城市軌道交通的噪聲及其防護(hù)
摘 要: 介紹了城市軌道交通噪聲的形成與分類(lèi), 提出了降低列車(chē)輻射噪聲的措施等。
關(guān)鍵詞: 城市軌道車(chē)輛; 噪聲;
城市交通環(huán)境噪聲往往是人們普遍關(guān)注的問(wèn)題。隨著我國(guó)城市交通的發(fā)展, 地鐵、輕軌、獨(dú)軌等交通模式的出現(xiàn), 軌道交通在大城市公共交通中越來(lái)越顯示出它的骨干作用。研究城市軌道交通的噪聲及防護(hù)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(xué)特性上既有相同之處又有其獨(dú)有的特征。例如, 城市軌道交通一般為2 輛～ 8 輛編組的電動(dòng)車(chē)組, 采用全動(dòng)車(chē)或部分動(dòng)車(chē), 一般運(yùn)行于隧道和高架橋上。它沒(méi)有鐵路噪聲經(jīng)歷時(shí)間(一次通過(guò)) 長(zhǎng), 但行車(chē)頻率卻比鐵路高, 一般2m in～ 5m in 出現(xiàn)1 次。它又不同于道路交通的噪聲, 道路交通往往是由無(wú)數(shù)連續(xù)點(diǎn)聲源構(gòu)成線聲源。因而, 可認(rèn)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(lèi)
噪聲通過(guò)聲源、途徑、接受點(diǎn)3 個(gè)方面進(jìn)行分類(lèi)和研究。了解聲源、途徑、接受點(diǎn)就可以有針對(duì)性地尋求降低、衰減噪聲的措施和途徑, 對(duì)現(xiàn)存噪聲進(jìn)行防護(hù), 最大限度地減少對(duì)人體造成的損害。城市軌道交通按產(chǎn)生噪聲的聲源可分為: 輪軌噪聲、車(chē)輛非動(dòng)力噪聲, 牽引動(dòng)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(chē)輪之間相互作用而產(chǎn)生的聲響。車(chē)輪和軌道相接觸處產(chǎn)生力的相互作用, 造成車(chē)輪和軌道的振動(dòng)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(chē)輛非動(dòng)力噪聲
主要是指制動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)施制動(dòng)時(shí)閘瓦與制動(dòng)盤(pán)之間的摩擦振動(dòng), 它激發(fā)制動(dòng)閘瓦片、閘瓦托架以及制動(dòng)盤(pán)等產(chǎn)生自激振動(dòng)形成噪聲。此外, 還有制動(dòng)懸掛連接件之間的間隙在運(yùn)行中相互撞擊產(chǎn)生的噪聲等。
1. 3 牽引動(dòng)力系統(tǒng)噪聲
牽引系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲, 包括牽引電機(jī)及其冷卻風(fēng)扇、齒輪箱以及空氣壓縮機(jī)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(chē)裙與車(chē)下吸聲處理相結(jié)合的措施可降低噪聲。
1. 4 高架軌道噪聲
當(dāng)列車(chē)行駛在高架鐵路上時(shí), 輪軌相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)軌道傳遞給支承結(jié)構(gòu), 支承結(jié)構(gòu)將噪聲向周邊地區(qū)進(jìn)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(dòng)的技術(shù)著手, 另一方面從限制傳遞給高架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)考慮。沿軌道側(cè)面設(shè)置聲屏障, 可以降低鋼軌噪聲向周?chē)貐^(qū)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(chǎn)生的振動(dòng)被傳遞給隧道結(jié)構(gòu), 繼而又傳向周?chē)耐寥馈Ｕ駝?dòng)通過(guò)土壤再向鄰近的建筑物傳播, 從而導(dǎo)致地下及墻壁的振動(dòng)和噪聲向建筑物內(nèi)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(dòng)的措施:
