劉蘭華， 孫 捷，李志強(qiáng)，李晏良

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.環(huán)境保護(hù)部 環(huán)境工程評(píng)估中心，北京 100012；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

0 引言

在鐵路沿線設(shè)置聲屏障是我國(guó)高速鐵路環(huán)境噪聲治理的主要方法，常見(jiàn)的聲屏障降噪效果計(jì)算方法主要有幾何和波動(dòng)聲學(xué)法、經(jīng)驗(yàn)及半經(jīng)驗(yàn)公式法、有限元或邊界元數(shù)值計(jì)算法等，其中經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式法基于噪聲在聲屏障頂端的繞射衰減，具有計(jì)算速度快、操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)量規(guī)范》[1《]環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則聲環(huán)境》[2]指導(dǎo)使用的計(jì)算方法。

經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式法在公路聲屏障及普速鐵路聲屏障的插入損失計(jì)算中，通常將噪聲源等效為一點(diǎn)聲源或線聲源，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差很小。但是，高速鐵路噪聲源種類多樣，產(chǎn)生機(jī)理不同，在水平及垂直方向的分布也更加復(fù)雜[3]。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，直接將該方法用于高速鐵路聲屏障降噪效果預(yù)測(cè)有較大誤差，而根據(jù)噪聲源位置劃分為多聲源模型則可減小誤差。蘇衛(wèi)青等[4-5]在探索以某1/3倍頻帶中心頻率的計(jì)算結(jié)果作為聲屏障全頻帶降噪效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，列車運(yùn)行速度為300 km/h時(shí)將聲源位置等效于軌上3.5 m高度、中心頻率為1 250 Hz的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果最接近，并進(jìn)一步提出了雙聲源模型，建議高速鐵路噪聲的下部噪聲源高度為0.6 m、上部噪聲源高度為3.3 m。李晏良[6]通過(guò)不同高度的線聲源計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，認(rèn)為動(dòng)車組列車速度為300 km/h時(shí)，對(duì)于距外軌中心線25 m的軌面高度處測(cè)點(diǎn)，單聲源等效高度在2.0 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果接近，并進(jìn)一步將噪聲源劃分為輪軌區(qū)域、車體區(qū)域和集電系統(tǒng)區(qū)域3部分，等效高度分別為0.5 m，2.0 m和4.5 m，得到的全頻帶降噪效果與實(shí)測(cè)結(jié)果的A計(jì)權(quán)誤差在1 dB以內(nèi)。胡文林等[7]將高速鐵路噪聲源細(xì)分為5部分，該模型考慮了橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響，在25 ～ 50 m 處預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差1.5 dB以內(nèi)，近場(chǎng)預(yù)測(cè)精度不及遠(yuǎn)場(chǎng)。

隨著對(duì)高速鐵路噪聲源識(shí)別研究的深化，多等效聲源模型成為提高高速鐵路噪聲預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的主要模型。在進(jìn)行聲屏障降噪效果預(yù)測(cè)時(shí)，等效聲源數(shù)量過(guò)少，聲屏障插入損失計(jì)算誤差偏大；等效聲源數(shù)量過(guò)多，實(shí)際操作又較為復(fù)雜，不適合工程應(yīng)用。為此，通過(guò)對(duì)高速鐵路聲屏障空間降噪效果開(kāi)展試驗(yàn)研究，在吸收既有多等效聲源模型優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種新的三等效聲源模型，利用該模型計(jì)算不同距離測(cè)點(diǎn)的聲屏障插入損失，與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，且計(jì)算效率高，適合應(yīng)用于高速鐵路噪聲環(huán)境影響預(yù)測(cè)和聲屏障最優(yōu)高度的設(shè)計(jì)。

