周 強(qiáng)，肖新標(biāo)，何 賓，屈 磊，金學(xué)松

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

鐵路噪聲嚴(yán)重影響鐵路周邊居民的生活和身體健康，通常在鐵軌兩側(cè)設(shè)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(dòng)風(fēng)力作用下，H型鋼立柱出現(xiàn)螺栓松動(dòng)及聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞破壞現(xiàn)象。為了減小聲屏障的作用載荷，有必要對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，因此提出了一種低載荷的V型聲屏障。

在過(guò)去幾十年，蘇衛(wèi)青、周信[1]等國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)直立型聲屏障的降噪效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)和測(cè)試分析；Ekici[2]、Watts等國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(jié)。但國(guó)內(nèi)外對(duì)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(diǎn)高度、聲源頻譜等因素，對(duì)V型聲屏障的降噪效果和隔聲量進(jìn)行研究。

1 隔聲性能混響室測(cè)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(yàn)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(kāi)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(jié)構(gòu)示意圖

1.1 隔聲測(cè)試原理

障礙物造成聲音在傳播過(guò)程中能量的減少，一般用隔聲量TL來(lái)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(shí)驗(yàn)值和真實(shí)值有差距，取決于建筑建造的細(xì)節(jié)和做工。投射系數(shù)τ為透過(guò)試件的透射聲功率W2與入射到受測(cè)試件上的聲功率W1之比值，帶入式(1)可得到實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(nèi)平均聲壓級(jí)，單位dB；L2為接收室內(nèi)平均聲壓級(jí)，單位dB；S為試件表面積，單位m2；T為接收室內(nèi)混響時(shí)間，單位s；V為接收室的容積，單位m3。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與結(jié)果分析

根據(jù)GB/T50121《建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)試了V型聲屏障隔聲量。將聲屏障安裝在隔聲室洞口內(nèi)，將樣件四周密封固定，防止側(cè)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(fēng)，測(cè)得聲源室和接受室內(nèi)的平均聲壓級(jí)及接受室的混響時(shí)間T。根據(jù)隔聲量計(jì)算公式，得到其實(shí)際隔聲曲線和計(jì)權(quán)隔聲量如圖3。在工程上，通常以計(jì)權(quán)隔聲量Rw作為被測(cè)試件隔聲量的單值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。將已測(cè)隔聲構(gòu)件在1/3倍頻程下的隔聲曲線與規(guī)定的參考曲線族進(jìn)行比較，從而得到試件的計(jì)權(quán)隔聲曲線，該曲線在500 Hz頻率下的隔聲量即作為計(jì)權(quán)隔聲量Rw。

圖2 隔聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖3實(shí)測(cè)隔聲曲線

圖3 給出了V型和直立聲屏障[6]的實(shí)測(cè)隔聲曲線。聲屏障V型開(kāi)口處理后，隔聲量在每個(gè)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(dá)到最大；兩種聲屏障相應(yīng)計(jì)權(quán)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(yù)測(cè)

2.1 高速列車車外噪聲空間分布

為預(yù)測(cè)V型聲屏障在實(shí)際高速列車聲源下的隔聲性能，線路識(shí)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(duì)象，識(shí)別出高速列車車外噪聲特性。圖4為高速鐵路運(yùn)行車輛前8節(jié)車的車體表面聲場(chǎng)云圖，云圖動(dòng)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(zhuǎn)向架后部位置；

（2）輪軌位置是最大的聲源來(lái)源；

（3）氣動(dòng)噪聲顯著的區(qū)域主要有：頭車轉(zhuǎn)向架和車頭擋風(fēng)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(qiáng)云圖（314 km/h）

圖5 不同速度下列車表面聲暴露級(jí)

為了解列車垂向聲源對(duì)聲屏障總降噪效果的影響，對(duì)高速列車車外噪聲垂向分布特性進(jìn)行分析，根據(jù)ISO3095-2005中的聲暴露級(jí)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(guò)時(shí)，列車一側(cè)表面的聲暴露級(jí)垂向分布實(shí)測(cè)值。從測(cè)試結(jié)果可以看出，高速列車在300 km/h～400 km/h運(yùn)行下，聲暴露級(jí)垂向分布規(guī)律一致，具體表現(xiàn)為：

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

（2）聲暴露級(jí)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(jí)減小；

（3）受電弓區(qū)域噪聲在垂直高度上不顯著；

（4）從聲暴露級(jí)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(shí)測(cè)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(guān)注的重點(diǎn)，聲屏障對(duì)這一區(qū)域的隔聲性能對(duì)其總降噪性能影響較大。因此，聲屏障對(duì)輪軌噪聲的隔聲性能是聲屏障隔聲性能的一個(gè)重要指標(biāo)，值得進(jìn)一步預(yù)測(cè)和研究。

