費(fèi)廣海,吳小萍,3*,廖晨彥(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 10075；2.重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 1000；3.倫敦大學(xué)學(xué)院交通研究中心,倫敦 WC1E 6BT；.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510230)

聲屏障高度對高鐵(客運(yùn)專線)降噪效果的影響

費(fèi)廣海1,2,吳小萍1,2,3*,廖晨彥4(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075；2.重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410004；3.倫敦大學(xué)學(xué)院交通研究中心,倫敦 WC1E 6BT；4.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510230)

為探究聲屏障高度對高速鐵路降噪效果的影響,建立了高速鐵路聲屏障降噪模型.以武廣客運(yùn)專線某試驗(yàn)段為模型參照對象,采用有限元軟件ANSYS和聲學(xué)軟件SYSNOISE,對不同條件下不同高度的直立型聲屏障的降噪效果進(jìn)行了仿真模擬.結(jié)果表明:列車的運(yùn)行速度越大,聲屏障的降噪作用越不明顯;在同一運(yùn)行工況下,橋梁區(qū)段聲屏障的降噪效果不如路基區(qū)段聲屏障.通過MATLAB數(shù)值擬合,發(fā)現(xiàn)各觀測點(diǎn)的聲衰減值是與聲屏障高度有關(guān)的對數(shù)函數(shù);隨著聲屏障高度的增加,聲屏障的插入損失不是成線性比例的增加,插入損失函數(shù)的增長速率越來越小.在同時(shí)考慮降噪需要和聲屏障成本的情況下,高速鐵路路基區(qū)段聲屏障的合適高度為3.45～3.95m;橋梁區(qū)段聲屏障的合適高度在3.15m以上,在高速運(yùn)行工況下,橋梁區(qū)段聲屏障的高度還需增加.

高速鐵路；降噪；聲屏障高度；仿真分析

高速鐵路給人們出行帶來便捷的同時(shí)也影響著人們的生活環(huán)境,因此對高速鐵路減振降噪措施的研究也越來越受到重視[1-3].作為一種有效且經(jīng)濟(jì)的降噪措施,聲屏障在鐵路降噪研究領(lǐng)域中得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[4-5].高速鐵路噪聲參數(shù)與普通鐵路有較大差異[6-9],采用普通鐵路噪聲模型分析高鐵降噪效果顯然不能適應(yīng)工程要求.因此采用準(zhǔn)確的分析模型研究高速鐵路聲屏障的降噪效果至關(guān)重要.

Ishizuka等[10]調(diào)查了不同高度的聲屏障對入射聲波的衰減作用,Baulac等[11]運(yùn)用遺傳算法對聲屏障的高度和形式進(jìn)行優(yōu)化,周信等[4,12]分析了聲屏障插入損失的影響因素,上述研究均表明:隨著聲屏障高度增加,其插入損失逐漸增大.但聲屏障高度與噪聲衰減之間有怎樣的函數(shù)關(guān)系,此類研究并不多見.另外,聲屏障高度也不能無限制的增加,在考慮降噪的同時(shí),還需考慮聲屏障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和聲屏障的成本[13],選擇合適高度的聲屏障有重要工程意義.

基于上述原因,本文在考慮多種聲源的耦合作用下[6,8],采用合適的分析模型對聲屏障的降噪效果進(jìn)行研究.結(jié)合有限元軟件 ANSYS及聲學(xué)分析軟件SYSNOISE[14],運(yùn)用數(shù)值仿真的方法全面地對不同路段、不同工況下不同高度的直立型聲屏障進(jìn)行數(shù)值模擬與分析,并得出噪聲衰減值與聲屏障高度之間的函數(shù)關(guān)系.根據(jù)仿真結(jié)果并結(jié)合工程需求為聲屏障合適的設(shè)計(jì)高度提出建議,以期對高速鐵路降噪、沿線環(huán)境改善及高速鐵路可持續(xù)發(fā)展有指導(dǎo)意義.

1　高速鐵路的噪聲源參數(shù)

高速列車噪聲源的關(guān)鍵參數(shù)包含聲源分布、頻譜特性及聲暴露級等.

