地铁沿线建筑物室内振动与噪声特性测试与分析
张天琦，周俊召，熊永亮
（同济大学 铁道与城市轨道交通研究院 ，上海 201804）
摘 要：随着城市轨道交通的快速发展，地铁运行时产生的振动引起沿线建筑物室内振动与二次结构噪声问题引起人们的广泛关注。本文基于某城市轨道交通沿线6层居民楼1楼现场测试，对不同扣件下地铁沿线敏感建筑物的室内振动与二次结构噪声问题进行测试与分析。研究表明：地铁沿线建筑物室内各振动、噪声测点峰值频率基本一致，在扣件A工况下，峰值频率为63Hz左右，替换为扣件B后，峰值频率为40~50Hz左右；采用刚度较小的扣件，有利于室内振动与二次结构噪声的降低；虽然测得的不同测点峰值频率一致，但振级和声压级大小有所不同，基本呈现出随着与地铁线路距离的增加，振级与声压级减小的规律。
关键词：地铁沿线；敏感建筑物；室内振动；二次结构噪声；不同扣件
中图分类号：TU311.3; TU112.3; U231 文献标识码：A
目前我国城市轨道交通在快速发展，随之带来的沿线建筑物室内振动与二次结构噪声问题也受到大家的广泛关注。地铁车辆在运行时由于轮轨间的相互作用所产生的振动会通过轨道结构，例如隧道结构和高架墩台、 路基等向周围环境传播，振动在经由建筑物基础后诱发建筑物墙体、楼板等振动辐射出二次结构噪声。这种振动和结构噪声会对居民的生活、工作和休息产生影响[1-3] 。国内外很多学者对此进行了研究，并得到了大量有价值的研究成果。曾泽民[4]选取了无上盖物业的广州地铁车辆段受振动影响较大的咽喉区、试车线区域，进行现场试验，获得了车辆段敏感区域的地面及临近建筑物振动传播规律；欧阳昭[5] 基于实测数据，分析了产生建筑物二次辐射噪声的主要振动方向及其频谱分布特点；申道明[6]等就地铁列车引起的建筑物内的二次辐射噪声 进行了现场试验研究和评价量的探讨分析，总结了运行列车引起的室内二次辐射噪声特性；康波[7]运用有限元软件建立了隧道-土层-建筑物三维有限元模型以及声学软件建立了建筑物声学边界元模型，分析了地铁列车通过时隧道及建筑结构振动特性。Metrikine[8]通过建立二维模型分析研究了地铁振动波对周国建筑物的影响及其传播规律。
本文基于距某城市轨道交通地下线路25m的敏感建筑物的室内1楼振动和噪声现场测试，分析了两种不同刚度的扣件工况下室内振动和二次结构噪声的频域特性，为降低室内振动和噪声提供依据。
1 测试工况
为了研究不同减振扣件下地铁沿线建筑物的室内振 动与噪声特性，本文进行了室内振动与二次结构噪声试验。本文测试的区间为直线段，列车为B型车6节编组。测试区段先采用扣件A，后又替换为刚度较低的扣件B，其中扣件A 刚度约为50kN/mm ，扣件B 刚度约为35kN/mm，因在同一测试区间，避免了车速、线型、埋深等的影响。敏感底部距离隧道上边线最小距离为25m，为1座6层居民楼。
本文建筑物室内振动测试采用B&K 8340压电振动加速度计，量程为0.5g，室内二次结构噪声测试采用丹麦B&K 4189 - 1/2英寸自由场传声器，其频率范围为6.3Hz-20kHz ，动态范围为14.5-146dB。试验过程中紧闭门窗，保持室内安静，关闭冰箱、热水器等噪音干扰源， 避免人为走动、说话及其他噪声对测量信号的干扰。为了避免室内一阶驻波对低频二次辐射噪声信号的影响， 测试布点选择在距墙壁0.5m以外，近1/3-1/2 房间几何尺寸以内，避开房间几何中心位置。此外，综合考虑国内外规范，本次测试室内共布置3个噪声测点， 除中心测点2以外，另一个测点1布置在墙角位置，测点3布置于居民休息和工作位置，卧室床头附近，上述测点高度均为1.2m。此外，在室内噪声测点附近各布置一个振动测点 V1 、V2 、V3，测量室内垂向加速度。测点布置示意图详见图1 。图中V1 、V2 、V3 为振动测点，S1、 S2 、S3 为噪声测点，V1和S1离线路最近。现场测试图如图2所示。
图 1 测点布置示意图
（a）室内结构噪声测点
（b）室内振动测点
图 2 现场测试图
2 室内振动特性分析
2.1 分频最大振级VLmax分析
对测得的高峰时段列车经过时，室内各振动测点加速度信号进行频谱分析得到振级，并进行Z计权，进而得到各测点分频最大振级 。其中基准加速度为1×10-6 m/s2 ，Z计权采用《JGJ/T 170-2009》规定的 Z 振级的计权因子，如表1所示。选取20组离散性较小数据进行平均，振级结果如表2所示，为了更加直观地分析振动特性，同时采用柱状图分析，如图3所示。
表 1 JGJ/T 170-2009 规定的Z振级的计权因子（dB）
中心频率/Hz 计权因子/dB | 4 0 | 5 0 | 6.3 0 | 8 0 | 10 0 | 16 -2 |