2.2 建立邊界元模型

為計(jì)算聲屏障對(duì)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?jì)算模型中從上而下設(shè)置受電弓區(qū)域聲源、車間上部連接區(qū)域聲源、車體氣動(dòng)聲源和輪軌區(qū)域聲源。

圖6 聲屏障降噪效果預(yù)測(cè)模型

仿真模型中，聲屏障高為2.15 m，寬為0.14 m。根據(jù)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(jì)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(cè)設(shè)置吸聲邊界條件；V型聲屏障設(shè)置為2.15 m高，在V型構(gòu)件靠近車體側(cè)設(shè)置吸聲邊界條件。

圖7 吸聲系數(shù)隨頻率變化圖

2.3 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)高速列車車外噪聲垂向分布特征，在計(jì)算模型中設(shè)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(yù)測(cè)V型聲屏障總的降噪效果，結(jié)果如圖8所示。圖中直立型和V型聲屏障云圖的動(dòng)態(tài)范圍為70 dBA～105 dBA，差值云圖的動(dòng)態(tài)范圍為-3 dBA～3 dBA。結(jié)果表明直立和V型聲屏障聲傳播規(guī)律相似；對(duì)軌道以上聲場(chǎng)，V型聲屏障和直立聲屏障聲壓級(jí)基本相同；對(duì)軌面下20 m以內(nèi)和20 m外的聲場(chǎng)，V型聲屏障聲壓級(jí)比直立聲屏障分別大1 dBA～2 dBA和0～1 dBA。

圖8 總聲場(chǎng)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(duì)其的降噪效果對(duì)總的降噪效果影響較大，因此僅設(shè)置輪軌區(qū)域噪聲源計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。圖9中直立型和V型聲屏障聲場(chǎng)云圖的動(dòng)態(tài)范圍為60 dBA～110 dBA，差值云圖的動(dòng)態(tài)范圍為-2 dBA～6 dBA。從兩聲屏障聲場(chǎng)差值云圖可以看出，軌面以下的聲場(chǎng)差異較大：其中V型聲屏障聲壓級(jí)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(yuǎn)軌面1.2 m高的ISO 3095[10]車外噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)1/3倍頻程。在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)處V型聲屏障聲壓級(jí)比直立型大4.1 dBA，這個(gè)差值與兩者之間的計(jì)權(quán)隔聲量差值相比，低了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)；在500 Hz、1 250 Hz和2 000 Hz處，V型聲屏障和直立型聲壓級(jí)差值較小，即V型聲屏障在3個(gè)頻率段降噪效果較好；在800 Hz處直立型和V型相差最大，達(dá)到7.5 dBA。

圖9 輪軌區(qū)域噪聲聲場(chǎng)云圖

圖10 輪軌聲源作用下測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程

3 結(jié)語(yǔ)

V型聲屏障因其能降低高速列車風(fēng)載作用而受到廣泛關(guān)注，但減載的同時(shí)，要保證其降噪效果。通過(guò)對(duì)V型聲屏障混響室隔聲性能測(cè)試和基于線路聲源識(shí)別的降噪效果預(yù)測(cè)分析，得到如下結(jié)論：

（1）V型和直立聲屏障的計(jì)權(quán)隔聲量混響室實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)車外聲源識(shí)別結(jié)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(guān)注的重點(diǎn)，其次是車體氣動(dòng)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(shè)計(jì)預(yù)測(cè)應(yīng)優(yōu)先考慮其對(duì)輪軌噪聲的降噪效果；

（3）僅設(shè)置輪軌區(qū)域聲源計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)高速列車主要聲源，標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)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(guò)1.5 dBA，V型聲屏障的降噪效果良好；

（4）總降噪效果計(jì)算表明：直立和V型聲屏障對(duì)車外噪聲傳播規(guī)律影響相似；對(duì)于軌面下20 m以內(nèi)和20 m外的聲場(chǎng)，V型聲屏障聲壓級(jí)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(cè)試結(jié)果與直立聲屏障差距較大，但基于實(shí)測(cè)高速列車車外聲源的預(yù)測(cè)分析結(jié)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(shí)踐應(yīng)用價(jià)值?？梢赃M(jìn)一步對(duì)V型聲屏障進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究，了解其對(duì)高速鐵路的實(shí)際減載和降噪效果。

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