(1) 車(chē)輪踏面的鏇修、鋼軌面的磨削以及采用無(wú)縫鋼軌代替接縫鋼軌等, 都有利于衰減輪軌相互作用而產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲, 同樣也適用于降低地面承載噪聲和振動(dòng)。
(2) 在軌道和路基之間鋪設(shè)一層彈性材料, 可以起到減弱振動(dòng)傳遞的作用。另一種有效的措施是裝設(shè)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(shè)置一層彈性墊板, 這種結(jié)構(gòu)可以削弱被傳遞到隧道墻壁的振動(dòng)噪聲達(dá)10 dB(A)～ 20 dB 3.(A )。
(3) 在軌道和路基面之間采用碎石構(gòu)成的道床, 可以起到衰減從鋼軌向路基傳遞的振動(dòng)和噪聲, 這種道床還可以降低車(chē)內(nèi)噪聲級(jí), 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(píng)價(jià)與標(biāo)準(zhǔn)
目前, 國(guó)際上還沒(méi)有一套標(biāo)準(zhǔn)的城市軌道交通噪聲的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo), 可參考工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家以及國(guó)際性大都市擬訂適用于本國(guó)和本市的軌道交通噪聲測(cè)量以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。另外, 可供借鑒的還有國(guó)際鐵路標(biāo)準(zhǔn)化組織( ISO ) 的《聲學(xué)2軌道車(chē)輛內(nèi)部噪聲測(cè)量》( ISO 3381—1976 (E) ) 、我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛內(nèi)部噪聲測(cè)量》(GB ?《鐵路機(jī)車(chē)司機(jī)室噪聲T3449—94)、允許值》(GB ?《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》
T3450—94)、(GB3096—82) 等。
最常用的幾種評(píng)價(jià)方法有:A 計(jì)權(quán)聲級(jí)、等效連續(xù)聲級(jí)、響度級(jí)、語(yǔ)言干擾級(jí)。除此之外, 較有名的還有感覺(jué)噪聲級(jí)、更佳噪聲標(biāo)準(zhǔn)(PN C) 曲線、噪聲污染級(jí)、晝夜等效級(jí)、噪聲沖擊指數(shù)、噪聲掩蔽等等。
城市軌道交通的噪聲級(jí)的強(qiáng)度直接與系統(tǒng)的特性有關(guān)。軌道設(shè)置的位置, 即設(shè)于地下、地面或高架等, 都是影響噪聲級(jí)的決定因素。地下鐵道一般比地面軌道產(chǎn)生更大的車(chē)內(nèi)噪聲級(jí)。高架鐵路軌道產(chǎn)生的路邊噪聲級(jí)比地面軌道的噪聲級(jí)要高。其他影響因素還有列車(chē)的運(yùn)行速度、采用鋼軌型式、車(chē)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(yùn)載設(shè)備使用時(shí)間長(zhǎng)短是噪聲級(jí)的另一個(gè)決定因素。使用年久的車(chē)輛車(chē)內(nèi)噪聲級(jí)一般較高, 新出廠車(chē)輛和車(chē)站由于采用了許多聲學(xué)上的處理, 車(chē)內(nèi)和車(chē)站噪聲級(jí)都會(huì)有明顯降低。路邊噪聲級(jí)在新舊系統(tǒng)中的差異并不像其他噪聲那么大, 而更多地受到列車(chē)運(yùn)行速度和輪軌狀況的影響。
