Part III Maintenance & management Section 5 Track Loading and Damage Track Loading and Damage

Part III Maintenance & management • Section 5 Track Loading and Damage • Track Loading and Damage • MINI-MARPAS • Section 7 Railway Noise and Vibration • Section 26 Track Monitoring Equipment • Track irregularity • 1.2 Passenger Comfort Criteria • 1.3 Measures for Track Roughness • 1.4 Required Track Standards • 1.7 Curving And Passenger Comfort

振動的傳遞 • 物體本身振動 • 部份能量以波的型式傳遞擾動周圍介質 • 波的頻率、傳遞與感知方式不同 • 空氣傳遞的噪音(airborne noise) • 傳導介質為空氣，由聽覺感知  軌道表面和車廂噪音 • 結構傳遞的噪音(structure-borne noise) • 傳導介質為大地或結構物，再經由空氣傳遞到人體感知  隧道內或高架橋上的隆隆聲 • 有感的振動(feelable vibration) • 傳導介質為大地或結構物，由人體位移感知  列車振動與車廂舒適度

噪音與振動之度量單位 • Noise Units • 噪音評估的頻率範圍：20~20000Hz (人對空氣壓力變動頻率感知範圍) • 以分貝(decibel, dB)為度量單位 • 音壓等級(sound pressure level) = = 其中p : RMS of sound pressure; p0為基準音壓(2x10-5 Pa)

噪音的常識 • 0 db ≈ 聽覺的門檻值 • 120 db ≈ 聽覺不適的門檻值 • 同噪音相加效果增加 ≈ 3db (90dB+90dB=93dB) • 3分貝的改變才差不多能被察覺 • 5分貝的改變通常都能感覺明顯差別 • 10分貝的改變感覺上認為是音量減半或加倍 • 人對不同頻率聲音之敏感度不同 • 對極高頻或低頻聲音較不敏感 • 以加權減低不敏感頻率影響  A-Weighting, dB(A)

Source : http://www.avbuzz.com/bbs/av/av-thread-39594.html

Ldn : Day-night average level • Ldnij = SELij +10 log Ne - 49.4 • Ne =equivalent operations=Nd+10Nn • Nd = ops. between 0701 and 2200 • Nn = ops. between 2200 and 0700 • Leq : equivalent noise level (average noise level) Ldnij = sound pressure level, dBA pij = % of time the sound level in the interval Ldnij

評估噪音惱人程度 • 地面軌道：長期噪音平均值 • 軌道周邊建築物內清醒的人聽見的列車噪音平均值，而不是單一的最大噪音值 • 隧道或地下軌道：(隆隆聲惱人程度) • 一班列車通過時之dB(A)或其他加權值 • 低頻噪音(隆隆聲)為主，高頻噪音權重相當低，通常只需考慮低於200Hz之噪音

Vibration Units • 振動可以不同參數定量 • 變位(displacement) • 速度(velocity) • 加速度(acceleration) • 通常以振動速度作為度量單位其中v : RMS of velocity; v0為基準振動速度(10-6 in/sec)

振動強度超過感知門檻值方可被人類察覺 • 長期平均值較具參考性 • 住宅區白天可接受參考值：連續振動量0.2-0.4 mm/s (約78-84 dB) • 頻率：一般噪音 >隆隆聲 > 有感振動 • 有感振動門檻值伴隨音量約頻率30 Hz之35 dB(A) • 以35db(A)為準 • 超過30Hz以上之擾動使人感受到隆隆聲而忽略振動 • 一般探討有感振動都僅限於30Hz以下 • 經地面傳遞振動引起的隆隆噪音 30Hz ~ 200Hz

車廂外噪音 • 噪音源 • 動力機車所引起的牽引力噪音 • 所有車廂的滾動噪音 • 空氣動力噪音列車通過時噪音量隨時間變化函數LA(t)定義為

噪音特性 • 牽引噪音特別明顯 • 滾動噪音：輪軌接觸力的作用引起振動  擾動空氣成為噪音 • 接觸力影響要素：車輪與鋼軌表面平整度 • 粗糙度、速度增加  噪音增加 • 相同速度，傳統剎車(磨損鋼輪表面滾動面粗糙)比碟剎噪音高約10dB(A) Source :軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

影響噪音因素 • 速度 L2– L1 = 30 log10(v2/v1) L1：v1噪音量; L2：v2噪音量 • 速度加倍，最大噪音約增加9 dB(A) • 軌道接頭 • 約 5 dB(A) (確實增量視接縫型式等因素而定) • 軌道型式 • 版式軌道噪音 > 道渣軌道噪音約在2~10 dB(A) • 高架軌道：振動  軌道  結構體成為另一個噪音源 • 高架噪音增加量 (vs.路堤道渣軌道) • 鋼橋、無道渣設計：噪音增加約16 dB(A) • 混凝土橋、有渣設計：噪音約增1 dB(A) • 需有效減少結構傳導噪音，方能有效控制高架軌道的噪音

