軌道交通工具(火車、地鐵列車、輕軌列車等)在行駛過程中產(chǎn)生噪聲的機理復(fù)雜多樣，而且噪聲問題不僅對乘客或沿線居民造成困擾，還在一定程度上制約著軌道交通技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

這篇文章首先闡明噪聲的定義，隨后簡要地介紹軌道交通的噪聲問題，最后介紹6類主要的噪聲產(chǎn)生機理及其相應(yīng)的減振降噪措施。

(1).噪聲的定義聲學(xué)的定義上，“噪聲”與“純音”是相互區(qū)別的一對概念，兩者的區(qū)別在于：噪聲的波形是不規(guī)則或隨機的；純音的聲波幅值隨時間出現(xiàn)正弦波波形。

現(xiàn)實中存在的絕大多數(shù)聲音都是由大量頻率不同的聲波互相疊加形成的，由此形成的聲音呈現(xiàn)出不規(guī)則或隨機的波形。

因此，前述的噪聲定義與工程實際應(yīng)用是相互脫節(jié)的，因為據(jù)此定義，大多數(shù)的聲音都屬于噪聲。

于是，工程技術(shù)上以人對聲音的感受作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，將人耳不愿聽到的聲音統(tǒng)稱為噪聲。

一般而言，噪聲會引起煩躁情緒，而音量過強的噪聲會危害人體健康，高頻高強度的噪聲還可能造成工程結(jié)構(gòu)物的疲勞破壞。

國內(nèi)一般以“鐵路邊界噪聲限值”來限制列車行駛產(chǎn)生的噪聲，即在距離鐵路外側(cè)軌道中心線30m處的噪聲等效聲級不應(yīng)高于該限值。

對于城市鐵路而言，該限值為70dB。

圖2.鐵路邊界噪聲限值及其測量方法(1991)(2).噪聲對軌道交通技術(shù)應(yīng)用的制約對于速度較低的軌道交通工具，例如普速火車、地鐵、輕軌等，列車運行的動態(tài)環(huán)境以機械與電氣作用為主；對于高速運行的軌道交通工具，例如高速列車(所謂的高鐵)、磁懸浮列車等，列車的動態(tài)環(huán)境以氣動作用為主。

這就是說，隨著列車運行速度的提高，列車的主要噪聲源逐步由機械/電氣噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈩釉肼暋?/p>

因此車速提高的同時，噪聲的強度和頻率成分也隨之上升。

圖3.列車噪聲源與速度的關(guān)系-出自文獻(xiàn)[1]而當(dāng)更高速度的軌道交通技術(shù)成為可能時，噪聲對列車速度的束縛日益明顯。

例如日本新干線列車的設(shè)計與試驗速度都在350km/h以上，然而受限于線路兩側(cè)噪聲強度不得超出75dB的嚴(yán)格要求，目前最高運營速度只能為300km/h；例如上海磁懸浮列車的設(shè)計速度高達(dá)430km/h，但在核心市區(qū)的運行速度允許在200 km/h以內(nèi)。

噪聲之所以成為列車速度的制約因素，首先在于，噪聲污染會影響車內(nèi)乘客和車外市民的舒適度，甚至?xí)鸾】祮栴}。

其次，高速列車引起的氣動噪聲在本質(zhì)上屬于空氣的高頻振動，在這種高頻循環(huán)動力荷載的長期作用下，列車設(shè)備及沿線建筑物可能會發(fā)生難以補救的工程疲勞破壞。

軌道交通產(chǎn)生噪聲可根據(jù)產(chǎn)生原理大致分為6類：輪軌滾動噪聲、輪軌撞擊噪聲、輪軌曲線嘯叫噪聲、氣動激勵噪聲、牽引系統(tǒng)噪聲、結(jié)構(gòu)物激振噪聲。

