周 強，肖新標，何 賓，屈 磊，金學松

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

鐵路噪聲嚴重影響鐵路周邊居民的生活和身體健康，通常在鐵軌兩側設聲屏障，以減小鐵路沿線的噪聲污染。隨著近幾年高速鐵路的快速發(fā)展，普通鐵路聲屏障發(fā)展為高速鐵路聲屏障。但在列車脈動風力作用下，H型鋼立柱出現(xiàn)螺栓松動及聲屏障結構疲勞破壞現(xiàn)象。為了減小聲屏障的作用載荷，有必要對聲屏障結構進行改變，因此提出了一種低載荷的V型聲屏障。

在過去幾十年，蘇衛(wèi)青、周信[1]等國內學者對直立型聲屏障的降噪效果進行了預測和測試分析；Ekici[2]、Watts等國內外學者對直立型、倒L型[3]、Y型、T型、多重邊型、圓柱型等聲屏障形式做了完整的總結。但國內外對低載荷聲屏障的降噪效果研究較少。本文綜合考慮聲屏障聲源至聲屏障距離、聲源和受聲點高度、聲源頻譜等因素，對V型聲屏障的降噪效果和隔聲量進行研究。

1 隔聲性能混響室測試

目前高速鐵路聲屏障為直立型聲屏障，由背板、面板和吸聲材料組成；隔聲試驗的V型聲屏障由V型面板和吸聲材料組成。如圖1所示，其中V型聲屏障開口率為50%，V型和直立聲屏障使用同種吸聲材料。

圖1 聲屏障結構示意圖

1.1 隔聲測試原理

障礙物造成聲音在傳播過程中能量的減少，一般用隔聲量TL來度量障礙物的隔聲效果，如公式(1)[4]所示

式中TL為隔聲量，單位為dB；τ為透射系數(shù)。

實驗值和真實值有差距，取決于建筑建造的細節(jié)和做工。投射系數(shù)τ為透過試件的透射聲功率W2與入射到受測試件上的聲功率W1之比值，帶入式(1)可得到實驗室測試的隔聲量R[5]，如公式(2)所示

式中R為隔聲量，單位dB；L1為聲源室內平均聲壓級，單位dB；L2為接收室內平均聲壓級，單位dB；S為試件表面積，單位m2；T為接收室內混響時間，單位s；V為接收室的容積，單位m3。

1.2 現(xiàn)場測試與結果分析

根據GB/T50121《建筑隔聲評價標準》，測試了V型聲屏障隔聲量。將聲屏障安裝在隔聲室洞口內，將樣件四周密封固定，防止側向傳聲。試件安裝完成后如圖2所示。在房間里隨意擺放安裝一定數(shù)量的麥克風，測得聲源室和接受室內的平均聲壓級及接受室的混響時間T。根據隔聲量計算公式，得到其實際隔聲曲線和計權隔聲量如圖3。在工程上，通常以計權隔聲量Rw作為被測試件隔聲量的單值評價標準。將已測隔聲構件在1/3倍頻程下的隔聲曲線與規(guī)定的參考曲線族進行比較，從而得到試件的計權隔聲曲線，該曲線在500 Hz頻率下的隔聲量即作為計權隔聲量Rw。

圖2 隔聲測試現(xiàn)場

圖3實測隔聲曲線

圖3 給出了V型和直立聲屏障[6]的實測隔聲曲線。聲屏障V型開口處理后，隔聲量在每個1/3倍頻程中心頻率下均降低16 dB以上，其中，V型聲屏障隔聲量隨著的頻率而增大，在1 600 Hz出現(xiàn)峰值，直立聲屏障隔聲量在3 150 Hz處達到最大；兩種聲屏障相應計權隔聲量分別為14.4 dB和38.2 dB。直立聲屏障隔聲性能明顯優(yōu)于V型聲屏障。