空氣動力噪音：隨車速提高而變得明顯 • 經過車頭、車廂表面突起(凹陷)、車尾渦流等空氣動力變化 L2– L1 = 80 log(v2/v1) • 空氣動力噪音係數80 vs. 滾動噪音30一般情形下，即使速度高達300 km/h都尚未明顯發現空氣動力噪音。 • 車輛技術改進，機車動力噪音與滾動噪音減少  空氣動力噪音重要性增加

傳播(Propagation) • 遠離噪音源，能量隨音波擴散到大空間後，逐漸衰減，噪音量降低。 • 影響傳播的基本因子 • 幾何衰減﹕依音源實體大小而定 • 最大車廂噪音值：與音源距離加倍約減少3 dB(A)(近端) • 最大車廂噪音值：與音源距離加倍約減少6 dB(A)(遠端)

大地衰減：依頻率、音源高度、地表覆土而定 • 接近地面：與音源距離加倍，大地衰減噪音約3 log(d2/d1) • 高出地面超過6公尺：通常可忽略大地衰減 Track in cutting Track on embankment

空氣衰減：依氣溫、溼度、音波頻率而定 • 與音源距離每增加100公尺衰減1 dB(A) • 其他衰減：視軌道與量測點間之障礙物而定 • 例如路塹邊坡、建築物、隔音牆等

設計目標 • 噪音預測 + 噪音規範  減噪路段與措施 • 環境影響評估，將下列因素納入 • 噪音量(noise level) • 噪音頻率分佈(frequency content of the noise) • 噪音歷時(duration of noise events) • 綜合上列因素，符合人體感受：連續噪音當量Leq

速度↑ 通過時間↓ SEL↓10 log(v2/v1) cf. 滾動噪音圖  SEL實際增加 20 log(v2/v1) • 同理，列車長度↑通過時間↑SEL↑增加量  10 log(輪組數量) • 噪音量測須注意不同受體、位置、建材等差異。 • 噪音限制，幾乎無法有一體適用規則可循。 • 只能針對特定活動 (例如溝通、休憩、睡覺等)受干擾程度而定，或綜合受影響程度概略評估。

噪音控制 • 音源：例如平滑滾動面減低行車噪音以碟剎車輛取代鼓剎車輛 • 輪軌尺寸、輪斷面設計、增加阻尼緩衝 • 輪、軌同時採取減噪措施 (僅針對其中一項減噪，最多只減3dB(A)) • 鋼輪緩衝墊有效減低彎道摩擦噪音及一般滾動噪音 • 輪軌維修 • 防止鋼輪打滑減低輪弧扁平降低滾動撞擊 • 嚴重波狀磨耗  10dB(A)[輪剎]，20dB(A)[碟煞] • 以「噪音」為維修目標軌道系統達到靜音境界 • 傳播過程：例如隔音牆可減少10dB(A)噪音

車廂內噪音 • 噪音源 • 輪軌撞擊 • 空氣動力 • 牽引動力 • 車廂輔助設備 • 空調及通風設備 Source :軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

傳播入車廂途徑 • 直接振動傳遞 • 輻射傳遞 • 混合方式傳進車廂 (高頻滾動噪音經下半車身內殼傳到車身外殼，再傳遍車廂結構，最後由車窗散發出噪音) • 不同傳播途徑的噪音嚴重程度會因時因地而不同 • 空曠鄉野，經空氣輻射到車頂的滾動噪音低 • 隧道中，車頂噪音非常顯著，須阻隔車頂傳下的噪音 • 煞車引起車廂內大量噪音 • 車廂設計應設法使聲音能量分佈到整個車身，避免零組件與噪音源共振(該頻率噪音輕易傳到共振零件發出嚴重噪音)

設計目標 • 不能有令人不適之狀況 • 不能造成與鄰座乘客交談有困難 • 能夠將車上其他乘客交談內容模糊化 • 實際設計上應該尋求上述三項間之平衡 • 車廂噪音工程以「影響交談」為考量依據 • 英國訂定PSIL(Preferred Speech Interference Level)來衡量影響交談程度 • 以500、1000及2000Hz為中心頻率的頻帶音壓算數平均值 • 英國規範新式空調車廂PSIL最低值約為45dB