1.1噪聲源的組成與分布[6,8]

路基區(qū)段的噪聲源由輪軌噪聲、集電系統(tǒng)噪聲和空氣動力噪聲組成.相對于路基區(qū)段,橋梁區(qū)段的噪聲源由前述 3種噪聲加上高架結(jié)構(gòu)噪聲組成.其中,輪軌噪聲源分布于軌面以上 0.5～1m的輪軌附近;空氣動力噪聲源分布于軌面以上1～4m的車體中部;集電系統(tǒng)噪聲源分布于軌面以上 4～4.5m的弓網(wǎng)位置;高架結(jié)構(gòu)噪聲源位于橋梁中線下方距離橋梁底板0.3m處.

1.2噪聲源頻譜特性

相關(guān)研究表明[4,9],當(dāng)列車以300～380km/h運(yùn)行時(shí),輪軌噪聲峰值頻率集中在630～1250, 2000～ 3150Hz,設(shè)置線聲源模擬輪軌噪聲;氣動噪聲峰值頻率集中在 800～1000, 2500～3150Hz,也將其簡化為一線聲源;弓網(wǎng)噪聲峰值頻率主要集中在2000～3150Hz,其次為600～1000Hz,設(shè)置點(diǎn)聲源對其進(jìn)行模擬;高架結(jié)構(gòu)噪聲峰值頻率集中在低頻段(63～125Hz),將其簡化為一線聲源.當(dāng)列車行駛速度在200～250km/h(300km/h以下)時(shí),各噪聲源的峰值頻率集中在800～1000Hz.

1.3高速列車的聲暴露級

運(yùn)用SYSNOISE計(jì)算聲場分布及聲屏障插入損失時(shí),需將聲源的聲功率級作為輸入?yún)?shù),而聲功率級一般依據(jù)下式由聲暴露級轉(zhuǎn)換而來.

式中:SEL為聲暴露級;wL為聲功率級;tI為瞬態(tài)聲強(qiáng);0I為參考聲強(qiáng)(取為 1pW/m2);0w為參考聲功率(取為 10-12w);v為行車速度;0T為參考時(shí)間(取為1s);T為列車通過時(shí)間.

路基(橋梁)區(qū)段不同噪聲源在不同行車速度下的聲暴露級取值如下表1所示.

表1　高速列車聲暴露級(dBA)Table 1　The SEL of high-speed railway(dBA)

目前國內(nèi)通用聲屏障一般只對下部輪軌噪聲和中部氣動噪聲有阻隔作用,4～4.5m高的集電噪聲直接越過聲屏障到達(dá)受聲點(diǎn),高架結(jié)構(gòu)噪聲的輻射也不受聲屏障的影響.

2　高速鐵路聲屏障插入損失的計(jì)算原理

聲屏障規(guī)范[17]規(guī)定的插入損失計(jì)算方法:

式中:ΔL繞為繞射聲衰減;ΔL透為透射聲修正量;ΔL反為反射聲修正量;ΔLG為地面吸收聲衰減;ΔLS為障礙物聲衰減.

上述聲屏障的插入損失計(jì)算方法與聲環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則[18]及李楠等[19]的結(jié)果確定的聲傳播衰減計(jì)算原理是一致的.實(shí)際建造聲屏障時(shí),ΔL透、ΔL反、ΔLG、ΔLS都可省去,插入損失主要取決于繞射衰減.

目前國內(nèi)的高速鐵路聲屏障只對輪軌噪聲、氣動噪聲產(chǎn)生作用,而這兩種噪聲都可簡化為線聲源,故其繞射聲衰減為:

式中:f為聲波的頻率,Hz;c為聲速,m/s; δ=(A+B-d)為聲程差,m;d為聲源和受聲點(diǎn)間的直線距離,m;A為聲源至聲屏障頂端的距離,m;B為受聲點(diǎn)至聲屏障頂端的距離,m.

3　ANSYS和SYSNOISE結(jié)合的仿真分析方法

由上述聲屏障插入損失的理論計(jì)算方法,聲屏障的插入損失只與繞射衰減有關(guān).但衰減公式不適合手工解答,因此有必要借助聲學(xué)軟件來模擬噪聲的輻射和衰減作用.考慮到研究類型為結(jié)構(gòu)—流體耦合模型,選擇ANSYS有限元軟件建立相關(guān)實(shí)體模型,然后運(yùn)用SYSNOISE自動將有限元模型轉(zhuǎn)換為邊界元模型并進(jìn)行聲學(xué)模擬[14].

