高晓刚，张震远，周 建，王安斌，鞠龙华

（1.上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海 201620；2.青岛地铁集团有限公司运营分公司，山东青岛 266000）

在城市线网规划设计中为了照顾客流走廊，绕避严重不良地质地段、文物古迹、高层建筑、地下管线，减少工程投资等而采用曲线轨道，虽然曲线轨道能够最大限度地满足城市既有布局对线路平面的布置要求，但是当列车通过该地段时车内噪声明显增大，显著影响乘客的舒适性。此外与大铁线路不同，地铁穿越市中心，对环境保护的要求较高，因此在敏感曲线段采用了大量的减振轨道结构。随着减振型轨道结构在地铁线路上的广泛应用，研究发现，经过不同道床结构路段的地铁车辆的振动以及车内噪声响应也存在明显差异。

随着地铁的快速发展，车内噪声问题受到广泛关注，国内外学者对地铁列车噪声问题进行了广泛、深入的研究。于不同道床结构对车内噪声产生的影响，农兴中等[1]通过车内噪声测试指出了列车通过不同道床结构时车内噪声级差异以及车内噪声分布特点，特别指出高档浮置板道床车内A 计权声压级实测高达81.6 dB。夏放等[2]通过研究指出减振轨道结构可能是导致车内振动与噪声异常的一个重要因素。高晓刚等[3]综合研究结果发现双层非线性减振扣件相较于其他两种扣件轨道结构型式特别在400 Hz～630 Hz 频段范围对钢轨的横向振动有更好的抑制作用。梁笑娟等[4]对不同地铁线路噪声进行了调查，发现地铁噪声与线路环境、乘客数量和车体结构等关系密切。陈俊豪等[5]测试了不同速度下地铁车内噪声，得到随着列车运行速度从60 km/h、70 km/h、80 km/h 逐步增加，噪声在500 Hz～800 Hz 处中高频成分突出。陈卓[6]研究指出钢轨波长0.025 6 m～0.051 2 m 波磨是地铁车内噪声超标的主要原因，通过对钢轨进行打磨，车内前中后测点声压级明显降低。王刘翀等[7]为探究曲线地段钢弹簧浮置板轨道结构振动特性分别在钢弹簧浮置板轨道和普通道床曲线地段进行现场测试，得到浮置板轨道系统中隧道壁的横向振动加速度级比垂向大6 dB；刘富[8]采用有限元法建立了大坡道及小半径曲线地段的长枕埋入式轨道和浮置板轨道结构模型，研究结果表明：列车通过曲线时易引起浮置板向外轨方向发生横向位移和倾斜，严重时将影响行车安全。韩艺翚等[9]分别对圆形盾构隧道直线段和曲线段的钢弹簧浮置板道床以及对应的普通整体式道床进行现场测试，得到直线段和曲线段钢弹簧浮置板轨道的显著减振频率范围分布为25 Hz～200 Hz和40 Hz～200 Hz，但均在6.3 Hz～16 Hz 表现出振动放大现象。李响等[10]利用车辆和轨道的动力学模型对钢弹簧浮置板线路出现振动噪声加剧及钢轨异常波磨现象开展机理研究，认为轮轨间横向滑动造成的钢轨磨耗和轨道结构的垂向振动可能是造成曲线钢轨波磨的主要原因。

以上分析可知，影响车内噪声的因素很多，包括车辆的密封性、轨道结构刚度、轮轨动态激励及钢轨波磨等，但是上述研究并没有从同一维度下列车行车速度、轨道结构刚度与钢轨病害等一一对应关系的角度阐述车内噪声问题产生和异常原因，原因或许在于获取参数之间存在滞后或车辆错位现象。本文以列车通过曲线段浮置板轨道结构横向响应、钢轨粗糙度与车内噪声等实测“三维一体”为研究方法，重点挖掘同一时刻同一辆车下浮置板道床横向频响、钢轨粗糙度与车内噪声的频响对应特征，采用时域和频域上双定量，准确定位浮置板道床横向频响特性对车内噪声的影响，得到影响车内噪声的机理规律。

