地鐵沿線建筑物室內(nèi)振動與噪聲特性測試與分析
張?zhí)扃芸≌?，熊永?/p>
（同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院 ，上海 201804）
摘 要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵運行時產(chǎn)生的振動引起沿線建筑物室內(nèi)振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲問題引起人們的廣泛關(guān)注。本文基于某城市軌道交通沿線6層居民樓1樓現(xiàn)場測試，對不同扣件下地鐵沿線敏感建筑物的室內(nèi)振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲問題進行測試與分析。研究表明：地鐵沿線建筑物室內(nèi)各振動、噪聲測點峰值頻率基本一致，在扣件A工況下，峰值頻率為63Hz左右，替換為扣件B后，峰值頻率為40~50Hz左右；采用剛度較小的扣件，有利于室內(nèi)振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲的降低；雖然測得的不同測點峰值頻率一致，但振級和聲壓級大小有所不同，基本呈現(xiàn)出隨著與地鐵線路距離的增加，振級與聲壓級減小的規(guī)律。
關(guān)鍵詞：地鐵沿線；敏感建筑物；室內(nèi)振動；二次結(jié)構(gòu)噪聲；不同扣件
中圖分類號：TU311.3; TU112.3; U231 文獻標識碼：A
目前我國城市軌道交通在快速發(fā)展，隨之帶來的沿線建筑物室內(nèi)振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲問題也受到大家的廣泛關(guān)注。地鐵車輛在運行時由于輪軌間的相互作用所產(chǎn)生的振動會通過軌道結(jié)構(gòu)，例如隧道結(jié)構(gòu)和高架墩臺、 路基等向周圍環(huán)境傳播，振動在經(jīng)由建筑物基礎(chǔ)后誘發(fā)建筑物墻體、樓板等振動輻射出二次結(jié)構(gòu)噪聲。這種振動和結(jié)構(gòu)噪聲會對居民的生活、工作和休息產(chǎn)生影響[1-3] 。國內(nèi)外很多學者對此進行了研究，并得到了大量有價值的研究成果。曾澤民[4]選取了無上蓋物業(yè)的廣州地鐵車輛段受振動影響較大的咽喉區(qū)、試車線區(qū)域，進行現(xiàn)場試驗，獲得了車輛段敏感區(qū)域的地面及臨近建筑物振動傳播規(guī)律；歐陽昭[5] 基于實測數(shù)據(jù)，分析了產(chǎn)生建筑物二次輻射噪聲的主要振動方向及其頻譜分布特點；申道明[6]等就地鐵列車引起的建筑物內(nèi)的二次輻射噪聲 進行了現(xiàn)場試驗研究和評價量的探討分析，總結(jié)了運行列車引起的室內(nèi)二次輻射噪聲特性；康波[7]運用有限元軟件建立了隧道-土層-建筑物三維有限元模型以及聲學軟件建立了建筑物聲學邊界元模型，分析了地鐵列車通過時隧道及建筑結(jié)構(gòu)振動特性。Metrikine[8]通過建立二維模型分析研究了地鐵振動波對周國建筑物的影響及其傳播規(guī)律。
本文基于距某城市軌道交通地下線路25m的敏感建筑物的室內(nèi)1樓振動和噪聲現(xiàn)場測試，分析了兩種不同剛度的扣件工況下室內(nèi)振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲的頻域特性，為降低室內(nèi)振動和噪聲提供依據(jù)。
1 測試工況
為了研究不同減振扣件下地鐵沿線建筑物的室內(nèi)振 動與噪聲特性，本文進行了室內(nèi)振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲試驗。本文測試的區(qū)間為直線段，列車為B型車6節(jié)編組。測試區(qū)段先采用扣件A，后又替換為剛度較低的扣件B，其中扣件A 剛度約為50kN/mm ，扣件B 剛度約為35kN/mm，因在同一測試區(qū)間，避免了車速、線型、埋深等的影響。敏感底部距離隧道上邊線最小距離為25m，為1座6層居民樓。
