周立群，韓 健，何 賓，開 建，肖新標(biāo)

(1.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；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

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)置聲屏障來(lái)減小鐵路沿線的噪聲污染。隨著高速列車速度的不斷提高，列車持續(xù)脈動(dòng)風(fēng)壓導(dǎo)致普通直立型聲屏障的使用壽命減短，普通直立型聲屏障已經(jīng)無(wú)法滿足安全性和穩(wěn)定性等要求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有學(xué)者提出了減載式聲屏障的概念[1-2]，通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)來(lái)降低聲屏障承受的氣動(dòng)荷載力，但不同的減載結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)聲屏障降噪效果造成不同的影響。

蘇衛(wèi)青[3]和周信[4]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[5]和Morgan[6]等國(guó)外學(xué)者對(duì)直立型、倒L型、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)。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)減載式聲屏障結(jié)構(gòu)的研究較少，周強(qiáng)[7]通過(guò)仿真方法對(duì)減載式聲屏障的降噪效果進(jìn)行研究，但國(guó)內(nèi)外對(duì)于V型減載式聲屏障的降噪效果現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證較少。為研究高速鐵路V型減載式聲屏障的降噪效果，本文通過(guò)實(shí)測(cè)高速列車經(jīng)過(guò)戶外時(shí)測(cè)點(diǎn)噪聲，分析V型減載式聲屏障的降噪效果及降噪特性，為今后高速鐵路的聲屏障設(shè)計(jì)和選取提供一定的工程應(yīng)用方法。

1 高速列車的噪聲及聲屏障降噪原理

圖1給出了減載式聲屏障的結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在兩端的H型鋼立柱和H型鋼立柱之間的多塊聲屏障單元板，具有約為50%的開孔率。

圖1 聲屏障結(jié)構(gòu)示意圖

圖2給出了聲屏障的剖面圖，V型單元板結(jié)構(gòu)包括由V型吸聲單元背板、V型吸聲單元穿孔板組成的吸隔聲結(jié)構(gòu)和填充在吸隔聲結(jié)構(gòu)內(nèi)的吸聲材料。其中V型吸聲單元背板和V型吸聲單元穿孔板由鋁鎂合金材料構(gòu)成，厚度為148 cm，傾角為20度。穿孔板的開孔率約為50%；吸聲材料為巖棉，吸聲系數(shù)在0.7以上。為了方便，以下將V型減載式聲屏障簡(jiǎn)稱為V型聲屏障。

1.1 聲屏障的插入損失

聲波穿過(guò)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3所示。

圖2 聲屏障剖面圖

圖3 聲屏障的傳播路徑

聲屏障的插入損失是衡量聲屏障實(shí)際降噪效果的主要指標(biāo)，用符號(hào)IL表示。IL的基本定義為在保持地形、地貌、地面和氣象條件不變的情況下，同一噪聲源在聲屏障安裝前后，在同一受聲點(diǎn)上先后測(cè)定的噪聲聲壓級(jí)之差，根據(jù)下式計(jì)算聲屏障的插入損失。

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

1.2 開孔聲屏障的降噪機(jī)理

為了簡(jiǎn)化開孔聲屏障降噪效果的研究，Elvira[8]對(duì)開孔聲屏障的隔聲機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證，并且可進(jìn)行精確的數(shù)值模擬。簡(jiǎn)化開孔聲屏障如圖4所示，P2發(fā)射一個(gè)平面波，到達(dá)空隙點(diǎn)P1，聲壓可表達(dá)為

式中A與聲功率大小成正比，r21是聲源和空隙點(diǎn)P1的距離，k是波數(shù)（k=π/λ）。

Fresnel-Kirchhoff衍射公式將受聲點(diǎn)P0通過(guò)孔隙的聲壓表示為

圖4 開孔聲屏障示意圖

式中：r01是受聲點(diǎn)到孔隙的距離，θ21和θ01是對(duì)應(yīng)著間隙面法向量的夾角。

如果將上述方程應(yīng)用于V型聲屏障，受聲點(diǎn)P0最終聲壓表達(dá)式為

1.3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)ISO3095-2013，對(duì)距離軌道中心30 m的邊界噪聲進(jìn)行測(cè)試。測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖5所示，其中測(cè)點(diǎn)M1位于軌面3.5 m高處。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高速列車速度對(duì)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)的影響

