城市轨道交通车辆噪声分析及防护
摘 要：为了降低轨道交通产生噪声对城市环境的影响，分析了地铁车辆噪声产生的原因，从降低声源噪声和其传播途径上的噪声两个方面，通过采用低噪声轮对、选择新型轮轨匹配材料、使用直线电机和径向转向架、改进车体结构设计和提高车辆的隔声性能等措施，对降低车辆噪声对环境的影响起到了良好的效果。
关键词：车辆 噪声 分析 防护
一、引言
轨道交通作为现代化城市公共交通中的运输工具，近几年在我国发展迅速，由于城市轨道交通一般穿梭于人口密集区域，在给人们带来便捷的同时，运行中产生的噪声污染也对周边居民的生活和工作造成影响。运行中的轨道车辆是特殊的流动声源，对环境的影响面广，是城市轨道交通噪声产生的重要根源。本文主要研究和解决与轨道交通车辆直接相关的噪声。
二、车辆噪声产生的原因分析
城市轨道交通车辆运行中噪声主要有两种来源，一是轮轨接触而产生的轮轨噪声，二是车辆本身运行中所产生的机械噪声，这些噪声源恶化了车厢内外部的环境。
（一）轮轨噪声
钢轨与轮轨之间相互作用而产生的声响。这种相互作用在车轮和轨道相接触处产生力的作用，造成车轮和轨道的振动而向外辐射声波。轮轨噪声有3种主要类型：摩擦噪声、撞击噪声和轰鸣噪声（或滚动噪声）。每一种均由相对应的机械结构所产生。
1.摩擦噪声 当车辆在较小半径曲线线路上运行时，车轮沿曲线钢轨并非纯滚动运行，要产生局部的横向滑动。正是这种在曲线上车轮对轨道的不完善的导向造成“卡滞―滑动效应”，结合车轮和轨道的振动响应，形成摩擦噪声。
2.撞击噪声 轮轨经长期相互作用都会产生磨耗，车轮可能失圆或产生扁疤，钢轨可能会产生波浪型磨耗。状态不良的轮轨相互作用会使振动加剧、噪声加大。特别是钢轨表面波长为3～5cm的短波浪型磨耗，车辆行驶时就会产生较大的的撞击噪声。
3.滚动噪声 车辆在运行时，车轮在钢轨上高速滚动，由于轮轨接触表面的粗糙度以及轮轨的缺陷，造成对车轮的激扰，从而形成滚动噪声。
（二）机械噪声
1.电机噪声 牵引系统设备运转所产生的噪声，包括牵引电机及其冷却风扇、齿轮箱以及空气压缩机的噪声，它是城市轨道交通主要的噪声。牵引系统的噪声，特别是电机冷却风扇的噪声，随列车运行速度的提高而增长，其程度往往要大于轮轨噪声。
2.机械噪声 机械噪声主要指制动系统中在实施制动时，闸片与制动盘之间摩擦振动，激发制动闸片、闸片托架以及制动盘等产生自激振动形成制动噪声。
此外还有空气动力噪声。随着列车速度的提高，列车车头以及在列车上各个突出和凹入的部分，车顶的受电弓等，在空气中高速移动时，压力空气在非恒定的气流中发生变化，从而产生空气动力噪声。
三、车辆噪声的防护措施
（一）降低声源噪声
从声源上根治噪声，是一种最积极、最彻底的措施，具体可以考虑采用以下几方面的措施：
1.采用低噪声车轮或弹性车轮
为了降低轮轨噪声，在轮辋或辐板上装设一种具有减振阻尼特性的扇形盘式板或环形板，即低噪声车轮。当车轮受到激扰，发生振动而辐射噪声时，扇形板或环形板发生共振，板上的阻尼材料将振动的能量转换为热能，达到衰减车轮辐射噪声，如图1所示。
采用弹性车轮降低轮轨噪声，在车轮的轮辋与辐板之间加设橡胶件，使二者之间金属脱离直接接触，利用橡胶元件把轮辋和辐板的振动转化为热能，吸收和衰减一部分噪声。经测试，弹性车轮对于水平和垂直激扰的消声效果，相比于实心车轮，可降低噪声达10～20dB，见表1。
2.降低车轮和钢轨表面的粗糙度 对钢轨和车轮表面定期进行磨削和镟修，提高其表面光洁度，保持平滑完好状态，是降低滚动噪声行之有效的措施。另外，采用焊接的长钢轨，把钢轨焊接起来，减少车轮对钢轨接缝处的冲击次数，也可降低列车撞击噪声。
