張學(xué)坤

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 聲屏障研究?jī)?nèi)容

目前我國(guó)對(duì)于聲屏障研究的內(nèi)容主要包括：如果高速鐵路運(yùn)行過(guò)程中不設(shè)置聲屏障或聲屏障設(shè)置達(dá)不到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，降低噪音的程度，同時(shí)要對(duì)聲屏障設(shè)置后，對(duì)周邊居民造成的視覺(jué)沖擊和景觀影響進(jìn)行考慮。根據(jù)聲屏障的降噪原理與插入損失計(jì)算概述，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲屏障降噪基本理論，聲屏障插入損失計(jì)算理論與特性，高速鐵路噪音源特性，編制聲屏障插入損失模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)等方面的研究開展。

2 聲屏障基本知識(shí)

任何一個(gè)聲學(xué)系統(tǒng)都是由聲源傳播途徑受聲體三部分組成，缺一不可，所以在進(jìn)行噪音控制時(shí)，要從三個(gè)環(huán)節(jié)的控制難易度進(jìn)行考慮，選擇合適的控制端口。目前的研究工作比較廣泛，對(duì)于如何從聲源上對(duì)噪音產(chǎn)生進(jìn)行根治，如何在噪音的傳播途徑上采取相應(yīng)的措施，降低噪音影響，以及如何在接收點(diǎn)對(duì)受傷者進(jìn)行保護(hù)，三種方向進(jìn)行同時(shí)研究，希望能夠找出一個(gè)最具可行性的降噪方案。其中在聲源對(duì)噪音產(chǎn)生進(jìn)行控制，雖然是最理想的噪音控制方向，但是實(shí)現(xiàn)難度最大。以現(xiàn)有技術(shù)想要實(shí)現(xiàn)第一種解決辦法，對(duì)于施工技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)投入要求非常高，所以目前切實(shí)可行的降低噪音污染的方法，是在傳播途徑中設(shè)置足夠數(shù)量的聲屏障，來(lái)阻斷噪音的傳播，利用聲屏障對(duì)于聲源附近敏感點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，是目前技術(shù)能力條件下一種有效的控制噪音的辦法。

3 聲屏障降低噪音的原理

聲屏障對(duì)噪音進(jìn)行控制的原理是基于惠更斯-菲涅斯的波動(dòng)理論。該理論指出，如果能夠在聲音發(fā)聲處與受聲點(diǎn)之間設(shè)置一個(gè)密度較高的物體。聲音在傳播這個(gè)物體后，需要通過(guò)繞射的形式，才能夠傳到原先的接收點(diǎn)。在這一過(guò)程中聲音傳播的路徑被明顯地拉伸，而由于在聲波傳播過(guò)程中隨著傳播距離的增加，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常明顯的衰減過(guò)程，這種障礙物的存在就能夠有效地降低噪聲傳到周邊居民生活區(qū)域時(shí)的音量。當(dāng)聲波遭遇聲屏障是將有三條路徑進(jìn)行傳播，第一條路徑是越過(guò)聲屏障的頂端繞射到受聲點(diǎn)，另一部分是穿透聲屏障到達(dá)受聲點(diǎn)，還有一種路徑是通過(guò)聲屏障避免進(jìn)行反射。而聲屏障的插入損失，主要是源于聲源發(fā)聲的聲波沿三條路徑傳播時(shí)的聲能分配。聲源輻射的聲波在屏障背后形成聲影區(qū)，而聲影區(qū)的大小，則與聲屏障的設(shè)置高度有關(guān)。

3.1 繞射

當(dāng)聲音在傳播過(guò)程中，越過(guò)聲屏障頂端繞射到受聲點(diǎn)時(shí)，此時(shí)的聲能將明顯低于直達(dá)時(shí)得能量。兩種不同聲級(jí)之間的差別被稱之為繞射衰減。這個(gè)數(shù)值與聲波的繞射角度有關(guān)，角度越大，聲音衰竭的頻率越大，達(dá)成的降噪效果最好。

3.2 透射

聲波在穿越聲屏障傳播到受聲點(diǎn)的過(guò)程被稱之為透射，在這一過(guò)程中，聲屏障對(duì)于噪音的控制，主要是取決于聲屏障表面的密度設(shè)置以及入射角和聲波自身的頻率。在此過(guò)程中聲屏障材料的隔音能力，用傳聲損失這一概念來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，也可以稱之為隔聲量。能夠透過(guò)的聲能越少，就表示聲屏障材料的隔聲效果更好。這里需要注意的是，聲屏障對(duì)于聲音的阻隔效果，取決于其表面材料的密度和自身體積的大小，一般來(lái)說(shuō)體積越大，隔聲效果越好，對(duì)于噪聲的隔絕能力越強(qiáng)，但是如果聲屏障材料表面出現(xiàn)少許空隙或空洞，就會(huì)對(duì)聲屏障的整體隔聲效果造成嚴(yán)重的破壞，由于聲能可以通過(guò)空隙直接傳播至受聲體，在這一過(guò)程中，會(huì)大大減少經(jīng)過(guò)聲屏障所需損失的聲能，造成聲屏障的隔聲效果得到大幅度降低。具體原因是聲屏障出現(xiàn)孔洞，當(dāng)聲波傳播至孔洞時(shí)，可以透過(guò)小孔位置穿過(guò)，在小孔中心形成新的球面波中心。直觀來(lái)說(shuō)，就是能夠在聲屏障里面二次形成聲源，而由于這個(gè)聲源所傳播出的聲音沒(méi)有聲屏障的阻隔，所以，噪聲的能量會(huì)不受損失，直接傳遞給受聲體。

