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# |$ X! C; ? ~; r" H1、噪声特征与分析
7 X) H/ `0 _ L. j9 j4 }1 k( p( ~近年来,我国城市轨道交通建设取得了很大的成就,不仅有效的改善了城市的交通环境,而且极大的促进了城市建设和经济的发展;但不可否认的是,城市轨道交通的发展也给城市的发展带来了很多负面的影响,诸如噪声、振动、电磁辐射和景观以及日照等方面,其中以城市轨道交通的振动和噪声尤其不容忽视(见图12-1)。
! q% H& g0 }, B/ S) B F各种交通工具在运营中不可避免地要产生噪声,噪声达到一定的强度将会对操作人员、乘客以及周围的行人、居民造成损害。持续不间断的高噪音会给人体带来压力感、疲劳感、甚至造成损伤神经、听力等不可挽回的后果。
# t. k3 ~4 f9 b2 O8 S1 c8 O+ r一列轨道交通车辆通过时,在地面建筑物上引起振动的持续时间,大约为10 s。在一条线路上,高峰时两个方向一小时内可以通过30对列车,或更多一些。因而,振动作用和持续时间,可以达到轨道交通总工作时间的15%~20%。因此,轨道交通运行中对城市产生的振动和噪声污染不能忽视。目前,国内尚未有地铁与轻轨交通振动与噪声标准,只能参考国家环保局制定的城市区域振动标准:“对交通干线道路两侧昼间为75 dB,夜间为72 dB”。: |- s* ?9 Z5 u+ j
我国对于减振降噪技术的研究起步较晚,随着我国第一条城市高架轨道交通线---上海市轨道交通三号线的通车运营以及地铁二号线东延伸段、共和新路高架线路的开通,沿线部分地段的振动和噪声问题引起了社会的广泛关注(见图12-2)。
# m! B4 a( G$ Y! h6 \, D, o1 a- I噪声可通过声源(即噪声的发源地,可能是机械的、化学的、电化的,以及生物的等等),途径(即噪声是如何进行传送的)以及接受点(怕听见噪声的人所处的位置)这3个方面进行分类和研究。$ u9 W7 w" P0 T4 E' d: N' J
车内的噪声由乘坐和驾驶该车的人所承受,车站内的噪声由在车站内候车人及车站工作人员所承受,而路边噪声则影响着邻近线路附近区域居住或工作的人们。
+ B. O, a! V) T& J各种类型的噪声可能来自一个或几个的噪声源。这些噪声源沿着各种各样的途径进行传播和扩散。了解声源、途径和接受点就可以有针对性地寻求降低、衰减噪声的措施和途径,对现存的噪声进行防护,最大限度地降低对人体造成的损伤。
) j _7 y& H, J4 J" C* I/ `12-1 城市轨道交通振动与噪声源分析
- D X# K% n2 D6 T* e& V: x12-1-1 轮轨噪声9 R4 o+ K# a9 M
钢轨与车轮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。; G- B$ H/ \# o1 G3 F& {7 k% c
轮轨噪声有3种主要类型:摩擦噪声、撞击噪声和轰鸣噪声。
" R5 X) b, q% u. F每一种均由相对应的机械结构所产生。
/ X: R: ~ _9 n1.摩擦噪声(或尖啸声)+ u9 o$ B4 c& ]. s9 n0 O
一般的转向架式车辆,轮对车轴平行地配置于转向架构架中,当运行在小半径曲线线路时,车轮沿曲线钢轨并非纯滚动运行,要产生局部的横向滑动,即所谓“卡滞一滑动效应”。这种曲线轨道对车轮对不完善的导向造成“卡滞一滑动效应”,结合车轮和轨道的振动响应,形成一种高频的尖啸声。影响这种摩擦噪声因素最主要的是曲线半径、转向架轴距、车轮振动阻尼特性,以及轮轨表面之间的粘着系数和所采用的材料等。