3.1ANSYS實(shí)體模型參數(shù)設(shè)定及模型建立

以武廣客運(yùn)專線的相關(guān)實(shí)驗(yàn)段為模型參照對象,采用直立型鋁合金復(fù)合單元板聲屏障,該類型聲屏障主要由鋼結(jié)構(gòu)立柱和隔聲屏板兩部分組成,聲屏障敷設(shè)位置距路基線路中心線4.175m,距離橋梁線路中心線3.4m.

(1)聲屏障參數(shù)

聲屏障立柱材料為 H型鋼,其參數(shù)設(shè)定為:彈性模量 EX=2.06×105MPa;泊松比 PRXY=0.3;密度DENS=7.85×103kg/m3;阻尼0.002;單元類型取solid45;

隔聲屏板材料取鋁合金復(fù)合單元板,其參數(shù)設(shè)定為:彈性模量 EX=7.2×104MPa;泊松比PRXY=0.33;密度DENS=2.8×103kg/m3;阻尼10-5;單元類型取shell63;

依據(jù)《鐵路工程建設(shè)通用參考圖—時(shí)速350km客運(yùn)專線鐵路路基插板式金屬聲屏障》[20]和《鐵路工程建設(shè)通用參考圖—時(shí)速350km客運(yùn)專線鐵路橋梁插板式金屬聲屏障》[21],選取2.95,3.45,3.95m 3種路基通用聲屏障和 2.15, 2.65,3.15m 3種橋梁通用聲屏障進(jìn)行研究.

(2)車體幾何尺寸

車體結(jié)構(gòu)的幾何尺寸參照長客廠的CRH380A車型繪制,編組長度203000mm;頭車長26500mm,中間車輛長25000mm;車輛寬度3380mm;車輛高度3700mm;運(yùn)營最高速度350km/h.

(3)ANSYS實(shí)體模型建立

為簡化計(jì)算,假設(shè)空氣為理想氣體,氣象條件符合相關(guān)測量標(biāo)準(zhǔn);假設(shè)路基(橋梁)、車體為剛體,只考慮其對聲波的反射;假設(shè)背景噪聲較低,模擬計(jì)算時(shí)忽略其影響.

根據(jù)以上假設(shè)對模型簡化后,綜合考慮計(jì)算時(shí)長和精度,在ANSYS中建立25m長的高速鐵路聲屏障模型,其中路基(橋梁)和車體按 solid45單元劃分網(wǎng)格,聲屏障按照shell63單元劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格精度要求為最小計(jì)算波長的 1/6,將模型文件保存為.cdb類型文件.

3.2SYSNOISE與ANSYS的結(jié)合

首先將路基(橋梁)、車體網(wǎng)格模型導(dǎo)入SYSNOISE中,定義分析類型為有限元結(jié)構(gòu),設(shè)定材料屬性和邊界條件,并計(jì)算耦合模態(tài);再將聲屏障網(wǎng)格模型導(dǎo)入SYSNOISE中,定義分析類型為邊界元流體,檢查模型網(wǎng)格,設(shè)定邊界條件、流體材料屬性以及聲源位置和大小,計(jì)算模態(tài)并與路基(橋梁)、車體模型耦合;然后設(shè)定分析頻率范圍(200～5000Hz)和步長,進(jìn)行模型計(jì)算,得到模型結(jié)果;最后建立噪聲分析網(wǎng)格并計(jì)算各場點(diǎn)聲學(xué)響應(yīng),進(jìn)行結(jié)果處理并導(dǎo)出.

3.3噪聲測點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)GB 12525—1990《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》[22]和 ISO 3095《Acoustics—Railway applications—Measurement of noise emitted by railbound vehicles》[23]等標(biāo)準(zhǔn)的測試方法和測點(diǎn)布置,選取具體測點(diǎn)位置如圖1所示.M1和M2距離軌面1.5m高,分別距軌道中心線7.5m 和25m;M3和M4距離軌面3.5m高,分別距軌道中心線 7.5m和 25m;M5和 M6距軌道中心線30m,M5距離地面1.2m高,M6距離軌面1.5m高.

