城市軌道交通的噪聲及其防護
摘 要: 介紹了城市軌道交通噪聲的形成與分類, 提出了降低列車輻射噪聲的措施等。
關鍵詞: 城市軌道車輛; 噪聲;
城市交通環境噪聲往往是人們普遍關注的問題。隨著我國城市交通的發展, 地鐵、輕軌、獨軌等交通模式的出現, 軌道交通在大城市公共交通中越來越顯示出它的骨干作用。研究城市軌道交通的噪聲及防護越顯重要和迫切。城市軌道交通噪聲與一般鐵路噪聲在聲學特性上既有相同之處又有其獨有的特征。例如, 城市軌道交通一般為2 輛～ 8 輛編組的電動車組, 采用全動車或部分動車, 一般運行于隧道和高架橋上。它沒有鐵路噪聲經歷時間(一次通過) 長, 但行車頻率卻比鐵路高, 一般2m in～ 5m in 出現1 次。它又不同于道路交通的噪聲, 道路交通往往是由無數連續點聲源構成線聲源。因而, 可認為城市軌道交通噪聲是介于鐵路與道路兩者之間的一種交通噪聲。
1 城市軌道交通噪聲的形成與分類
噪聲通過聲源、途徑、接受點3 個方面進行分類和研究。了解聲源、途徑、接受點就可以有針對性地尋求降低、衰減噪聲的措施和途徑, 對現存噪聲進行防護, 最大限度地減少對人體造成的損害。城市軌道交通按產生噪聲的聲源可分為: 輪軌噪聲、車輛非動力噪聲, 牽引動力噪聲、高架軌道噪聲及地下鐵道的地面承載噪聲等。
1. 1 輪軌噪聲
鋼軌與車輪之間相互作用而產生的聲響。車輪和軌道相接觸處產生力的相互作用, 造成車輪和軌道的振動而向外輻射聲波。輪軌噪聲主要有摩擦噪聲、撞擊噪聲和轟鳴噪聲。
1. 2 車輛非動力噪聲
主要是指制動系統在實施制動時閘瓦與制動盤之間的摩擦振動, 它激發制動閘瓦片、閘瓦托架以及制動盤等產生自激振動形成噪聲。此外, 還有制動懸掛連接件之間的間隙在運行中相互撞擊產生的噪聲等。
1. 3 牽引動力系統噪聲
牽引系統設備運轉所產生的噪聲, 包括牽引電機及其冷卻風扇、齒輪箱以及空氣壓縮機的噪聲, 它是城市軌道交通的主要噪聲。近年的研究表明, 使用車裙與車下吸聲處理相結合的措施可降低噪聲。
1. 4 高架軌道噪聲
當列車行駛在高架鐵路上時, 輪軌相互作用產生的振動通過軌道傳遞給支承結構, 支承結構將噪聲向周邊地區進行傳播, 形成較高的噪聲。抑制高架軌道噪聲一方面可從降低鋼軌振動的技術著手, 另一方面從限制傳遞給高架結構的振動考慮。沿軌道側面設置聲屏障, 可以降低鋼軌噪聲向周圍地區的傳播。
1. 5 地下鐵道的地面承載噪聲
地下鐵道輪軌間相互作用而產生的振動被傳遞給隧道結構, 繼而又傳向周圍的土壤。振動通過土壤再向鄰近的建筑物傳播, 從而導致地下及墻壁的振動和噪聲向建筑物內房間的第二次輻射, 它是一種低頻聲響。抑制和降低地面承載噪聲和振動的措施:
(1) 車輪踏面的鏇修、鋼軌面的磨削以及采用無縫鋼軌代替接縫鋼軌等, 都有利于衰減輪軌相互作用而產生的振動和噪聲, 同樣也適用于降低地面承載噪聲和振動。
(2) 在軌道和路基之間鋪設一層彈性材料, 可以起到減弱振動傳遞的作用。另一種有效的措施是裝設彈性的“ 浮置板面”的軌道路基, 即在鋼軌與混凝土軌道基板面之間設置一層彈性墊板, 這種結構可以削弱被傳遞到隧道墻壁的振動噪聲達10 dB(A)～ 20 dB 3.(A )。
(3) 在軌道和路基面之間采用碎石構成的道床, 可以起到衰減從鋼軌向路基傳遞的振動和噪聲, 這種道床還可以降低車內噪聲級, 但采用這種道床要求有較大的隧道半徑。
2 城市軌道交通噪聲的評價與標準
目前, 國際上還沒有一套標準的城市軌道交通噪聲的評價方法和指標, 可參考工業發達國家以及國際性大都市擬訂適用于本國和本市的軌道交通噪聲測量以及評價標準。另外, 可供借鑒的還有國際鐵路標準化組織( ISO ) 的《聲學2軌道車輛內部噪聲測量》( ISO 3381—1976 (E) ) 、我國標準《鐵路機車車輛內部噪聲測量》(GB ?《鐵路機車司機室噪聲T3449—94)、允許值》(GB ?《城市區域環境噪聲標準》
