劉海濤，王繼軍，劉偉斌，杜香剛

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

軌道交通以其方便、快捷、高效等原因成為人們出行主要交通形式之一。城市軌道和高速鐵路主要采用無砟軌道。無砟軌道噪聲約高于有砟軌道3 dB(A)[1-2]，鋪設(shè)軌道吸聲板是降低無砟軌道噪聲的有效方式。20世紀(jì)90年代以來德國、奧地利、荷蘭等國家已試驗(yàn)并在多段應(yīng)用了無砟軌道吸聲板，降低噪聲約2～3 dB(A)。國內(nèi)2007年鐵科院研發(fā)了適用于無砟軌道的水泥基珍珠巖吸聲板，現(xiàn)場測試表明可降低噪聲1.9 dB(A)[3]；鐵二院在成灌鐵路上鋪設(shè)泡沫混凝土軌道吸聲板，該產(chǎn)品混響室降噪系數(shù)>0.6，實(shí)車試驗(yàn)表明可降低噪聲2.8 dB(A)；鐵三院于大西綜合試驗(yàn)線上鋪設(shè)了無砟軌道吸聲板，該吸聲板最高測試速度為300 km/h，降低噪聲約1～3 dB(A)。目前無砟軌道吸聲板采用水泥基珍珠巖、陶粒等吸聲材料制作而成，取得了較好的效果[4-5]，但由于吸聲材料本身為多孔結(jié)構(gòu)，也存在材料本身強(qiáng)度不高、環(huán)境長期作用下顆粒容易剝離、吸聲效果有待進(jìn)一步提高等問題[6]。

泡沫鋁在本世紀(jì)初作為吸聲材料經(jīng)過不斷優(yōu)化和改進(jìn)，吸聲性能得到較大提升，同時(shí)其具有高比強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫、超輕、耐撞擊等優(yōu)點(diǎn)。本文首次采用泡沫鋁材料，研發(fā)一種無砟軌道吸聲板，通過材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使泡沫鋁吸聲板吸聲性能極大提高，較好滿足無砟軌道使用條件。

1 泡沫鋁吸聲板結(jié)構(gòu)及部件設(shè)計(jì)

圖1 泡沫鋁吸聲板

無砟軌道用泡沫鋁吸聲板主要由泡沫鋁、混凝土、格柵網(wǎng)、扣壓件、內(nèi)模板等組成，如圖1(a)所示。雙層泡沫鋁搭配雙層空腔增強(qiáng)了吸聲效果，靠近輪軌區(qū)側(cè)面采用泡沫鋁板，增加了吸聲面積。吸聲板采用矩形箱體，放置于鋼軌中間區(qū)域。為增大吸聲面積鋼軌外側(cè)兩承軌臺(tái)間采用凸向鋼軌設(shè)計(jì)，即鋼軌外側(cè)吸聲板呈鋸齒狀。吸聲板在無砟軌道表面試鋪設(shè)，如圖1(b)所示。圖1(c)為實(shí)物產(chǎn)品。

1)結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)規(guī)范[7]要求，軌道結(jié)構(gòu)限界應(yīng)不高于鋼軌頂面25 mm，泡沫鋁吸聲板實(shí)際設(shè)計(jì)高度不高于鋼軌頂面，通常情況下鋼軌間吸聲板高度為180 mm，鋼軌兩側(cè)吸聲板高度為200 mm。吸聲板長度為3個(gè)扣件間距。為便于搬運(yùn)，兩鋼軌間吸聲板沿橫向分為2塊。吸聲板寬度方向距鋼軌的距離不小于50 mm，沿?zé)o砟軌道表面鋪設(shè)。

2)吸聲原理

泡沫鋁為多孔結(jié)構(gòu)，鋁本身具有較好的導(dǎo)熱性能，因此泡沫鋁吸聲板具有多孔吸聲功能。泡沫鋁與空腔組合形成亥姆霍茲空腔，起到空腔共振吸聲作用。聲波在雙層泡沫鋁間傳播時(shí)，不同相位聲波相互抵消形成衍射吸聲效果。泡沫鋁吸聲板綜合采用了微孔吸聲、共振吸聲和衍射吸聲三種降噪方法[8]。泡沫鋁作為一種降噪材料目前應(yīng)用于公路聲屏障[9]、地鐵矮屏障、船舶艙室噪聲控制[10]、電機(jī)噪聲隔離等領(lǐng)域，取得了較好的降噪效果。

3)生產(chǎn)工藝

將泡沫鋁和模板首先組合成內(nèi)模，其中頂面、靠近鋼軌側(cè)及內(nèi)部第二層采用泡沫鋁材料，其他面采用木板；同時(shí)為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能在內(nèi)模頂部覆蓋一層格柵網(wǎng)；然后將內(nèi)模及扣壓件放入混凝土模板中，在內(nèi)模采用木板一側(cè)、吸聲板底部和兩端部澆筑混凝土，使泡沫鋁、混凝土成為一體，并通過預(yù)埋在混凝土中的扣壓件增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。

