行业要闻

 

【摘　要】城市轨道交通噪声是环境污染的重要组成部分,会严重影响沿线居民的工作和生活。掌握列车辐射噪声的特性将有助于轨道交通管理部门采取合理的治理措施,既经济又高效地降低噪声产生的影响。采用阵列测量方式的试验在上海某高架城市轨道交通线上进行,分析了列车噪声级在距离轨面不同高度的空间分布及其变化趋势,研究了各1/3倍频程谱对噪声的贡献量,归纳了列车辐射等效声功率级与列车速度的关系。该研究可以为建立城市列车噪声辐射模型提供参考和帮助。

 

【关键词】城市轨道列车;轨道噪声模型;噪声辐射

 

      在城市中,列车噪声已经成为噪声扰民的主要因素之一。有效认识列车辐射噪声的特性是采取有效措施治理列车噪声的先决条件。对于列车噪声特性的研究工作众多,主要的内容有分析列车噪声的组成成分,如空气噪声、轮轨接触噪声、电网的接触噪声等^[1-4];研究列车噪声的噪声源分布情况^[3];列车噪声的建模分析^[5-14],主要包括列车噪声源的简化和位置确定,采用简单声源拟和辐射噪声传播特性^[5-11],分析列车噪声的辐射指向性,包括垂直和横向两个方向^[12-13],以及其它的一些工作。

      由于列车噪声辐射的复杂性,很难用一个简单的模型近似其辐射特性,这导致数值计算列车噪声的辐射情况产生困难。因此,通过试验获取列车的噪声特性,进而分析其辐射特性是一项必要且有效的工作。城市中的轻型轨道列车,由于车站之间的距离较短,其运行速度一般不超过100km/h,属于中低速范围。即便如此,由于列车通过产生的噪声依然严重影响沿线居民的生活。本文将通过在高架轨道线上的实测结果分析列车噪声的辐射特性。试验的测试工作在非常靠近列车的位置进行,距离列车外表面的距离不到1m,最大程度地保留了噪声信号的真实性。对试验信号的分析工作主要包括三项:列车噪声级在距离轨面不同高度的变化情况;各1/3倍频程谱对噪声辐射能量的贡献量;列车辐射等效噪声级随列车速度的变化规律。通过以上工作,将有助于认识列车噪声的辐射特性,从而为将来建立合适的列车噪声辐射数值模型提供参考,也可为有效控制列车的噪声污染采取针对性措施提供帮助。

1、试验介绍

      试验在上海某高架轨道交通线的道岔区进行,距离车站发车点大约600 m距离。列车在经过600 m的加速过程后速度最快可以达到70 km/h左右。试验过程中,在距离轨道中心线242 cm处设置了一个线形传声器阵列,一共30个传声器,用48通道的Mueller-BBM信号采集系统进行采集。传声器按照15 cm等间距布置,最低处的传声器距离桥面20 cm,最高处的传声器距离桥面455 cm。在分析1/3倍频程空间分布时,按照一个波长范围内采集2个数据的空间采样率,15 cm间距的传声器阵列可以精确分析1 133 Hz以下的噪声成分(假定声速340 m/s),该频段也正是列车噪声中对环境影响最重要的成分。从理论上讲,分析1133Hz以上频段的声功率分布时,阵列传声器的分布不够紧密。但是从下文的3. 2节中的1/3倍频程空间分布结果,可以粗略判定各1/3倍频程空间分布连续变化,用间距15 cm的传声器阵列分析1 133 Hz以上的倍频程分布,也是可以满足工程要求的。

      列车为6节编组,每节列车长22. 8 m,轨面到列车车厢上缘的高度为3. 8 m,列车车轮直径0. 8 m。为了精确记录列车通过时间,在轨道边一侧放置了一个激光光学触发器,又称光靶(LightBarrier),在另一侧放置了一块用于反射激光的反光片。从光靶发出的激光通过反光片反射回光靶,当光线受到车轮阻挡时,光靶会产生一个脉冲信号。通过同步记录脉冲信号和声压信号,就可以将列车通过线形阵列期间的声压信号提取出来,同时可以根据已知的列车车轮间距计算出列车的运行速度。测试过程的示意图和实际工作场景可以参见图1和图2。

 

 

2、数据分析

      铁路环境噪声根据声源的不同大致可以分成以下几种: (1)机车车辆的机械设备噪声,如空调装置,机车动力装置等; (2)轮轨噪声,由轮轨相互作用引起的,当列车速度低于250 km/h时,是铁路噪声的主要来源; (3)空气动力噪声,当列车高速运行时车体与空气摩擦产生漩涡脱落的噪声,列车速度大于350 km/h时,空气动力噪声成为铁路主要噪声来源; (4)集电系噪声,由受电弓和电线相互摩擦引起的; (5)建筑物受激励产生的二次噪声。