, ` h3 v, P$ L! g `2.撞击噪声
, C7 Z& _$ _' q( G+ K2 p它是由车轮或钢轨表面的不平顺所产生。这种不平顺包括钢轨接头的缝隙,轨面擦伤和车轮踏面局部磨损、扁疤。钢轨接头的台阶和折角使车辆行驶时发出“卡塔一卡塔”的撞击声,研究结果表明,如果两钢轨末端接头处于同等高度,那么撞击噪声是微不足道的。如果车辆正在行驶所处的第一条钢轨其末端比前面与其相接的第二条钢轨端头的位置高,即所谓处于下台阶情况,噪声就随着车速的加快而增长至某一定值,车速再增长它基本保持恒定值。当第一条钢轨末端比第二条钢轨连接端头所处的位置低时,即所谓升高台阶处,那么噪声随着车速的提高而不断增长。这样升高台阶就成为一个较严重的噪声源。由车轮踏面扁疤所引起的噪声与钢轨接头下台阶处的情况相似,车速超过了某一定值噪声级就不再增长了。% f3 Q% @4 s' k( H) u* H$ E6 I
3.轰鸣噪声(或滚动噪声)
& E- f2 `& J b2 q5 }; ?轰鸣噪声是由于车轮和钢轨接触表面局部小面积粗糙所造成。研究结果表明,轮轨接触区域越大,所产生的轰鸣噪声就越少,当轰鸣噪声达到顶点的频率时钢轨将成为主要噪声源。减小轮轨接触面的粗糙度是降低轰鸣噪声行之有效的途径。% v; w" e) V- g+ P
12-1-2 车辆非动力噪声# Z9 w0 \ ?0 S! n7 ^
车辆非动力噪声主要指制动系统中在实施制动时闸瓦与制动盘之间摩擦振动,它激发制动闸瓦片、闸瓦托架以及制动盘等产生自激振动形成噪声。
$ ~7 @) w% s7 r9 @( D6 k# b车辆的非动力噪声还有制动系统中悬挂连接和支座中所使用的许多销套,由于销套与销轴之间的间隙在运行中相互撞击而产生噪声。此外还有车辆的辅助系统(空调装置、空压机等)所辐射的噪声。
9 `: d* c. Q3 m, m0 \4 e1 u( j12-1-3 牵引动力系统噪声( a) D# a X5 o1 ]8 B
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 ^# n* \0 w/ [' |, @3 J$ w: E
近来,对混凝土高架铁路的研究表明,混凝土高架铁路上的牵引动力系统噪声级比地面道床轨道上的噪声级高5dB(A)。这主要是因为高架铁路上轨道下面缺少吸音材料,如道碴、泥土等。
% G, v" ~ ?( x" |2 l在车体向下延伸部分装设车裙,可起到阻挡牵引系统噪声由底架向外辐射的作用。车裙在与车下吸声装置相结合后能使混凝土高架铁路上的牵引系统噪声降低5dB(A)。使用车裙和车下吸声装置可使对声屏障的需要减少到一半,故在经济上是有效益的。
6 K/ w2 e$ f" X g( W12-1-4 高架轨道噪声
# y5 y( Q8 D' v5 U3 O$ } Y由高架结构的振动而辐射的振动与噪声。当列车行驶在高架结构上时,轮轨相互作用所产生的振动通过轨道传递给支承结构,将激发高架结构结构梁、柱的振动而辐射噪声,特别带有“空腔”的结构如箱形梁起到乐器“共鸣箱”的作用,二次辐射的噪声不可忽视。支承结构将噪声向周边地区进行传播,它比之列车行驶于一般的路堤带坡度道床时所产生的噪声级要高得多,一般要高20 dB(A)。(见图12-2)。1 L+ F8 g# L1 l# l6 m# F3 U
针对这3种高架轨道交通线路进行现场测量,结果发现,在高频状态下,钢轨为主要噪声源,而中频的主要声源是箱型梁。所以为大幅度地降低噪声级,就必须同时降低钢轨和结构梁的噪声。6 |; w. n$ ~" W" [' [- K
12-1-5 地下铁道的地面承载噪声