2 無砟軌道吸聲板降噪效果研究

吸聲板吸聲能力大小采用吸聲系數(shù)表達(dá)。室內(nèi)測量吸聲系數(shù)通常采用阻抗管法[11]。無砟軌道吸聲板吸聲效果受泡沫鋁層數(shù)、各層泡沫鋁材料特性、空腔搭配等因素影響。以下采用阻抗管法研究各影響因素的規(guī)律并確定關(guān)鍵參數(shù)。

2.1 泡沫鋁試件及參數(shù)

采用7種材料，每種材料分別制作直徑約100 mm和30 mm的試件各3組。泡沫鋁試件參數(shù)見表1。阻抗管內(nèi)分層泡沫鋁結(jié)構(gòu)布置如圖2所示，該結(jié)構(gòu)由2層泡沫鋁以及空腔組合而成，L1,L2為兩空腔的深度。數(shù)據(jù)處理時(shí)頻率400 Hz以下用直徑100 mm數(shù)據(jù)，頻率 1 600 Hz 以上用直徑30 mm數(shù)據(jù)，兩頻率之間取平均值。其中9C為厚9 mm采用機(jī)械穿孔且穿孔率為0.8%的泡沫鋁。

城鄉(xiāng)居民基本醫(yī)保管理人員業(yè)務(wù)量繁重、工作壓力大，必然產(chǎn)生顧此失彼現(xiàn)象[7]。面對(duì)新管理理念和形勢，委托商保公司經(jīng)辦城鄉(xiāng)居民基本醫(yī)保制度設(shè)計(jì)和實(shí)施，推進(jìn)了政府部門的職能轉(zhuǎn)變，一定程度上實(shí)現(xiàn)了管辦分離，發(fā)揮了管理中心的監(jiān)督管理職能，還可直接利用商保公司的服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)和管理平臺(tái)，發(fā)揮專業(yè)化、信息化的優(yōu)勢，起到良好的補(bǔ)充作用[8-10]，相關(guān)理論成果為本制度設(shè)計(jì)奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

表1 泡沫鋁試件參數(shù)

圖2 阻抗管內(nèi)分層泡沫鋁結(jié)構(gòu)布置

2.2 泡沫鋁層數(shù)對(duì)吸聲效果的影響

無砟軌道泡沫鋁吸聲板主要吸聲結(jié)構(gòu)為泡沫鋁材料與空腔的組合。采用阻抗管試驗(yàn)研究泡沫鋁分別為單層、雙層和三層時(shí)吸聲系數(shù)的變化。采用單層泡沫鋁時(shí)，材料選用15T1，腔深L1為80 mm；采用雙層泡沫鋁時(shí)，表面材料選用15T1，內(nèi)部材料選用10B1，表層、內(nèi)層空腔深度L1，L2分別為30，50 mm；采用三層泡沫鋁時(shí)，表面和內(nèi)部2層厚度均為10 mm，表面材料選用10T2，內(nèi)部2層材料分別選用10T2，10B1，腔深L1，L2，L3分別為30，24，26 mm。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。其中三層泡沫鋁作為對(duì)比工況僅取直徑100 mm試件做試驗(yàn)(該工況下計(jì)算降噪系數(shù)時(shí)采用 1 600 Hz 下吸聲系數(shù)代替 2 000 Hz時(shí)吸聲系數(shù))。

圖3 不同泡沫鋁層數(shù)時(shí)吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線

分析圖3可知：單層、雙層和三層結(jié)構(gòu)時(shí)，降噪系數(shù)分別為0.72，0.78和0.88，泡沫鋁降噪系數(shù)隨層數(shù)的增加而增加。綜合考慮結(jié)構(gòu)難易程度和成本控制，選擇雙層泡沫鋁方案。

2.3 泡沫鋁材料對(duì)吸聲板降噪效果的影響

2.3.1 表層材料

采用雙層結(jié)構(gòu)，空腔L1，L2分別為30，50 mm。內(nèi)層材料為10B1，表層材料分別采用15T1，15T2，10T1和10T2時(shí)，吸聲板降噪系數(shù)NRC見表2，吸聲板的吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線見圖4。

表2 表層為不同材料時(shí)吸聲板降噪系數(shù)

圖4 表層為不同材料時(shí)吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線

由表2和圖4可見：4組樣品的吸聲系數(shù)均呈雙峰狀，且峰值所對(duì)應(yīng)的頻率較為接近，因此表層材料影響的主要是各頻率下吸聲系數(shù)的絕對(duì)值，對(duì)吸聲系數(shù)在各頻率下的分布影響不大；15T1和10T2降噪系數(shù)較大，更適合作為表層材料。表層材料要承受一定荷載，厚度大時(shí)強(qiáng)度較高，這里選擇15T1作為表層材料。

