劉宏偉，韓西，楊徐平，陸海天

復(fù)合QRD型軌道交通聲屏障的設(shè)計及性能分析

劉宏偉，韓西，楊徐平，陸海天

(重慶交通大學(xué)，重慶 404100)

低頻噪聲繞射問題是目前聲屏障設(shè)計亟需解決的難題，隨著數(shù)論擴(kuò)散體的應(yīng)用，出現(xiàn)了在聲屏障上使用二次余數(shù)擴(kuò)散體(Quadratic Residue Diffusers, QRD)的嘗試。但是，由于環(huán)境的影響，其工程適用性并不強(qiáng)。以聲學(xué)傳播特性為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)論擴(kuò)散體原理并考慮材料使用量提出了一種新型聲屏障。用Lms.virtrual.lab軟件，采用自動匹配層(Automatic Matched Layer, AML)有限元方法并考慮聲振耦合，驗證了其應(yīng)用于軌道交通時優(yōu)于擴(kuò)散體復(fù)合T型聲屏障及傳統(tǒng)倒L聲屏障的降噪性能，尤其在低頻段降噪效果明顯，有較高的工程適用性和現(xiàn)實意義。

軌道交通；聲屏障；數(shù)論擴(kuò)散吸聲體

0 引言

隨著軌道交通的發(fā)展，如何降低軌道交通噪聲成為人們迫切需要解決的問題。增設(shè)聲屏障是目前最常用的方法，然而簡單的直立聲屏障效果不盡人意，尤其是對低頻噪聲的作用效果較差。德國科學(xué)家施羅德提出的數(shù)論擴(kuò)散體，具有優(yōu)秀的擴(kuò)散性能，被廣泛使用。擴(kuò)散體結(jié)構(gòu)最早應(yīng)用廳堂的設(shè)計中，用來增加瞬態(tài)聲衰減及上升均勻性、連續(xù)聲空間分布的均勻性和語言與音樂的自然質(zhì)量。在其不斷的應(yīng)用過程中，國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)研究[1-3]并試驗證明了二次余數(shù)擴(kuò)散體(Quadratic Residue Diffusers, QRD)結(jié)構(gòu)在低頻范圍有良好的吸聲性能，在低頻段降噪效果顯著。目前得到認(rèn)可的高效降噪結(jié)構(gòu)是二次余數(shù)擴(kuò)散體與T型聲屏障復(fù)合[4]的屏障，如圖1所示。

圖1 二次余數(shù)復(fù)合T型聲屏障

圖1所示的結(jié)構(gòu)面臨著一個嚴(yán)峻的問題：聲屏障是沿著線路連續(xù)設(shè)計，擴(kuò)散體結(jié)構(gòu)對設(shè)計頻率的共振吸聲作用依賴于相鄰槽體結(jié)構(gòu)的完整性，這種四周封閉頂端開口結(jié)構(gòu)在多雨的城市形成了一組蓄水槽。雨水的蓄積會改變擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的耦合聲阻抗，降低共振吸聲效果。在軌道交通高架段，由于側(cè)向風(fēng)荷載的作用增加了屏障所受到的力偶作用，不利于結(jié)構(gòu)的使用及安全。本文提出了一種新的基于數(shù)論擴(kuò)散體的聲屏障，并將其應(yīng)用于軌道交通中，進(jìn)行仿真模擬分析。

1 建立模型

1.1 研究頻率及源強(qiáng)設(shè)置

軌道交通高架段聲屏障有效隔聲降噪的對象主要是輪軌噪聲。輪軌噪聲主要是由鋼軌的不平整度激勵車軌耦合振動引起的，其值的大小與車輪和鋼軌表面的粗糙程度有關(guān)。輪軌噪聲的頻率特性是：頻帶較寬，以中低頻為主，頻率范圍為125～2 000 Hz。當(dāng)車速為50～160 km·h-1時，輪軌的噪聲和峰值頻率與車速成正相關(guān)，峰值頻率一般為600～800 Hz[5]。本文以ISO 226[6]為標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)低頻噪聲頻段范圍為20～250 Hz[7]?？梢娸嗆壴肼曋饕性谥蓄l段，但也不可忽視低頻段。

噪聲源強(qiáng)度設(shè)置為89 dB[8]，研究頻率范圍為20 Hz～1 250 Hz。為了保證仿真的真實性，采用線聲源模擬輪軌噪聲。

建立如下坐標(biāo)系：以聲屏障與橋面的連接處為原點；縱橋向為軸，以車輛前進(jìn)方向為正；橫橋向為軸，以車輛前進(jìn)方向右側(cè)為正；豎直方向為軸，豎直向上為正。聲源位置為：(0,-3 000, 750)，單位為mm。