2 聲屏障降噪效果仿真預測

2.1 高速列車車外噪聲空間分布

為預測V型聲屏障在實際高速列車聲源下的隔聲性能，線路識別了高速列車車外聲源。以高架區(qū)段高速列車314 km/h速度的噪聲特性為研究對象，識別出高速列車車外噪聲特性。圖4為高速鐵路運行車輛前8節(jié)車的車體表面聲場云圖，云圖動態(tài)范圍為100 dBA～110 dBA，頻率疊加范圍為500～5 000 Hz。云圖聲源分布狀態(tài)的典型特征表現(xiàn)為：

（1）最大聲源一般發(fā)生在頭車前轉向架后部位置；

（2）輪軌位置是最大的聲源來源；

（3）氣動噪聲顯著的區(qū)域主要有：頭車轉向架和車頭擋風玻璃位置、兩節(jié)車輛連接處上部位置；

（4）升起的受電弓（包括底座）位置存在顯著的聲源。

圖4 高架橋區(qū)域車體表面聲強云圖（314 km/h）

圖5 不同速度下列車表面聲暴露級

為了解列車垂向聲源對聲屏障總降噪效果的影響，對高速列車車外噪聲垂向分布特性進行分析，根據ISO3095-2005中的聲暴露級衡量瞬態(tài)噪聲中所含能量大小。圖5三條曲線分別表示列車以314 km/h、356 km/h和408 km/h通過時，列車一側表面的聲暴露級垂向分布實測值。從測試結果可以看出，高速列車在300 km/h～400 km/h運行下，聲暴露級垂向分布規(guī)律一致，具體表現(xiàn)為：

（1）最大聲暴露級分別為125.9 dBA、128.1 dBA和129.4 dBA；

（2）聲暴露級在輪軌接觸面上0.2 m處最大，并且比車身部位大2 dBA左右。隨著高度增大，聲暴露級減?。?/p>

（3）受電弓區(qū)域噪聲在垂直高度上不顯著；

（4）從聲暴露級倍頻程可知車外噪聲主要集中在中高頻[7]。

高速列車車外噪聲特性實測研究表明：輪軌區(qū)域噪聲所占總能量最大，始終為車外噪聲關注的重點，聲屏障對這一區(qū)域的隔聲性能對其總降噪性能影響較大。因此，聲屏障對輪軌噪聲的隔聲性能是聲屏障隔聲性能的一個重要指標，值得進一步預測和研究。

2.2 建立邊界元模型

為計算聲屏障對輪軌區(qū)域噪聲源的隔聲性能和總降噪效果。建立二維邊界元模型[1，8]，高速列車高架橋模型如圖6所示?？偨翟胗嬎隳Ｐ椭袕纳隙略O置受電弓區(qū)域聲源、車間上部連接區(qū)域聲源、車體氣動聲源和輪軌區(qū)域聲源。

圖6 聲屏障降噪效果預測模型

仿真模型中，聲屏障高為2.15 m，寬為0.14 m。根據目前常用吸聲材料添加如圖7所示的吸聲材料屬性[9]，在計算模型中需要加入吸聲邊界條件?，F(xiàn)用高速鐵路聲屏障一般為2.15 m高，采用鋁制的背板和面板，面板和背板中間的玻璃吸聲棉用混泥土固定。在聲屏障靠近車體側設置吸聲邊界條件；V型聲屏障設置為2.15 m高，在V型構件靠近車體側設置吸聲邊界條件。

圖7 吸聲系數(shù)隨頻率變化圖

2.3 預測結果分析

根據高速列車車外噪聲垂向分布特征，在計算模型中設置輪軌區(qū)域聲源、車體聲源、車間上部連接處聲源和受電弓聲源，預測V型聲屏障總的降噪效果，結果如圖8所示。圖中直立型和V型聲屏障云圖的動態(tài)范圍為70 dBA～105 dBA，差值云圖的動態(tài)范圍為-3 dBA～3 dBA。結果表明直立和V型聲屏障聲傳播規(guī)律相似；對軌道以上聲場，V型聲屏障和直立聲屏障聲壓級基本相同；對軌面下20 m以內和20 m外的聲場，V型聲屏障聲壓級比直立聲屏障分別大1 dBA～2 dBA和0～1 dBA。

