主要源自列車外部噪聲傳播和內(nèi)部振動(dòng)激勵(lì)，受到軌道、列車和隧道三個(gè)方面因素的影響。軌道方面主要涉及軌道粗糙度、曲線半徑和扣件情況；列車因素包括速度、車體材料、密封性和內(nèi)部設(shè)備；隧道影響則包括運(yùn)行環(huán)境、截面和吸聲材料。文章總結(jié)了目前國內(nèi)外有關(guān)車內(nèi)噪聲的相關(guān)研究方向、影響車內(nèi)噪聲的可能因素以及目前可采取的降噪措施，分析各自優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)降低車內(nèi)噪聲提供了研究建議和展望。

關(guān)鍵詞 地鐵噪聲；噪聲源；輪軌；隧道列車；降噪措施

中圖分類號(hào) U270 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）18-0017-06

0 引言

地鐵是城市軌道交通的主要形式，在許多城市中乘坐地鐵已經(jīng)成為居民一種不可或缺的出行方式，地鐵列車在行駛過程中車內(nèi)噪聲問題始終難以解決。地鐵車內(nèi)噪聲主要來自列車外部噪聲源傳播以及車內(nèi)的振動(dòng)激勵(lì)，噪聲過大會(huì)直接影響乘客和司乘人員的舒適度，甚至?xí)绊懙罔F列車的安全駕駛，存在巨大的安全隱患。該文將從輪軌、列車以及隧道三個(gè)方面出發(fā)，提煉總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)地鐵列車內(nèi)噪聲研究，包括現(xiàn)有的研究方法和相關(guān)降噪措施等，為后續(xù)研究地鐵列車的車內(nèi)噪聲研究提供參考。

1 車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

振動(dòng)和噪聲密切相關(guān)，振動(dòng)越大，噪聲也就越大[1]，其中振動(dòng)主要通過固體介質(zhì)傳播，噪聲則主要通過空氣介質(zhì)傳播，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)引發(fā)噪聲。反之，噪聲也能引起固體介質(zhì)的振動(dòng)，根據(jù)噪聲傳播路徑的不同，地鐵車內(nèi)噪聲大致可以分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲[2]。結(jié)構(gòu)噪聲主要來自列車轉(zhuǎn)向架以及車內(nèi)設(shè)備的振動(dòng)激勵(lì)，通過車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，引發(fā)車體內(nèi)部件的振動(dòng)，并向車內(nèi)輻射噪聲?？諝庠肼晞t是由于輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲等噪聲源直接向外輻射噪聲，通過不同的方式經(jīng)空氣傳播進(jìn)入車內(nèi)，其中根據(jù)空氣噪聲進(jìn)入車內(nèi)方式不同將其分為透射聲以及直達(dá)聲，透過車廂壁板以及車窗等傳遞至車內(nèi)的聲音稱之為透射聲，通過門縫等縫隙傳遞至車內(nèi)的聲音為直達(dá)聲，車內(nèi)噪聲來源大致如圖1所示。

2 輪軌對(duì)地鐵列車內(nèi)噪聲的影響

大量研究表明[3-10]，在地鐵運(yùn)行速度小于80 km/h工況下，輪軌噪聲是地鐵列車行駛過程中的主要噪聲源，其產(chǎn)生機(jī)理如圖2所示。按照其產(chǎn)生方式的不同可分為滾動(dòng)噪聲、沖擊噪聲和嘯叫噪聲，其由于鋼軌與車輪之間的相互作用產(chǎn)生噪聲并向外輻射聲波[11]。滾動(dòng)噪聲是車輪在直線鋼軌上滾動(dòng)時(shí)發(fā)出的噪聲，通常是由于車輪在良好狀態(tài)的鋼軌上滾動(dòng)而產(chǎn)生的，沖擊噪聲則是車輪通過軌縫或者道岔時(shí)產(chǎn)生的噪聲，嘯叫噪聲則是在地鐵列車通過小半徑曲線行駛時(shí)發(fā)出的尖叫聲，是由于車輪不能與鋼軌正常接觸并產(chǎn)生共振所導(dǎo)致的。

