□江 茂□李 军

重庆交通大学机电与车辆工程学院 重庆 400047

城市轨道交通噪声分析及其控制措施

□江 茂□李 军

重庆交通大学机电与车辆工程学院 重庆 400047

列举了城市轨道车辆噪声的主要类型、产生机理和影响因素，从轨道结构和高架线路等方面分析了噪声的控制措施，同时探讨了国内外城市轨道车辆噪声的预测模式和研究方向。

轨道交通；噪声；控制

我国城市轨道交通虽起步较晚，但近年来随着国内经济高速发展，我国城市轨道交通建设已步入繁荣发展期，极大地缓解了城市交通压力，但也不可避免地给城市带来噪声污染。研究者开始注重轨道交通与城市环境的协调发展，将控制轨道交通噪声作为改善乘客舒适性和城市环境保护的重要课题。

笔者介绍了城市轨道交通噪声声源的分类和基本特性，对主要噪声声源的传播与衰减特性、频率特性及其影响因素作了详细阐述，并归纳总结了城市轨道车辆噪声的控制措施及相关减噪材料的使用情况，最后对城市轨道交通噪声预测技术的研究成果进行综述，指出了该领域还需进一步研究的问题。

1 城市轨道交通噪声的主要类型

轨道交通噪声主要包括列车运行时轨道接触噪声、车辆非动力系统噪声（车辆空气压缩机、空调机、电动机等）、牵引动力噪声、接触网与受电弓之间产生的摩擦噪声、地下铁道的地面承载噪声及桥梁结构二次振动引起的噪声辐射等，城市轨道交通产生的噪声是上述噪声的综合效果，并且受列车运行状态和轨道设备状态的影响。现有研究表明，当列车行驶速度低于250 km/h时，主要表现为轮轨噪声；当列车行驶速度高于250 km/h时，主要表现为空气动力噪声。城市轨道交通一般的运行速度是60～80 km/h，所以轮轨噪声是城市轨道交通噪声的主要来源[1]。

2 城市轨道交通噪声的基本特性

2.1 噪声产生机理

轮轨噪声是车辆行驶时车轮与钢轨的接触而产生的噪声，轮轨噪声又分为三类：滚动噪声、冲击噪声和摩擦噪声[1-2]。

（1）滚动噪声。由于车轮踏面和钢轨表面粗糙及凹凸不平，车轮在钢轨上滚动时所发出的噪声。

（2）冲击噪声。车轮通过钢轨接头、道岔、轨缝时所产生的冲击噪声或车轮踏面擦伤剥离后在钢轨上运行时冲击而产生的噪声[1]。

（3）摩擦噪声。当列车通过小曲率半径时，由于车轮受转向架约束，不能正切于钢轨运行，引起车轮沿着钢轨滚动时产生横向滑动，由此产生轮轨接触表面的粘着和空转，引起车轮共振而产生强的窄频带尖叫噪声[3]。

牵引电动机噪声由空气动力噪声、电磁噪声及机械噪声组成，其噪声强弱与电动机的功率和转速有关，通常有明显的规律性。齿轮传动装置的噪声则发生在轮齿交替啮合时，啮合处既有滚动也有滑动，造成齿与齿之间产生冲击和摩擦，使齿轮箱产生振动而发出噪声。空气压缩机噪声主要是空气压缩机的部件之间冲击和摩擦造成的，由进气口辐射的空气动力噪声、运动部件产生的机械噪声和电动机噪声组成[4]。

2.2 噪声影响因素

城市轨道交通的噪声级与车辆的性能、轨道系统的特性及所处位置和区域的不同有关，而轨道位置是影响城市轨道交通噪声的决定性因素[5]。在城市立体轨道交通中，采用地下轨道形式所引起的振动和噪声最小，声源主要来自于行驶在地下轨道的车辆与轨道结构产生的振动，由此激发地铁隧道的振动、地下及墙壁的振动和室内二次辐射的噪声，属于频段为16～250 Hz的低频噪声。地面噪声是地铁辐射和地面环境噪声的综合，噪声大小处于地下轨道和高架结构噪声之间。高架结构噪声幅值最大，当车辆经过高架桥时，车轮相互作用产生的振动传递给支撑结构，支撑结构将噪声向周围建筑物传播，并与周围交通噪声混合形成较高的噪声，当车辆经过高架桥时，噪声会提高2～10 dB[6]。