1 概述

1.1 聲屏障插入損失計(jì)算方法

根據(jù)我國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件技術(shù)要求及測(cè)試方法》[8]，聲屏障聲學(xué)構(gòu)件的計(jì)權(quán)隔聲量不應(yīng)小于30 dB，應(yīng)用于列車運(yùn)行速度200 km/h及以上的鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件的降噪系數(shù)不應(yīng)小于0.70。因此，在聲屏障性能滿足該要求時(shí)，認(rèn)為聲音通過(guò)透射路徑到達(dá)聲屏障背面的能量已經(jīng)非常弱小，可以忽略不計(jì)，此時(shí)傳播至聲屏障聲影區(qū)的噪聲主要通過(guò)聲屏障頂端繞射的途徑。根據(jù)聲源與聲屏障的長(zhǎng)度關(guān)系，可以將聲屏障分為無(wú)限長(zhǎng)聲屏障和有限長(zhǎng)聲屏障。聲源長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于聲屏障長(zhǎng)度時(shí)，可以將聲屏障等效為無(wú)限長(zhǎng)聲屏障，對(duì)于有限長(zhǎng)聲屏障的插入損失可在無(wú)限長(zhǎng)聲屏障插入損失計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上根據(jù)遮蔽角百分率進(jìn)行修正[2]。

無(wú)限長(zhǎng)聲屏障插入損失計(jì)算公式為

式中：Abar為聲屏障插入損失值；f為聲波頻率；δ為繞射聲的聲程差；c為空氣中的聲速；t為無(wú)量綱參數(shù)。

公式 ⑴ 計(jì)算插入損失頻譜時(shí)，沒(méi)有考慮噪聲源的形式或頻譜成分及占比，只需要知道聲源、聲屏障和接收點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，但進(jìn)一步計(jì)算全頻帶的插入損失時(shí)，仍需要考慮無(wú)聲屏障時(shí)測(cè)點(diǎn)噪聲的頻譜特征。

1.2 聲屏障降噪效果空間分布

我國(guó)高速鐵路聲屏障在路基區(qū)段的典型高度為2.95 m，在橋梁區(qū)段的典型高度為2.15 m，但不同線路條件的聲屏障在軌面以上部分均為2.05 m。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于高速鐵路聲屏障插入損失的測(cè)試，多依據(jù)《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)量規(guī)范》[1]《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》[9]及《鐵路工程建設(shè)通用參考圖》[10]等規(guī)定的測(cè)量方法和相關(guān)要求，將測(cè)點(diǎn)設(shè)置于距離外側(cè)軌道中心線25 m的軌面高度處[5]。受測(cè)試條件的限制，對(duì)于聲屏障插入損失的空間降噪效果，多將測(cè)點(diǎn)置于某一距離的不同高度處或置于同一高度的不同距離處[6-7，11-12]，測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少。

為明確聲屏障降噪效果的空間分布情況，選擇我國(guó)某高速鐵路橋梁及橋梁聲屏障區(qū)段，在不同距離的軌上、軌下空間均進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，獲得該段聲屏障在動(dòng)車組列車速度為300 km/h時(shí)的降噪效果空間分布云圖，以及不同距離處聲屏障插入損失的頻譜特征。按照動(dòng)車組在靠近聲屏障的近軌和遠(yuǎn)離聲屏障的遠(yuǎn)軌運(yùn)行時(shí)的工況，對(duì)比聲屏障的降噪效果空間分布特征。動(dòng)車組列車在不同軌道上運(yùn)行時(shí)得到的聲屏障插入損失空間分布如圖1所示。

由圖1可知，聲屏障降噪效果最好的范圍為距外軌中心線水平距離15 m內(nèi)、高度為軌下3 m至軌上3 m的空間，該范圍的A計(jì)權(quán)插入損失可達(dá)10 dB以上。在距離超過(guò)25 m時(shí)，聲屏障在軌上5 m以下空間的插入損失仍較高，在軌上5 m以上空間的A計(jì)權(quán)插入損失小于4 dB，且動(dòng)車組近軌運(yùn)行時(shí)的插入損失大于動(dòng)車組遠(yuǎn)軌運(yùn)行時(shí)的插入損失。該測(cè)試結(jié)果說(shuō)明目前我國(guó)高速鐵路聲屏障設(shè)置高度基本合理，距離鐵路較遠(yuǎn)處或位置較高處，聲屏障對(duì)在近軌運(yùn)行動(dòng)車組噪聲的控制優(yōu)于對(duì)在遠(yuǎn)軌運(yùn)行動(dòng)車組噪聲的控制。