圖1　噪聲測點(diǎn)分布(m)Fig.1　The noise observation point (m)

3.4噪聲分析網(wǎng)格及其設(shè)置

噪聲場點(diǎn)網(wǎng)格用于描述聲場中某一位置與列車聲源的相對關(guān)系,網(wǎng)格尺寸越小,由4個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的矩形網(wǎng)格內(nèi)部任意區(qū)域的聲壓值等聲學(xué)參數(shù)越精細(xì),由此繪制出的聲壓云圖更平順.為了全面分析高速鐵路噪聲在經(jīng)過聲屏障阻隔之后的三維空間聲場分布,分別建立了與聲屏障平行和垂直的兩個(gè)場點(diǎn)網(wǎng)格.XY平面網(wǎng)格與聲屏障垂直,距離軌面高1.5m(3.5m),主要用于分析XY平面內(nèi)的噪聲衰減規(guī)律以及聲屏障降噪后的聲壓分布情況;XZ平面網(wǎng)格與聲屏障平行,距離鐵路線路中心 30m(鐵路邊界處),主要用于分析噪聲在鐵路邊界處XZ平面內(nèi)的衰減規(guī)律以及聲屏障降噪后的聲壓分布情況.

4　聲屏障噪聲模型的仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的分析

分別建立無聲屏障噪聲模型、3種不同高度的橋梁聲屏障降噪模型及 3種不同高度的路基聲屏障降噪模型,將 ANSYS有限元模型導(dǎo)入SYSNOISE中轉(zhuǎn)換成邊界元模型后,在 200～ 5000Hz的頻率范圍內(nèi)按1/3倍頻程(相鄰兩頻率比值約為1.26)進(jìn)行模型計(jì)算.

4.1無聲屏障時(shí)不同區(qū)段及工況下的噪聲分析

對于同種線路區(qū)段(路基段或橋梁段),列車在 300～350km/h的運(yùn)行工況下的噪聲值比在200～250km/h工況下的大,六個(gè)不同測點(diǎn)的聲壓級整體呈現(xiàn)增大趨勢.很明顯,隨著運(yùn)行速度增大,各個(gè)噪聲源的聲暴露級(聲源強(qiáng)度)都在增大,因此各測點(diǎn)接受到的聲壓級也呈增長趨勢.

對于同一運(yùn)行速度(200～250km/h或 300～ 350km/h),列車在路基區(qū)段的噪聲值比在橋梁段的大.由于武廣客運(yùn)專線的實(shí)驗(yàn)段在橋梁區(qū)段設(shè)有 1m高的防撞墻和護(hù)欄,因此在無聲屏障的情況下能對噪聲的傳播產(chǎn)生一定影響.

4.2列車通過橋梁、路基區(qū)段的輻射噪聲

[24],得到武廣專線上測點(diǎn) M4(距線路 25m,軌面高 3.5m,以下簡稱輻射噪聲測點(diǎn))在無聲屏障時(shí)的實(shí)測值.將實(shí)測值與 SYSNOISE的模擬值進(jìn)行對比,結(jié)果見表2.

表2　高速列車輻射噪聲(dBA)Table 2　The emitted noise of the train(dBA)

由表2可見,除了路基區(qū)段260,340km/h的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測值有些偏差外,其他模擬值基本與實(shí)測值吻合.路基區(qū)段 260,340km/h的模擬數(shù)據(jù)都比實(shí)測數(shù)據(jù)略小,但都在允許的偏差范圍內(nèi),因此模型基本能對實(shí)際情況進(jìn)行模擬.

同樣,列車運(yùn)行時(shí)輻射噪聲測點(diǎn)處的噪聲級也是隨著運(yùn)行速度的不斷提高而逐漸增大;由于橋梁區(qū)段防撞設(shè)施的阻礙作用,橋梁區(qū)段的輻射噪聲級比路基區(qū)段低2～4dBA.

4.3設(shè)置聲屏障后鐵路邊界的降噪效果分析

參考文獻(xiàn)[4,24],得到武廣專線上測點(diǎn)M6(距線路30m,軌面高1.5m,以下簡稱聲屏障降噪效果測點(diǎn))在設(shè)置3m高聲屏障后的實(shí)測值.將實(shí)測值與SYSNOISE的模擬值進(jìn)行對比,結(jié)果見表3.