本文建筑物室內(nèi)振動測試采用B&K 8340壓電振動加速度計，量程為0.5g，室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲測試采用丹麥B&K 4189 - 1/2英寸自由場傳聲器，其頻率范圍為6.3Hz-20kHz ，動態(tài)范圍為14.5-146dB。試驗過程中緊閉門窗，保持室內(nèi)安靜，關(guān)閉冰箱、熱水器等噪音干擾源， 避免人為走動、說話及其他噪聲對測量信號的干擾。為了避免室內(nèi)一階駐波對低頻二次輻射噪聲信號的影響， 測試布點選擇在距墻壁0.5m以外，近1/3-1/2 房間幾何尺寸以內(nèi)，避開房間幾何中心位置。此外，綜合考慮國內(nèi)外規(guī)范，本次測試室內(nèi)共布置3個噪聲測點， 除中心測點2以外，另一個測點1布置在墻角位置，測點3布置于居民休息和工作位置，臥室床頭附近，上述測點高度均為1.2m。此外，在室內(nèi)噪聲測點附近各布置一個振動測點 V1 、V2 、V3，測量室內(nèi)垂向加速度。測點布置示意圖詳見圖1 。圖中V1 、V2 、V3 為振動測點，S1、 S2 、S3 為噪聲測點，V1和S1離線路最近?，F(xiàn)場測試圖如圖2所示。
圖 1 測點布置示意圖
（a）室內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲測點
（b）室內(nèi)振動測點
圖 2 現(xiàn)場測試圖
2 室內(nèi)振動特性分析
2.1 分頻最大振級VLmax分析
對測得的高峰時段列車經(jīng)過時，室內(nèi)各振動測點加速度信號進行頻譜分析得到振級，并進行Z計權(quán)，進而得到各測點分頻最大振級 。其中基準加速度為1×10-6 m/s2 ，Z計權(quán)采用《JGJ/T 170-2009》規(guī)定的 Z 振級的計權(quán)因子，如表1所示。選取20組離散性較小數(shù)據(jù)進行平均，振級結(jié)果如表2所示，為了更加直觀地分析振動特性，同時采用柱狀圖分析，如圖3所示。
表 1 JGJ/T 170-2009 規(guī)定的Z振級的計權(quán)因子（dB）
中心頻率/Hz 計權(quán)因子/dB | 4 0 | 5 0 | 6.3 0 | 8 0 | 10 0 | 16 -2 |
中心頻率/Hz | 20 | 25 | 31.5 | 40 | 50 | 63 |
計權(quán)因子/dB | -4 | -6 | -8 | -10 | -12 | -14 |
中心頻率/Hz | 80 | 100 | 125 | 160 | 200 | |
計權(quán)因子/dB | -17 | -21 | -25 | -30 | -36 |
表 2 不同扣件室內(nèi)各測點分頻最大振級 VLmax 單位：dB(Z)，4-200Hz
扣件類型 | V1 | V2 | V3 | |
扣件 A | 65.32 | 58.93 | 53. 1 | |
扣件 B | 58.16 | 52.69 | 47.65 | |
差值 | 7.16 | 6.24 | 5.45 | |
圖 3 不同扣件室內(nèi)各測點分頻最大振級 VLmax 對比
（單位：dB(Z)）（4-200Hz）
從表2和圖3可以看出，列車經(jīng)過時，各振動測點分頻最大振級均在 60dB(Z)左右，且在替換前后呈現(xiàn)出 V1>V2>V3 的規(guī)律，這是由于距離線路的實際距離為 V3>V2>V1 ，說明測點 1 ，2 ，3 的振動能量隨著與線路距離的增大而逐漸減小。此外，從圖2可以看出替換后各振動測點的垂向分頻最大振級均有不同程度的減小， 均在 5~8 dB(Z)范圍內(nèi)。說明該區(qū)間替換為剛度較低的扣件B后，減振效果增加，所以振動傳遞至建筑物后室內(nèi)振動有所降低。