美國(guó)公共交通協(xié)會(huì)所制定的噪聲級(jí)指標(biāo)是以確保私人談話能以正常聲音進(jìn)行而設(shè)計(jì)制定的。在背景噪聲級(jí)為78 dB(A) 時(shí), 人們?cè)?135 m 的距離處可以用正常的聲音進(jìn)行談話, 但當(dāng)背景噪聲級(jí)達(dá)83 dB(A) 時(shí), 為使對(duì)方能聽(tīng)見(jiàn)自己的聲音, 他們必須要提高嗓音。按該指標(biāo)規(guī)定, 根據(jù)城市軌道交通類(lèi)型的不同, 可接受的最大車(chē)內(nèi)噪聲應(yīng)在70 dB(A)～ 80 dB(A), 站內(nèi)噪聲75 dB (A)～ 85 dB(A)。對(duì)于地鐵來(lái)說(shuō), 噪聲級(jí)的上限可設(shè)得高些, 因?yàn)閷⑺脑肼暭?jí)降到與地面鐵路相同的程度是極其困難的, 在經(jīng)濟(jì)上也是極其昂貴的。路邊噪聲級(jí)的上限隨路邊地區(qū)建筑物和地面類(lèi)型的不同而有所差異, 其上限值在居民區(qū)為70 dB(A)、在工業(yè)區(qū)為85 dB(A) 的范圍內(nèi)變化(距線路中心線15 m 處)。我國(guó)《地下鐵道車(chē)輛通用技術(shù)條件》(GB ? T7928—87) 規(guī)定: 司機(jī)室內(nèi)的噪聲不超過(guò)80 dB(A), 客室內(nèi)的噪聲以不超過(guò)83 dB (A) 為限。可供參考的還有我國(guó)《鐵路機(jī)車(chē)司機(jī)室噪聲允許值》規(guī)定, 鐵路新造、大修后的內(nèi)燃、電力機(jī)車(chē)司機(jī)室內(nèi)部穩(wěn)定噪聲應(yīng)在78 dB(A)～ 80 dB(A), 添加間隙噪聲后的等效聲級(jí)應(yīng)不超過(guò)85 dB(A)。
3 控制和降低列車(chē)輻射噪聲的措施
3. 1 線路環(huán)境噪聲的組成及列車(chē)輻射噪聲的特征
軌道交通沿線的環(huán)境噪聲主要由列車(chē)輻射的穩(wěn)態(tài)噪聲和與列車(chē)有關(guān)的間歇噪聲組成。穩(wěn)態(tài)噪聲有輪軌噪聲、車(chē)輛動(dòng)力裝置與輔助系統(tǒng)噪聲以及高速運(yùn)行時(shí)的空氣動(dòng)力噪聲等。間歇噪聲包括過(guò)曲線、道岔, 制動(dòng), 鳴笛, 交會(huì)和調(diào)車(chē)所引起的噪聲。
通過(guò)對(duì)列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲的測(cè)試與分析研究, 可知:
(1) 列車(chē)運(yùn)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(dòng)力裝置噪聲和列車(chē)聲學(xué)特性所決定。當(dāng)車(chē)速超過(guò)h～ 60 km ～50 km /h 時(shí), 輪軌噪聲對(duì)列車(chē)輻射噪聲起主導(dǎo)作用。
(2) 在相同條件下, 車(chē)型不同,A 聲級(jí)也不同, 這主要是由于不同機(jī)車(chē)車(chē)輛聲學(xué)處理方法不同, 一般客車(chē)比貨車(chē)稍低。
(3) 列車(chē)輻射噪聲級(jí)隨運(yùn)行速度的提高而增加, 列車(chē)種類(lèi)、線路結(jié)構(gòu)、軌枕、軌道等對(duì)其均有影響。
(4) 列車(chē)輻射噪聲沿垂直于軌道方向的不同距離的衰減規(guī)律如圖1 所示。由圖可知, 測(cè)點(diǎn)從3m 移到25 m ,A 聲級(jí)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(cè)得的列車(chē)輻射噪聲級(jí)。由圖可知, 隨測(cè)點(diǎn)高度的升高,A 聲級(jí)增加, 開(kāi)始時(shí)增加較快, 測(cè)點(diǎn)到一定高度后增長(zhǎng)減緩, 直至不增加。
圖1 列車(chē)輻射噪聲沿垂直軌道距離衰減曲線(圖中1、2 分別為測(cè)點(diǎn)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(chē)輪。在車(chē)輪的輪輞與輻板之間加設(shè)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(dòng)轉(zhuǎn)化成熱能, 吸收和衰減一部分噪聲。據(jù)日本資料介紹, 彈性車(chē)輪對(duì)水平和垂直激擾的消聲效果相對(duì)于全鋼整體車(chē)輪可降低噪聲達(dá)10 dB(A)～ 20 dB(A)。
(2) 選擇具有抑制“ 卡滯2滑動(dòng)效應(yīng)”的鋼軌材料, 用特制的具有摩擦剩磁效應(yīng)和滑動(dòng)性的低合金鋼15N iCuM oN b5、50CrM oV 4 和14N iCr14, 可使曲線運(yùn)行時(shí)軌道與車(chē)輪運(yùn)行方向之間的臨界傾角增大。即在不改變轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)前提下, 通過(guò)