目前國內(nèi)外關(guān)于輪軌對(duì)車內(nèi)噪聲的研究主要聚焦于輪軌的粗糙度、小半徑曲線以及軌道類型這三個(gè)方面。

2.1 輪軌的粗糙度

輪軌的粗糙度包括車輪表面的粗糙度以及軌道的粗糙度，車輪表面的粗糙度是指車輪的不圓度[12-13]，當(dāng)車輪表面較為光滑，則與軌道接觸時(shí)摩擦力較小，產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲也相對(duì)較小。軌道的粗糙度是指軌道表面的不平整程度或表面的不規(guī)則性，其中軌道的波磨以及不平順是軌道表面常見的兩種病害。

國外學(xué)者通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了輪軌粗糙度和滾動(dòng)噪聲之間的線性關(guān)系[14]，國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究[15-21]主要集中在研究車輪粗糙度和軌道波磨對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，車輪粗糙度降低會(huì)顯著降低車內(nèi)噪聲，軌道波磨的出現(xiàn)使得地鐵線路的噪聲和振動(dòng)急劇增大，其噪聲引發(fā)的峰值主要集中在100～500 Hz的中頻段，通過對(duì)波磨地段的打磨可以有效減少車內(nèi)噪聲，如圖3所示[16]。

2.2 小半徑曲線

地鐵在曲線線路上行駛時(shí)，地鐵列車因?yàn)檩喚壟c鋼軌的摩擦，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和輻射噪聲，特別是在小半徑曲線上。這些曲線會(huì)導(dǎo)致地鐵發(fā)生較高的側(cè)向加速度和側(cè)滑現(xiàn)象，增加了振動(dòng)和共振的可能性，使得嘯叫聲更容易發(fā)生，曲線的半徑越小，輪軌之間的相互作用就越劇烈，導(dǎo)致鋼軌磨耗加劇，產(chǎn)生的輪軌噪聲也會(huì)更大[22]。

國外學(xué)者對(duì)于曲線地段輪軌尖嘯聲的研究開始得較早且深入，Monk-Steel等[23]、Pieringer[24]以及Brunel等[25]均認(rèn)為曲線地段輪軌嘯叫聲是車輪在曲線軌道行駛過程橫向蠕滑較大而引起的，且曲線段的摩擦條件在很大程度上決定嘯叫噪聲的大小。國內(nèi)學(xué)者采用現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法研究小半徑曲線對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，例如付翔等[26]通過現(xiàn)場實(shí)測和頻域分析發(fā)現(xiàn)曲線段的車內(nèi)噪聲的聲壓級(jí)、主頻峰以及次峰率均明顯大于直線段并且噪聲峰值隨著曲線半徑的減小而逐漸增大，如圖4所示[28]。周海洋[27]通過建立地鐵小半徑曲線下地段車內(nèi)噪聲的預(yù)測模型研究可能對(duì)車內(nèi)噪聲產(chǎn)生影響的因素，為數(shù)值模擬研究車內(nèi)噪聲提供可能。

2.3 軌道類型及其扣件

地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲相互影響，不同的減振軌道結(jié)構(gòu)如彈性扣件、彈性支承塊和浮置板會(huì)影響車內(nèi)噪聲水平，設(shè)計(jì)不當(dāng)可能導(dǎo)致車輛振動(dòng)共振，增加車內(nèi)噪聲。在地鐵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營中，需要綜合考慮振動(dòng)、噪聲、周邊環(huán)境和乘客舒適度等因素，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣韺?shí)現(xiàn)平衡和最優(yōu)化。

國內(nèi)學(xué)者通過現(xiàn)場測量的方式研究不同軌道類型對(duì)車內(nèi)噪聲影響。研究表明[28-31]：采用減振類型軌道結(jié)構(gòu)車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)普遍會(huì)高于采用普通整體道床，隨著隔振效率的提高，車內(nèi)噪聲反而加劇并且發(fā)現(xiàn)剛度較低或者是彈性軌道扣件下車內(nèi)噪聲會(huì)更嘈雜[32]；通過對(duì)不同軌道結(jié)構(gòu)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和1/3倍頻程分析發(fā)現(xiàn)減振型軌道結(jié)構(gòu)的噪聲主要集中在低頻及中頻段，并且采用減振型軌道結(jié)構(gòu)可能會(huì)加劇低中頻噪聲范圍并使得車內(nèi)噪聲增大，如圖5所示[29]。