圖6給出了某高速列車以250 km/h～360 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，測(cè)點(diǎn)在有、無(wú)聲屏障時(shí)斷面聲壓級(jí)大小及其與速度的擬合曲線，由此得到的3.95 m高V型聲屏障插入損失隨速度變化規(guī)律如圖5所示。圖中點(diǎn)畫線代表測(cè)點(diǎn)在有、無(wú)聲屏障時(shí)斷面隨速度變化的聲壓級(jí)，對(duì)應(yīng)左側(cè)Y軸；柱狀圖的值代表3.95 m高的V型聲屏障的插入損失，對(duì)應(yīng)右側(cè)Y軸。

圖6 測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)隨速度變化關(guān)系圖

當(dāng)列車速度從250 km/h提高到360 km/h時(shí)，無(wú)聲屏障區(qū)段聲級(jí)從93.6 dB(A)增加到97.5 dB(A)，V型聲屏障區(qū)段聲級(jí)從80.0 dB(A)增加到87.3 dB(A)。安裝聲屏障后測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)下降，但相對(duì)無(wú)聲屏障，此時(shí)聲壓級(jí)隨速度的提高增幅更快，增幅要大3.4 dB(A)。

采用最小二乘法，對(duì)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)與v進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合得到，無(wú)聲屏障時(shí)

安裝3.95 m高V型聲屏障時(shí)

相關(guān)研究表明[9-10]，在250 km/h以內(nèi)的速度范圍內(nèi)，噪聲級(jí)大約以30 lgv速率增長(zhǎng)，速度更高時(shí)，噪聲級(jí)隨速度變化斜率進(jìn)一步增加，大約以60 lgv速率增長(zhǎng)。而滾動(dòng)噪聲一般與30 lgv成正比，氣動(dòng)噪聲與60 lgv成正比。故擬合曲線斜率為30時(shí)，測(cè)點(diǎn)噪聲以輪軌噪聲為主；曲線斜率為60時(shí)，噪聲以氣動(dòng)噪聲為主。無(wú)聲屏障時(shí)曲線斜率為25.65，測(cè)點(diǎn)噪聲以輪軌噪聲為主；安裝V型聲屏障后曲線斜率增至49.46，此時(shí)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲所占比例變大，這主要因?yàn)槁暺琳夏軌蛴行帘瘟熊囅虏吭肼?，而輪軌噪聲主要?lái)源于車下區(qū)域，而對(duì)于來(lái)自列車中上部的氣動(dòng)噪聲抑制效果不如下部顯著，因此，表現(xiàn)為加入聲屏障后擬合曲線斜率增大的現(xiàn)象。

隨著列車運(yùn)行速度的增加，V型聲屏障的插入損失有較明顯的下降。250 km/h時(shí)其插入損失為13.6 dB(A)，而360 km/h時(shí)為10.2 dB(A)，降幅為3.4 dB(A)。由于速度增加導(dǎo)致氣動(dòng)噪聲增大，此時(shí)3.95 m高的V型聲屏障對(duì)列車中上部的氣動(dòng)噪聲不能起到屏蔽作用，因此，插入損失呈下降趨勢(shì)較明顯。

根據(jù)測(cè)點(diǎn)擬合曲線，可以預(yù)測(cè)列車以更高速度運(yùn)行時(shí)的測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)。當(dāng)速度在400 km/h時(shí)，兩個(gè)區(qū)段對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)聲級(jí)分別為98.9 dB(A)和89.7 dB(A)，即V型聲屏障插入損失約為9.2 dB(A)。

由圖7可知，在列車速度為350 km/h時(shí)，無(wú)聲屏障時(shí)測(cè)點(diǎn)聲級(jí)主要頻率為500 Hz～5 000 Hz，插入損失在中高頻較為顯著，且隨著頻率增大，3.95 mV型聲屏障的插入損失逐漸增大，增大值為1.8 dB(A)～22.0 dB(A)。

2.2 不同類型聲屏障對(duì)插入損失的影響

圖8給出了3.95 m高的V型聲屏障與直立型聲屏障的插入損失對(duì)比。

由圖8可知，高度同為3.95 m時(shí)，隨著列車運(yùn)行速度的增加，V型聲屏障和直立型聲屏障的插入損失均有較明顯的下降，但V型的插入損失下降相對(duì)緩慢。

