羅文俊，徐海飛

（華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013）

高速鐵路吸聲聲屏障插入損失影響因素的分析

羅文俊，徐海飛

（華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013）

在半消聲室中建立直立型吸聲聲屏障縮尺模型，針對(duì)不同吸聲材料厚度、密度及不同聲屏障面板開孔率?；诘聡鳫ead公司DATaRec4 DIC24數(shù)據(jù)采集儀和ArtemiS數(shù)據(jù)分析軟件來測試聲屏障的降噪效果。分別對(duì)25%，35%，45%面板開孔率和60，80，100 mm厚度及24，32，48 kg/m3密度吸音板工況下的吸聲聲屏障的降噪效果進(jìn)行測試和分析，從而探究高速鐵路吸聲聲屏障各參數(shù)對(duì)插入損失的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：在聲屏障一定高度的情況下，隨著聲屏障面板開孔率的增加，聲屏障的降噪效果越來越顯著，以此佐證增加聲屏障面板開孔率有利于提高聲屏障的降噪效果；同時(shí)隨著芯材厚度的增加以及芯材密度的減小，聲屏障的的降噪效果也越顯著，以此說明提高芯材厚度以及降低芯材密度也有利于提高聲屏障的降噪效果。

高速鐵路；吸聲聲屏障；插入損失；影響因素

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展的同時(shí)，給沿線居民的噪聲污染也日趨嚴(yán)重，高速鐵路的噪聲污染已經(jīng)成為一個(gè)亟需解決的難題。吸聲聲屏障作為我國當(dāng)前高速鐵路最主要的噪聲防治措施之一，其在高速鐵路降噪方面具有重要的意義。但是，目前我國吸聲聲屏障在實(shí)際運(yùn)用的降噪效果往往達(dá)不到預(yù)期的效果，而聲屏障的降噪效果通常由插入損失來衡量，因此有必要對(duì)高速鐵路吸聲聲屏障插入損失的影響因素進(jìn)行分析。

雖然國內(nèi)外對(duì)高速鐵路聲屏障降噪效果的研究很多[1-3]，但由于聲屏障降噪是一個(gè)非常復(fù)雜的聲學(xué)問題，其受到眾多因素的影響[4-6]。其一，不同類型聲源以及不同高度聲源對(duì)聲屏障的降噪效果是不一樣；其二，聲屏障的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造也影響著聲屏障的降噪效果；其三，目前國內(nèi)外對(duì)高速鐵路吸聲聲屏障插入損失影響因素的研究還是不多。因此，為了滿足高速鐵路吸聲聲屏障以后應(yīng)用的高標(biāo)準(zhǔn)以及人民對(duì)未來生活水平的高要求，筆者探究高速鐵路吸聲聲屏障插入損失影響因素的研究，對(duì)未來高速鐵路聲屏障降噪具有一定的參考意義。

1 聲屏障插入損失影響因素試驗(yàn)的理論依據(jù)

聲波穿過聲屏障時(shí)，沿反射、透射和繞射路徑的聲能分配對(duì)聲屏障的插入損失具有重要的影響，如圖1（a）所示。繞射聲衰減是指直達(dá)聲與繞射聲的聲級(jí)之差，如圖1（b）所示。聲屏障插入損失IL的理論計(jì)算是根據(jù)《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測量規(guī)范》[7]來確定的。

一般我們假設(shè)聲屏障能夠完全阻擋直達(dá)聲,并認(rèn)為繞射聲有足夠的衰減,并且透射聲的影響很小可以忽略。要是聲屏障安裝前后的A聲級(jí)能直接測量，那么就可根據(jù)下式計(jì)算聲屏障的插入損失：

式中：

Lref，a為安裝聲屏障后參考點(diǎn)處的聲級(jí)，dB（A）；Lref，b為安裝聲屏障前參考點(diǎn)處的聲級(jí)，dB（A）；Lr，a為安裝聲屏障后受聲點(diǎn)處的聲級(jí)，dB（A）；Lr，b為安裝聲屏障前受聲點(diǎn)處的聲級(jí)，dB（A）。

圖1 聲波在聲屏障傳播的路徑圖Fig.1 Path of sound wave propagation in acoustic barrier

2 聲屏障插入損失影響因素分析試驗(yàn)

為了保證試驗(yàn)測試的準(zhǔn)確性，該試驗(yàn)選擇在半消聲室中進(jìn)行，通過在半消聲室中建立直立吸聲型聲屏障模型，然后進(jìn)行聲屏障插入損失的降噪分析試驗(yàn)。選擇德國Head公司DATaRec4 DIC24數(shù)據(jù)采集儀作為本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集處理軟件。