T3450—94)、(GB3096—82) 等。
最常用的幾種評價方法有:A 計權聲級、等效連續聲級、響度級、語言干擾級。除此之外, 較有名的還有感覺噪聲級、更佳噪聲標準(PN C) 曲線、噪聲污染級、晝夜等效級、噪聲沖擊指數、噪聲掩蔽等等。
城市軌道交通的噪聲級的強度直接與系統的特性有關。軌道設置的位置, 即設于地下、地面或高架等, 都是影響噪聲級的決定因素。地下鐵道一般比地面軌道產生更大的車內噪聲級。高架鐵路軌道產生的路邊噪聲級比地面軌道的噪聲級要高。其他影響因素還有列車的運行速度、采用鋼軌型式、車輪踏面上的擦傷、鋼軌表面局部粗糙狀況以及線路小半徑曲線等。
運載設備使用時間長短是噪聲級的另一個決定因素。使用年久的車輛車內噪聲級一般較高, 新出廠車輛和車站由于采用了許多聲學上的處理, 車內和車站噪聲級都會有明顯降低。路邊噪聲級在新舊系統中的差異并不像其他噪聲那么大, 而更多地受到列車運行速度和輪軌狀況的影響。
美國公共交通協會所制定的噪聲級指標是以確保私人談話能以正常聲音進行而設計制定的。在背景噪聲級為78 dB(A) 時, 人們在0135 m 的距離處可以用正常的聲音進行談話, 但當背景噪聲級達83 dB(A) 時, 為使對方能聽見自己的聲音, 他們必須要提高嗓音。按該指標規定, 根據城市軌道交通類型的不同, 可接受的最大車內噪聲應在70 dB(A)～ 80 dB(A), 站內噪聲75 dB (A)～ 85 dB(A)。對于地鐵來說, 噪聲級的上限可設得高些, 因為將它的噪聲級降到與地面鐵路相同的程度是極其困難的, 在經濟上也是極其昂貴的。路邊噪聲級的上限隨路邊地區建筑物和地面類型的不同而有所差異, 其上限值在居民區為70 dB(A)、在工業區為85 dB(A) 的范圍內變化(距線路中心線15 m 處)。我國《地下鐵道車輛通用技術條件》(GB ? T7928—87) 規定: 司機室內的噪聲不超過80 dB(A), 客室內的噪聲以不超過83 dB (A) 為限?？晒﹨⒖嫉倪€有我國《鐵路機車司機室噪聲允許值》規定, 鐵路新造、大修后的內燃、電力機車司機室內部穩定噪聲應在78 dB(A)～ 80 dB(A), 添加間隙噪聲后的等效聲級應不超過85 dB(A)。
3 控制和降低列車輻射噪聲的措施
3. 1 線路環境噪聲的組成及列車輻射噪聲的特征
軌道交通沿線的環境噪聲主要由列車輻射的穩態噪聲和與列車有關的間歇噪聲組成。穩態噪聲有輪軌噪聲、車輛動力裝置與輔助系統噪聲以及高速運行時的空氣動力噪聲等。間歇噪聲包括過曲線、道岔, 制動, 鳴笛, 交會和調車所引起的噪聲。
通過對列車運行輻射噪聲的測試與分析研究, 可知:
(1) 列車運行輻射噪聲頻譜呈低中頻特性, 峰值頻率在63 H z～ 500 H z 范圍, 該頻譜主要是由輪軌噪聲、動力裝置噪聲和列車聲學特性所決定。當車速超過h～ 60 km ～50 km /h 時, 輪軌噪聲對列車輻射噪聲起主導作用。
(2) 在相同條件下, 車型不同,A 聲級也不同, 這主要是由于不同機車車輛聲學處理方法不同, 一般客車比貨車稍低。
(3) 列車輻射噪聲級隨運行速度的提高而增加, 列車種類、線路結構、軌枕、軌道等對其均有影響。
(4) 列車輻射噪聲沿垂直于軌道方向的不同距離的衰減規律如圖1 所示。由圖可知, 測點從3m 移到25 m ,A 聲級衰減9 dB(A)～ 11 dB(A)。
圖2 為距軌道中心線30m 處, 傳聲器在不同高度所測得的列車輻射噪聲級。由圖可知, 隨測點高度的升高,A 聲級增加, 開始時增加較快, 測點到一定高度后增長減緩, 直至不增加。