3 降噪措施

3.1 轨道结构

根据城市轨道交通噪声频率特性的研究成果，在1 700 Hz以下频段，以钢轨的振动噪声为主，在1 700 Hz以上频段，车轮振动噪声占主导地位[7]，因此大量关于降噪措施的研究都集中在治理轮轨噪声上。影响轮轨噪声的因素主要有轨道声学粗糙度和垂向、横向轨道衰减率，其中轨道衰减率是对轨道噪声辐射影响最大的参数，轨道声学粗糙度对轮轨噪声的最大贡献则可达8.5 dB[8]，所以轮轨噪声采用优化轨道结构和合理选择轨道结构等主动性措施来控制。

李建斌[2]依据减振降噪轨道结构的设计原则，对传统的三级轨道减振降噪措施（一般减振、较高减振、特殊减振）做了增加，在原有的较高减振和特殊减振之间加入高等减振措施。高等减振措施能降噪8～15 dB，它是通过采用扣件或道砟垫来实现的。特殊减振措施的降噪效果一般在15 dB以上，在噪声敏感环境区域采用特殊减振轨道结构，如橡胶浮置板道床或钢弹簧浮置板整体道床。

练松良等[9]研究了减振降噪型轨道结构相较普通轨道结构所具有的优势，提出了不同的轨道结构，其减振降噪的能力也不同，针对降噪要求不同的地区，应选择不同类型的轨道结构。减振降噪轨道结构主要是无砟轨道、弹性扣件、弹性支承块和浮置板，对于有特殊减振要求的0类地区（如医院、文教区），采用可更换式弹性轨枕直接连接轨道或浮置板轨道；对于一般减振要求的1类地区，采用弹性支承块式整体道床轨道；对于其它地区，考虑到轨道和车辆的运行要求，建议采用弹性扣件。

3.2 高架线路

高架结构与地下结构相比具有建设周期短、费用低的优势，是今后城市轨道交通建设的重要发展方向，因而国内外研究者也逐渐从较成熟的轮轨噪声控制措施研究转移到桥梁结构噪声上。沈保红[10]、贺建良等[11]研究了上海轨道交通3号线的噪声特性，发现列车通过时的主要噪声频率范围是1 000 Hz以下。韩江龙等[12-15]总结得出桥梁结构的频率主要分布在0～300 Hz范围内，且当列车以不同的速度经过时，不同测点位置的峰值频率多集中在50 Hz。刘加华[16]对上海轨道交通3号线实测数据分析，得出桥梁结构噪声峰值频率出现在80～125 Hz。

针对高架结构噪声特性，最常采用的减振措施是对桥梁结构和梁体的减振和隔振，如桥梁支座采用橡胶支座，以避免系统产生共振现象。葛世平[17]等从桥梁结构上提出三点措施：①采用框架式防振隧道结构，其换算的振动加速度可降低噪声8～15 dB；②在隧道衬砌内侧设置隔振层，避免轨道与隧道的直接接触；③采用双箱梁或多箱梁等。此外，对于高架线路上的车辆也应增设裙板在车底设置吸声结构。

3.3 设置声屏障

声屏障是对噪声传播途径进行控制，多设立在城市交通敏感地带。声屏障的设置需要充分考虑声波的传播原理及注意密封的安装问题，其材料大多采用透明夹层复合安全玻璃、卡普隆板、不透明的彩色塑钢板、德国产吸声王及WSR型吸声板等[18]。根据不同的降噪要求，可分别采用吸声式、隔声式或组合式声屏障。根据景观设计的需要，可设计成直立型、折角型、弧面型或全封闭型声屏障。同时，可在声屏障靠近噪声源一侧采用吸声涂层，以减少声反射[19]。在轨道线路两侧种植树木，形成天然屏障，也可以起到降噪效果。

4 城市轨道交通噪声的预测模型

目前，城市轨道交通噪声预测模型的研究已成为国际学术界和各国政府关心的一大课题，铁路噪声预测模型方法的研究成果可应用在城市轨道交通噪声的预测研究中。

轨道交通噪声的预测主要根据列车类型、列车流量、轨道结构、轨道两侧的环境及背景噪声等多种因素确定[20]，所建立的预测模型均根据共同的思路声源-声波-受声点，利用相应的数学关系式，计算出受声点处轮轨噪声的A声级和等效声级。