2.1 吸聲聲屏障插入損失影響因素工況的選擇

吸聲聲屏障插入損失影響因素試驗(yàn)工況的選擇需要考慮試驗(yàn)測量的難易程度，吸聲材料的吸聲系數(shù)梯度以及面板開孔率梯度必須合理考慮，這樣試驗(yàn)測試的結(jié)果才具有可分析性。直立吸聲型聲屏障模型內(nèi)置吸聲材料采用超細(xì)玻璃棉板，金屬面板采用鍍鋅鋼板，聲屏障模型具體工況如表1所示。試驗(yàn)工況的安排采用控制變量法，工況一、二、三主要分析面板開孔率對(duì)吸聲聲屏障插入損失的影響，工況二、四、五主要分析吸音板厚度對(duì)吸聲聲屏障插入損失的影響，工況二、四、五主要分析吸音板密度對(duì)吸聲聲屏障插入損失的影響。

試驗(yàn)測點(diǎn)的布設(shè)參考《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測量規(guī)范》在聲屏障后面距聲屏障模型1.67 m和3.3 m處共選定6個(gè)點(diǎn)，高度分別為0.67，1.13 m和1.67 m。各測點(diǎn)的分布如表2所示。聲源采用球形聲源，其距離聲屏障前側(cè)2.5 m，高度為0.7 m。聲屏障模型安裝及測點(diǎn)布置如圖2（a）和（b）所示。

表1 聲屏障模型工況表Tab.1 Working conditions of sound barrier model

表2 聲屏障模型試驗(yàn)測點(diǎn)布置表Tab.2 Layout of measuring points for sound barrier model test

2.2 面板開孔率對(duì)吸聲聲屏障插入損失影響的分析

圖2 吸聲聲屏障模型及測點(diǎn)布置Fig.2 Model of sound absorption barrier and layout of measuring points

面板作為直立型吸聲聲屏障重要的組成部分，同時(shí)也是聲屏障接觸到噪聲最早的部分，并且聲屏障面板開孔率的大小直接影響到聲屏障內(nèi)置吸音面板與噪聲的接觸面積，所以吸聲聲屏障面板開孔率的大小對(duì)吸聲聲屏障的吸隔聲效果具有較大的影響。為了使試驗(yàn)結(jié)果更具分析性，本試驗(yàn)聲屏障面板開孔率梯度盡可能大地選擇，初步選擇了3種開孔率，分別為25%，35%，45%。通過采用Header軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，噪聲采集的頻率范圍為63～10 000 Hz，從而得到在這3種面板開孔率下各個(gè)測點(diǎn)的時(shí)間-幅值圖及頻譜圖。

通過對(duì)測得的噪聲時(shí)間—幅值圖的數(shù)據(jù)處理及計(jì)算，分別得出聲屏障各個(gè)測點(diǎn)在面板開孔率25%，35%，45%下吸聲聲屏障各個(gè)測點(diǎn)1/3倍頻程的插入損失圖，如圖3所示。由于1～6號(hào)測點(diǎn)測得的結(jié)果大致相同，這里只給出了1，3，5號(hào)測點(diǎn)的插入損失影響圖。

從圖 3可以看出，隨著噪聲頻率的增加，吸聲型聲屏障的降噪效果越明顯，并且在630～10 000 Hz頻率范圍中，吸聲聲屏障降噪效果尤為顯著，降噪值大約在10～22 dB(A)。同時(shí)在100～10 000 Hz頻率范圍中，隨著聲屏障面板開孔率的增加，聲屏障的插入損失依次明顯提高。在1 000～10 000 Hz頻率區(qū)域的插入損失梯度大于100～500 Hz頻率區(qū)域的插入損失梯度。因此，在聲屏障高度一定的情況下，隨著聲屏障面板開孔率的增加，聲屏障的降噪效果越好，并且高頻的降噪效果好于低頻的降噪效果，說明增加聲屏障面板開孔率有利于提高吸聲聲屏障對(duì)噪聲特別是高頻區(qū)域噪聲的降噪效果。聲型聲屏障插入損失在500～1 000 Hz頻率范圍中，出現(xiàn)了空室“探底”的現(xiàn)象[8]，本文在分析聲型聲屏障插入損失影響因素未考慮空室“探底”對(duì)該頻率范圍的影響。

2.3 吸音板厚度對(duì)吸聲聲屏障插入損失影響的分析

吸音板作為吸聲聲屏障最為核心的組成部分，其不僅要具有較好的吸音作用，同樣要具有合適的厚度。吸音板厚度越大意味著噪聲穿過吸聲聲屏障時(shí)經(jīng)過吸音板的路徑越長，吸音板的吸音時(shí)間也越長，所以吸音板厚度對(duì)吸聲聲屏障插入損失的影響也不容小覷。試驗(yàn)根據(jù)實(shí)際工程所采用的吸音板厚度使用的經(jīng)驗(yàn)，初步選擇了60，80，100 mm這3種吸音板厚度，然后進(jìn)行試驗(yàn)，從而得到在這3種吸音板厚度下各個(gè)測點(diǎn)的時(shí)間-幅值圖及頻譜圖，并經(jīng)過計(jì)算和處理得到各個(gè)測點(diǎn)1/3倍頻程的插入損失圖，如圖4所示。

圖3 面板開孔率在各個(gè)測點(diǎn)1/3倍頻程插入損失Fig.3 The insertion loss figure of panel aperture rate at each measuring point 1/3 octave

