欧 阳 昭
(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804)
·道路·铁路·
地铁运行对周边建筑物振动噪声影响研究
欧 阳 昭
(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804)
基于实际地铁线路地下区间的实测数据，对建筑物楼板三向振动和室内噪声在时域和频域内作了初步分析，总结归纳了振动传播规律，并采用相干函数详细分析了楼板各向振动与对应点噪声之间的频域特征和相干关系，辨别出产生建筑物二次辐射噪声的主要振动方向及其频谱分布特点。
地铁，振动，二次辐射噪声，频谱分析，1/3倍频程，相干分析
近年来，地铁在我国得到了迅猛发展，成为了许多城市公共交通的主干力量，但其在给市民的出行带来诸多方便的同时，也不可避免地给沿线居民的生活造成了许多困扰，其中最为突出的便是振动问题和噪声问题。与传统的地铁高架线路相比，地铁地下线路周边建筑物内的噪声主要由线路地下结构振动导致的地面建筑物二次振动引发，其声源更加复杂和分散，传播的过程难以得到控制，后期治理难度大。
目前，国内外对地铁运行引起周边环境振动噪声问题进行了较为广泛的理论和实测研究，其中振动问题多集中于振动在土体中的传播方面[1，2]，对建筑物内部的实测分析较为有限。此外，目前国内对于建筑物振动和二次噪声相关性的讨论还有所欠缺，常见的研究方法是在最大Z振级与最大声级散点图的基础上拟合得到两者的线性关系[3]，此法忽略了横纵两向的影响，在频域方面也没有细致讨论。
本文在以上研究的基础上，分析了地铁周围建筑物振动噪声的特性和传播规律，并根据相干函数在频域内的分布特点及峰值大小评价结构三向振动的声辐射特点，确定了室内二次辐射噪声的主要贡献源，为以后采取有针对性的减振降噪措施提供参考。
1 振动噪声实测介绍
本文对某实际地铁线路沿线的5个典型地下区段进行了实测，各测试断面均位于区间内，线路埋深在14 m左右，测试环境包含住宅区及厂区，建筑物以低层砖混结构为主。建筑物结构振动测试在线路上方各楼层楼板中心部位进行布点，每个测点设置垂向(铅垂方向)、横向(水平垂直于地铁延伸方向)、纵向(水平沿地铁延伸方向)共3个传感器。噪声测试均在密闭的室内进行，选择与振动测点相同位置进行布点。当列车通过时，对各测点的振动加速度数据和噪声声压级数据进行同步采集，各区段采集过程中通过列车不少于10列。
2 振动实测分析
2.1 建筑物振动响应
本文共得到5个测试断面共68组列车驶过隧道的有效数据，取其中1个典型断面的实测振动加速度平均值进行分析。按照我国标准GB 10070—1988城市区域环境振动标准[4]将测量得到的建筑物各向振动加速度值按式(1)换算成加速度级，统计得到各测点的振动加速度级如表1所示。
(1)
由表1可知，列车通过时，建筑物内的结构振动呈现以下特征：
1)三向振动中垂向振动的加速度级最大，纵向振动要远小于垂向和横向振动，说明列车运行时周边建筑物的结构振动以垂向振动为主。
2)建筑物的垂向和横向振动都有显著的增长，增幅在5 dB～7 dB左右，纵向振动的增长最不明显，和环境背景振级的差值不超过1 dB，说明列车运行对上方建筑物的影响主要体现在垂向和横向。
3)楼层越高，振动级的增幅越小，以垂向振动为例，其在1层，2层，3层的振级分别增加了6.67 dB，6 dB，4.86 dB，说明楼层越高，楼板振动受列车影响越不明显。
4)随着楼层的升高，楼板各向振动都有所衰减，其中横向振动的衰减速率最快，从1层传递至3层时其振级减小了8.14 dB，除去环境振动的自然衰减值外仍有3.5 dB的额外衰减量。
表1 实测结构振动数据汇总表 dB
2.2 建筑物振动频谱特性
图1为列车通过上述典型测试地段时，线路上方某幢居民楼底层楼板的垂向、横向、纵向振动加速度响应及对应的幅频特性曲线。从楼板振动加速度的幅频特性曲线可以看出，楼板垂向、横向、纵向加速度所含频率成分主要集中在100 Hz以内，其中，楼板垂向振动加速度幅值频率为63 Hz，横向和纵向加速度幅值频率均为50 Hz，可知地铁列车引起的建筑物结构振动主要以频率低于100 Hz的低频振动为主，其中尤以50 Hz～63 Hz振动最为显著。
3 二次辐射噪声实测分析
为了了解地铁运行引起的建筑物二次辐射噪声的频率特征，对列车经过时段的室内噪声实测数据以及背景噪声数据进行1/3倍频程分析，比较分析两者在各个1/3倍频带上的声压级差异。
图2为室内实测噪声与背景噪声的1/3倍频程对比图，由图可知，无列车时，1楼的噪声声压级在50 Hz处达到最大，而2楼和3楼的噪声声压级最大的频段中心频率均在20 Hz以下，列车通过时，各楼层噪声声压级最大的频段中心频率均在50 Hz～63 Hz之间。
建筑物实测噪声在31.5 Hz～500 Hz的频段内增长明显，且以40 Hz～63 Hz的增长最为显著，对比背景噪声的增量可达10 dB～20 dB，而在500 Hz以上的频段内，实测噪声与背景噪声的值基本一致，差值在2 dB以内，这说明地铁引起的周边建筑物二次辐射噪声主要为31.5 Hz～500 Hz的中低频噪声。
通过对比各楼层的二次噪声1/3倍频程图可以看出，在噪声的主频段上(50 Hz～63 Hz)，2楼噪声的声压级增量最大，受列车的影响最为显著。
4 振动与噪声相干分析
4.1 相干分析方法