圖7 350 km/h三分之一倍頻譜特性

圖8 3.95 m高V型和直立型聲屏障的插入損失對(duì)比

在速度低于350 km/h時(shí)，V型聲屏障的插入損失均比直立型聲屏障??；隨著速度提高，二者的差值在逐步縮小，二者差值從250 km/h時(shí)的2.4 dB(A)下降到350 km/h時(shí)的0.1 dB(A)。在速度為360 km/h時(shí)，V型聲屏障的插入損失比直立型聲屏障大0.3 dB(A)。這和兩種聲屏障結(jié)構(gòu)形式直接相關(guān)，直立型聲屏障為整體結(jié)構(gòu)形式，能夠降低低頻的繞射聲；而V型聲屏障的開縫設(shè)計(jì)是為了降低聲屏障所受脈動(dòng)風(fēng)壓載荷，提高使用壽命。V型聲屏障開縫必然導(dǎo)致聲音繞射。根據(jù)聲傳播理論可知，低頻聲繞射能力較強(qiáng)，因此V型聲屏障對(duì)低頻聲的阻礙作用降低。

列車運(yùn)行速度較低時(shí)，車外噪聲的低頻成分比重較大，此時(shí)直立型聲屏障的插入損失會(huì)比V型聲屏障更大。隨著列車速度提高，高頻噪聲逐漸成為主導(dǎo)，此時(shí)吸聲材料的敷設(shè)面積和吸聲系數(shù)尤為重要，直立型聲屏障吸聲材料與聲音的接觸面僅為聲屏障一側(cè)；而V型聲屏障開縫之后，增大了吸聲材料的使用面積和使用率。因此，速度越高，車外噪聲高頻比重越大，從而形成二者插入損失的差值逐步接近的結(jié)果，甚至在更高速下二者插入損失的差值發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)變，V型聲屏障降噪效果更好。

圖9至圖11給出了列車速度分別為250 km/h、350 km/h和360 km/h時(shí)，3.95 m V型聲屏障及同高度的直立型聲屏障的頻譜特性。圖中點(diǎn)畫線代表2種聲屏障的插入損失，柱狀圖代表二者插入損失的差值，正數(shù)表示V型聲屏障的降噪效果更好。

圖9 3.95 m高V型和直立型聲屏障頻譜特性對(duì)比（250 km/h）

圖10 3.95 m高V型和直立型聲屏障頻譜特性對(duì)比（350 km/h）

圖11 3.95 m高V型和直立型聲屏障頻譜特性對(duì)比（360 km/h）

轉(zhuǎn)速為250 km/h時(shí)，在315 Hz～5 000 Hz，直立型聲屏障插入損失更大。其中，在1 600 Hz以下，直立型聲屏障測(cè)點(diǎn)插入損失大2.9 dB(A)～5.8 dB(A)。車速為350 km/h時(shí)，此時(shí)直立型和V型減載聲屏障的插入損失接近，該速度代表了相對(duì)插入損失轉(zhuǎn)變的臨界速度。1 600 Hz以下，直立型聲屏障的插入損失更大；在1 600 Hz以上，V型聲屏障插入損失更大。當(dāng)速度提高到350 km/h以上時(shí)，V型聲屏障插入損失更大，在1 250 Hz以下，V型聲屏障測(cè)點(diǎn)插入損失僅小0.2 dB(A)～2.5 dB(A)。在1 250 Hz以上，V型聲屏障測(cè)點(diǎn)插入損失大1.0 dB(A)～9.0 dB(A)。

上述對(duì)于閩商行銷網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過(guò)程的探析可以看到，傳統(tǒng)閩商精神中其實(shí)就蘊(yùn)含著高效的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，而不像有些人所說(shuō)的那樣“閩商慣于單打獨(dú)斗，各自為戰(zhàn)，缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神”。既重視團(tuán)隊(duì)合作，又強(qiáng)調(diào)自立自強(qiáng)，這才是真實(shí)的閩商團(tuán)隊(duì)精神。

綜上所述，隨著列車運(yùn)行速度提高，測(cè)點(diǎn)噪聲的主要頻率向高頻移動(dòng)，中高頻噪聲的貢獻(xiàn)量增大。而減載聲屏障相對(duì)直立型聲屏障有更多的吸聲材料和吸聲面積，逐步在中高頻段體現(xiàn)出降噪效果。

2.3 不同高度對(duì)插入損失的影響

提高聲屏障高度不僅能夠進(jìn)一步提高對(duì)列車下部噪聲（如輪軌噪聲）的降噪量，還能夠有效屏蔽列車中上部聲源。圖12給出了高度分別為2.95 m和3.95 mV型聲屏障的插入損失結(jié)果，調(diào)查V型聲屏障高度對(duì)高速鐵路車外噪聲的影響。