圖8 總聲場云圖

輪軌區(qū)域噪聲作為高速列車主要聲源，V型聲屏障對其的降噪效果對總的降噪效果影響較大，因此僅設置輪軌區(qū)域噪聲源計算結果進行分析。圖9中直立型和V型聲屏障聲場云圖的動態(tài)范圍為60 dBA～110 dBA，差值云圖的動態(tài)范圍為-2 dBA～6 dBA。從兩聲屏障聲場差值云圖可以看出，軌面以下的聲場差異較大：其中V型聲屏障聲壓級在緊貼聲屏障后方位置比直立型大6 dBA左右，距軌道20 m處比直立型大4 dBA左右；距離軌道20 m～60 m處比直立型大4 dBA～5 dBA，降噪性能較差。

圖10為距軌道7.5 m遠軌面1.2 m高的ISO 3095[10]車外噪聲評價標準點1/3倍頻程。在標準點處V型聲屏障聲壓級比直立型大4.1 dBA，這個差值與兩者之間的計權隔聲量差值相比，低了大約一個數(shù)量級；在500 Hz、1 250 Hz和2 000 Hz處，V型聲屏障和直立型聲壓級差值較小，即V型聲屏障在3個頻率段降噪效果較好；在800 Hz處直立型和V型相差最大，達到7.5 dBA。

圖9 輪軌區(qū)域噪聲聲場云圖

圖10 輪軌聲源作用下測點1/3倍頻程

3 結語

V型聲屏障因其能降低高速列車風載作用而受到廣泛關注，但減載的同時，要保證其降噪效果。通過對V型聲屏障混響室隔聲性能測試和基于線路聲源識別的降噪效果預測分析，得到如下結論：

（1）V型和直立聲屏障的計權隔聲量混響室實測值分別為14.4 dB和38.2 dB，最大隔聲量所在頻率分別為1 600 Hz和3 150 Hz。V型聲屏障隔聲性能較差；

（2）線路實測車外聲源識別結果表明，輪軌區(qū)域噪聲所占總能量最大，始終為車外噪聲關注的重點，其次是車體氣動噪聲較為顯著，受電弓區(qū)域噪聲所占能量最小。因此聲屏障設計預測應優(yōu)先考慮其對輪軌噪聲的降噪效果；

（3）僅設置輪軌區(qū)域聲源計算結果表明：對高速列車主要聲源，標準點處，V型聲屏障降噪性能僅

比直立型聲屏障小4 dBA左右，尤其是在500 Hz、1 250 Hz和2 000 Hz頻率處，V型聲屏障與直立型聲屏障比，降噪效果相差不超過1.5 dBA，V型聲屏障的降噪效果良好；

（4）總降噪效果計算表明：直立和V型聲屏障對車外噪聲傳播規(guī)律影響相似；對于軌面下20 m以內和20 m外的聲場，V型聲屏障聲壓級比直立聲屏障分別大1 dBA～2 dBA和0～1 dBA。

V型聲屏障的混響室隔聲測試結果與直立聲屏障差距較大，但基于實測高速列車車外聲源的預測分析結果表明，低載荷V型聲屏障的總降噪效果良好，與直立型聲屏障隔聲量相差不到1.5 dB。因此，具有一定的實踐應用價值。可以進一步對V型聲屏障進行的現(xiàn)場測試研究，了解其對高速鐵路的實際減載和降噪效果。

[1]周 信，肖新標，何 賓，等.高速鐵路聲屏障降噪效果預測及其驗證[J].機械工程學報，2013(10)：14-19.

[2]Ekici.I B H.A review of research on environmental noise barriers[J].22000033.Building Acoustics,2003,10:289-323.

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