4 聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使鐵路聲屏障建成之后，能夠減少各種荷載所造成的破壞作用，需要對(duì)聲屏障，結(jié)合實(shí)際的使用環(huán)境和功能進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)于聲屏障的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)主要從兩個(gè)方向來(lái)思考。第一個(gè)方向是聲屏障承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，另一個(gè)方向是聲屏障結(jié)構(gòu)在聲學(xué)所滿足的設(shè)計(jì)需求。

4.1 聲屏障的主要荷載來(lái)源

在聲屏障使用過(guò)程中，造成其出現(xiàn)荷載的主要來(lái)源包括自重，地震引起的荷載，風(fēng)荷載在北方地區(qū)，還需要考慮到冰雪積壓所造成的荷載。

4.2 針對(duì)荷載所采取的承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聲屏障單體構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，除了與構(gòu)筑物進(jìn)行整體澆筑的部分外，一般聲屏障構(gòu)建中還有一部分體量是單獨(dú)制成的，需要對(duì)其進(jìn)行安裝，在對(duì)于這些部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)其剛度和強(qiáng)度進(jìn)行考慮，確定其符合聲屏障的使用需求，并且在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中，要確保所有的操作符合規(guī)范，保證其剛度和強(qiáng)度不會(huì)受到損失，在安裝完成之后，單體強(qiáng)度和剛度的主要荷載來(lái)源是水平風(fēng)壓力導(dǎo)致的變形量和撓曲強(qiáng)度。在運(yùn)輸過(guò)程中，其受到的荷載主要是由于構(gòu)建自身的重量而導(dǎo)致的彎曲和變形情況，同時(shí)也與吊運(yùn)的位置有關(guān)。

聲屏障結(jié)構(gòu)的主要組成部分包括立柱，障板與立柱的聯(lián)系部分，柱與基礎(chǔ)連接區(qū)域和基礎(chǔ)本身，每一部分都要進(jìn)行單獨(dú)的計(jì)算。

（1）由于在使用過(guò)程中，立柱部分需要承受所有的橫向風(fēng)壓所導(dǎo)致的荷載，立柱一般為單懸臂梁，因其受力最危險(xiǎn)的部分處于根部，所以在根部承受的水平力，彎曲自重產(chǎn)生的垂直力是整個(gè)立柱是否能夠承受荷載的關(guān)鍵。對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)無(wú)法滿足現(xiàn)有的使用需求，就需要對(duì)尺寸或者剛度進(jìn)行修改。同時(shí)還需要對(duì)立柱的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，頂端為量不得超過(guò)1：300。

（2）障板與立柱連接處的計(jì)算，要與單件計(jì)算統(tǒng)一，如果兩者存在錨固部分，還需要計(jì)算其剪力強(qiáng)度。

（3）對(duì)于立柱與基礎(chǔ)連接部的計(jì)算，當(dāng)聲屏障設(shè)置在高架結(jié)構(gòu)時(shí)，基礎(chǔ)與立柱之間往往以法蘭盤相連。

（4）基礎(chǔ)部分的計(jì)算，立柱分為淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)兩大類，分別按照其運(yùn)算規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)工作，如果聲屏障設(shè)置在橋梁或擋土墻上，為保證上部結(jié)構(gòu)不受影響基礎(chǔ)需要另外設(shè)計(jì)，采取的方法多為，外移擋墻，加固橋梁翼梁，預(yù)埋鋼構(gòu)件。

4.3 聲屏障構(gòu)造設(shè)計(jì)

在對(duì)承重部分進(jìn)行計(jì)算完成后，并不意味著聲屏障的構(gòu)造設(shè)計(jì)工作完成，除了需要保證其具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性之外，還要求其與聲學(xué)要求相匹配。為了保證聲音的不漏時(shí)需要確保板與板或板與柱之間足夠緊密的貼合。為了達(dá)成這樣的要求就需要通過(guò)結(jié)構(gòu)斷面的組合來(lái)達(dá)成。

5 結(jié)語(yǔ)

高速鐵路的發(fā)展和運(yùn)行，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展起到了非常重要的推動(dòng)作用，同時(shí)也是我國(guó)鐵路行業(yè)未來(lái)發(fā)展的標(biāo)志，在高速鐵路發(fā)展過(guò)程中，雖然具備很多傳統(tǒng)鐵路所沒(méi)有的特性，但是由于高速鐵路運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的污染，也成為周邊居民詬病的原因。在高速鐵路發(fā)展過(guò)程中，為了提高可持續(xù)性，就一定要解決在高速鐵路運(yùn)行過(guò)程中的噪音問(wèn)題，聲屏障設(shè)置是目前技術(shù)條件下最有效的一種對(duì)于運(yùn)行噪音進(jìn)行控制的辦法，并且經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐，證明了其的有效性，雖然目前我國(guó)對(duì)于聲屏障的研究和研發(fā)工作尚處初級(jí)階段，但我國(guó)在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中有大量的市場(chǎng)空間，所以該技術(shù)一定會(huì)在我國(guó)有更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。