對(duì)比圖1a、圖1b可知，雖然聲屏障對(duì)近軌和遠(yuǎn)軌運(yùn)行動(dòng)車組噪聲的降噪效果有較多相似處，但差異也十分明顯。第一，在距離外軌中心線25 m附近的軌下范圍內(nèi)，圖1a顯示靠近地面處聲屏障插入損失值偏小，而圖1b在該區(qū)域則存在一插入損失值較大的“光帶”。對(duì)于高度低于聲屏障高度的噪聲源，位于聲影區(qū)的固定受聲點(diǎn)，聲源越靠近聲屏障時(shí)聲程差越大，對(duì)應(yīng)聲屏障插入損失值越高，以上測(cè)試結(jié)果與公式 ⑴ 得到的結(jié)果相矛盾，考慮是由聲屏障不能有效屏蔽的受電弓升弓區(qū)域噪聲導(dǎo)致。第二，圖1b中動(dòng)車組遠(yuǎn)軌運(yùn)行時(shí)在水平距離60 m附近的軌下2 m及以下高度處，聲屏障插入損失明顯小于圖1a中動(dòng)車組近軌運(yùn)行時(shí)相應(yīng)區(qū)域的值。這是由于動(dòng)車組遠(yuǎn)軌運(yùn)行時(shí)道床遮擋了部分輪軌區(qū)域噪聲，聲屏障效果相對(duì)減弱。

因此，聲屏障對(duì)不同軌道上運(yùn)行的動(dòng)車組降噪效果空間分布上的差異及實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算規(guī)律的差別，主要是由高速鐵路噪聲源、聲屏障及測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置導(dǎo)致，在進(jìn)行聲屏障降噪效果計(jì)算時(shí)有必要考慮高速鐵路噪聲源、聲屏障及測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系。

1.3 聲屏障降噪效果頻譜特征

根據(jù)不同距離測(cè)點(diǎn)的插入損失頻譜可知，隨著距離增加，聲屏障的插入損失基本呈減小的趨勢(shì)。不同距離的軌面高度處聲屏障插入損失頻譜特征如圖2所示。出現(xiàn)負(fù)值，測(cè)得高速鐵路金屬聲屏障的固有頻率為24.9 ～ 33.3 Hz[12]，因而插入損失出現(xiàn)負(fù)值的原因可能為聲屏障在高速動(dòng)車組通過(guò)時(shí)的氣動(dòng)力影響下產(chǎn)生二次結(jié)構(gòu)噪聲。②在200 ～ 800 Hz頻段，高速鐵路金屬聲屏障隔聲量、吸聲系數(shù)均快速提高，聲屏障對(duì)該頻段噪聲的吸收和阻隔能力增強(qiáng)，噪聲由透射和二次反射傳播至聲影區(qū)的能力隨頻率升高而降低，聲屏障插入損失也隨頻率升高而快速增大。③在超過(guò)800 Hz的更高頻段，噪聲只能由聲屏障頂端繞射傳播，聲屏障插入損失隨頻率變化的趨勢(shì)也趨于平緩。

圖1 動(dòng)車組列車在不同軌道上運(yùn)行時(shí)得到的聲屏障插入損失空間分布Fig.1 Spatial distribution of barriers’ insertion loss when the EMUs run on different tracks

圖2 不同距離的軌面高度處聲屏障插入損失頻譜特征Fig.2 Spectra of noise barriers insertion loss at the height of railheads from different distances