中心频率/Hz | 20 | 25 | 31.5 | 40 | 50 | 63 |
计权因子/dB | -4 | -6 | -8 | -10 | -12 | -14 |
中心频率/Hz | 80 | 100 | 125 | 160 | 200 | |
计权因子/dB | -17 | -21 | -25 | -30 | -36 |
表 2 不同扣件室内各测点分频最大振级 VLmax 单位：dB(Z)，4-200Hz
扣件类型 | V1 | V2 | V3 | |
扣件 A | 65.32 | 58.93 | 53. 1 | |
扣件 B | 58.16 | 52.69 | 47.65 | |
差值 | 7.16 | 6.24 | 5.45 | |
图 3 不同扣件室内各测点分频最大振级 VLmax 对比
（单位：dB(Z)）（4-200Hz）
从表2和图3可以看出，列车经过时，各振动测点分频最大振级均在 60dB(Z)左右，且在替换前后呈现出 V1>V2>V3 的规律，这是由于距离线路的实际距离为 V3>V2>V1 ，说明测点 1 ，2 ，3 的振动能量随着与线路距离的增大而逐渐减小。此外，从图2可以看出替换后各振动测点的垂向分频最大振级均有不同程度的减小， 均在 5~8 dB(Z)范围内。说明该区间替换为刚度较低的扣件B后，减振效果增加，所以振动传递至建筑物后室内振动有所降低。
2.2 频域特性分析
图4和图5为两种扣件工况下列车经过时居民楼1楼室内垂向振动测点在Z计权方式下的1/3倍频程对比图。从图中可以看出，替换扣件后各测点垂向振动在全频段基本都有所降低。在扣件A情况下，各振动测点的峰值频率基本都在 50~80Hz 频段内；更换为扣件B后， 各测点峰值频率基本都在40Hz左右，更换扣件前后各测点 12.5Hz 附近均存在局部峰值。更换扣件后，峰值频率降低，这与更换扣件后扣件刚度降低有关。
图 4 振动测点 Z 计权垂向振动加速度级倍频程图
（扣件 A）
图 5 振动测点 Z 计权垂向振动加速度级倍频程图
（扣件 B）
3 室内二次结构噪声特性分析
3.1 等效连续A声级
与室内振动数据分析方法相同，对高峰时段列车经过测试截面时采集到的各测点噪声信号进行频谱分析，得到各噪声测点等效A声压级LAeq ，分别如表3和图5所示。从中可以看出在16-200Hz范围内，在扣件A工况下，各噪声测点等效A声级均在35dB(A)左右，当替换为扣件B后，各噪声测点均在 28dB(A)左右，且与振级相同，呈现出测点1>测点2>测点3的规律。此外，从图 6可以看出替换后各噪声测点的等效A声压级均有不同程度的减小，均在5~6 dB(A)范围内。说明该区间替换为刚度较低的扣件B后，减振效果增加，由室内振动辐射的二次结构噪也随之降低。
表 3 不同扣件室内各测点等效连续 A 声级 LAeq
单位：dB(A)
扣件类型 | S1 | S2 | S3 | |
扣件 A | 36.21 | 35. 12 | 34.59 | |
扣件 B | 30.74 | 29.34 | 28.93 | |
差值 | 5.47 | 5.78 | 5.66 | |
图 6 不同扣件室内噪声测点等效 A 声压级 LAeq
（单位：dB(A) ，16-200Hz）
3.2 频域特征分析
图7和图8分别为扣件替换前后列车经过时一楼各噪声测点的A计权1/3倍频程图。可以观察到替换前后各噪声测点呈现了相似的频谱特性，替换后峰值频率略有所改变，声压级明显降低。具体来说，替换扣件后，各噪声测点的全局峰值频率由63Hz左右变为50Hz左右，峰值声压级降低了约3dB(A)。且与等效连续A声级规律相同，峰值频率处的声压级呈现出测点1>测点2> 测点3的规律。综合分析室内振动频域特征可知，在相同工况下，室内振动与其辐射的二次结构噪声峰值频率基本一致。
图 7 噪声测点 A 计权声压级 1/3 倍频程图（扣件 A）
图 8 噪声测点 A 计权声压级 1/3 倍频程图（扣件 B）
4 结论
本文在对不同扣件情况下地铁沿6层居民楼1楼室内振动与噪声进行现场试验的基础上，从频域角度对此进行对比分析，得到以下结论：
（1）在同种扣件工况下，室内振动与噪声的峰值频率基本一致，替换前均为63Hz左右，更换为扣件B后，峰值频率变为50Hz左右。
（2）在其它工况不变的情况下，采用刚度较小的扣件后，室内振动与二次结构噪声均有所降低。
（3）室内不同位置的测点振级和声压级不同，基本呈现出距离地铁线路越近的测点，测得的振动加速度级与噪声声压级越大的规律。
参考文献
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