現代有軌電車的車外噪聲控制方法

陳士斌 吳健 徐金龍

摘 要：現代有軌電車作為一種熱門的出行方式受到越來越多的追捧，但其在城市中運行時產生的噪聲污染也成為一個亟待解決的環境問題。本文從實際工程經驗出發介紹了影響車外噪聲的主要因素并針對這些因素可以采取的措施進行了簡要說明，這些經驗方法為有軌電車車外噪聲控制提供了方向和依據。

關鍵詞：有軌電車；車外噪聲；聲學控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.002

1 車外噪聲的危害及影響

1.1 有軌電車的發展史

20世紀初，有軌電車作為一種新的交通方式在歐洲、美洲、大洋洲和亞洲的一些城市開始出現并廣受歡迎，僅美國就有370余個城市建有有軌電車[1]?，F代有軌電車因為在建設成本、建設周期、線路施工難度等方面具有優勢，所以再次在城市軌道交通的規劃中受到追捧。

1.2 有軌電車運行時對環境的影響

有軌電車在運行線路的選擇上主要考慮客流因素，這樣的線路設計不可避免的要途徑商圈、醫院、學校、居民住宅區、政府辦公區等一個或多個對噪聲指標敏感的地段，它們的開通運行加劇了這些區域的噪聲污染。

2 車外噪聲的產生及主要影響因素

影響車外噪聲的因素很多，主要是牽引系統噪聲和輪軌噪聲。牽引系統噪聲來自于牽引電機和齒輪箱運行時的工作噪聲。輪軌噪聲來自于車輪和軌道接觸耦合后產生的振動噪聲。牽引電機工作時的主要噪聲為通風噪聲。齒輪箱的噪聲主要是沖擊噪聲和自鳴噪聲。沖擊噪聲來自于齒輪嚙合時產生的輻射噪聲，自鳴噪聲是齒輪體的振動通過傳動軸引起支座振動，從而通過齒輪箱箱壁的振動而輻射出來的噪聲。牽引系統和齒輪箱的噪聲控制主要由設備的供應商完成，而輪軌噪聲的控制則由車輛制造廠商和軌道建設方配合完成。影響輪軌噪聲的主要因素有：車輛運行速度、車輪及軌道的粗糙度、軌道的結構形式、軌下墊片的剛度等。

2.1 車輛運行速度

滾動噪聲的A計權聲壓級通常與速度成正比，可表示為如下方程：

LP=LP0+Nlg（V/V0） （1）

公式1中，LP0是在參考速度V0下的聲壓級。速度的指數N由測試結果的線性回歸確定，典型值為30。這表示隨著車輛運行速度的增加，車外噪聲也相應增加[2]。

2.2 車輪及軌道的粗糙度

輪軌噪聲主要由輪軌表面的粗糙度激勵引起，車輪或鋼軌表面粗糙度激勵引起了車輪和鋼軌的垂向振動，進而輻射噪聲[3]。研究表明，車輪及軌道粗糙度容易引起車輪及軌道的振動和相互作用，會激發車輪的徑向模態振動和1節圓軸向模態與徑向模態的耦合振動，這兩種振動將導致車輪在踏面位置發生較大的變形。車輪及軌道的粗糙程度越惡劣，輪軌噪聲越大。

2.3 軌道的結構形式

傳統的有砟軌道采用碎石道砟作為道床，以其鋪設方便、造價低、容易維修等優點，長期以來作為世界各國普通鐵路軌道的主要結構形式。但是輕軌車主要運行在城市的道路上，與其它車輛共享路權，無法采用有砟軌道的形式。相對于有砟軌道良好的吸聲性能，無砟軌道更容易反射軌輪噪聲及牽引系統工作時產生的噪聲，這將增加車外噪聲的控制難度。

2.4 軌下墊片的剛度

軌下墊片是軌道的重要組成部分，對輪軌噪聲有著重要的影響。軌下墊片由橡膠或者合成橡膠組成，置于軌底和軌枕之間。軌下墊片對于軌枕的保護，特別是對混凝土軌枕的保護尤為明顯，它的存在避免了混凝土軌枕在列車沖擊載荷作用下裂紋的產生。軌下墊片的剛度對于車輪及軌道的振動也有著重要的影響，軌下墊片的剛度越大，對于車輛的輪軌噪聲控制越有利。

3 有軌電車車外噪聲的控制方法

3.1 牽引系統噪聲控制

牽引系統的噪聲控制始于概念設計，例如對擬使用的牽引電機進行聲學仿真分析計算，確定最優的風扇、風路、風罩組合，提前預測產品的聲功率，減少設備生產后由于聲功率過大而引起的設計整改隱患；齒輪箱的噪聲強度與輪齒嚙合的動態激勵力、輪齒、傳動軸、軸承、箱體等的結構形式及它們之間的傳遞特性有關，所以齒輪箱也需從概念設計階段便優選高級別的齒輪制造精度和軸承精度，控制多級齒輪傳動中各嚙合激勵的相位關系，合理設計箱體的結構，使軸承支承座與箱體支點間的結構連接具有足夠的剛度，以減少系統振動產生的噪聲[4]。

3.2 輪軌關系中的噪聲控制

軌道結構形式和軌下墊片剛度這些因素與線路周圍環境有關，在實際工程應用中無法輕易變動，所以只能從車輪和軌道粗糙度等方面降低車輛運行時產生的噪聲。例如根據國際標準對建設方的軌道進行粗糙度方面的驗收，充分保證軌道粗糙度對車外噪聲的影響在合理的范圍內；在車輛進行噪聲測試之前先進行1000km以上的試運行，讓車輪和軌道的粗糙度保持在一個穩定的狀態。

3.3 傳播途徑中的噪聲控制

不論是輪軌噪聲還是牽引系統的噪聲都是從車體轉向架區域向外界傳播，為了避免車輛在運行過程中向外傳播的噪聲過大，可以采用在有軌電車的裙板處增加吸聲材料并在裙板下方增加延長橡膠的方式衰減噪聲在傳播途徑上的能量，從而減少車輛對于環境的噪聲污染。

4 結語

現代有軌電車作為一種熱門的出行方式受到了越來越多的追捧，但其在城市中運行時產生的噪聲污染也成為一個亟待解決的環境問題。從項目開始階段便著手控制影響車外噪聲的各個因素，向車輛制造方、軌道建設方、設備供應商等單位指出他們在聲學優化方面的方向和工作內容，嚴格控制影響車外噪聲的各個因素，使車外噪聲滿足相關法規和合同條款成為可能。

參考文獻：

[1]譚復興.有軌電車的前生今世[J].同濟大學，軌道交通，2016（04）.

[2]（英）David Thompson，中國鐵道科學研究院節能環保勞衛研究所（譯）.鐵路噪聲與振動：機理、模型和控制方法=RAILWAY NOISE AND VIBRATION_MECHANISMS，MODELLING NAD MEANS OF CONTROL_13590000 .科學出版社，2013（05）.

[3]王諦.低噪聲車輪振動聲輻射特性研究[D].西南交通大學，2014（05）.

[4]凌晨.淺析齒輪傳動噪音產生原因及降噪設計[J].河南油田齒輪有限公司，內江科技，2014.