2.4 降噪措施

針對(duì)以上有關(guān)輪軌對(duì)于車內(nèi)噪聲的影響研究，可通過以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)的降噪：

（1）鋼軌打磨[20][33]，通過定期對(duì)存在波磨區(qū)段的鋼軌以及處在小曲率半徑上的軌道進(jìn)行打磨。

（2）減少車輪與軌道之間的摩擦系數(shù)[33]，通過一些車輪的順滑裝置以及對(duì)軌道涂油，降低車輪與軌道之間的摩擦系數(shù)從而減少鋼軌波磨以及車輪不圓度的產(chǎn)生。

（3）定期更換或者調(diào)整扣件，扣件的剛度越大車內(nèi)噪聲越小[34]，通過增加以及更換剛度較大的扣件從而減小輪軌之間的振動(dòng)響應(yīng)。

（4）采用合適參數(shù)的彈性車輪[34]，采用彈性車輪能起到良好的減振降噪效果。

針對(duì)輪軌對(duì)于噪聲影響所采取的降噪措施，并且均是通過控制噪聲源的方式控制地鐵列車整體產(chǎn)生噪聲水平，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，降噪效果也最為明顯，但存在著高成本、高能耗等缺點(diǎn)。

3 列車對(duì)地鐵車內(nèi)噪聲的影響

根據(jù)車內(nèi)噪聲來源以及噪聲的傳播途徑，地鐵車內(nèi)噪聲也受到地鐵自身的吸聲性能及其密封性和車內(nèi)外聲源產(chǎn)生的噪聲等因素的影響。

3.1 列車速度

列車在高速運(yùn)行過程中產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，地鐵運(yùn)行過程中也是如此，其是指由氣流直接產(chǎn)生的振幅和頻率雜亂、統(tǒng)計(jì)上無規(guī)則的聲音。隨著地鐵運(yùn)行速度的提高，氣動(dòng)噪聲會(huì)以冪次函數(shù)激增并且會(huì)超過輪軌噪聲成為主要的噪聲源[35-37]。

國內(nèi)學(xué)者[38-40]通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)地鐵車內(nèi)噪聲會(huì)隨著速度的增大而增大，特別是高速行駛過程中氣動(dòng)噪聲增加，會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)振動(dòng)和噪聲水平的上升，如圖5所示[41]。對(duì)所得的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析和1/3倍頻程頻譜分析發(fā)現(xiàn)，車內(nèi)噪聲主要集中在中高頻段，其頻域特性不隨車速改變而改變，原因在于氣動(dòng)噪聲的頻譜特性主要受列車和隧道等結(jié)構(gòu)的影響，而這些因素在不同速度下并未顯著變化。

3.2 車體材質(zhì)以及密封性

聲音傳播主要通過空氣和固體兩種途徑進(jìn)行，輪軌噪聲是主要外部噪聲源，為有效控制地鐵車輛外部噪聲進(jìn)入地鐵車內(nèi)，可采用一些特殊的材質(zhì)，創(chuàng)造良好的密封條件。

目前我國地鐵車體可采用的材質(zhì)包括普通碳素鋼、低合金高強(qiáng)鋼、耐候鋼、不銹鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼，以及鋁合金鋼，其中最常用的是普通鋼、不銹鋼以及鋁合金三種材料[42-44]。其中，耿烽和左言言[39]建立了鋁合金地鐵的車體有限元模型并采用聲學(xué)分析軟件SYSNOISE進(jìn)行噪聲預(yù)測，結(jié)合南京地鐵一號(hào)線的實(shí)際測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過增加車體壁板厚度，車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)會(huì)有明顯的降低，如圖6所示[39]。