表3　鐵路邊界聲屏障降噪效果(dBA)Table 3　The noise reduction on the boundary(dBA)

由上表可知,對于路基區(qū)段,實(shí)測值的插入損失在6.5～8.0dBA,模擬值也在5.9～8.7dBA之間;對于橋梁區(qū)段,實(shí)測值的插入損失在5.0～7.0dBA,而模擬值在 5.8～7.4dBA之間(300km/h)和 4.0～ 6.7dBA之間(340km/h);說明路基模型和橋梁模型基本能對真實(shí)情況進(jìn)行模擬.

無論是實(shí)測結(jié)果還是模擬結(jié)果都顯示橋梁區(qū)段聲屏障的降噪效果不如路基區(qū)段聲屏障.前文已述,目前國內(nèi)的聲屏障對高架結(jié)構(gòu)噪聲幾乎沒有阻擋作用.因此,認(rèn)為橋梁區(qū)段的結(jié)構(gòu)噪聲源會對總噪聲產(chǎn)生影響,加上結(jié)構(gòu)噪聲的耦合效益與疊加作用,橋梁聲屏障的降噪效果不如路基聲屏障.

4.4XY平面網(wǎng)格仿真結(jié)果分析

在 XY平面網(wǎng)格中,無聲屏障時(shí),聲波在空氣中發(fā)生幾何衰減,由于波陣面擴(kuò)大導(dǎo)致聲場變?nèi)?列車噪聲的衰減規(guī)律為:某觀測點(diǎn)聲強(qiáng)與其離聲源的距離有關(guān),距離越大,聲強(qiáng)越小.

敷設(shè)聲屏障后,在同一觀測點(diǎn),聲屏障越高,各噪聲源發(fā)生繞射衰減的聲程差越大,繞射衰減越明顯;對于同一高度的聲屏障,觀測點(diǎn)越遠(yuǎn),幾何衰減越明顯,觀測點(diǎn)聲強(qiáng)越小.仿真結(jié)果顯示:隨著聲屏障高度的增加,各測點(diǎn)的聲衰減值并不是呈線性比例的增長.

4.5XZ平面網(wǎng)格仿真結(jié)果分析

由于聲波在空氣中衰減,從列車傳遞到鐵路邊界 XZ平面的噪聲聲強(qiáng)比線路附近小得多,但邊界處不同高度的聲級有較大差異.無聲屏障時(shí),與聲源大致在同一高度觀測點(diǎn)接收到的聲壓級較大,由于噪聲傳遞到邊界處其他觀測點(diǎn)比到達(dá)同一高度的觀測點(diǎn)需更長距離,所以鐵路邊界處的噪聲聲壓從下到上先增大后減小.

敷設(shè)聲屏障后,原來與聲源同一高度的觀測點(diǎn)由于聲屏障的阻擋作用成為聲影區(qū),噪聲級較小,聲屏障高度的變化對該區(qū)域的噪聲影響較大,隨著聲屏障的增高,該區(qū)域噪聲逐漸減弱;對于邊界處其他區(qū)域的場點(diǎn),聲屏障高度變化對其噪聲值影響不大.

5　聲屏障的插入損失與其高度之間的關(guān)系

由于分析的對象包含不同線路區(qū)段、不同運(yùn)行工況、不同噪聲測點(diǎn)以及不同的聲屏障高度,對所有情況下的各個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行分析不太現(xiàn)實(shí).因此選擇有代表性的測點(diǎn)M4,M5和M6,有代表性的運(yùn)行工況260km/h和340km/h,國內(nèi)通用的3種橋梁(路基)聲屏障高度.在上述各聲屏障降噪模型中計(jì)算出相應(yīng)測點(diǎn)的噪聲聲級,進(jìn)而得出不同高度聲屏障在各測點(diǎn)的插入損失值.

前文已述,聲屏障的插入損失取決于繞射衰減,主要與聲程差成對數(shù)關(guān)系.而聲屏障的不同高度主要影響聲程差的大小,進(jìn)而影響聲衰減值.翟國慶等[25]在研究高架軌道交通聲場分布時(shí)采用惠更斯—菲涅耳原理推導(dǎo)的計(jì)算公式也表明聲屏障的插入損失是與其高度有關(guān)的對數(shù)函數(shù),因此參照已有經(jīng)驗(yàn)和公式采用對數(shù)函數(shù)形式對各測點(diǎn)的聲衰減值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合.下圖2是不同條件組合下的聲屏障插入損失與其高度間的函數(shù)擬合與數(shù)據(jù)分析.