3.选择特制的钢轨材料 由试验研究表明，如果曲线区段的钢轨采用特制的具有摩擦剩磁效应和滑动性的低合金钢15NiCuMoNb5，50CrMoV4和14NiCr14，可使产生摩擦噪声的轨道与车轮运行方向之间的临界倾斜角a krit可增大至akrit =0.4°～0.5°。也就是说，在不改变转向架结构前提下，通过更改钢轨材质，可降低车辆过曲线时的噪声。
4.在制动组件上添加减振装置 在闸片托架装设阻尼装置，在闸片和托架的连接上采用预张紧装置，采用这些措施后可使制动噪声有可能降低20dB。另外针对制动系统中悬挂连接和支座中所使用的许多销套，加装弹性橡胶元件，可降低销套与销轴之间在运行中相互撞击而产生的噪声。
5.改进车辆连接部位结构 在车辆连接部位采用遮棚或橡胶风挡，以降低由于振动和相互碰撞产生的噪声。
6.采用性能良好的车辆辅助系统 对空调装置中的压缩机，采用性能先进的涡旋式压缩机，其运动部件少、振动小、噪声低，而且可靠性高，使用寿命长。
7.改进转向架结构，广泛采用橡胶元件，在动力转向架和非动力转向架中，转向架构架或摇枕均采用空腹的承载结构，彼此之间均采用橡胶连结元件或空气弹簧悬挂，并安装具有适当阻尼的油压减振器。这种结构能够起着降低车体的沉浮自振频率，减轻车体的横向和垂向振动，将各个声源相互隔离和衰减声源噪声的效果，同时也避免了二次激励振动的发生。
8.采用径向转向架通过改变轮对与构架的定位结构，使车轮与构架之间的定位尽量柔软，车轮的踏面有较大的斜率，以使转向架过曲线时其前后两轮对能在蠕滑力的作用下，易于实现相对回转，使两轮对“自动”进入曲线的径向位置。使用径向转向架可以使车辆顺利通过比较小的曲线半径，实验证明，径向转向架可以通过的最小水平曲线半径可达80m。
9.采用直线电机系统 相同功率的直线电机要比旋转电机缩小3/4的高度，采用直线电机系统的车辆具有车身体积小、重量轻、噪声低、通过小半径曲线和爬坡能力强等优点。
（二）降低传播途径上的噪声
1.装设车体裙边，车体向下延伸部分装设裙边，可起到阻挡牵引系统噪声由底架向外辐射的作用。
2.在转向架两侧面设置隔音罩 对于滚动和制动噪声以及次级噪声的降低与衰减均有明显的效果，能有效地降低列车辐射噪声对周围地区的影响。
3.提高车体的隔声性能 在车体钢结构内表面涂以防振阻尼层后，钢结构的声频振动转化为热能消散，从而可减少声波的辐射和声波振动的传递。同时也改变了钢板的自振频率，避免噪声主频率与钢板自振频率一致时引起共振，提高了钢板的隔声性能。车体的隔墙采用双层墙结构来代替单层墙，是提高隔声性能减少车内噪声的重要措施。单层墙的隔声量与材料的质量、劲度、阻尼和频率有关，而双层墙中间有一层起缓冲作用的空气层，其隔声量可增加4 dB～5 dB。
4.提高车窗的隔声性能 在车窗的结构上进行改进，采用固定式并带有空气层的双层玻璃车窗，可明显提高隔声性能。
5.改进空调系统结构设计 在单元式空调机组安装座下设置减振橡胶垫以及在通风系统风道中使用吸声材料和消声器，降低噪声的辐射和传递。
6.车辆内部进行吸声处理 在车厢出入口的围壁、隔墙、顶棚等处都要用吸声材料加以处理，以达到降低噪声辐射和传递的效果。
四、结束语
随着我国城市轨道交通运输的快速发展，如何尽量减少城市轨道交通车辆噪声对环境的污染越发显得重要。为此，从声源上降低噪声和降低传播途径上的噪声两个方面，通过采用新型低噪声轮对、选择新型轮轨匹配材料、推广使用直线电机和径向转向架、改进车体的结构设计以及提高车辆的隔声性能等措施，对降低车辆噪声对环境的影响起着重要的作用。
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