1.2 聲屏障材料選擇

從環(huán)境兼容性的角度出發(fā)[9]，采用透明的亞克力板(Polymethyl Methacrylate, PMMA)為材料，通過“透景”的手法恢復(fù)沿線視景的整體性。PMMA材料特性參數(shù)如表1所示。

表1 PMMA材料特性

1.3 測點

依據(jù)文獻(xiàn)[10]中實測梁側(cè)噪聲的分布特點：中頻噪聲分布接近軌面，沿橫向衰減較快，測點設(shè)置在軌面高度，具體點位設(shè)置為：1(0, 7 500, 750)，2(0, 9 000, 750)，3(0, 10 500, 750)，單位為mm。

1.4 二次余數(shù)擴(kuò)散吸聲體及聲屏障設(shè)計

當(dāng)周期為7時，二次余數(shù)序列為｛0, 1, 4, 2, 2, 4, 1, 0｝，空氣中聲速為340 m·s-1。得到一組槽深d為：｛0, 0.060 7, 0.242 9, 0.121 4, 0.121 4, 0.242 9, 0.060 7｝，單位為mm，擴(kuò)散吸聲體結(jié)構(gòu)及設(shè)計聲屏障結(jié)構(gòu)如圖2、3所示。

圖2 擴(kuò)散吸聲體

圖3 新型聲屏障幾何尺寸圖(mm)

如圖3所示，聲源到設(shè)計聲屏障2組擴(kuò)體結(jié)構(gòu)的聲程差接近峰值頻率630～800 Hz的半波長奇數(shù)倍，在擴(kuò)散體結(jié)構(gòu)設(shè)計頻率產(chǎn)生的良好擴(kuò)散效應(yīng)作用下，反射聲波會有有效的干涉減弱效應(yīng)。對比圖2和圖3，不難發(fā)現(xiàn)設(shè)計結(jié)構(gòu)由于傾斜及上部對下部的保護(hù)，使得雨水及塵埃不容易影響結(jié)構(gòu)性能。

在Lms.virtrual.lab軟件中建立相同高度的新型聲屏障、二次余數(shù)復(fù)合T型聲屏障和倒L型聲屏障。為了敘述的方便，將3種聲屏障分別稱為A型、B型和C型。為保證仿真的真實性，使用AML有限元方法分析聲屏障在聲場與結(jié)構(gòu)聲振耦合作用下屏后聲壓級分布特點。在保證最小波長內(nèi)有6個聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)的條件下建立聲學(xué)包絡(luò)網(wǎng)格，用全反射面模擬橋面，并進(jìn)行聲場與結(jié)構(gòu)耦合振動分析。

2 A型與B型聲屏障對比分析

2.1 中頻率對比

為了提高對比的真實性和客觀性，將對比組云圖的上下限設(shè)置為相同，由于中頻時候聲屏障作用效果較為明顯，聲學(xué)場點網(wǎng)格涉及范圍內(nèi)聲壓級差距較大，所以這里將云圖顯示的上下限設(shè)置為89 dB和8 dB。以630、800和1 000 Hz作為研究對象進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4～9所示。

圖4 A型聲屏障630 Hz聲壓級云圖

圖5 B型聲屏障630 Hz聲壓級云圖

圖6 A型聲屏障800 Hz聲壓級云圖

圖7 B型聲屏障800 Hz聲壓級云圖

整體上看，隨著頻率的提升，A型與B型的降噪效果都逐漸提高，聲屏障對波長較短、頻率較高的噪聲作用效果較強(qiáng)，這與客觀現(xiàn)實相符，表明了仿真的真實性。在630 Hz相應(yīng)云圖，雖然A型較B型屏后32.3～56.6 dB聲壓級面積少，但是高聲壓級64.7～72.8 dB對應(yīng)的面積也少，A型聲屏障屏后最高聲壓級低于B型。對比800 Hz和1 000 Hz兩組聲壓級云圖，A型屏后32.3～56.6 dB聲壓級面積較B型多，聲場網(wǎng)絡(luò)顯示的最低聲壓級都是A型低于B型，可以直觀地看出A型聲屏障降噪效果優(yōu)于B型。