1 曲线段浮置板轨道特性

1.1 浮置板结构介绍

采用钢弹簧浮置板道床是一种高性能的减振降噪措施，其隔振原理是在道床板和轨道基础之间加入了固有频率较低的质量-弹簧单元，用以隔离轮轨动态激励作用力向轨道基础及隧道壁的传递，其隔振量可达15 dB～25 dB，为目前所有轨道交通隔振措施中效果最好。

浮置板隔振系统最简单的模型被视为单自由度质量-弹簧系统，其固有频率为f0，钢弹簧浮置板的隔振频率在6 Hz～12 Hz。如图1 所示。根据隔振理论可知，浮置板隔振系统在1.41f0以上频段才具有隔振效果。

图1 钢弹簧浮置板结构组成及原理

钢弹簧浮置板道床单质量单自由度振型系统方程：

对应的固有频率为：

1.2 浮置板轨道的横向振动模型

在地铁线路的曲线处，由于轮轨接触下曲线离心力作用，对于轻型或中量级浮置板结构其转动惯量比较小，容易引起轨道结构出现大的横向位移，严重时造成列车运行安全性问题。曲线段时浮置板轨道的振动模型主要包含钢轨、扣件、浮置板系统及道床基础。轨道动力学中钢轨经常优先被简化为无限长Euler-Bernoulli 梁；扣件简化为带阻尼的线性弹簧，其横向刚度为kp，损耗因子为cp，扭转刚度为kt，损耗因子为ct；钢弹簧浮置板同样被简化为带结构阻尼的线性弹簧，其横向刚度为kbl，横向损耗因子为cbl，垂向刚度为kbv，垂向损耗因子为cbv，弹性支撑与轨道基础之间为固定约束[11]，如图2所示。

图2 浮置板轨道横向振动模型

2 曲线段浮置板轨道结构动态特征

2.1 曲线段浮置板道床钢轨的振动测试

本次轨道频响测试是在国内某地铁公司正常行车时以下隧道内轮轨耦合激励为对象进行的，且研究线路区段线路钢轨存在的不平顺特性，分别测试了钢轨、道床及隧道壁等部位的垂向和横向的振动，并在测试当晚利用波磨仪对钢轨磨耗特征进行评估。隧道内测试截面参数如表1，现场钢轨垂横向、道床的垂横向传感器布置如图3所示。

表1 国内某地铁测试截面参数

图3 隧道内曲线段浮置板道床的振动测试

列车正常行驶下，此区间钢弹簧浮置板道床的轨道结构振动时域响应结果如图4（a）所示，列车通过此区间测试截面的时间约为10 s，由于钢轨的不平顺导致的冲击振动峰值最大为24.4 g；测试得到曲线段钢弹簧浮置板道床钢轨的横向振动时域及振动速度级1/3 倍频程频谱图如图4（b）所示。从频谱图中看出，曲线段高低轨的横向频响基本吻合，且钢轨峰值的频率都主要集中在500 Hz，影响频段体现出宽频特性，约为400 Hz～630 Hz。

图4 测试截面的钢轨时域及1/3倍频程图

2.2 曲线段浮置板道床的钢轨波磨

在列车运营情况下，若已知运行速度时，波浪磨耗的激励频率可用式（3）计算：

式中：fc是波浪磨耗的激励频率，v是列车运行速度，λ是波浪磨耗的波长。计算得到的频率值通常可用来辨认轨道钢轨有波浪磨耗的轮轨作用产生振动和噪声的主要振源。此外，BS_EN ⅠSO 3095：2005 标准在其《附录A：钢轨表面短波不平顺测量技术要求》中规范了钢轨表面短波不平顺的间接以及直接测量方法，使用钢轨表面短波不平顺谱值Lr作为波磨的评价指标[12]，并采用1/3倍频程谱图的形式表达钢轨波磨程度，对钢轨的不平顺度值和频率特性进行评价[13]。