相干函数可以说明两个信号之间在频域上的相干程度，可以根据相干函数结果判断某一输入信号对输出信号的影响程度，并通过比对判断此输出信号的主要来源以及各输入信号的贡献大小。对于一个确定信号x(t)，其自相关函数可按式(2)定义，根据Wiener-Khintchine关系，其自功率谱密度函数即自相关函数的傅里叶变换，见式(3)[5]：
(2)
(3)
相应的，两个信号的互相关函数及互功率谱密度函数可按式(4)及式(5)进行定义[5]：
(4)
(5)
基于以上定义，输入信号和输出信号的相干函数定义为[5]：
(6)
相干函数的数值越大，表明输入信号对输出信号的影响越大[5]。因此，将楼板各方向的振动信号作为输入信号，相对应的噪声信号作为输出信号，结合功率谱密度函数来得到楼板各方向振动和噪声的频域特征及相干程度，从而判断建筑物二次噪声中结构各向振动的贡献大小。
4.2 相干分析结果
楼板垂向振动与室内噪声的相干函数如图3a)所示。由图可知垂向振动和室内噪声在53 Hz处的相干函数值最大，达到0.716，并在75 Hz,163 Hz和230 Hz处出现局部峰值，说明楼板的垂向振动对室内噪声的独立贡献主要集中在以这四个频点为中心的局部频段上，且以45 Hz～55 Hz的频段最为突出。
楼板横向振动与室内噪声的相干函数如图3b)所示。与垂向计算结果相比，横向振动与室内噪声的相干函数在全频率范围内都有所减小，函数值分布也更为集中，其最大相干函数值仅为0.271，在150 Hz～280 Hz外的频带上则基本接近于0。此外，其在53 Hz，163 Hz和230 Hz处的峰值与垂向结果相重合，但相干函数值有明显减小，特别是在53 Hz处其峰值仅为0.118，相较同频率下的垂向相干函数值减小约83.5%。
楼板纵向振动与室内噪声的相干函数如图3c)所示。由图可以得知，纵向振动与室内噪声的相干性极不明显，在全频率范围内其相干系数均小于0.1，最大峰值出现在110 Hz处，对应的相干系数仅为0.108。
综上，地铁运行时产生的建筑物二次噪声与楼板的垂向振动
相干关系明显，其影响作用在45 Hz～55 Hz范围内最为显著，这一频段也是建筑物垂向振动最突出的频段，说明竖向振动信号在频域上的局部峰值会引起室内噪声的局部峰值，楼板的垂向振动是产生室内二次噪声的主要原因。
5 结语
在该实际地铁线路地下区间断面进行现场实测与分析的基础上，得出了以下结论：1)地铁运行引起的建筑物楼板振动以垂向和横向为主，对于本文实测的低层砖混结构建筑，楼层越高，楼板振动受列车影响越不明显，且以横向振动的衰减速率最快。2)地铁引起的建筑物结构振动主要以频率低于100 Hz的低频振动为主，峰值频段为50 Hz～63 Hz。3)地铁引起的周边建筑物二次辐射噪声主要为31.5 Hz～500 Hz的中低频噪声，其峰值频段为40 Hz～63 Hz。4)建筑物的二次噪声与建筑物楼板的垂向振动相干性最为明显，其重点影响频率为45 Hz～55 Hz，与楼板垂向振动的主振频率相重合，因此可以考虑采取以控制建筑物竖向振动为主的隔振措施来进行噪声控制。
[1] 徐忠根，任 氓，杨泽群，等.广州市地铁一号线振动传播对环境影响测定与分析[J].环境技术，2002(4):12-14.
[2] 谢伟平，孙洪刚.地铁运行时引起的土的波动分析[J].岩土力学与工程学报，2003,22(7):1180-1184.
[3] 储益萍.地铁引起的结构振动与噪声及其相关性分析[J].噪声与振动控制，2011(4):85-88.
[4] GB 10070—1988,城市区域环境振动标准[S].
[5] J.S.Bendat，A.G.Poersol.相关分析和谱分析的工程应用[M].北京：国防工业出版社，1983.
Study on the impact of metro operation upon surrounding architectural vibration noise
Ouyang Zhao
(InstituteofRailwayandUrbanMassTransit,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)
Based on actual underground subway measurement data, the paper preliminarily analyzes three dimensional vibrations and indoor noise of architectural slab within time domain and frequency domain, summarizes vibration propagation law, specifically analyzes spectral characteristics and relevant relationship of floor slab vibration and indoor noise, and finally identifies major vibration direction and its frequency distribution features of secondary radiation noise.
metro， vibration， secondary-radiation noise， spectrum analysis， 1/3 octave， coherence analysis
2014-12-04
欧阳昭(1991- )，女，在读硕士
1009-6825(2015)06-0130-03
U270.16
A
