杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司 浙江杭州 310020
摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，地铁工程建设越来越多。乘客对地铁车辆的舒适性提出了更高的要求，地铁车辆运营阶段的噪声问题成为目前广泛关注的热点问题，也是亟待解决的问题。文章从地铁车辆的噪声现状入手，分析噪声问题分析及解决措施，为车辆噪声控制提供依据并指明方向。
关键词：地铁车辆；噪声控制；轮轨噪声；车体隔声；隧道；线路
引言
随着轨道交通建设的不断发展，轨道交通已经成为城市环境噪声污染的主要污染源之一。由于地铁线路大多沿城市中心和人口居住密集区设置，车辆的噪声和振动严重影响了沿线居民的正常生产生活。因此，对地铁车辆减振降噪技术的研究，提高城轨车辆环保水平，是发展绿色轨道交通的重要工作。
1噪声的产生和降噪方式介绍
地铁车辆运行过程中的噪声主要有：轮轨系统噪声、车辆牵引动力辅助系统噪声以及运行过程中空气噪声。有研究认为车辆牵引系统噪声在运行速度小于60km/h时是主要噪声来源，轮轨系统噪声在车辆运行速度为60～200km/h时是噪声主要来源，空气系统噪声在运行速度大于200km/h时是噪声主要来源。我国地铁车辆最高运行速度普遍在80～120km/h，轮轨系统噪声是车辆的主要噪音。因此对地铁车辆的噪音控制主要是针对轮轨系统噪音控制。轮轨系统噪声主要来源于车轮和钢轨之间的接触运动，车辆运行过程中车轮和钢轨接触产生轮轨力，导致车轮和钢轨之间产生相对振动和自身振动，车辆和钢轨的振动噪声通过空气向周围传播。针对轮轨系统的减振降噪方式主要可以从轨道系统和车辆系统2个方面进行研究。其中轨道系统减振降噪主要通过钢轨扣件减振，降低轨道结构的刚度进行减振降噪；车辆系统减振主要是采用车轮降噪板、车轮降噪阻尼环、弹性车轮等措施消除或者削弱车轮振动进行减振降噪。
2噪声问题分析及解决措施
2.1隧道内噪声问题
当列车行驶在明线时（隧道外）辐射的声波大部分可以向线路两侧扩散。而对于地铁系统，存在较多的地下隧道，当列车行驶在隧道内时，由于隧道内表面吸声系数很低，声波反射后能量衰减较少，使得隧道的混响时间很长。可以看出地铁隧道混响时间处于较高水平，在车内外噪声显著频段内混响时间为2~12s，地铁隧道内声能量衰减较慢，造成隧道内噪声值大幅增加，进而会引起车内噪声增大，给乘客的听觉造成不适，降低乘客的舒适度。在隧道内由于声经过隧道壁面和车体表面的多次反射，隧道内声场在同一截面上声压较为均匀，而在明线上，轮轨噪声除了地面和车体地板的反射外，其余声能量向轮轨两侧扩散，在不考虑声的衍射情况下，轮轨噪声对车体侧墙和顶面附近的声场几乎没影响，所以隧道内和明线上侧墙和车顶声压差异较大。
2.2声振特性对车内噪声的影响
为了分析不同材料车体地板隔声和振动特性对车内噪声的影响，基于SEA方法，基于地铁列车车体几何结构尺寸，通过合理划分车体和车内外声腔子系统，建立车内噪声仿真分析模型，要求每个子系统的模态数足够多（至少大于5）以保证计算结果的准确性，将辅助设备的声功率以及仿真得到的转向架声源激励加载到对应的外声腔子系统，将实测的结构振动激励加载到车体结构子系统，将实测的车体关键结构隔声特性加载到子系统之间的连接。考虑到碳纤维车厢和铝型材车厢关于中心线对称布置，两种车体的几何结构尺寸一致，可以通过给模型分别加载不同车体的材料属性、声源激励、结构激励以及隔声特性参数来模拟不同车体声振特性对车内噪声的影响。
2.3车轮降噪板
车轮降噪板采用2层或者3层钢板，在钢板之间粘贴1～2层橡胶阻尼材料，通过铆钉连接将钢板和橡胶阻尼材料铆接成一个整体。