需注意的是，輪軌滾動噪聲、輪軌撞擊噪聲、輪軌曲線嘯叫噪聲都屬于圖3的輪軌噪聲。

以下章節(jié)依次介紹這6類噪聲及其形成機理，并針對各自的機理介紹常用的減振降噪措施。

(3). 輪軌滾動噪聲為了保證列車的平穩(wěn)行駛，列車的車輪、鋼軌表面都要求打磨得光滑平順。

然而隨著服役時間的增加，車輪的磨損、鋼軌的豎/縱/橫向變形、鋼軌的擦傷及剝離等病害的出現(xiàn)幾乎不可避免。

車輪或軌道表面的平順性無法保證時，列車在行駛期間會出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象，車輪和鋼軌受迫發(fā)生彈性振動，這種彈性振動輻射至空氣中就變成了噪聲。

輪軌滾動噪聲會隨著車速的提高而不斷增強，因此在高速列車領(lǐng)域的研究中受到較多關(guān)注與重視。

圖4.輪軌滾動噪聲的產(chǎn)生機理，出自文獻(xiàn)[2]根據(jù)噪聲形成機理，輪軌滾動噪聲的治理思路主要從輪軌不平順的控制、噪聲傳播途徑的阻斷、輪軌振動特性的優(yōu)化這三個方面入手：①輪軌不平順的控制在現(xiàn)實中是通過各項軌道養(yǎng)護作業(yè)實現(xiàn)的，包括了軌道各部件的更新修理、鋼軌變形與病害的維修等經(jīng)常性的維修工作；②噪聲傳播途徑的阻斷則通過各類吸聲材料的聲屏障來實現(xiàn)，例如城市鐵路高架的兩側(cè)通常會設(shè)置隔聲屏障；③輪軌振動特性的優(yōu)化則是目前的研究前沿，科研工作者們以減振降噪為目標(biāo)，探索軌道構(gòu)件的最優(yōu)設(shè)計形式，例如鋼軌的截面形狀、車輪形狀、橡膠墊的剛度、鋼軌的損失系數(shù)、鋼軌表面粗糙度等。

圖5.大秦線重載鐵路上的維護作業(yè)車圖6. 城市鐵路高架兩側(cè)的隔聲屏障，圖來自百度，侵刪(4).輪軌撞擊噪聲車輪或鋼軌表面可能由于設(shè)計缺陷或病害而存在局部的不連續(xù)性，例如車輪踏面損傷、鋼軌接縫、道岔、鋼軌接頭等。

這些局部的不連續(xù)性會使高速行駛的列車車輪與鋼軌發(fā)生沖擊性激擾，進而引起非線性輻射的輪軌撞擊噪聲。

(5). 輪軌曲線嘯叫噪聲由于穿行于條件復(fù)雜的城市地下環(huán)境中，地鐵列車的行進路線經(jīng)常遇到小半徑曲線(也就是急轉(zhuǎn)彎)，此時車輪會擠壓外側(cè)的鋼軌，輪軌之間發(fā)生橫向的相對滑動，從而產(chǎn)生高頻的輪軌曲線嘯叫噪聲。

現(xiàn)實中，當(dāng)軌道上的列車速度提高到一定程度后，輪軌撞擊噪聲與輪軌曲線嘯叫噪聲在列車總噪聲中的比重可以忽略不計；而在低速的情況下，這兩類噪音的治理措施與輪軌滾動噪聲的治理措施大同小異，此處不再贅敘。

(6).氣動激勵噪聲對于運行速度200km/h以上的高速列車(也就是所謂的高鐵)而言，隨著列車運行速度的提高，列車的噪聲源逐步由輪軌激勵轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈩蛹钪鲗?dǎo)。

高速行駛的列車車身與受電弓分別會產(chǎn)生氣動激勵噪聲，其中：車身氣動激勵噪聲的形成機理是：高速運行的列車車廂表面與空氣之間發(fā)生劇烈的切割作用，空氣在車廂表面附近形成湍流并產(chǎn)生脈動壓力。