圖2顯示測點(diǎn)M5的插入損失最大,這是由于測點(diǎn)M5(距線路30m,地面高1.2m,以下簡稱鐵路邊界噪聲測點(diǎn))的位置離各聲源最遠(yuǎn),通過聲屏障作用后噪聲到達(dá)該點(diǎn)的聲程差最大,因此聲屏障對該點(diǎn)的降噪作用最明顯.

由于各測點(diǎn)在各種條件下的聲屏障插入損失值都是與高度有關(guān)的對數(shù)函數(shù):IL=algh+b,很明顯隨著聲屏障高度的增加,聲屏障的插入損失越大.但是也能發(fā)現(xiàn)函數(shù)增長的速率越來越小,即聲屏障單位高度的增加換取的聲衰減值越來越小.因此在兼顧降噪需求和聲屏障成本的情況下,使鐵路邊界噪聲值(M5測點(diǎn)值)剛好小于 70dBA的聲屏障高度是合適的.

圖2　聲屏障的插入損失與其高度間的函數(shù)擬合Fig.2　Curve fitting between the insertion loss and the height of sound barrier

5.1340km/h運(yùn)行工況下的路基區(qū)段

如圖2(a)所示,在運(yùn)行速度為340km/h的路基區(qū)段,各測點(diǎn)的聲屏障插入損失約 6.0～ 10.5dBA左右,其中測點(diǎn) M5的插入損失最大,最大值為 10.8dBA.無聲屏障時(shí)測點(diǎn) M4,M5和 M6的模擬聲級分別為 89.3d,80.6d,88.5dBA,結(jié)合圖2(a)可以看出對于鐵路邊界測點(diǎn) M5,只有聲屏障高度達(dá)到3.95m其噪聲值才在70dBA的規(guī)范范圍內(nèi),因此在340km/h的運(yùn)行速度下高速鐵路路基區(qū)段聲屏障的合適高度為3.95m.

5.2340km/h運(yùn)行工況下的橋梁區(qū)段

如圖2(b)所示,在運(yùn)行速度為340km/h的橋梁區(qū)段,各測點(diǎn)的聲屏障插入損失約3.0～6.5dBA左右,橋梁區(qū)段聲屏障的降噪效果不如路基區(qū)段聲屏障.除了前文敘述的高架結(jié)構(gòu)噪聲對橋梁聲屏障降噪的影響之外,橋梁聲屏障的高度也是一個(gè)重要影響因素.目前國內(nèi)通用的橋梁聲屏障高度都較低,因此對噪聲的阻擋作用也有限.對于鐵路邊界測點(diǎn)M5,無聲屏障時(shí)模擬聲級為79.7dBA,結(jié)合圖2(b)發(fā)現(xiàn)在3.15m聲屏障的降噪作用下,鐵路邊界噪聲值仍不能滿足70dBA的限值要求. 5.3260km/h速度下的路基區(qū)段和橋梁區(qū)段

由于260km/h的運(yùn)行速度低于340km/h,因此各測點(diǎn)接受到的聲壓值都小于 340km/h運(yùn)行工況,各測點(diǎn)的聲屏障插入損失與340km/h工況下相比也有所提升,路基段在6.5～11.0dBA左右,橋梁段在3.5～7.0dBA左右.在260km/h運(yùn)行速度下,橋梁區(qū)段3.15m聲屏障插入損失為6.7dBA左右,M5無聲屏障時(shí)模擬聲級為 76.5dBA,但此時(shí)經(jīng)過聲屏障阻擋后的噪聲值在規(guī)定的70dBA之內(nèi),因此認(rèn)為260km/h的運(yùn)行速度下橋梁聲屏障的合適高度為 3.15m.同樣,因?yàn)槁坊暺琳系慕翟胄Ч?在260km/h的運(yùn)行速度下3.45m高的路基聲屏障就能滿足降噪和工程要求.