利用公式⑴進(jìn)行單等效聲源模型的高速鐵路聲屏障插入損失計(jì)算時(shí)，不同學(xué)者得出的等效聲源高度有較大差異。對(duì)等效聲源高度為0.5 m，1.0 m和2.0 m時(shí)，水平距離為7.5 m，15.0 m，30.0 m，60.0 m的軌面高度處插入損失的單等效聲源模型計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比如圖3所示。結(jié)果顯示，在不同距離的測(cè)點(diǎn)處，與實(shí)測(cè)結(jié)果接近的動(dòng)車組單等效聲源的高度不統(tǒng)一，實(shí)測(cè)與計(jì)算的插入損失隨頻率的變化規(guī)律不一致，且實(shí)測(cè)的插入損失值與計(jì)算結(jié)果也有較大差別。

圖3 單等效聲源模型計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比Fig.3 Single Noise-Source-Model calculation compared with the actual measurement

2 三等效聲源模型研究

受動(dòng)車組高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲影響，高速鐵路與普速鐵路在噪聲源分布方面有較大的區(qū)別。按噪聲產(chǎn)生機(jī)理，高速動(dòng)車組的噪聲源主要有設(shè)備噪聲、輪軌噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和集電系統(tǒng)噪聲等[3,13]，根據(jù)噪聲源識(shí)別結(jié)果，各噪聲源在垂直方向上有明顯的分層分布特征。因此，對(duì)于高速鐵路聲屏障插入損失的計(jì)算不宜再采用單等效聲源模型，而應(yīng)該根據(jù)噪聲源的垂向分布特征和噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行多個(gè)聲源的劃分。根據(jù)噪聲源、聲屏障、測(cè)點(diǎn)三者的相對(duì)位置關(guān)系及噪聲產(chǎn)生機(jī)理將高速動(dòng)車組的噪聲源劃分為3個(gè)等效聲源，提出一種新的計(jì)算高速鐵路聲屏障降噪效果的三等效聲源模型。

動(dòng)車組噪聲源在垂直方向上可以劃分為下部輪軌區(qū)域、中部車體區(qū)域和上部受電弓區(qū)域。一般高速鐵路聲屏障軌上高度2.05 m，動(dòng)車組車輪直徑在1.0 m以內(nèi)，因而下部輪軌區(qū)域噪聲源對(duì)大部分測(cè)點(diǎn)均受聲屏障的屏蔽；動(dòng)車組車體高度一般在1.0 m至4.0 m左右，車體區(qū)域噪聲源一部分高于聲屏障高度，一部分低于聲屏障高度；受電弓區(qū)域噪聲源在4.0 m以上，均高于聲屏障。高速鐵路噪聲源、聲屏障、測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系如圖4所示。以測(cè)點(diǎn)和聲屏障頂點(diǎn)確定一條直線，該直線與動(dòng)車組車體區(qū)域相交，交點(diǎn)將車體區(qū)域噪聲源劃分為2部分，如圖4中B，C所示區(qū)域。對(duì)于車體區(qū)域B部分，測(cè)點(diǎn)位于聲屏障聲影區(qū)，對(duì)于車體區(qū)域C部分，測(cè)點(diǎn)位于聲屏障聲亮區(qū)。

圖4 高速鐵路噪聲源、聲屏障、測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系示意圖Fig.4 Relative position of noise sources, noise barrier and measurement point

根據(jù)高速鐵路噪聲隨速度的變化規(guī)律[13]及噪聲源識(shí)別結(jié)果[14]，既有運(yùn)營(yíng)速度的高速鐵路車外噪聲，輪軌區(qū)域噪聲較為集中且占比最大，將該區(qū)域噪聲源等效為聲源1；按照車體區(qū)域B部分高度范圍及占總車體區(qū)域的比例，將車體區(qū)域B部分噪聲源等效為聲源2；車體區(qū)域C部分的噪聲源和受電弓區(qū)域噪聲源均以空氣動(dòng)力噪聲為主，且相對(duì)于測(cè)點(diǎn)其噪聲均不受聲屏障屏蔽，兩部分合并等效為聲源3。選擇水平距離為7.5 m，15.0 m，30.0 m，60.0 m等軌面高度處測(cè)點(diǎn)，根據(jù)軌道、車體、聲屏障、各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，以及對(duì)典型動(dòng)車組300 km/h運(yùn)行時(shí)聲源識(shí)別情況，各等效聲源的等效高度及噪聲占比如表1所示。