      对于城市轨道交通,由于是低速运行,空气动力噪声几乎可以忽略,而采用的电力驱动机车自身的机械噪声、集电系噪声和二次噪声远小于轮轨噪声,轮轨噪声在噪声中起主导地位。本次试验线路上,曲线半径很大,采用超长无缝线路,基本没有啸叫声和轮轨撞击声。产生的轮轨噪声主要是滚动声,是由于轮轨表面粗糙度,在车轮转动时强制位移引起轮轨系统振动而产生的。因此对于本次试验的噪声特性分析也是针对低速轮轨滚动噪声的分析。

      当天的试验一共进行了9次测试,每一次测试的列车速度均不同。由于测试地点位于出站口,列车处于加速状态,车头经过的速度和车尾驶离的速度是不同的。尽管如此,由于列车通过的时间十分短暂,大约在9 s~14 s内就完全通过,且本文研究的声功率级和1/3倍频程都是列车通过时间段内平均意义上的值,因此用平均速度作为参考值也是可行的。

      另外,由于列车是运动声源,会产生多普勒效应,即频率有频移。由于城市轨道列车在中低速运行,本次试验的最高速度约20 m/s,按照多普勒公式计算,频移约在分析频率的6%以内。由于本文的研究目的是分析列车噪声对环境的影响,关注的是总体效果,而列车前半段和后半段的辐射信号分别对应于趋近和驶离传声器阵列,测量过程中存在频率增大和变小的信号段,多普勒效应在功率谱上有相互抵消的因素。因此,多普勒效应对整列车的辐射声功率测量的影响可以忽略不计。

      在数据处理过程中,首先根据光靶脉冲信号,截取出列车通过时间内的声压信号,然后对其进行处理。处理的主要物理量包括1/3倍频程谱和相应的能量贡献度、列车通过平均声功率级和总辐射声功率级。

 

 

2.1　1/3倍频程分析

      图3和图4是其中一次测试的声压信号和1/3倍频程谱,该次测试的列车平均速度是69. 0 km/h,选取的是距离桥面2. 3 m的一个通道信号。通过脉冲信号判断出列车通过时间,截取的声压信号如图3所示。分析得到的1/3倍频程谱显示,声能量集中在中心频率400Hz~1 600 Hz的1/3倍频带内,占到总能量的85. 0%。在低速列车辐射噪声中,轮轨噪声的能量占主导地位,从分析的数据可以发现,轮轨噪声主要集中在400Hz~1 600Hz的1/3倍频带内。不同速度下各频带内的声能量贡献率可以参见图5。声能量贡献率的定义如下,

 

其中:fu和fl分别是频带的上限和下限频率。

      在图5中,630Hz和800 Hz两个频带的能量是各次试验中贡献能量最多的两个频带,因此要治理城市轨道交通噪声,首先要对630Hz和800Hz两个频段采取措施。除了列车平均速度40 km/h以下的两次测试,以及列车平均速度61. 1 km/h的这次试验,其余六次试验的结果反映出噪声的主要能量集中在中心频率400Hz~1 600 Hz的1/3倍频带内。这六次试验中,400Hz~1 600Hz的1/3倍频带内贡献的能量大约在79% ~85%。虽然平均速度40 km/h以下的两次测试中,能量的分布更加均匀一些,但是按照能量贡献的多少排列,其主要频带范围也集中在400 Hz~1 600 Hz。如果将频带范围扩大到250 Hz~2 500 Hz,则88% ~95%的能量集中在其中,包括所有9次测试在内。通过1/3倍频程分析,可以获知低速列车的噪声集中在中低频段。

 

2.2　声功率级分布与指向性

      由于列车车身很高,从轨面到车厢体上缘的高度为3. 8 m,声功率级在不同高度下是不同的。同样以平均速度69. 0 km/h的那次测试数据进行分析,其声功率级以及1/3倍频程谱随测试高度的变化曲线如图6所示,图中虚线分别表示轨面和车厢体上缘对应的高度,高度原点选取为轨顶高度,其余8次测试的变化趋势类似。从图6可以发现,声功率级在高度方向上呈现逐步减弱的趋势,最高点和最低点相差约9dB(A),该情形的出现主要由以下原因产生:低速列车以轮轨噪声为主,越接近轮轨噪声的辐射位置声功率级越大,随距离递增而衰减;另外,文献[1, 6, 11-13]中指出轮轨噪声辐射有指向性,这也是导致声阵列中声功率级从下而上衰减的因素。