噪音控制 • 利用車身質量、勁度、阻尼控制空氣傳導噪音 • 以阻尼和隔震裝置控制結構傳導噪音(零件隔振比主結構體隔振有效) • 採用平衡性能好、低噪音的輔助設施及動。 • 空調系統設計應盡量減低氣流噪音 • 使用吸音材料，如布面座椅、地毯

軌道振動 • 影響振動頻率 • 車速 • 軌道起伏波紋波長 • 96km/h重型貨車+波長1-5m  25-5Hz • 300km/h重型貨車+波長1.5-8m  50-10Hz • 200km/h隧道行駛+波長0.35m  160Hz • 上列波長>>鋼軌面不平整，屬非磨軌或整渣能消除的中波長軌道起伏 • 振動源 • 輪與軌的不平整 • 軌枕引發鋼軌起伏 • 軌道與地面間傳播的變形波 • 影響振動量大小因素 • 軌道起伏波紋深度 • 簧下質量 • 列車速度

傳導 • 振動源鋼軌軌下支承土壤沿線居民感知 • 壓力波：速率最快，300-2000m/s • 剪力波： 100-400m/s • 雷利波(Rayleigh wave)：P波與S波到達地表面時，混合產生的表面波，使表面質點發生垂直於地表面的橢圓形軌跡的運動。 100-400m/s • l=c/f 波長數十公尺的振動頻率都非常低 • 振動波能量衰減率與波的類型、頻率有關 • 與空氣傳播振動(噪音)最大不同 • 空氣是均勻傳導介質，地面不是均勻介質 • 地面軌道，沿線振動傳導與上層土壤剪力波速有關 • 黏土層與腐植土易將振動放大為振動量大之低頻振動，而砂質土較不會有類似問題

軌道沿線建築物會與某些特定頻率共振而放大建築物室內振動量軌道沿線建築物會與某些特定頻率共振而放大建築物室內振動量 • 岩盤上之建築物：約4Hz振動 • 地板自振頻率：約25Hz • 牆與窗的彎曲自振頻率：約在40Hz以上 • 低頻振動容易透過上述部位進入室內 Source :軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

設計目標 • 低頻隆隆聲響 • 有感振動 • 對建築物的破壞 • 若對象是工廠(以個案進行，不納入設計通則) • 儀器振動規格 • 預估振動量 • 振動對精密儀器正常運作的影響

英國評估標準 • 住宅內低頻隆隆聲：35-40dB(A)的室內噪音上限 • 寧靜地區(圖書館、博物館、歌劇院等)：察覺不到列車通過 • 有感振動：低於人體感知門檻值(0.1mm/s約71dB) • 另訂評估居民抱怨振動困擾傾向的標準 • 實測振動歷時曲線  四次均方根(root mean quad)等效定量連續振動量  與規範值比較 • 白天相當於0.2-0.4mm/s(持續) • 夜間則以0.14mm/s為準

振動毀損建築物方面 • 目前尚無國際認定標準規範此類振動 • 美國礦務局訂定毀損性振動分為 • 外表毀損︰可輕易修補且不影響結構安全(eg.表面砂漿裂縫) • 載重單元之破壞︰ • 12.5mm/s以下，高低頻都屬安全 • 40Hz以上：50mm/s以下都在安全限度之內 • 持續性振動：前述之安全振動上限均必須減半持續性振動可能比偶發的單一振動更具破壞性 • 德國DIN 4150規範極為嚴格，針對建築物基礎振動量 • 10Hz以下之低頻振動量不得高於5mm/s • 10Hz-50Hz間之低頻振動量不得高於5 - 15mm/s • 50Hz-100Hz間之低頻振動量不得高於15 - 20mm/s

振動控制：振動源加入隔振裝置(最常用) • 原理：「在單自由度振動系統中，隔振材料會對其自振頻率之倍之振動頻率有效減振」 • 消除噪音？降低60Hz以上之振動  適當彈性係數的鋼軌墊片或緩衝層來解決 • 實務上可行減振範圍約20Hz-40Hz，也減低伴隨的隆隆噪音 Source : Coenraad Esveld, Modern Railway Track, 2nd Edition, MRT-Productions, 2001

軌枕下彈性墊片(橡膠靴)或道渣底部舖設彈性蓆軌枕下彈性墊片(橡膠靴)或道渣底部舖設彈性蓆 • 控制對象多屬低頻有感振動，成效較差 • 較有效的方法是軟墊或巨大軌道質量 • 造成大量垂直變位，有實務應用上之困難 • 列車在軌道上產生的低頻振動無法以隔振方式減低 Source :軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

Source : Coenraad Esveld, Modern Railway Track, 2nd Edition, MRT-Productions, 2001

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