跨座式單軌列車與地鐵列車通過高架線路時輻射噪聲特性對比試驗*

杜子學 王 建

(重慶交通大學機電與車輛工程學院,400074,重慶)

城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)在快速發展的同時,也給城市帶來了噪聲污染問題,持續的高強度噪聲會影響人的正常工作、休息,嚴重者甚至會造成聽力損傷等一系列有害后果,因此有必要對由城軌運行帶來的噪聲進行分析,以減小其有害影響。城軌線路多為地下線路,但也存在部分高架線路和地面線路。地下線路的輻射噪聲對地面居民影響較小,而地面線路和高架線路產生的輻射噪聲對線路周邊環境的影響較大。根據文獻[1]可知,城軌地面線路僅占城軌線路總數的2%,其噪聲影響范圍有限,故本文的研究重點集中于城軌高架線。

跨座式單軌列車和地鐵列車的構造類似,均由外部供電系統提供列車行進的動力,均采用多節(4節、6節、8節)車輛編組運行,均在編組列車兩端各設置一列帶駕駛室的車輛,均通過道岔改變運行線路和行進方向?？缱絾诬壛熊嚭偷罔F列車區別在于:①跨座式單軌列車的走行方式為橡膠輪胎與PC(預制)混凝土梁相接觸,靠轉向架側邊的導向輪和穩定輪同PC混凝土梁接觸實現列車的穩定和導向功能;地鐵列車采用鋼輪鋼軌耦合的走行方式,走行部為鋼制車輪與鋼軌相耦合,通過鋼制車輪突出的輪緣和鐵軌側邊相配合實現列車的導向功能。由于地鐵線路采用標準軌距(1 435 mm),能夠穩定列車車體,故無需像跨座式單軌列車一樣設置額外的穩定輪。②跨座式單軌列車的受電弓位于列車底部的轉向架上,通過固定于軌道梁上的剛性接觸網為列車供電;地鐵列車的受電弓位于列車頂部,通過架設于空中的柔性接觸網對列車進行供電。③跨座式單軌列車轉向架外側由裙板包圍,裙板由特制多孔狀的吸聲材料制成,能夠減少部分輪軌接觸和受電弓產生的輻射噪聲;大部分地鐵列車的轉向架外側并沒有裙板,轉向架部分直接裸露在外。

目前,已有學者對跨座式單軌列車和地鐵列車的輻射噪聲分別展開研究。文獻[2]基于時頻波束形成噪聲源的識別方法發現,運行列車車外輻射噪聲主要位于車廂最底部裙板與軌道梁接觸區附近,其中500 Hz以上的噪聲源主要來源于胎軌噪聲和弓網噪聲。文獻[3]通過試驗得出地鐵列車以中低速在直線路段行駛時,其輻射噪聲主要集中在 250～2 500 Hz的中低頻段,且輪軌噪聲是輻射噪聲的主要成分。

上述研究無法直觀地對比跨座式單軌列車和地鐵列車這兩種交通系統的區別,二者的結構不同是導致這二種交通系統具有區別較大的噪聲輻射特性的原因。為了對這兩種噪聲輻射特性進行直觀、定量的對比分析,本文采用試驗的方法分別對跨座式單軌列車和地鐵列車運行過程中的輻射噪聲聲壓級進行分析,以期為城市軌道交通的輻射噪聲控制提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 測量參數

城軌輻射噪聲主要可分為弓網噪聲、輪軌(胎軌)噪聲和電機噪聲。被測列車均為正常運行狀態下勻速行駛的列車,列車頭尾全部通過某一點的時間約為8～15 s。將列車視為線性聲源,測量參數為列車等效連續A計權聲壓級。采用FFT(快速傅里葉變換)將時域聲壓信號轉換為頻域聲信號,確定各頻率上的聲能量分布。由于輻射噪聲覆蓋的頻段較廣,選擇頻率范圍為31.5～8 000.0 Hz進行1/3倍頻程分析,且應保證最窄寬帶與信號持續時間的乘積數值超過1[3]。

1.2 測量儀器

整個測量系統由傳感器、數據采集儀及安裝有采集軟件的計算機組成,輔助設備包括BNC(卡扣配合型連接器)信號電纜、傳感器支架、麥克風風罩、蓄電池、逆變器及測距儀等。每次測量前后,使用滿足GB/T 15173—2010《電聲學 聲校準器》標準的1級聲校準器進行校準,若兩次校準之差大于0.5 dB(A),則判斷測量結果無效。