圖12 V型聲屏障的插入損失

由圖12可知，V型聲屏障高度增加，插入損失增大。2.95 m高V型聲屏障的插入損失為6.4 dB(A)～10.3 dB(A)，而3.95 m高V型聲屏障插入損失為10.0 dB(A)～13.6 dB(A)。V型聲屏障高度從2.95 m增加至3.95 m，插入損失增大3.1 dB(A)～3.8 dB(A)。隨著聲屏障高度增加，聲屏障與車體之間的多重反射加劇，改變聲波的傳播規(guī)律和傳播路線，造成部分頻率的插入損失有一定的減少。就整體規(guī)律而言，測(cè)點(diǎn)插入損失隨著聲屏障高度的增加在所有頻率均有不同程度的提高。但不同高度帶來(lái)的插入損失差異受速度影響較小。

圖13給出了列車速度為350 km/h時(shí)，兩種不同高度V型聲屏障插入損失的頻譜特性。圖中點(diǎn)畫線代表不同高度V型聲屏障的插入損失，柱狀圖代表兩者插入損失的差值，正數(shù)表示3.95 m高V型聲屏障的降噪效果更好。

在315 Hz～5 000 Hz范圍內(nèi)，隨著頻率增加，聲屏障的插入損失均增大，說(shuō)明插入損失的主要頻率向高頻移動(dòng)。

兩個(gè)不同高度V型聲屏障插入損失達(dá)到峰值的頻率相同，分別為3 150 Hz和5 000 Hz，但2.95 m高V型聲屏障的峰值大小為12.9 dB(A)～13.4 dB(A)，3.95 m高V型聲屏障的峰值大小為18.4 dB(A)～22.0 dB(A)。

圖13 不同高度V型聲屏障頻譜特性對(duì)比（350 km/h）

兩者在速度為350 km/h時(shí)，頻率為5 000 Hz的插入損失相差最大，3.95 m高V型聲屏障要比2.95 m聲屏障高8.6 dB(A)。

圖14給出了高度分別為2.95 m和3.95 m時(shí)直立聲屏障的插入損失結(jié)果。

圖14 直立聲屏障的插入損失

由圖14可知，直立聲屏障高度增加，插入損失同樣增大。2.95 m高直立聲屏障的插入損失為10.8 dB(A)～14.8 dB(A)，而3.95 m高直立聲屏障插入損失為11.1 dB(A)～16.3 dB(A)。直立聲屏障高度從2.95 m增加至3.95 m，插入損失增大0.2 dB(A)～1.7 dB(A)。

圖15給出了列車速度為350 km/h時(shí)，兩種不同高度直立型聲屏障插入損失的頻譜特性。

在315 Hz～5 000 Hz范圍內(nèi)，2.95 m和3.95 m直立聲屏障插入損失達(dá)到峰值的頻率相同，分別為1600 Hz和3150 Hz，但2.95 m聲屏障的峰值大小為13.0 dB(A)～13.9 dB(A)，3.95 m聲屏障的峰值大小為13.4 dB(A)～14.4 dB(A)。兩者在頻率為315 Hz的插入損失相差最大，3.95 m聲屏障要比2.95 m聲屏障高3.2 dB(A)。

由以上可知，不論是V型聲屏障還是直立聲屏障，插入損失隨著高度的增加而增大。當(dāng)二者高度同時(shí)由2.95 m增大到3.95 m，V型聲屏障的插入損失增大3.1 dB(A)～3.8 dB(A)，直立聲屏障的插入損失增大0.2 dB(A)～1.5 dB(A)。因此，當(dāng)高度同時(shí)由2.95 m增大到3.95 m時(shí)，V型聲屏障的降噪效果提高更明顯，在速度為360 km/h時(shí)，比直立型聲屏障的插入損失大3.5 dB(A)。

圖15 不同高度直立聲屏障頻譜特性對(duì)比（350 km/h）

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于高速列車通過(guò)車外標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)V型聲屏障的降噪特性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）隨著列車運(yùn)行速度的增加，V型聲屏障和直立型聲屏障的插入損失均有較明顯的下降，但V型的插入損失下降相對(duì)緩慢。

（2）對(duì)于3.95m高的V型與直立聲屏障，當(dāng)速度小于350 km/h時(shí)，直立聲屏障的降噪效果更好，插入損失要大0.1 dB(A)～2.4 dB(A)；當(dāng)速度大于350 km/h時(shí)，V型聲屏障的降噪效果更好，插入損失要大0.3 dB(A)。

（3）V型聲屏障與直立聲屏障的高度同時(shí)由2.95 m增大到3.95 m，V型聲屏障的降噪效果提高更明顯，在速度為360 km/h時(shí)，比直立型聲屏障的插入損失大3.5 dB(A)。