降噪板通过螺栓连接安装在轮辋的侧面，在车轮侧面上形成一个环体。车辆运行过程中，钢板之间的橡胶阻尼材料吸收车辆运行过程中产生的振动实现减振降噪。能够在一定频率范围降低车轮结构振动，从而实现车轮的降噪。经相关试验测试，降噪效果可达15dB，其中对2000Hz左右的中高频噪音降噪效果明显。降噪板作为一种常用的降噪方式，通常安装在采用踏面制动或者轴盘制动转向架车轮中，轮装制动盘车轮由于制动盘安装空间限制无法安装降噪板。另外由于车辆运行过程中振动冲击较大，降噪板和车轮连接安装螺栓会发生断裂，使用过程中存在一定风险。
2.4曲线啸叫问题
当列车低速通过小半径曲线时，曲线上的一个转向架的轮轨关系示意图如图13所示。在大横向蠕滑的情况下，导向轮对的外侧车轮与轨道发生轮缘接触，内侧车轮踏面则在轨道上摩擦引起车轮的横向振动导致啸叫的发生。类似地，对于从动轮对，由于车体的刚性，内侧车轮与轨道发生轮缘接触，导致外侧车轮踏面与轨道的相互作用引起外侧车轮的横向振动使之发生啸叫。在直线阶段轮轨状态比较好的状态下，车辆噪声能满足标准限值要求，在半径R≤500m的曲线，高出直线区段10~15dB（A）。曲线啸叫噪声体现为频率单一、音调高、能量大且集中。这些频率均为车轮的轴向振动模态。随着半径减小，曲线啸叫噪声增大。
2.5阶次分析
前面分析表明地铁车辆牵引电机振动噪声频谱特征与转速呈现倍频关系，一方面牵引电机在运行中由于转子转动切割磁力线而产生电磁振动噪声，另一方面牵引电机转子系统由于无法完全消除动不平衡、轴不对中等影响而产生机械振动噪声。为进一步了解牵引电机振动噪声与转速的关系，选择车辆启动时间较长的一个路段工况（有坡道）进行分析，提取牵引电机启动过程中的转速变化曲线，利用阶次分析对车底和车厢噪声进行研究。提取1、2低阶次和噪声相对较明显的14、15阶次数据并与噪声总量级进行对比。可以看出无论是车底还是车厢噪声，牵引电机低阶的噪声量级小于高阶次，且均显著小于噪声总量级（10dB（A）以上），考虑到测试噪声数据不完全是牵引电机产生的，也包括其他噪声源数据，因此，阶次分析再次定性证明了牵引电机噪声对该车底和车厢内噪声贡献有限，不是主要噪声源的结论。
结语
综上所述，随着人们对绿色环保理念的不断加深和重视，追求更好的地铁车辆乘坐体验和开发环境友好型列车是城市轨道交通发展的方向之一。地铁运营环境下的车辆与轨道状态均会随着运营里程额增加而恶化。车轮非圆或钢轨波磨严重时，轮轨力及关键位置振动将呈数倍增大，大幅度降低车辆和轨道的零部件寿命，噪声可增大10dB（A）以上。经济飞速发展，城市建设速度超乎想象，规划跟不上建设，导致线路规划不得不出现众多的小半径曲线，车辆通过小半径曲线时，容易出现啸叫噪声，曲线啸叫将增大车内噪声约10~15dB（A）。降低地铁车辆内噪声是系统复杂工程，需要从线路设计、地铁运营、车辆内设计等方面综合考虑，在设计环节就应全面贯彻“低噪声设计”理念，从设计源头开展系统低噪声设计，使车辆内噪声达到设计标准，满足乘客需要。
参考文献：
[1]王佐民.噪声与振动测量[M].北京：科学出版社，2009.
[2]马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3]徐志胜，翟婉明.高速铁路轮轨噪声预测分析[J].中国铁道科学，2004（1）：21-28.
[4]周新祥.噪声控制技术及其新进展[M].北京：冶金工业出版社，2007.
[5]张强．高速列车司机室与观光室车内噪声预测研究［D］．杭州：浙江大学，2015．
[6]杨建，左言言，常庆斌．城市轨道车辆模态分析与噪声预测［J］．振动与噪声控制，2011，31（3）：76－79．