5.4340km/h速度下聲屏障降噪模型驗(yàn)證

由4.3節(jié)知,測點(diǎn)M6在340km/h工況下3m高路基聲屏障的插入損失為6.5～8.0dBA,橋梁區(qū)段為5.0～7.0dBA.由圖2(a)和(b)知,340km/h工況下路基區(qū)段對應(yīng)測點(diǎn) M6的插入損失函數(shù)為:IL=24.47·lgh-4.68,橋梁區(qū)段為:IL=9.47· lgh+0.41,將 h=3代入兩式,得插入損失為6.99dBA(路基)和 4.93dBA(橋梁).這一驗(yàn)證結(jié)果與 4.3節(jié)驗(yàn)證結(jié)果一致,說明路基聲屏障模型和橋梁聲屏障模型能對真實(shí)情況進(jìn)行模擬.

6　結(jié)論

6.1基于仿真軟件ANSYS和SYSNOISE,建立了高速鐵路聲屏障降噪分析模型,結(jié)果顯示列車的運(yùn)行速度越大,其產(chǎn)生的噪聲越大,聲屏障的降噪作用越不明顯.

6.2無聲屏障時(shí),橋梁區(qū)段由于有防撞墻的阻擋作用,其噪聲輻射作用小于路基區(qū)段;考慮聲屏障后,由于橋梁區(qū)段的高架結(jié)構(gòu)噪聲效應(yīng),橋梁區(qū)段聲屏障的降噪效果不如路基區(qū)段聲屏障.

6.3XY平面內(nèi),隨著聲屏障高度的增加,聲衰減值并不是呈線性比例的增長;XZ平面內(nèi)與聲源在同一高度的觀測區(qū)域，聲屏障高度的變化對其噪聲級影響較大，隨著聲屏障的增高，該區(qū)域噪聲逐漸減弱.

6.4各測點(diǎn)在各種條件下的聲屏障插入損失值都是與高度有關(guān)的對數(shù)函數(shù):IL=algh+b,因此聲屏障的插入損失不是成比例的增加,聲屏障單位高度的增加換取的聲衰減值越來越小.

6.5340km/h工況下路基區(qū)段聲屏障的合適高度為3.95m,而此工況下橋梁區(qū)段3.15m高的聲屏障不能滿足降噪需求;260km/h工況下路基區(qū)段聲屏障的合適高度為 3.45m,此工況下橋梁區(qū)段聲屏障的合適高度為3.15m.

參考文獻(xiàn)：

[1] Kouroussis G, Pauwels N, Brux P, et al. A numerical analysis of the influence of tram characteristics and rail profile on railway traffic ground-borne noise and vibration in the Brussels Region [J]. Science of The Total Environment, 2014,483:452-460.

[2] Pultznerová A, I?volt L. Structural Modifications, Elements and Equipment for Railway Noise Reduction [J]. Procedia Engineering, 2014:274-279.

[3] 張彬,宋雷鳴,張新華.漏聲對于高架結(jié)構(gòu)聲屏障降噪效果的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2006,26(S1):15-18.

[4] 周信.高速鐵路聲屏障降噪效果預(yù)測及新型聲屏障設(shè)計(jì) [D].成都:西南交通大學(xué), 2013.

[5] Coulier P, Hunt H E M. Experimental study of a stiff wave barrier in gelatin [J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2014,66:459-463.

[6] 蘇衛(wèi)青,潘曉巖,葉平.高速鐵路聲屏障聲學(xué)計(jì)算模式研究 [J].中國鐵道科學(xué), 2013,34(1):126-130.

[7] Mellet C, Létourneaux F, Poisson F, et al. High speed train noise emission: Latest investigation of the aerodynamic/rolling noise contribution [J]. J. Sound and Vibration, 2006,293(3-5):535-546.

[8] 吳小萍,費(fèi)廣海,廖晨彥.雙聲源模式下高鐵聲屏障降噪效果仿真分析 [J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2015(1):49-54.

[9] 伍向陽.京滬高速鐵路聲源識別技術(shù)研究 [D]. 北京:中國鐵道科學(xué)研究院, 2011.

[10] Ishizuka T, Fujiwara K. Performance of noise barriers with various edge shapes and acoustical conditions [J]. Applied Acoustics, 2004,65(2):125-141.