4 f) j& R! E8 q9 y2 N& \7 `. c2 ]地下铁道轮轨间相互作用而产生的振动被传递给隧道结构,继而又传向周围的土壤。振动通过土壤再向邻近的建筑物传播从而导致地下及墙壁的振动和噪声向建筑物内房间的第二次辐射,它是一种低频声响,就如同外界振动使房间中的窗户所发出的“喀喀”声响。(见图12-1)! {3 P" F) d' R4 m' m; k
地面承载噪声和振动是一个相当严重的干扰源,它也是公众向交通部门抱怨的一个主要对象。因此更有效地预测和抑制地面承载噪声和振动,对缓和这类社会问题具有现实意义。
0 z% z* [8 h2 q( K! @5 Z T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陷的部分,车顶的受电弓等,在空气中高速移动时,周围空气在非恒定的气流中发生变化,从而产生空气动力噪声。风洞试验表明,物体产生的空气动力噪声与空气的流速呈6次方关系增加。通过对车头形状的流线型处理,对于突出于车体的某些设备或装置的结构进行改进或将其移到可用隔音罩予以屏蔽的车体下部,均可抑制非恒定涡流的发生,降低空气动力噪声,从而减少噪声对沿线的影响。/ L( o+ ]7 \0 a4 w
12-2 地铁与高架轨道交通噪声特征分析
_! h% V, @' T4 D- v12-2-1 线路环境噪声的组成及列车辐射噪声的特征5 i! ~0 f, B+ h! X- m u
轨道交通沿线的环境噪声主要由以下两部分组成:
7 N4 c" n0 e+ [0 X8 H' f, kl. 列车辐射的稳态噪声* ]* w/ I f5 V; t" D5 L
包括列车运行时轮轨相互作用产生的轮轨噪声、车辆动力装置和辅助系统辐射的噪声以及高速运行时的空气动力噪声等。
$ D* V8 K i2 U* E2. 与行车有关的间歇噪声* x5 g+ t+ I' u+ j/ H8 t$ M# t
包括通过曲线、道岔、制动、鸣笛、交会和调车连挂所引起的噪声。
* y! h0 O s8 [" A: Q# [12-2-2 曲线运行轮轨摩擦噪声的形成原因及影响因素
3 h6 N$ Q- M8 F3 m4 d: h有转向架车辆,由于两轮对平行配置于构架,在通过小半径曲线时车轮相对于钢轨产生横向滑动,往往要发出尖啸的噪声,即所谓“卡滞一滑动效应”。这种效应是由于在轮轨系统碳素钢珠光体的粘着作用,以及摩擦系数在数值上受气候的影响有很大变化,在干燥的气候噪声强度十分可观,而在潮湿有雾气的条件下可能完全消失(见图12-6)。
: ]5 F( Y( q1 |& L2 M: d U( r+ D这种尖啸声的噪声源在于车轮轮辋的轴向弯曲振动,其固有振动的频率范围为500HZ~1500Hz。
$ w% \7 o5 B1 c3 D4 I7 j/ ]% ~/ B“卡滞一滑动效应”也可能由车轮的纵向滑动分量产生,与其对应的为轮对的扭转振动,属于低频范畴,其声音几乎觉察不出来。
. u- Q" a* @' A& S在曲线上,当曲线与车轮方向之间的偏角αbi达到临界角αkrit≥0.3°时,就要出现曲线噪声。根据曲线半径R,转向架轮对轴距la 与偏角αi之间的关系,可以导出在常用轮轨钢时,曲线运行无噪声条件下转向架轮对轴距与曲线半径近似配置尺寸关系为表12-1所示。
F, [) [8 Z) N* n* R; S地铁和轻轨在选线时受到原有设施或建筑物的限制,最小曲线半径往往比较小,而转向架轴距由于结构和设备安装的要求也不可能进一步减缩,为了抑制曲线运行的噪声有必要采取附加的措施。1 J# E0 L. U% s( P! k; ^
12-2-3 地下铁道和高架线路的振动、噪音特征5 X0 B) c7 y, f( G: O; {6 {3 S