圖2 列車(chē)輻射噪聲沿更改鋼軌用鋼, 降低車(chē)輛通
高度分布情況過(guò)曲線時(shí)的噪聲, 增大軌道與車(chē)輪運(yùn)行方向之間的臨界傾斜角, 使得轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)不產(chǎn)生輪軌噪聲的最小曲線半徑減小。除此之外, 磨削車(chē)輪踏面和鋼軌軌面, 提高其光潔度, 車(chē)輪和鋼軌的材料合理匹配, 也是降低滾動(dòng)噪聲行之有效的措施。
3. 2. 2 制動(dòng)噪聲
閘瓦制動(dòng)會(huì)使車(chē)輪踏面周期性地變得粗糙, 甚至出現(xiàn)局部熔結(jié), 使踏面出現(xiàn)所謂的波浪形磨耗, 由此加劇了輪軌噪聲。采用盤(pán)形制動(dòng)代替閘瓦制動(dòng), 改善了踏面狀態(tài), 消除了波浪形磨耗, 可降低輪軌噪聲達(dá)8 dB (A )。在盤(pán)形制動(dòng)上采用合成閘瓦(粉末冶金燒結(jié)閘瓦), 其所產(chǎn)生的制動(dòng)噪聲將比裝用鑄鐵閘瓦低。為減少制動(dòng)噪聲, 還可在制動(dòng)組件上添加減振裝置, 例如在閘瓦托架裝設(shè)阻尼裝置, 在閘瓦和托架的連接上采用預(yù)張緊裝置。采用這種措施后可降低噪聲達(dá)20 dB(A)。
3. 2. 3 轉(zhuǎn)向架各構(gòu)件的聲輻射和傳遞特性以及輔助隔音措施
由于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和搖枕大多為空腹的承載結(jié)構(gòu), 彼此之間均采用橡膠連接元件或空氣彈簧懸掛。這種結(jié)構(gòu)能將各個(gè)聲源相互隔離從而衰減噪聲。其余的幾個(gè)直接激發(fā)噪聲的構(gòu)件, 如輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置、盤(pán)形制動(dòng)和車(chē)輪等, 可通過(guò)以上介紹的措施抑制和衰減其噪聲。
另外, 在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)面設(shè)置隔聲罩和在線路兩側(cè)設(shè)隔聲墻, 可以降低和衰減滾動(dòng)和制動(dòng)噪聲。不過(guò), 這種措施投資高, 困難大。
3. 2. 4 列車(chē)輻射噪聲的防護(hù)措施
(1) 提高車(chē)體和門(mén)窗的隔聲性能, 降低噪聲向車(chē)內(nèi)輻射和傳遞。試驗(yàn)表明, 在車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)表面涂以石棉瀝青漿或在鋼結(jié)構(gòu)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(mén)、窗結(jié)構(gòu)也可明顯地提高隔聲性能。車(chē)體的隔墻采用雙層墻代替單層墻是提高隔聲性能、減少車(chē)內(nèi)噪聲的重要措施。
(2) 高架鐵路設(shè)置高度較低的聲屏障, 能有效地降低列車(chē)輻射噪聲對(duì)周?chē)≌挠绊憽D3 為在高架鐵路附近的住宅的不同高度布置測(cè)點(diǎn)P 1、P 2、P 3, 測(cè)得噪聲級(jí)分別為76 dB(A)、79 dB(A)、81 dB(A)。低于軌道的P 1 點(diǎn)噪聲級(jí)比水平點(diǎn)P 2 低, 而高于軌道的P 3 點(diǎn)噪聲級(jí)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(shè)置高度較低的聲屏障, 則各測(cè)點(diǎn)聲級(jí)均有較大幅度的下降, 下部測(cè)點(diǎn)比上部更為顯著。
圖3 軌道高于住宅時(shí)噪聲測(cè)點(diǎn)的布置簡(jiǎn)圖
1.(3) 試驗(yàn)表明, 站臺(tái)對(duì)列車(chē)輻射噪聲也有一定的衰減作用。
2.(4) 采用長(zhǎng)鋼軌與短鋼軌相比, 列車(chē)輻射噪聲相差6 dB(A)～ 8 dB(A)。
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