地鐵車內(nèi)地板是車輛下部的噪聲進(jìn)入車廂內(nèi)部的主要途徑，車外噪聲源會(huì)經(jīng)過車體的板件結(jié)構(gòu)對(duì)車內(nèi)進(jìn)行輻射噪聲，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[45-48]通過對(duì)地板進(jìn)行一定的處理，選擇不同的隔音材料、設(shè)計(jì)地板結(jié)構(gòu)或者設(shè)計(jì)減振裝置等幾方面進(jìn)行優(yōu)化能有效控制噪聲進(jìn)入地鐵列車內(nèi)部。

3.3 列車內(nèi)輔助設(shè)備

地鐵車內(nèi)噪聲的可能來源包括電機(jī)、齒輪、壓縮機(jī)、風(fēng)動(dòng)設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、門和輔助控制等設(shè)備[49]。

國內(nèi)大部分學(xué)者[50-53]認(rèn)為地鐵在靜置狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)是車內(nèi)噪聲的主要來源，其對(duì)送風(fēng)口處影響較大而對(duì)于車內(nèi)其他空間的噪聲影響較小，且在運(yùn)行過程中，地鐵速度越小，空調(diào)系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)噪聲影響越大，隨著速度的增加，輪軌噪聲會(huì)逐漸成為主要的噪聲來源。

3.4 降噪措施

針對(duì)以上有關(guān)列車對(duì)于車內(nèi)噪聲的影響，可通過以下方法來實(shí)現(xiàn)降低車內(nèi)的噪聲：

（1）提高列車的密封性[50]，減少車外的噪聲通過門、窗戶和風(fēng)擋傳入車內(nèi)。

（2）對(duì)車內(nèi)地板鋪設(shè)吸聲材料，通過在地板上使用減振阻尼材料，可以達(dá)到隔音和吸聲效果從而減少車內(nèi)噪聲。

4 隧道對(duì)地鐵車內(nèi)噪聲的影響

地鐵一般是在隧道里行駛，噪聲會(huì)以不同的形式傳入車廂，包括直接透過空氣、經(jīng)過隧道墻壁和列車表面的反射。這些噪聲在隧道內(nèi)形成了一個(gè)混響的環(huán)境，使得車內(nèi)噪聲顯著增加[54]，同時(shí)隧道內(nèi)的風(fēng)速和隧道形狀也會(huì)影響噪聲傳播規(guī)律，導(dǎo)致噪聲聚焦并進(jìn)一步傳入車內(nèi)[2]。

目前隧道對(duì)于車內(nèi)噪聲影響研究主要集中在地鐵行駛環(huán)境、隧道截面和隧道鋪設(shè)的吸聲材料及其鋪設(shè)面積。

4.1 地鐵行駛環(huán)境

地鐵有隧道以及明線兩種運(yùn)營環(huán)境，其中隧道是地鐵運(yùn)行的主要環(huán)境，主要有襯砌、洞口、隧道路面以及其他附屬建筑物組成。

相關(guān)研究表明[15][55-57]，相同位置下，隧道內(nèi)噪聲的聲壓級(jí)高于明線下的聲壓級(jí)，如圖7所示[57]，且車內(nèi)的噪聲主要是集中在中頻段帶，如圖8所示[57]?？赡茉蚴撬淼纼?nèi)的噪聲會(huì)通過隧道壁和車體表面的多次反射使得隧道內(nèi)聲場在同一截面上聲壓較為均勻，而明線噪聲聲壓會(huì)向外擴(kuò)散，導(dǎo)致傳播進(jìn)入車內(nèi)的噪聲較小。

4.2 隧道截面

地鐵隧道的斷面形式包括矩形、拱形、圓形和橢圓形等，主要采用矩形和圓形兩種形式。通過仿真模擬方法研究發(fā)現(xiàn)[58]，隧道截面形狀對(duì)車內(nèi)噪聲的影響并不顯著，圓形隧道在低頻段車內(nèi)聲壓值高于矩形隧道，在中高頻段卻相反[55]，可能是因?yàn)樗淼澜孛嫘螤钤谠肼晜鞑ミ^程中沒有明顯的局部增益或減弱效應(yīng)，且在不同頻段下相互抵消。

