地铁车内振动与噪声频谱分布特征分析

周 力1

（1.  上海铁院轨道交通科技有限公司，上海 200240）

        摘  要：地铁运行过程中引发的沿线建筑物振动或高架辐射噪声是轨道交通行业关注的热点，但车内的振动与噪声问题却未得到足够重视。本文以我国大部分城市采用的B型车为研究对象，分析了车辆在减振轨道上运行时的车内振动与噪声频谱特征，发现了在运行过程中车辆作为柔性体，不同部件的振动频谱成分复杂，但大多以低频为主；车内噪声的频谱特征与车内振动具有明显的关联性，但又有所差别；随着运行速度的增大，大多频段内的车内振动与噪声均呈现出增大的趋势，但超过一定速度后，某些频段的振动反而有所降低。

        关键词：地铁车内振动；车内噪声；频谱分析；运行速度

        中图分类号：P733.22; U231          文献标识码：A

        城市轨道在我国公共交通和社会经济发展中承担着非常重要的角色，在给城市居民出行带来便利的同时，也产生了一些负面影响。当前，城市轨道交通在运行中产生的振动噪声问题便是其中之一，对沿线的人们的生活和工作都产生了一些影响。

        我国城市轨道交通制式多以轮轨为主，运行过程中，轮轨间相互作用产生的振动难以避免。为了降低向沿线建构筑物传播的振动或高架桥向外辐射的桥梁二次结构噪声，各种减振轨道被研发出来并投入使用，而相应的减振与降噪效果也十分明显[1]~ [3] 。但轮轨振动除了向轨道下部结构传递以外，也会通过车轮传递到车辆内部，引发车内振动，进而产生二次结构噪声；各种辐射噪声，如轮轨辐射噪声、隧道壁和道床板辐射噪声等，同样也会通过空气传播到车内[4]~ [6]。上述原因导致车内乘客在乘坐过程中的体验不好，虽然大部分乘客的乘坐时间较短，但随着城市规模的逐渐扩大，特别是对于北京、上海、广州等超一线城市而言，越来越多的乘客每天乘坐时间将达到1～2个小时，甚至更久。因而，车内的振动与噪声也将逐渐成为人们所关注的一个问题。

        本文以地铁B型车为研究对象，分析其在直线区段减振轨道上运行过程中的车内振动与噪声频谱分布特征，讨论了车辆运行速度对振动与噪声的影响，为将来车内减振与降噪措施的研究提供一定的参考。

1 试验概况

        为了了解在运行过程中的地铁车内的振动与噪声情况，本文通过在地铁B型车车辆内部布置了振动与噪声测点，如图1所示。其中，三个振动测点V1、V2和V3分别位于车厢中部地板、转向架中心上方地板和贯通道中央地板；三个噪声测点S1、S2和S3分别位于振动测点上方1.5m处，与站立时人耳高度一致。如图2和3所示，室内噪声测试采用丹麦B&K 4189传声器，其频响范围为6.3Hz~20kHz，动态范围为14.5-146dB；室内振动测试采用B&K8340振动加速度计，量程为0.5g 。测试工况分为车辆静置、车辆运行速度20km/h、40km/h和50km/h四种，测试过程中广播和视频等音频设备均全程关闭。

        本文涉及到的振动与噪声采样频率均为51.2KHz ， 数据处理采用线性平均，加汉宁窗，重叠系数设置为3/4。 数据采集分析时间段为整个列车完全在钢弹簧浮置板轨道上行驶的时间。

图1  车内振动与噪声测点布置示意图

图2  振动测点

图3  噪声测点

2 车内振动频谱分析

        如图4所示，车辆处于静置状态下（车辆运行速度为0，车载设备处于打开状态）的车厢中部地板V1 、转向架中心上方地板V2和贯通道中央地板V3的振动加速度均主要以低频为主（基准值为10-6m/s2 ）。其中，V1测点 的振动主要集中在25Hz～40Hz和125Hz～200Hz两个频段内；V2和V3测点的振动频谱特征较为一致，主要振动频段为125Hz～200Hz。

        当车辆处于运行状态时，由于轮轨振动明显增大，因而车内的振动也明显增加。如图5所示，车辆运行速度为50km/h时，车厢中部地板、转向架中心上方地板和贯通道中央地板的振动加速度均有所增加，且频谱特征均有所变化。其中，车厢中部地板的振动主要频段转移到63Hz～200Hz ，转向架中心上方地板和贯通道中央地板在315Hz～500Hz出现了较大的峰值。此外，上述三个测点在2000Hz附近也存在局部峰值，但相对较小。总体而言，车辆处于运行状态时，车厢地板振动的振级有所增加，且振动频率向高频方向转移，这主要是由于轮轨振动明显增大。通过静置与运行两种状态下的对比结果来看，车辆运行过程中，轮轨相互作用产生的振动对车厢 地板振动的贡献较大。一般来说，轮轨振动主频集中在中高频（300 Hz～800Hz和2000Hz附近），但由于车辆一、二系悬挂的隔振作用，车厢地板振动主要集中在中低频段，但局部峰值频段与轮轨振动显著频段仍有较强的关联性。