1 地下铁道的振动、噪声特征
* ~% L: P: r- v; V# ^; F地铁振动与噪声的授体是地铁工作人员、乘客及地铁沿线的居民。影响范围包括列车车厢、驾驶室、车站站台、集散厅、工作值班室及地铁沿线地面建筑物内。实测表明,影响地铁振动与噪声污染强弱的主要因素是:车辆类型、列车长度、列车速度、车站结构、地质状况、支撑轨道的结构形式及轨道扣件的种类、地铁沿线居民距离隧道的远近等。7 ]& \) v+ i/ h } R! W) X
地铁站内的噪声特征不同于露天环境,声波在地下空间传播时,由于界面的反射及不同程度的空气吸收,造成声能在空间发生变化,而产生一系列不同于露天传播情况的声学特征。3 H: _& m# E, [4 G$ W
站内对声音的影响是:①引起一系列的反射声;②与露天不同的音质;③声能密度的增加;④声音在空间分布发生变化。地铁车站站台和集散厅属大型站厅,各个方向的尺度都比声波波长大几倍、几十倍甚至几百倍。在这个范围内,站内极易激发大量的谐振波,其相位各有不同,形成地铁车站环境的特有噪声特征(混响声大)。据测试,由于室内反射声的作用,可使声音比室外提高十几个dB。" K" c9 x! s T6 j8 j% m
实测与主观感觉表明:地铁交通振动与噪声对于地下空间环境的影响重点是噪声问题,对于地铁沿线地面环境的影响重点是振动问题。
6 M, I' E" g/ a1 p+ p" B2 高架线路的振动、噪声特征
: q, i2 z7 X' L, A/ [/ g' x% {而高架轨道交通系统噪声主要由轮轨噪声和高架结构噪声组成,它的特征还有以下重要特点。5 m* a" R; A% n; O
(1)声源位置。线路高架后,轨道交通噪声的声源位置也相应升高,简化后的声源位置可与车轮中心同高,高架梁噪声的声源位置,简化后可与梁的侧表面水平中心线同高。高架轨道交通线路的噪声辐射面要比地面轨道交通线路的噪声辐射面大得多。
$ U! O7 Z! `) n4 ` ?' f' a- u. a. A(2)高架结构噪声。高架结构噪声是由轮轨相互作用而产生的结构二次噪声辐射所引起,其大小与结构类型、表面积、道床结构、轨道类型及隔振措施有关。8 _- |, l1 Q7 l/ k# h) }, J* r' F
(3)高架结构对轮轨噪声的屏障作用。高架结构对桥面以下区域,由于阻挡了轮轨噪声的传播,产生了一定的声衰减。
9 c) f4 x, V) Y6 W8 @(4)建筑物的声反射。高架轨道交通系统多在主要街道上沿街走向,如已通车的上海M3线工程基本上在中山环路内穿行,M3线高架两侧的建筑有很多中、高层建筑,列车运行噪声除地面反射外还受到建筑物的反射,形成了较强的混响声场。. _3 n; q+ q7 n0 |
(5)临街建筑物对高架轨道交通系统噪声产生声屏障作用。% A3 x6 \+ B* t c8 ]
上海、北京地铁沿线不同建筑物(砖木结构、钢筋混凝土结构)的测试结果见表12-2、表12-3、表12-4。
- f3 Z' r. ]0 B# M& }- {# l上述的测试结果对照现行环保标准,对于一般埋深(10m左右)的地下线,其中心线处地表振动超标5~10dB左右,超过30米后混凝土基础的建筑物大大降低。对高架线路,其峰值噪声桥面以上部分大于桥面以下,一般超标在10~15dB左右,建筑物距线路中心的距离不同,噪声值也有所衰减,距离线路中心30m处,可衰减5dB左右。箱梁下的噪声高达80分贝以上,说明钢轨扣件和轨下基础减振效果差,轮轨动力作用直接传递到梁体,引起较大的二次噪声。$ z. J Q0 I: a) ~
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