表1 各等效聲源的等效高度及噪聲占比Tab.1 Equivalent height and sound power proportion of each noise source

三效聲源模型計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比如圖5所示。由圖5可知，三等效聲源模型計(jì)算的聲屏障插入損失，不僅隨頻率的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，數(shù)值也更加接近。距離較近的7.5 m處測(cè)點(diǎn)的差異相對(duì)較大，這是由于距離較近時(shí)，將各噪聲源等效為線聲源本身存在較大誤差。距離超過(guò)15 m的各測(cè)點(diǎn)，誤差主要集中在400 Hz以下的低頻段。這主要是由于聲屏障對(duì)低頻噪聲的吸收能力較弱、低頻噪聲的透聲能力更強(qiáng)及橋梁和聲屏障的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲等導(dǎo)致。距離超過(guò)15 m時(shí)三等效聲源模型計(jì)算的A計(jì)權(quán)全頻段插入損失值與實(shí)測(cè)值相差不超過(guò)0.6 dB，與單等效聲源模型相比更加準(zhǔn)確。全頻帶插入損失實(shí)測(cè)值與不同模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比結(jié)果如表2所示。

圖5 三等效聲源模型計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比Fig.5 Comparison between the 3 equivalent noise source model calculation and the actual measurement

表2 全頻帶插入損失實(shí)測(cè)值與不同模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比結(jié)果Tab.2 Comparison between the measured and calculated results of all-band insertion loss

三等效聲源模型對(duì)高速鐵路聲屏障在不同距離測(cè)點(diǎn)的插入損失計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差不大，隨頻率變化的趨勢(shì)也基本一致，均表現(xiàn)為低頻段和高頻段隨頻率變化較為緩慢，中頻段隨頻率變大而迅速變大。因而三等效聲源模型與單等效聲源模型相比，有非常大的進(jìn)步。利用該模型可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)聲屏障對(duì)不同敏感點(diǎn)的防護(hù)效果，并可以用于計(jì)算特定敏感點(diǎn)需要的最優(yōu)聲屏障高度。

3 結(jié)束語(yǔ)

在聲屏障降噪效果空間分布特征及聲屏障插入損失頻譜特征研究基礎(chǔ)上提出的三等效聲源模型，與單等效聲源模型相比，計(jì)算聲屏障插入損失準(zhǔn)確度更高，而且計(jì)算量沒(méi)有增加太多，適合用于聲屏障插入損失計(jì)算與評(píng)估、高速鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)及鐵路施工中聲屏障最優(yōu)高度設(shè)計(jì)等方面。單等效聲源模型與三等效聲源模型在低頻段的插入損失計(jì)算值均大于實(shí)測(cè)值，初步考慮是由于聲屏障對(duì)低頻噪聲的吸聲和隔聲能力較弱、聲屏障和橋梁的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲等有關(guān)，應(yīng)進(jìn)一步研究低頻段實(shí)測(cè)插入損失值低的原因，并提出修正建議。高速鐵路聲屏障降噪效果空間分布的測(cè)試研究，以及基于噪聲源識(shí)別結(jié)果和噪聲源、聲屏障、測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系提出的三等效聲源模型，對(duì)掌握聲屏障對(duì)高速鐵路車外噪聲源的作用效果具有重要意義，對(duì)指導(dǎo)高速鐵路沿線噪聲敏感點(diǎn)采取合理的降噪措施具有參考價(jià)值。