图4  车内各振动测点倍频程图（静置状态）

图5  车内各振动测点倍频程图（车速50km/h）

3 车内噪声频谱分析

        车辆处于静置状态时，车厢中部地板上方1.5m处噪声测点S1 、转向架中心对应的地板上方1.5m处噪声测点S2和贯通道中央地板上方1.5m处噪声测点S3的频谱分布如图6所示。其中，车厢中部地板上方1.5m处噪声和贯通道中央地板上方1.5m处噪声的频谱分布一致性较好，噪声能量主要集中在25Hz～40Hz和100Hz～160Hz两个频段内；转向架中心对应的地板上方1.5m处噪声的主频 段为25Hz～40Hz和125Hz～200Hz ，且该处噪声相对于其它两个测点区域的噪声较大。车辆在该状态下的噪声源主要是车载设备噪声和车内振动板件辐射的结构噪声。

        当车辆运行速度为50km/h时，车厢内部噪声的大小和频谱分布均发生明显变化。车厢中部地板上方1.5m处噪声测点S1、转向架中心对应的地板上方1.5m处噪声测点S2和贯通道中央地板上方1.5m处噪声测点的噪声声压级大小和频谱分布均发生较为显著的变化，噪声能量主要集中在63Hz～100Hz和315Hz～500Hz ，同时在2000Hz～3150Hz附近也存在局部峰值。

        通过与该速度下的车内地板振动对比分析可知，车内噪声与地板振动在局部峰值分布上存在一定的关联性，但同时又略有不同。具体而言，二者均在63Hz～100Hz、315Hz～500Hz和2000Hz～3150Hz存在峰值，但地板振动在100Hz～200Hz频段内存在全局峰值，而车内噪声在该频段内的能量分布并不突出。车内噪声影响因素较多，难以仅通过频率分析得到确切原因。

        由车辆在静置与运行两种状态下的车内噪声分布对比可知，车辆运行时，各主频段噪声声压级均显著增加，轮轨振动所导致的车内噪声增加量对车内噪声贡献量较大。实际上，轮轨振动通过两种方式导致车内噪声增加：一是直接方式，即轮轨振动辐射噪声及道床、隧道振动的辐射噪声通过空气传入到车内，直接导致车内噪声增加；二是间接方式，即轮轨振动引发的车辆振动增大，车辆内部振动板件辐射的结构噪声引发车内噪声声压级增大。因而，车内噪声的降低主要还是通过降低轮轨振动引发的直接或间接的噪声增加来实现。

图6  车内各噪声测点倍频程图（静置状态）

图7  车内各噪声测点倍频程图（车速50km/h）

4 速度影响分析

图8 V2测点在不同工况下的频谱变化

图9 V3测点在不同工况下的频谱变化

        图8和9分别给出了运行速度为20km/h 、40km/h和50km/h三种工况下转向架中央对应地板和贯通道地板的振动频谱变化，可以看出随着速度的提高，各频段的振动整体上基本呈现增大的趋势，特别是31.5Hz~3150Hz 频段的振动，其余频段的振动变化相对较小。此外，不同运行速度下，车厢地板振动的局部峰值分布频段也略有差异。

图10 S2测点在不同工况下的频谱变化

图11 S3测点在不同工况下的频谱变化

        图10和1分别给出了运行速度为20km/h 、40km/h和 50km/h三种工况下转向架中央对应地板上方1.5m处和贯通道地板上方1.5m处的噪声频谱变化，可以看出随着速度的提高，各频段的噪声同样整体上呈现增大的趋势，特别是31.5Hz~3150Hz频段的振动，其余频段的噪声变化相对较小。此外，不同运行速度下，车厢内噪声的局部峰值分布频段也略有差异。上述车内噪声变化规律与地板振动变化规律有明显的一致性，说明车内噪声与车厢振动存在较强的关联性。

5 结论

        本文对不同运行速度和静置状态下的地铁车内振动与噪声测试结果进行分析，探讨了车内振动与噪声的频谱分布规律和速度对车内振动与噪声的影响，得到如下结论：

1）运行过程中，车内地板的振动能量主要分布在低频范围内，主频段为63Hz～200Hz ，但在315Hz～500Hz和2000Hz附近频段也存在局部峰值。

2）运行过程中，车内噪声具有明显的低频特性，噪声能量主要集中在63Hz～100Hz和315Hz～500Hz ，同时在2000Hz～3150Hz附近也存在局部峰值，与地板振动局部峰值分布范围具有较好的一致性。

3）与静置状态下相比，车辆运行时，各噪声测点的主频段声压级均显著增加；随着车速的增加，车内噪声整体上呈现增大的趋势，说明车辆运行过程中轮轨振动通过直接或间接的方式所导致的车内噪声增加量对车内噪声有较大影响。

4）车内振动与噪声明显的低频特性，均会降低乘客的乘车体验，因而在未来车内减振与降噪的工程设计中均应该考虑以低频段为目标频段。

参考文献

[1]  周华龙,蒋建政,周昌盛,王小韬,袁玄成.减振轨道对地铁车辆动力学性能的影响研究[J].铁道标准设计,2019,63( 12):53-58.

[2]  韦凯,梁迎春,张攀,王平.地铁浮轨式扣件减振效果的测试与分析[J].铁道工程学报,2016,33(05):99-104.

[3]  巫江.  地铁不同轨道结构动力特性及减振效果分析[D].北京交通大学,2012.

[4]  陈俊豪,柯文华,魏晓,陈嵘.地铁车内噪声特性试验研究[J].铁道标准设计,2018,62( 10):52-57.

[5]  冯陈程.  地铁列车车内异常噪声原因分析及控制措施研究[D].西南交通大学,2018.

[6]  夏放,王安斌.减振轨道结构对地铁车内振动与噪声的影响[J].噪声与振动控制,2019,39(03):103-106.