城市轨道交通振动与噪声的来源
李晓林
摘 要：针对城市轨道交通系统中轨道沿线居民小区的噪声污染问题，提出了抑制噪声发射源和切断噪声的传输途径两大问题解决的思路，并具体化了噪声控制工程设计流程。重点研究了城市轨道交通噪声源的产生机理及城市轨道交通噪声的控制技术。
关键词：轨道交通 振动 传输途径 噪声控制
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0017-02
Abstract： Aiming at the problem of noise pollution in the residential area along the track in the urban rail transit system， this paper puts forward two ideas to solve the problem of noise transmission and cutting noise. And specificized the noise control engineering design process. This paper focuses on the mechanism of the noise source of urban rail transit and the control technology of urban rail transit noise.
Key Words：Rail transit；Vibration；Transmission path；Noise control
1 城市轨道交通噪声概述
随着国民经济增长形势的迅速发展，我国的城市化进程进入了高速发展时期，城市的市区面积不断扩大，人口快速增加，百万以上人口的城市目前已经超过140座，在有限的空间内容纳如此多的人口，必然导致城市交通形势的严峻化。城市轨道交通是我国城市交通体系中必不可少的重要环节，发展完善的城市轨道交通系统有助于城市形成多层次、立体化、智能化的现代交通体系，促进土地开发利用的有效化。但城市轨道交通的发展过程中也伴随了许多的问题，其中城市轨道交通系统产生的噪声污染影响了城市轨道交通沿线居民住宅区中居民的正常生活，由此导致的投诉等活动在部分程度上抑制了城轨交通系统的可持续发展性。因此，研究城市轨道交通沿线居民住宅区噪声控制技术对城市轨道交通的现代化和谐发展具有重要意义。
城市轨道交通噪声由多方面因源产生，相应其处理及抑制措施也是多方面的。总体上，城市轨道交通系统的噪声传播由三大要素组成，分别为噪声发生源、噪声的传输途径和噪声的敏感对象。城市轨道交通沿线居民小区的人群为典型的噪声敏感对象，但显然不能要求居民小区的人群提高噪声承受能力，因此研究城市轨道交通沿线居民小区的噪声控制应当从两个方面考虑，即噪声发生源的抑制及噪声传输途径的切断。
2 城市轨道交通噪声发生源的产生机理
分析城市轨道交通噪声发生源产生的机理，是研究噪声发生源的抑制及噪声传输途径切断方法的前提条件。城市軌道交通系统的典型噪声发生源包括：轮轨噪声、动力系统噪声、制动系统噪声、特定结构噪声、气动噪声及接触网噪声等。
2.1 轮轨噪声
主要由车轮踏面和钢轨表面间的结构不平衡引发。这是因为车轮踏面及钢轨表面均不是绝对平滑，而是存在粗糙、凸凹不平等原生性加工不平，并且在长期运行中存在表面伤痕。由此导致列车在钢轨上的运行轨迹不是单纯的滚动，而在滚动的同时在微小范围内产生跳动，造成轮间出现一定强度的冲击，进而使钢轨和车轮产生强迫振动而发出噪声，通过空气等介质向外界辐射声波。轮轨噪声是城市轨道交通系统的主要噪声源之一。
2.2 动力系统噪声
主要来自列车上的牵引电（动）机、气体压缩机、发电机及齿轮箱等设备，在上述设备运转时，均会产生一定程度的动力噪声，该类噪声的强弱取决于列车本身的性能好坏。动力系统噪声是城市轨道交通系统的主要噪声源之一。
2.3 非动力系统噪声
主要由制动系统产生。一方面，制动系统在实施制动过程中，闸瓦与制动盘之间摩擦，产生振动，这种振动将激发制动盘等各制动系统部件产生自激发振动，生成噪声发生源；另一方面，列车运行过程中，存在间隙的制动悬挂连接件之间相互撞击产生碰撞噪声。
2.4 特定结构噪声