[11] Baulac M, Defrance J, Jean P. Optimization of multiple edge barriers with genetic algorithms coupled with a Nelder-Mead local search [J]. J. Sound and Vibration, 2007,300(1/2):71-87.

[12] 周信,肖新標(biāo),何賓,等.高速鐵路聲屏障插入損失影響因素及規(guī)律 [J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2014,49(6):1024-1031.

[13] 龍麗平,趙麗濱,劉立東.列車致聲屏障結(jié)構(gòu)的空氣脈動力研究[J]. 工程力學(xué), 2010,27(3):246-250.

[14] 李增剛.SYSNOISE Rev 5.6詳解 [M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2005.

[15] 焦大化.日本高速鐵路噪聲預(yù)測方法 [J]. 鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保, 2007,34(1):35-38.

[16] 中國鐵道科學(xué)研究院高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國家工程實(shí)驗(yàn)室.武廣客運(yùn)專線聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)行試驗(yàn)總報(bào)告 [R]. 北京:中國鐵道科學(xué)研究院, 2009.

[17] HJ/T90-2004聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測量規(guī)范 [S]. [18] HJ2.4-2009環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則聲環(huán)境 [S].

[19] 李楠,馮濤,李賢徽,等.交通噪聲地圖的聲源反演及修正計(jì)算 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2013,33(6):1081-1090.

[20] 通環(huán)［2009］8325鐵路工程建設(shè)通用參考圖—時(shí)速 350km客運(yùn)專線鐵路路基插板式金屬聲屏障 [S].

[21] 通環(huán)［2009］8323A鐵路工程建設(shè)通用參考圖—時(shí)速350km客運(yùn)專線鐵路橋梁插板式金屬聲屏障 [S].

[22] GB12525-90鐵路邊界噪聲限值及其測量方法修改方案 [S].

[23] ISO 3095-2005Railway applications-acoustics-measurement of noise emitted by railbound vehicles [S].

[24] 陳建國,夏禾,蔡超勛,等.高速列車引起的環(huán)境噪聲及聲屏障測試分析 [J]. 振動工程學(xué)報(bào), 2011,24(3):229-234.

[25] 翟國慶,張邦俊,過春燕.城市高架軌道交通沿線聲場分布計(jì)算模型 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2004,24(3):320-323.

The influence of sound barriers with different heights on the noise reduction effect of high-speed railway.

FEI Guang-hai1,2, WU Xiao-ping1,2,3*, LIAO Chen-yan4, (1.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；2.Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Railway, Ministry of Education, Changsha 410004, China；3.Centre for Transport Studies, University College London, London WC1E 6BT, UK；4.Fourth Harbor Engineering Investigation and Design Institute Corporation Limited, China Communications Construction Company, Guangzhou 510230, China).

China Environmental Science, 2015,35(8)：2539～2545

To study the influence of sound barriers with different heights on the noise reduction effect, a noise reduction model of sound barrier for high-speed railway was established. Based on a certain section of Wuhan-Guangzhou high-speed railway, the noise reduction effects of the vertical noise barriers with different heights and conditions were simulated and analysed by the software ANSYS and SYSNOISE. Results showed that, the working efficiency of the sound barrier decreased with the increase of the train speed. And under the same speed, the noise reduction effect of the ground noise barrier is more satisfactory than the bridge barrier. Data according to MATLAB numerical calculation showed that the insertion loss of each observation point is a logarithmic formula of the height. The relationship between noise attenuation and the height of barrier was not a linear one, the growth rate of the insertion loss was smaller as the height increased on the same scale. According to the need of noise reduction and the economics, the suitable height of the subgrade sound barrier is 3.45～3.95m. And when the train runs at a high speed above 350km/h, the suitable height of the bridge sound barrier should be more than 3.15m.

High-speed railway；noise attenuation；sound barrier height；simulation analysis

X593、U238

A

1000-6923(2015)08-2539-07

2014-10-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51078361);湖南省交通科技項(xiàng)目(200743)

* 責(zé)任作者, 教授, csurailwayfgh@163.com

費(fèi)廣海(1990-),男,湖南株洲人,中南大學(xué)博士研究生,主要從事道路與鐵道工程、交通環(huán)境工程研究.發(fā)表論文6篇.