2.3.2 內(nèi)層材料

表層材料為15T1，內(nèi)層材料分別采用10B1,10T2，9B和9C時(shí)，吸聲板降噪系數(shù)NRC見表3，吸聲板的吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線見圖5。

表3 內(nèi)層為不同材料時(shí)吸聲板降噪系數(shù)

圖5 內(nèi)層為不同材料時(shí)吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線

2.4 吸聲板結(jié)構(gòu)對(duì)吸聲效果的影響

采用雙層結(jié)構(gòu)，表層材料為15T1，內(nèi)層材料為10B1，研究吸聲板空腔深度L1和L2對(duì)降噪效果的影響。

2.4.1 表層空腔深度L1

L2取50 mm，L1分別取15，30，50 mm時(shí)，吸聲板降噪系數(shù)NRC見表4，吸聲板的吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線見圖6。

表4 不同表層空腔深度時(shí)吸聲板降噪系數(shù)

圖6 不同表層空腔深度時(shí)吸聲板吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線

由表4和圖6可見：3組樣品第2個(gè)峰值所對(duì)應(yīng)的頻率明顯不同，隨著L1的減小，第2個(gè)峰值所對(duì)應(yīng)的噪聲頻率逐漸向高頻移動(dòng)；當(dāng)雙峰頻帶變寬時(shí)，中間頻值降低；當(dāng)L1為30 mm時(shí)降噪系數(shù)最大。故選擇L1為30 mm。

2.4.2 內(nèi)層空腔深度L2

L1取30 mm，L2分別取30，50,80 mm時(shí)，吸聲板降噪系數(shù)NRC見表5，吸聲板的吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線見圖7。

從表5和圖7可見：3組樣品的吸聲系數(shù)曲線均呈雙峰狀，在高頻處(1 kHz以上)重合，差別主要集中

表5 不同內(nèi)層空腔深度時(shí)吸聲板降噪系數(shù)

圖7 不同內(nèi)層空腔深度時(shí)吸聲板吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線

在低頻區(qū)；隨L2的增大，曲線峰值變小呈現(xiàn)出寬而矮的形狀；隨著L2的增大，第1個(gè)峰值所對(duì)應(yīng)的噪聲頻率逐漸向低頻移動(dòng)，L2較大時(shí)有利于低頻吸聲；L2為30時(shí)降噪系數(shù)較低,L2為50和80時(shí)降噪系數(shù)較高，均為0.78。這里選擇L2為80 mm。

2.5 泡沫鋁吸聲板混響室試驗(yàn)

采用混響室試驗(yàn)測試吸聲系數(shù)，聲波能從各個(gè)方向以相同的概率入射到吸聲材料上，更接近實(shí)際情況。依據(jù)以上阻抗管試驗(yàn)確定的參數(shù)，采用雙層泡沫鋁結(jié)構(gòu)，制作投影面積10 m2試件。在國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行混響室試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場見圖8，吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線見圖9。

圖8 混響室試驗(yàn)現(xiàn)場

圖9 雙層泡沫鋁結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線

由圖9可見，試件在250 Hz之后吸聲系數(shù)均較高?；祉懯医翟胂禂?shù)為1.0，吸聲效果較好。

3 結(jié)論

研發(fā)了一種基于泡沫鋁材料的新型無砟軌道吸聲板。該泡沫鋁吸聲板采用雙層泡沫鋁及空腔組合，四周澆筑混凝土形成整體，表面覆蓋格柵網(wǎng)增加抗沖擊性能，綜合利用微孔吸聲、共振吸聲和衍射吸聲原理實(shí)現(xiàn)降噪效果。

采用室內(nèi)阻抗管試驗(yàn)，對(duì)比不同頻率下的吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)，隨泡沫鋁層數(shù)增加吸聲效果較好，表層和內(nèi)層泡沫鋁材料影響結(jié)構(gòu)吸聲效果，表層空腔深度的增大使吸聲系數(shù)第2峰值向高頻移動(dòng)，內(nèi)層空腔深度的增大使吸聲系數(shù)第1峰值向低頻移動(dòng)。綜合吸聲板總高度、吸聲效果、制造難易程度、經(jīng)濟(jì)性等，確定采用表層和內(nèi)層均為泡沫鋁材料的雙層結(jié)構(gòu)，表層、內(nèi)層空腔深度分別取30,80 mm。經(jīng)混響室試驗(yàn)測試，該產(chǎn)品降噪系數(shù)為1.0，且在250 Hz之后吸聲系數(shù)均較高，達(dá)到了較好的吸聲效果。

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