城市轨道交通系统通常运行于地下、地面及高架结构三种线路结构。其中运行于地下及高架线路时，会产生较强的特定结构噪声。列车在地下行驶过程中，列车系统和轨道的振动会激起地下隧道的振动，引起地下隧道附近一定范围内的建筑物出现振动，进而导致噪声源对建筑物内部空间的次生辐射问题，同时列车在地下隧道高速行驶过程中，由于隧道的封闭性及狭长结构，会生成高强度的活塞风噪声源。列车在高架桥（路）结构上行驶的过程中，会激发该结构的振动，向线路周边的建筑物辐射噪声。
上述四大噪声分量构成了城市轨道交通噪声的主要来源。此外，城市轨道交通系统的噪声来源还包括气动噪声及接触网噪声，但这两个噪声分量通常较低。
若已知各噪声分量的强度，可以采用下式计算噪声合成：
式中，L为列车通过时的综合噪声，LR为轮轨噪声，LS为动力系统噪声，LP为制动系统噪声，LA为特性结构噪声。
3 城市轨道交通噪声的危害及其控制技术
在城市轨道交通系统的发展过程中，针对城市轨道交通沿线居民小区的噪声控制是必须解决的问题。这是因为噪声级越高，对居民的危害性越大，即便噪声级较低，虽然不能直接危害居民的健康，但仍然会影响和干扰居民的正常活动。噪声对居民的危害主要表现在：造成居民的听觉疲劳或听力损伤；影响居民的身体健康；扰乱睡眠；对儿童学习造成不良影响，总之，噪声极大地影响居民们的工作和正常生活。噪声控制的基本程序应从噪声源特性调查入手，通过传输途径的分析、轨道交通沿线居民调查、确定降噪量等步骤，确定噪声控制工程最佳方案并进行实施，工程结束后对噪声控制工程进行评价，依据评价的结果决定是交付工程还是返工。
该文重点研究降噪量确定后控制方案的制定。城市轨道交通沿线居民小区的噪声控制应当从两个方面考虑，即噪声源的抑制及切断噪声的传输途径。
3.1 噪声源的抑制
对于轮轨噪声源发生强度的抑制，需要采用优化轨道结构的方法，减少受激振动源，以降低轮轨噪声强度。此外，还可以采用振动分析的方法预测轨道结构的力学参数，从而修改轨道结构来抑制振动噪声源。对于车辆设备中的噪声发生源，需要降低车辆的总重，从减小车轮与轨道间的作用力的角度来降低噪声，另一方面，对于车轮，可以采用柔性车轮处理技术进行处理，包括弹性车轮等技术，以便于吸收和衰减车轮噪声发生源的强度。对于列车的动力系统，可以采用直线电机牵引使旋转运动转换成直线运动，省去部分相关传动机构进而从根源上减少噪声发生源的强度。在轨道结构方面，可以利用径向转向架消除列车运行在曲线上时产生的高频声音。
对于隧道和高架结构的振动生成噪声发射源，需要进行特殊处理。地下隧道近区内建筑物的地基处可以设置弹性装置来降低振动强度。对于隔震稳定性要求很高的建筑物，如光学传递函数实验室等，应使轨道交通线路应尽可能绕避建筑物，若实在无法实现则需要迁移建筑物。高架桥建立采用混凝土构成的梁，尽量少采用金属材质的梁。在集电系统方面，合理评估需要安装集电弓的数量，去除不必要的集电弓并安装外罩。
3.2 切断噪声的传输途径
城市轨道交通噪声传输的主要途径是气体和部分固体，其中主要为空气。切断噪声传输途径的基本原则是在噪声发生源和噪声敏感对象之间设置障碍物以屏蔽声波的直线傳输，使噪声敏感对象只接受透射或绕射而来的声波，同时，固体材料形成屏障本身均具有一定吸音性能，可以使传输途径中声波消耗能量，进而降低噪声敏感对象处的声能强度。具体可采用的措施包括：在城市轨道两侧设置声波隔离屏障。可利用轨道沿线的各种非功能性建筑物作为声波隔离屏障，也可以专门设计隔离音墙来有效控制声波的透射和绕射，隔音墙的具体设计可以依据国家有关设计标准。此外，可以在线路两侧种植高密度林木，形成消声屏障。
4 结语
轨道交通具有高运力、低污染、低误时率、不堵车等优点，是我国城市交通体系发展的重点。但随着我国城市轨道交通规模的高速发展，轨道交通的噪声污染问题日渐成为城市环境污染的突出因素之一，由此导致的投诉及法律纠纷甚至会影响城市轨道交通的发展进程。该文研究了城市轨道交通沿线居民住宅区噪声控制技术，对城市轨道交通的绿色现代化和谐发展具有重要意义。
参考文献
[1] 曾钦娥，雷晓燕.高架轨道轮轨噪声预测分析[J].城市轨道交通研究，2016，19（2）：11-14.
[2] 王小宁，张楠，孙奇.城市轨道交通桥梁振动及噪声辐射研究[J].铁道建筑，2014（1）：11-15.
[3] 冯登宇，耿传智.城市轨道交通高架线噪声实测及传播规律研究[J].现代城市轨道交通，2015（5）：40-44.
[4] 芦垒.轨道交通声屏障声学设计思路探讨[J].交通节能与环保，2015，11（2）：65-67.