2.2 頻域特性分析
圖4和圖5為兩種扣件工況下列車經(jīng)過時居民樓1樓室內(nèi)垂向振動測點在Z計權(quán)方式下的1/3倍頻程對比圖。從圖中可以看出，替換扣件后各測點垂向振動在全頻段基本都有所降低。在扣件A情況下，各振動測點的峰值頻率基本都在 50~80Hz 頻段內(nèi)；更換為扣件B后， 各測點峰值頻率基本都在40Hz左右，更換扣件前后各測點 12.5Hz 附近均存在局部峰值。更換扣件后，峰值頻率降低，這與更換扣件后扣件剛度降低有關(guān)。
圖 4 振動測點 Z 計權(quán)垂向振動加速度級倍頻程圖
（扣件 A）
圖 5 振動測點 Z 計權(quán)垂向振動加速度級倍頻程圖
（扣件 B）
3 室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲特性分析
3.1 等效連續(xù)A聲級
與室內(nèi)振動數(shù)據(jù)分析方法相同，對高峰時段列車經(jīng)過測試截面時采集到的各測點噪聲信號進行頻譜分析，得到各噪聲測點等效A聲壓級LAeq ，分別如表3和圖5所示。從中可以看出在16-200Hz范圍內(nèi)，在扣件A工況下，各噪聲測點等效A聲級均在35dB(A)左右，當替換為扣件B后，各噪聲測點均在 28dB(A)左右，且與振級相同，呈現(xiàn)出測點1>測點2>測點3的規(guī)律。此外，從圖 6可以看出替換后各噪聲測點的等效A聲壓級均有不同程度的減小，均在5~6 dB(A)范圍內(nèi)。說明該區(qū)間替換為剛度較低的扣件B后，減振效果增加，由室內(nèi)振動輻射的二次結(jié)構(gòu)噪也隨之降低。
表 3 不同扣件室內(nèi)各測點等效連續(xù) A 聲級 LAeq
單位：dB(A)
扣件類型 | S1 | S2 | S3 | |
扣件 A | 36.21 | 35. 12 | 34.59 | |
扣件 B | 30.74 | 29.34 | 28.93 | |
差值 | 5.47 | 5.78 | 5.66 | |
圖 6 不同扣件室內(nèi)噪聲測點等效 A 聲壓級 LAeq
（單位：dB(A) ，16-200Hz）
3.2 頻域特征分析
圖7和圖8分別為扣件替換前后列車經(jīng)過時一樓各噪聲測點的A計權(quán)1/3倍頻程圖。可以觀察到替換前后各噪聲測點呈現(xiàn)了相似的頻譜特性，替換后峰值頻率略有所改變，聲壓級明顯降低。具體來說，替換扣件后，各噪聲測點的全局峰值頻率由63Hz左右變?yōu)?0Hz左右，峰值聲壓級降低了約3dB(A)。且與等效連續(xù)A聲級規(guī)律相同，峰值頻率處的聲壓級呈現(xiàn)出測點1>測點2> 測點3的規(guī)律。綜合分析室內(nèi)振動頻域特征可知，在相同工況下，室內(nèi)振動與其輻射的二次結(jié)構(gòu)噪聲峰值頻率基本一致。
圖 7 噪聲測點 A 計權(quán)聲壓級 1/3 倍頻程圖（扣件 A）
圖 8 噪聲測點 A 計權(quán)聲壓級 1/3 倍頻程圖（扣件 B）
4 結(jié)論
本文在對不同扣件情況下地鐵沿6層居民樓1樓室內(nèi)振動與噪聲進行現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，從頻域角度對此進行對比分析，得到以下結(jié)論：
（1）在同種扣件工況下，室內(nèi)振動與噪聲的峰值頻率基本一致，替換前均為63Hz左右，更換為扣件B后，峰值頻率變?yōu)?0Hz左右。
（2）在其它工況不變的情況下，采用剛度較小的扣件后，室內(nèi)振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲均有所降低。
（3）室內(nèi)不同位置的測點振級和聲壓級不同，基本呈現(xiàn)出距離地鐵線路越近的測點，測得的振動加速度級與噪聲聲壓級越大的規(guī)律。
參考文獻
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