4.3 隧道壁吸聲材料及其鋪設(shè)面積

地鐵車內(nèi)噪聲主要源自車外噪聲通過空氣傳播進(jìn)入車廂，部分聲波經(jīng)過隧道壁的反射和疊加，形成高于聲源的噪聲水平。研究發(fā)現(xiàn)[55][59][60]，在隧道壁鋪設(shè)吸聲材料可顯著降低隧道內(nèi)噪聲，但鋪設(shè)面積增加對(duì)車體表面區(qū)域的降噪效果明顯，而對(duì)車內(nèi)客室降噪效率則減小。目前國內(nèi)外鐵路隧道吸聲材料主要分為多孔吸聲和共振吸聲兩種類型，應(yīng)用情況如表1所示[61]。多孔吸聲是通過聲波進(jìn)入材料內(nèi)部激發(fā)空氣振動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能來衰減聲能，而共振吸聲則是通過振動(dòng)產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)化部分聲能為熱能來消耗聲能。

4.4 降噪措施

根據(jù)隧道對(duì)于車內(nèi)噪聲的影響，可通過以下方法來降低車內(nèi)的噪聲：

（1）在隧道內(nèi)壁鋪設(shè)吸聲材料，通過對(duì)隧道內(nèi)部鋪設(shè)吸聲材料，削弱噪聲能量以達(dá)到被動(dòng)降噪的效果。

（2）在軌道兩邊安裝吸聲板或者是設(shè)置聲屏障[62]，地鐵聲屏障是一個(gè)隔聲設(shè)施，其能阻止直接聲的傳播，隔離透射聲，使反射聲有足夠的衰減，而吸聲板則是通過吸聲達(dá)到降噪的效果。

5 總結(jié)與展望

地鐵列車在行駛過程中的車內(nèi)噪聲問題普遍存在，當(dāng)車內(nèi)噪聲達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)對(duì)乘客的出行體驗(yàn)產(chǎn)生負(fù)面影響，為制定合適的降噪措施，必須深入了解地鐵車內(nèi)噪聲成因和影響因素?？偨Y(jié)現(xiàn)有資料發(fā)現(xiàn)，地鐵車內(nèi)噪聲主要受到輪軌、列車以及隧道三方面因素的影響。

（1）輪軌對(duì)地鐵車內(nèi)噪聲的影響主要涉及輪軌粗糙度、小半徑曲線和軌道類型。輪軌粗糙度、小半徑曲線和軌道類型顯著影響車內(nèi)噪聲。車輪不圓度和軌道波磨會(huì)顯著提高噪聲峰值，特別是在粗糙地段。小半徑曲線段易產(chǎn)生嘯叫噪聲，使得曲線段噪聲高于直線段。此外，軌道減振設(shè)計(jì)旨在減少振動(dòng)和噪聲傳播，但如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能導(dǎo)致共振，反而增加噪聲。因此，合理設(shè)計(jì)軌道剛度和彈性至關(guān)重要。

（2）地鐵列車對(duì)車內(nèi)噪聲的影響主要來自行駛速度、車體材質(zhì)和車內(nèi)輔助設(shè)備。隨著速度增加，氣動(dòng)噪聲增強(qiáng)，導(dǎo)致車內(nèi)聲壓級(jí)升高。采用密封材料和底板阻尼處理可以減少噪聲傳遞。車內(nèi)輔助設(shè)備，尤其是空調(diào)系統(tǒng)，在列車靜止時(shí)噪聲顯著，但速度增加時(shí)其影響逐漸減小。

（3）隧道對(duì)車內(nèi)噪聲的影響主要涉及行駛環(huán)境（隧道或明線）、隧道截面形狀（矩形或圓形）和隧道表面吸聲材料。隧道環(huán)境與明線相比，車內(nèi)噪聲更高，主要由于隧道內(nèi)多次聲波反射增加了聲壓級(jí)。雖然隧道截面形狀對(duì)噪聲頻譜影響有限，但隧道壁的聲波反射會(huì)增加車內(nèi)噪聲。通過在隧道壁上安裝吸聲材料，可以有效減少反射，降低車內(nèi)噪聲。

（4）當(dāng)前噪聲研究以現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬為主。盡管現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確，但成本較高，而數(shù)值模擬成本低、效率高，逐漸成為主流方法。未來，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)值模擬將廣泛應(yīng)用，提升噪聲預(yù)測和控制能力。

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