4.1 美国

美国采用的铁路噪声预测模型[20-21]较为成熟和有效，在欧盟国家有较大的影响。当车辆通过速度低于200 km/h时，受声点的暴露声级为轮轨噪声和牵引噪声的能量和。当行车速度高于200 km/h时，受声点的暴露声级为轮轨噪声、牵引噪声和空气噪声的能量和。美国联邦运输管理局提出了单列列车运行一次时的暴露声级计算式为：

其中，轮轨噪声为：

牵引噪声为：

空气动力噪声为：

式中：LmSEi为列车在规定状态下（速度、编组、轨道磨耗等）距轨道中心线15 m处的暴露声级，dB；m为距声源距离，m；Di为声源到受声点之间的距离，m；G为大地衰减；AS为考虑地面吸收衰减和屏障作用后的修正值。

4.2 日本

日本提出的北陆法[21]是以石井子安的预测方法为基础发展起来的一套预测模型，这一方法将列车运行时产生的噪声源大致分为轮轨、构筑物、集电系和车辆上部空气动力噪声，其中列车速度低于15 km/h时车辆上部空气动力噪声较小，可忽略。北陆法将列车的子声源视为无指向性的有限长线声源，这一方法提出的声级计算式为：

式中：LZ为车辆总噪声级，dB；LR为车辆下部噪声级，dB；LS为构筑物噪声级，dB；LP为集电系噪声级，dB；LA为车辆上部空气动力噪声，dB。

高飞等[22]通过在北京轨道交通5号线高架桥试验段进行的现场噪声测试结果表明，用北陆法模型计算出的声压值与实测值的误差基本控制在5%以内，模型较为真实地反映了轨道交通高架结构附近的声场分布。

4.3 中国

我国严格按照环境保护部2009年4月1日实施的HJ453—2008《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》规定选择预测方法、预测范围、预测时段、预测量与评价量。这一方法将列车运行时产生的噪声源视为点声源，列车通过受声点的等效声级计算式[23]为：

式中:Leq，i为受声点列车运行噪声等效声级，dB；T为预测时间，h；n为T时段内通过的列车数；tj为第j列车通过时段的等效时间，h；LPO，j为参考点第 j列车通过时段内最大垂向指向性方向上的噪声辐射源强，dB；Cij为噪声修正项，包括列车速度修正量、线路和轨道结构修正量、垂向指向性修正量；A为声波传播途径引起的衰减量，dB，包括几何发散衰减、空气吸收衰减、地面效应引起的衰减、屏障插入引起的衰减等。

我国并没有关于跨座式单轨噪声预测的相关技术指标，刘兰华[24-26]等验证了HJ453—2008对跨座式单轨有适用性，将重庆轨道交通3号线现场试验的列车辐射噪声源强特性、垂向分布、传播衰减、速度特性等结果代入修正方法中，计算得出的预测值误差在1.7 dB以内，小于HJ453—2008中有关修正原则获得的预测值与实测值的误差（2.0～4.6 dB）。

5 结束语

目前，国内外已经对噪声源基本特性、传播规律及控制措施进行了大量研究，并且取得了一定的研究成果。对于城市轨道交通噪声的预测模式及分析方法目前还没有统一的技术准则，国外的预测模式较为成熟，我国的预测技术相对于美国、日本等起步较晚，虽然可借鉴铁路噪声的预测方法，但很多方法存在设备昂贵、系统复杂、精确度不高等问题[10]。

城市轨道交通噪声问题可以从以下几个方面继续研究。

（1）大多数国家都没有明确提出地铁引起二次辐射噪声频率范围，如何确定低频噪声及控制地铁引起的室内二次辐射噪声是值得研究的课题。

（2）城市轨道交通根据区域地形的特点选择地下结构还是高架结构，而高架结构相对于地下结构具有一定的优势。在高架结构的降噪措施研究中，是否设置加筋肋和修改截面形式，以及箱型梁、槽型梁和T型梁[12]的对比目前还是研究空白。

（3）轨道交通的高速发展为减振降噪材料提供了广阔的市场。研发新材料是未来必将迎接的挑战，高阻尼发泡吸声材料、高阻尼隔声材料及轨道交通橡胶减振弹性元件[26]是应重点开展研究的项目。

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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，硕士研究生，主要研究方向为城市轨道交通噪声控制

（编辑：启 德）