式中：Lr为钢轨表面不平顺谱值，dB；

r0为钢轨表面短波不平顺参考值，取值1 μm；

rrms为钢轨表面波磨幅值有效值，μm。

图5 展示了某地铁曲线段低轨的钢轨波磨现状，钢轨表面有周期性磨耗的光带。

图5 曲线段浮置板道床钢轨波磨

图6 粗糙度中可以得到，钢轨波磨出现超限最大的波长为31.5 mm。

图6 钢轨线性粗糙度

3 车内噪声与钢轨粗糙度分析

3.1 车内噪声的测试分析

为研究造成车内噪声超标主要频响特征，对地铁上行线21 个区间的车内噪声进行全线测试。车厢内布置麦克风一个，振动传感器二个，如图7所示。

图7 车厢内噪声测试

图8为某地铁上行线21个区间的车内噪声A声级变化图。

图8 某线内上行区间车内噪声

从图8 可以得到，通过三次全线的测试的平均值，按照现行列车车厢内噪声标准全线三个区间超过了83 dB，分析主要原因三个区间基本为曲线浮置板地段，特别是E11 区间的线路半径更是在350 m。因此，针对此问题，对E11小半径曲线段的浮置板道床曲线段进行局部细化测试，测量从列车开始启动到制动时停止，共计约106 s，从图9中可以看出在列车行驶的48 s～60 s出现了噪声凸显峰值段，显著噪声段持续时间为12 s，且瞬时最大噪声值达到98.5 dB（A）。

图9 某区间上行车内噪声A声级随时间变化图

为了研究噪声显著段的频谱特性，对图9 的噪声显著段进行了傅里叶变换分析，结果如图10 所示，发现噪声显著区段对应的主要峰值频率为500 Hz，主要影响频段为400 Hz～630 Hz。

图10 国内某地铁区间车内噪声显著区段频谱图

3.2 车内噪声与钢轨磨耗特性对比分析

为研究此地铁车厢噪声显著区段对应的轨道不平顺情况，对此线路为350 m 小半径曲线浮置板轨道结构的不平顺历程图进行了现场调查，图11为此区间上行钢轨波磨位移随里程图。

图11 国内某区间上行钢轨波磨位移随里程图

从图11可得到，小半径曲线段钢轨磨耗及测试里程刚好对应上述第三节车厢内噪声声压级显著区间试验，显著里程转换成时间刚好为12 s。

图6 给出了右轨峰值所对应的主波长为31.5 mm，体现为短波磨特性，粗糙度约为20 dB。由公式（3）计算出的A 计权频谱图得到31.5 mm 中心短波长主峰值频率为500 Hz，影响频段为400 Hz～630 Hz，如图12所示。

图12 钢轨1/3倍频程A计权谱图

4 结 语

本文以国内某地铁小半径曲线段浮置板轨道结构为研究对象，通过隧道内的现场测试得到了钢轨、道床横向频响特征及钢轨的磨耗激励特征，并深入剖析了曲线段浮置板轨道结构横向特征对车内噪声的影响机理。

（1）曲线段钢轨波磨和浮置板轨道响应特性

曲线段浮置板轨道钢轨的横向频谱响应特性主要峰值频率为500 Hz，而实测钢轨波磨波长为31.5 mm，在列车行车速度为60 km/h的条件下，波磨产生频率也约为500 Hz，可以认为列车与轨道接触时，轮轨耦合波磨激励作用频率与轨道的响应频率基本吻合，因此加大了轮轨振动幅值，这便是曲线段车内噪声异常超标的原因之一。

（2）曲线段钢轨磨耗与车内噪声特性相关性分析的结果显示列车经过此地铁小半径曲线区间时在48 s～60 s时间段中车内噪声异常增大，且轨道粗糙度同样区间11.57 km～11.73 km 里程内钢轨波磨异常增大，两者这段恰能相互对应，由此得出结论为车厢内噪声异常增大是由于列车通过此研究曲线段的钢轨波磨地段所致，且此段异常噪声的主要峰值频率主要集中在400 Hz～630 Hz。

（3）降低车内噪声的措施

鉴于研究线路区间车内噪声异常超标现象与线路31.5 mm 短波波磨频谱存在一一对应关系，要降低车内噪声并达到国家标准要求以下，车厢噪声400 Hz ～630 Hz 影响频段是主要因素。建议以定期打磨钢轨作为改善的主要措施，钢轨打磨不仅可以有效解决车内噪声异常增大现象，打磨后轨道结构振动也得以大幅度下降，但是打磨未能彻底消除钢轨400 Hz～630 Hz 频带的中高频振动，安装300 Hz～800 Hz 的钢轨谐振式调频阻尼器进行吸振降噪处理可作为辅助的改善手段。