圖8 A型聲屏障1 000 Hz聲壓級云圖

圖9 B型聲屏障1 000 Hz聲壓級云圖

2.2 低頻率對比

同樣為了對比的真實性和客觀性，統(tǒng)一對比云圖的顯示上下限。由于低頻噪音的波長較長，繞射明顯，聲屏障作用效果降低，這里將上下限設(shè)置為89 dB和40 dB。以160、200和250 Hz作為研究對象進(jìn)行對比，如圖10～15所示。

圖10 A型聲屏障160 Hz聲壓級云圖

圖11 B型聲屏障160 Hz聲壓級云圖

圖12 A型聲屏障200 Hz聲壓級云圖

圖13 B型聲屏障200 Hz聲壓級云圖

圖14 A型聲屏障250 Hz聲壓級云圖

對比三組云圖，可以直觀地看出，A型聲屏障較B型聲屏障有較大范圍的54.7～59.6 dB聲壓級分布，A型聲屏障降噪效果較B型好。這表明A型聲屏障不但很好地保留了擴(kuò)散吸聲體的低頻吸聲性能，而且在吸聲能力上較B型強(qiáng)。

圖15 B型聲屏障250 Hz聲壓級云圖

2.3 測點數(shù)據(jù)對比

從Lms.virtrual.lab中獲得測點1、2和3的1/3倍頻程數(shù)值，將A型聲頻障與B型聲屏障測點A計權(quán)聲壓級作差，得到的結(jié)果如圖16所示。

圖16 在測點R1、R2和R3處的聲壓級差值

由圖16可以看出，低頻段時候測點聲壓級差值接近，并且以負(fù)值為主，部分頻率對應(yīng)的聲壓級差值接近-2 dB，A型表現(xiàn)出更好的降噪效果。在中頻段由于噪聲傳播受干擾程度加大，測點聲壓級差值區(qū)別加大，部分點位出現(xiàn)正值，但正值較小。整體上看，聲壓級差值以負(fù)值為主，在測點點位，A型聲屏障有更好的降噪效果。

綜上所述，無論是低頻噪聲還是中頻噪聲，A型聲屏障的降噪性能都較B型強(qiáng)，仿真云圖直觀地表現(xiàn)出新型聲屏障結(jié)構(gòu)的有效性和優(yōu)越性。從經(jīng)濟(jì)角度來看，相同高度的情況下，B型有更長的直立屏壁材料消耗，這與A 型多采用的1組擴(kuò)散吸聲體結(jié)構(gòu)消耗材料量相抵消，在材料使用較為相近的情況下，A型聲屏障克服了雨水、塵埃等對擴(kuò)散吸聲體的負(fù)面作用，并且表現(xiàn)出優(yōu)于B型的降噪性能，在工程實踐方面有更高的可行性。

同樣，對于A型與C型聲屏障做相同的對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：無論低頻還是中頻，A型降噪性能均優(yōu)于C型，這里不再累述。

3 A型與C型聲屏障插入損失對比

目前，我國工程上主要用的是直立和倒L型聲屏障，為了定量地分析A型聲屏障的降噪性能，先建立沒有聲屏障只有聲源的聲場，記錄測點計算得到的聲壓級，然后在相同條件下建立三種不同的聲屏障，通過仿真計算獲得加入聲屏障后測點的聲壓級，用兩者的差值來計算獲得插入損失，用插入損失作為評價聲屏障性能的指標(biāo)。筆者針對A型與B、C型都做了對比分析，但僅以A型和C型對比作為示例在文中呈現(xiàn)，結(jié)果如圖17、18所示。

圖17 A型聲屏障測點插入損失

圖18 C型聲屏障測點插入損失

對比圖17和圖18，兩圖呈現(xiàn)了較為相近的曲線變化趨勢，低頻前段插入損失較低，后段開始提升并出現(xiàn)峰值，然后在中頻段出現(xiàn)另一個峰值。但是不難發(fā)現(xiàn)，A型聲屏障的第一個峰值前移，出現(xiàn)在低頻250 Hz，這表明A型聲屏障有良好的低頻吸聲性能，與前面云圖分析的結(jié)果相一致。對比兩圖的中頻段數(shù)值，在軌道交通噪聲峰值頻率范圍，A型聲屏障的插入損失普遍高于B型，呈現(xiàn)更好的降噪性能。對于目前聲屏障建設(shè)使用中出現(xiàn)的低頻噪聲控制較難的問題，A型聲屏障的建設(shè)及推廣有較高的現(xiàn)實意義。