圖4 吸音板厚度在各個(gè)測點(diǎn)1/3倍頻程插入損失圖Fig.4 The insertion loss figure of sound-absorbing plate thickness at each measuring point 1/3 octave

從圖4可以看出：隨著噪聲頻率的增加，吸聲型聲屏障的降噪效果也越明顯，并且隨著芯材厚度的增加，聲屏障的的降噪效果越顯著，并且在100～500 Hz頻率區(qū)域的插入損失梯度大于1 000～10 000 Hz頻率區(qū)域的插入損失梯度，說明增加芯材厚度有利于提高聲屏障對(duì)噪聲特別是對(duì)低頻噪聲的降噪效果。

2.4 吸音板密度對(duì)吸聲聲屏障插入損失影響的分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，吸音板的密度直接影響到吸音板的孔隙率以及孔徑，從而影響到吸音板的吸聲系數(shù)，所以吸音板的密度對(duì)吸聲聲屏障插入損失的影響也很大。試驗(yàn)初步選擇了24，32，48 kg/m3這3種吸音板密度，然后進(jìn)行試驗(yàn)，從而得到在這3種吸音板密度下各個(gè)測點(diǎn)的時(shí)間-幅值圖及頻譜圖，并經(jīng)過計(jì)算和處理得到各個(gè)測點(diǎn)1/3倍頻程的插入損失圖，如圖5所示。

從圖5還可以看出：隨著芯材密度的減小，聲屏障的的降噪效果也越顯著，并且在1 000～ 10 000 Hz頻率區(qū)域的插入損失梯度大于100～ 500 Hz頻率區(qū)域的插入損失梯度，說明降低芯材密度有利于提高聲屏障對(duì)噪聲特別是對(duì)低頻噪聲的降噪效果。

綜合分析，我們?cè)诟咚勹F路工程中，如果想用吸聲聲屏障盡可能地降低鐵路環(huán)境噪聲，需盡可能選擇開口率大的面板，以及芯材厚度大且密度小的吸音板作為吸聲聲屏障的材料；如果想盡可能地降低低頻噪聲，則需要選擇需盡可能選擇開口率小的面板，以及芯材厚度大且密度小的吸音板作為吸聲聲屏障的材料，反之如果想盡可能地降低高頻噪聲，則需要選擇需盡可能選擇開口率大的面板以及芯材厚度小且密度大的吸音板作為吸聲聲屏障的材料。

3 結(jié)論

1）在聲屏障高度一定的情況下，隨著聲屏障面板開孔率的增加，聲屏障的降噪效果越來越顯著，說明增加聲屏障面板開孔率有利于提高聲屏障的降噪效果。

2）在聲屏障高度一定的情況下，隨著芯材厚度的增加以及芯材密度的減小，聲屏障的的降噪效果也越顯著，說明提高芯材厚度以及降低芯材密度也有利于提高聲屏障的降噪效果。

3）隨著噪聲頻率的增加，吸聲型聲屏障的降噪效果越明顯，并且在630～10 000 Hz頻率范圍中，吸聲聲屏障降噪效果尤為顯著，降噪值大約在10～22 dB(A)。

圖5 吸音板密度在各個(gè)測點(diǎn)1/3倍頻程插入損失圖Fig.5 The insertion loss figure of sound-absorbing board density at each measuring point 1/3 octave

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Analysis on Influence Factors of Insertion Loss of Sound Absorption Noise Barrier in High-speed Railway

Luo Wenjun,Xu Haifei
（Engineering Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise of the Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

In the semi-anechoic chamber,a vertical scale model of the sound absorption noise barrier was established in this study to explore influence factors including the thickness and density of different sound absorption material and the aperture ratio of different sound barrier panels.Based on German Head company’s DATaRec4 DIC24 data acquisition instrument and ArtemiS data analysis software,it tested the noise reduction effects of sound absorption noise barriers respectively for acoustic panels in 25，35，45%panel aperture ratio and 60，80，100 mm thickness and 24，32，48 kg/m3density,so as to analyze the influence of parameters on the insertion loss of acoustic barriers in high-speed railway.The results showed that with the increase of the aperture ratio of the noise barriers,the noise reduction effect of the noise barrier becomes more and more obvious under the condition of a certain height of the noise barrier,which supports that increasing the aperture ratio of the noise barrier panel is helpful for improving the noise reduction effect of the noise barrier；meanwhile,with the increase of the thickness of core material and the decrease of core material density,the noise reduction effect of the noise barrier is more significant,which indicates that increasing the thickness of core material and reducing the density of core material may improve the noise reduction effect of noise barriers.

high-speed railway；sound absorption noise barrier；insertion loss；influence factors

TU112.59+4

A

1005-0523（2017）03-0001-06

（責(zé)任編輯 王建華）

2016－12－03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51468021）；江西省遠(yuǎn)航工程項(xiàng)目（S2014-65）；江西省自然基金（20161BAB206160）

羅文俊（1979—），女，副教授，博士，研究方向?yàn)殍F路環(huán)境振動(dòng)、噪聲分析及控制。