设L₀和L分别是轮轨噪声的源强声功率级和远场声功率级,则两者之间关系可用公式(2)表示：

   

公式(2)中,轮轨噪声的指向性衰减因子ΔL^R_V(ψ)没有确定的公式,只有一些近似的计算。轮轨噪声的指向性介于单极子和偶极子指向性之间,文献[13]中提到其指向性可以用下式表达：

   

该公式综合了偶极子和单极子的指向性特性,式中ψ是观测点到轮轨在竖直方向的仰角。

      考虑辐射强度随距离r衰减的因素ΔL_geo(r),采用澳大利亚和法国Mithra预测列车噪声辐射模型中关于辐射强度随距离衰减的公式^[6]:

   

      由于高架城市轨道交通线上运行的列车轮轨噪声并不一定适合公式(3)和(4),有可能在指向性中偶极子和单极子所占的比例不一定是0. 85和0. 15;随距离衰减的系数也可能不同,因此需要校核公式(3)和(4)对城市轨道交通的精度。首先将公式(3)和(4)代入公式(2),用69 km/h时速下的声阵列采集到的声功率级(30个测试值)代入公式(2),获得30个L₀值,用其平均值作为L₀的最佳值。将此值重新代入公式(2),计算得到30个测点的计算值。结果发现按照以上公式计算远场声功率级,其与实际测试的30个声功率级的平均误差为1.3 dB,拟合结果良好。因此中低速高架城市轨道交通列车的声功率级分布可以按照公式(2)~(4)计算。在公式(2)中未考虑列车行驶速度对噪声声功率级的影响,实际上轮轨噪声的源强声功率级L₀是和速度有关系的,应当附加速度对声功率级的修正因子ΔL_speed(v),这在3.3节中进行分析。

2.3 速度与辐射声功率级的关系

      首先用公式(2)计算出不同速度下的L₀值,用该数值代入公式(2)中计算得到的远场声功率级和实测值的平均误差最小。第k次测试中,每个测点可以得到一个L^k_0i,一个简单方法是取平均值。按上述方法可以得到9次测试的不同L^k₀(k=1,2,…,9)。由于声功率级是对数值,因此可以考虑用速度的对数值作为变量,考虑其对声源声功率级L0的影响。用曲线拟合方法计算出L₀的公式,分别用V和log₁₀V作为变量,得到的公式如下。

   

      用公式(5)和(6)计算的源强值与实际值的离差均方根分别是1.13dB(A)和1. 17dB(A),两者并没有明显的区别,用两公式中的任意一个都是合适的。图7是用公式(5)和(6)拟合得到的数值以及实测的数值,图中曲线表明采用公式(5)和(6)都是合理的。为了和公式(3)和式(4)保持一致性,采用求对数后的速度作为变量,推荐使用公式(6)。因此,计算列车远场声功率级时可以采用式(2)~式(4)和式(6)。

 

      需要指出的是,式(6)只是适用于本次测试中的列车,以及本次测试时的运行条件。若对于其它运行条件和其它类型的列车,则应当根据以下公式计算:

   

其中a,b是常数,可以用相同轨道结构和车辆的通过噪声测量结果回归求得。该公式在文献[5]中有类似的结果。

      列车辐射对周边环境的影响,应当综合考虑自身辐射噪声以及桥面反射后的辐射声。在阵列测试位置,列车辐射的噪声除了桥面的反射,无其余反射面,因此测试到的都是向外辐射的能量。根据能量守恒,可以估算出列车辐射噪声的平均声功率级。由于测试是在不连续的测点上获得的,而且只测试了一侧,因此需要做一些假设才能计算列车的总辐射声功率级。首先假设列车的辐射是对称的,一侧的声压辐射情况可以用另一侧的测试结果代替;其次假设车厢上缘未能进行测试的位置处,其声功率级用公式(2)进行计算代替;然后用这些离散点的声功率级乘以测点间距即可得到总体的辐射声功率级。

3、结论

      通过对中低速城市轨道列车的测试分析,可以得到以下结论:中低速列车噪声集中在中低频段,主要在250Hz~2 500 Hz内, 88% ~95%的能量集中在该频段,轮轨噪声是噪声的主要成分;列车噪声声功率级受列车运行速度影响,且噪声具有指向性,随距离增加衰减;对于列车声功率级的测量可以采用本文所用的线形阵列测试,并可以通过公式(2)进行估计其远场声功率级。

 

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