脈動壓力一方面直接作用于空氣，形成噪聲波；另一方面作用在車廂壁板上并引起彈性振動，這種彈性振動再輻射至車內(nèi)空氣中從而變?yōu)檐噧?nèi)的噪聲。

圖7.列車表面空氣脈動壓力云圖，出自文獻(xiàn)[3]受電弓氣動激勵噪聲主要包括以下3種：①列車行駛過程中，受電弓與輸電導(dǎo)線產(chǎn)生相對滑動時引起的機械滑動聲；②受電弓與迎面氣流接觸產(chǎn)生的風(fēng)切聲；③受電弓脫離輸電導(dǎo)線瞬間產(chǎn)生的電弧放電噪聲。

由列車受電弓引發(fā)的聲音統(tǒng)稱為集電系統(tǒng)噪聲。

圖8. 電氣化列車的受電弓，圖來自百度，侵刪在高速列車領(lǐng)域，氣動激勵引起的噪聲污染問題相較于輪軌激勵更為嚴(yán)峻，因此對于氣動激勵噪聲的研究更為迫切。

實際上，流體動力學(xué)理論本身已經(jīng)非常復(fù)雜，再加上高速列車的車身和受電弓結(jié)構(gòu)不規(guī)則且列車運行速度較快，當(dāng)氣流與列車表面相互碰撞時，氣流會產(chǎn)生渦的破裂、脫落等現(xiàn)象，進而形成近乎無規(guī)律的流場并導(dǎo)致劇烈的湍流運動。

這意味著車身表面的氣流擾動性非常顯著，氣動激勵噪聲的產(chǎn)生機理遠(yuǎn)比想象中的復(fù)雜。

時至今日，國內(nèi)外對于高速列車氣動激勵噪聲理論與數(shù)值研究還處于非常初級的階段，相關(guān)研究仍以實驗成本極高的風(fēng)洞試驗為主。

風(fēng)洞試驗是將高速列車模型固定在地面人工環(huán)境中，人工制造氣流使之經(jīng)過模型車身或受電弓，從而模擬各種復(fù)雜的行駛狀態(tài)并獲取試驗數(shù)據(jù)。

例如，現(xiàn)實中為了獲取較優(yōu)的車身形狀，通常先根據(jù)過往經(jīng)驗設(shè)計并制造出若干種車身形狀的模型，分別進行風(fēng)洞試驗并對比獲取較優(yōu)的方案，從而盡可能地降低高速列車的氣動激勵噪聲。

圖9.國內(nèi)高速列車1:8風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ?，出自文獻(xiàn)[4](7).牽引系統(tǒng)噪聲牽引系統(tǒng)噪聲指的是列車動力源和冷卻模塊正常工作時產(chǎn)生的噪聲。

這類噪聲的存在不可避免，但可以從風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、優(yōu)化冷卻模塊進氣道等方面著手降低噪聲。

(8).結(jié)構(gòu)物激振噪聲結(jié)構(gòu)物激振噪聲可根據(jù)產(chǎn)生機理分為2類：①高速鐵路的站臺、高架橋、隧道等結(jié)構(gòu)物在列車經(jīng)過時，由于列車的動力效應(yīng)而隨之產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)物振動輻射噪聲；②列車運動引起隧道、山谷中的氣流振動，例如當(dāng)列車高速行駛?cè)牖蝰偝鏊淼罆r，瞬時的微氣壓波會引發(fā)高能量的沖擊噪聲。

相對而言，結(jié)構(gòu)物激振噪聲的危害較小，上述第1類情況需注意在設(shè)計時避開結(jié)構(gòu)共振頻率；第2類由于噪聲瞬時產(chǎn)生并隨之消失，設(shè)計時需額外考慮隧道口的加固。

圖10. 列車駛出隧道口，圖來自百度，侵刪文末彩蛋：以下兩張照片分別是哪兩個學(xué)校的高速列車模型？以上。

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