數據采集儀為VibRunner數據采集儀。傳感器為NTS-2533A型ICP(內置壓電傳感器)加速度傳感器,為了去除風噪聲的影響,在傳感器前加裝防風罩。

1.3 測點設置

將重慶軌道交通1號線作為地鐵列車輻射噪聲試驗對象,將重慶軌道交通3號線作為跨座式單軌列車輻射噪聲試驗研究對象。重慶軌道交通1號線列車采用架空式柔性接觸網供電的B型地鐵列車,走行方式為鋼輪鋼軌,采用標準軌距1 435 mm,其車體為不銹鋼焊接而成。重慶軌道交通3號線列車采用剛性接觸網供電的跨座式單軌列車,車體由鋁合金焊接而成,采用橡膠充氣輪胎與混凝土軌道梁耦合接觸實現列車走行和導向功能。

選取地鐵高架線路和跨座式單軌高架線路的典型運行工況設置測試點,包括直線路段工況和曲線路段工況?？缱絾诬壐呒芫€路的直線路段工況測點(S1—S3,與靠近傳感器一側軌道梁中心的距離分別為7.5 m、10.0 m、20.0 m)位于一座跨座式單軌高架線路下方的人行天橋上,曲線路段工況測點(S4—S6,與靠近傳感器一側軌道梁中心的距離分別為7.5 m、10.0 m、20.0 m)位于一段半徑為270 m 的曲線路段上,所有測點距離軌頂面豎直高度均為1.2 m。由于日間跨座式單軌高架線路下方公路上其他車輛的噪聲水平較高,所以選擇在夜間噪聲水平較低時進行試驗。地鐵高架線路的直線路段工況測點(M1—M3,與靠近傳感器一側軌道梁中心的距離分別為7.5 m、10.0 m、20.0 m)位于線路經過的一個停車場內,曲線路段工況測點(M4—M6,與靠近傳感器一側軌道梁中心的距離分別為7.5 m、10.0 m、20.0 m)位于一段半徑為460 m的曲線路段。地鐵高架線路在豎直方向的測點設置情況同跨座式單軌高架線路。地鐵列車輻射噪聲測試點所處位置為受環境影響較小的地點,所以在日間或者夜間進行試驗均可。兩個曲線路段工況均選擇在曲線路段內彎處進行試驗,所有傳感器均水平指向被測列車。

跨座式單軌高架線路和地鐵高架線路測試示意圖如圖1所示。試驗工況及相關參數如表1所示,各工況被測列車通過測試點時的車速以列車司機室儀表顯示的速度值為準,每次測量時均有一人在列車內部記錄速度值。

表1 試驗工況及相關參數

a) 跨座式單軌高架線路

2 試驗數據分析

不同工況下跨座式單軌和地鐵列車各測點聲壓級對比如圖2所示?？缱絾诬壓偷罔F列車在直線路段工況和曲線路段工況的聲壓級均隨著距離的增加而減小,且各自呈現出不同的特點。地鐵列車曲線路段工況的聲壓級大于直線路段工況,而跨座式單軌列車曲線路段工況的聲壓級小于直線路段工況。兩種工況下,跨座式單軌列車的聲壓級均小于地鐵列車。

a) 跨座式單軌列車直線路段工況

兩種工況下,不同測點處跨座式單軌和地鐵列車聲壓級對比如圖3所示。在7.5 m測點處,直線路段跨座式單軌列車和地鐵列車的聲壓級相差較大,最大差值約為10 dB(A)。在10.0 m測點處,跨座式單軌列車和地鐵列車聲壓級差均比7.5 m測點處小約2.0 dB(A)。在20.0 m測點處,跨座式單軌列車和地鐵列車的聲壓級相差較小,兩者的差值在4.0 dB(A)以下,且大部分測點聲壓級均在80.0 dB(A)以下。

a) 7.5 m測點處

3 結語

跨座式單軌列車在直線路段工況的聲壓級整體大于曲線路段工況,且隨著與靠近傳感器一側軌道梁中心距離的增加而逐漸減小,直線路段工況的聲壓級比曲線路段工況的聲壓級大約4 dB(A)。地鐵列車在直線路段工況的聲壓級整體大于曲線路段工況,且隨著與靠近傳感器一側軌道梁中心距離的增加而逐漸減小,直線路段工況的聲壓級比曲線路段工況的聲壓級小約1～4 dB(A)。無論在直線路段還是曲線路段,跨座式單軌列車的聲壓級均比地鐵列車小約4～10 dB(A)。一般而言,城市軌道交通列車的輻射噪聲在20 m以外不應大于80 dB(A),當地鐵列車通過直線路段時,其個別聲壓值大于80 dB(A),且地鐵列車在曲線路段存在明顯高分貝嘯叫,因此地鐵列車的輻射噪聲應當予以重點控制。

需要注意的是,本文的研究重點為對比兩種列車的噪聲對環境的整體影響,故沒有對聲源位置做識別分析,后續研究可以采用聲全息法測得列車三維空間的聲場分布,分別對跨座式單軌列車和地鐵列車輻射噪聲的輻射聲源位置做進一步研究。