圖1 列車輻射噪聲沿垂直軌道距離衰減曲線(圖中1、2 分別為測點距軌道中心3m 和25 m )
1.3. 2 幾種降低噪聲的措施
2.3. 2. 1 輪軌噪聲
(1) 采用橡膠彈性車輪。在車輪的輪輞與輻板之間加設橡膠件, 使二者之間的金屬脫離直接接觸, 利用橡膠元件把輪輞和輻板的振動轉化成熱能, 吸收和衰減一部分噪聲。據日本資料介紹, 彈性車輪對水平和垂直激擾的消聲效果相對于全鋼整體車輪可降低噪聲達10 dB(A)～ 20 dB(A)。
(2) 選擇具有抑制“ 卡滯2滑動效應”的鋼軌材料, 用特制的具有摩擦剩磁效應和滑動性的低合金鋼15N iCuM oN b5、50CrM oV 4 和14N iCr14, 可使曲線運行時軌道與車輪運行方向之間的臨界傾角增大。即在不改變轉向架結構前提下, 通過
圖2 列車輻射噪聲沿更改鋼軌用鋼, 降低車輛通
高度分布情況過曲線時的噪聲, 增大軌道與車輪運行方向之間的臨界傾斜角, 使得轉向架通過曲線時不產生輪軌噪聲的最小曲線半徑減小。除此之外, 磨削車輪踏面和鋼軌軌面, 提高其光潔度, 車輪和鋼軌的材料合理匹配, 也是降低滾動噪聲行之有效的措施。
3. 2. 2 制動噪聲
閘瓦制動會使車輪踏面周期性地變得粗糙, 甚至出現局部熔結, 使踏面出現所謂的波浪形磨耗, 由此加劇了輪軌噪聲。采用盤形制動代替閘瓦制動, 改善了踏面狀態, 消除了波浪形磨耗, 可降低輪軌噪聲達8 dB (A )。在盤形制動上采用合成閘瓦(粉末冶金燒結閘瓦), 其所產生的制動噪聲將比裝用鑄鐵閘瓦低。為減少制動噪聲, 還可在制動組件上添加減振裝置, 例如在閘瓦托架裝設阻尼裝置, 在閘瓦和托架的連接上采用預張緊裝置。采用這種措施后可降低噪聲達20 dB(A)。
3. 2. 3 轉向架各構件的聲輻射和傳遞特性以及輔助隔音措施
由于轉向架構架和搖枕大多為空腹的承載結構, 彼此之間均采用橡膠連接元件或空氣彈簧懸掛。這種結構能將各個聲源相互隔離從而衰減噪聲。其余的幾個直接激發噪聲的構件, 如輪對驅動裝置、盤形制動和車輪等, 可通過以上介紹的措施抑制和衰減其噪聲。
另外, 在轉向架兩側面設置隔聲罩和在線路兩側設隔聲墻, 可以降低和衰減滾動和制動噪聲。不過, 這種措施投資高, 困難大。
3. 2. 4 列車輻射噪聲的防護措施
(1) 提高車體和門窗的隔聲性能, 降低噪聲向車內輻射和傳遞。試驗表明, 在車體鋼結構內表面涂以石棉瀝青漿或在鋼結構上涂敷阻尼材料均可提高墻板的隔聲性能。采用雙層玻璃的門、窗結構也可明顯地提高隔聲性能。車體的隔墻采用雙層墻代替單層墻是提高隔聲性能、減少車內噪聲的重要措施。
(2) 高架鐵路設置高度較低的聲屏障, 能有效地降低列車輻射噪聲對周圍住宅的影響。圖3 為在高架鐵路附近的住宅的不同高度布置測點P 1、P 2、P 3, 測得噪聲級分別為76 dB(A)、79 dB(A)、81 dB(A)。低于軌道的P 1 點噪聲級比水平點P 2 低, 而高于軌道的P 3 點噪聲級最高, 這是由于軌道噪聲的指向特性所決定。如果在高架鐵路近旁設置高度較低的聲屏障, 則各測點聲級均有較大幅度的下降, 下部測點比上部更為顯著。
圖3 軌道高于住宅時噪聲測點的布置簡圖
1.(3) 試驗表明, 站臺對列車輻射噪聲也有一定的衰減作用。
2.(4) 采用長鋼軌與短鋼軌相比, 列車輻射噪聲相差6 dB(A)～ 8 dB(A)。
參考文獻:
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.[ 2 ] 環境噪聲控制工程——第二屆全國噪聲控制工程學術會議論文選. 北京: 中國建筑工業出版社, 1987.
.[ 3 ] 周竹君, 應東海, 施桂蓉. 消聲輪研究. 鐵道車輛, 1995, 33(10): 1—7. (編輯: 田玉坤)