4 結(jié)論

在材料使用量相近的情況下，A型聲屏障在研究頻率范圍內(nèi)都有接近甚至超越B型的降噪效果。由于幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，A型聲屏障避免了雨水、塵埃對頂部擴(kuò)散體結(jié)構(gòu)的影響，增加了擴(kuò)散吸聲體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于聲屏障的工程可行性。A型聲屏障很好地發(fā)揮了擴(kuò)散吸聲體的低頻吸聲性能，部分頻率增加近2 dB的插入損失，有利于解決低頻噪聲繞射嚴(yán)重的問題，其設(shè)計及使用有較高的現(xiàn)實意義。

[1] FUJIWARA K, MIYAJIMA T. Absorptioncharacteristics of apractically constructed Shroeder diffuser of quadratic-residuetype[J]. Applied Acoustics, 1992, 35(2): 149-152.

[2] 盛勝我, 趙松齡. 偽隨機(jī)擴(kuò)散體的吸聲性能的理論分析[J]. 聲學(xué)學(xué)報, 1996, 21(4): 555-564.

SHENG Shengwu, ZHAO Songling. Theoretical analysis of sound absorption performance of pseudo-random diffuser[J]. Chinese Journal of Acoustics, 1996, 21(4): 555-564.

[3] 關(guān)家振. 平方余數(shù)序列擴(kuò)散體于聲屏障的應(yīng)用[C]//第十屆全國噪聲與振動控制工程學(xué)術(shù)會議論文集, 2005: 293-296.

GUAN Jiazhen. Application of square-remainder series diffuser to sound barrier[C]//Proceedings of the 10th National Conference on Noise and Vibration Control Engineering, 2005: 293-296.

[4] MONAZZAM M R, LAM Y W. Performance of profiled single noise barriers covered with quadratic residue diffusers[J]. Archives of Acoustics, 2010, 35(4): 565-578.

[5] 李洪魯, 馮裕釗, 孫榮基, 等. 城市高架軌道交通噪聲預(yù)測研究進(jìn)展[J]. 噪聲與振動制, 2015, 35(6): 7-12.

LI Honglu, FENG Yuzhao, SUN Rongji, et al. Research progress on noise prediction of urban elevated rail transit[J]. Noise and Vibration Control, 2015, 35(6): 7-12.

[6] DINISO226-2006, standard isocratic curve[S]. Germany: German Institute for Standardization (DE-DIN), 2006-04.

[7] 韓江龍, 吳定俊, 李奇. 城市軌道交通高架結(jié)構(gòu)噪聲研究進(jìn)展[J]. 城市軌道交研究, 2012, 15(3): 109-112.

HAN Jianglong, WU Dingjun, LI Qi. Research progress on ele vated structure noise of urban rail transit[J]. Urban Rail Transit Research, 2012, 15(3): 109-112.

[8] 辜小安, 伍向陽, 劉蘭華. 軌道交通動車組噪聲源強(qiáng)取值研析[J]. 環(huán)境影響評價, 2017, 39(5): 39-42.

GU Xiaoan, WU Xiangyang, LIU Lanhua. Study on the value of noise source strength of rail transit EMUs[J]. Environmental Impact Assessment, 2017, 39(5): 39-42.

[9] 曉春, 陸化普. 公路聲屏障的視覺審美因素與景觀補(bǔ)償設(shè)計方法研究[J]. 中國園林, 2015, 31(1): 106-109.

XIAO Chun, LU Huapu. Study on visual aesthetic factors of high way sound barriers and design methods of landscape compensation[J]. Chinese Garden, 2015, 31(1): 106-109.

[10] 張迅. 軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測與控制研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2012.

ZHANG Xun. Research on prediction and control of rail transit bridge structure noise[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2012.

Design and performance analysis of composite QRD rail transit sound barrier

LIU Hong-wei, HAN Xi, YANG Xu-ping, LU Hai-tian

(Chongqing Jiaotong University, Chongqing 404100, China)

The problem of low-frequency noise diffraction is a difficult problem that needs to be solved in the current design of sound barriers. With the application of number theory diffusers, the attempts using quadratic residue diffusers (QRD) in sound barriers have been suggested. However, due to the influence of the environment, its engineering applicability is not strong. Based on the acoustic propagation characteristics, combining the principle of number theory diffuser and considering the amount of materials used, a new type of sound barrier is proposed in this paper. By using Lms.virtrual.lab software and AML finite element method and considering acoustic-vibration coupling, it is verified that the noise reduction performance of applying the proposed sound barrier in rail transit is superior to applying diffuser composite T-barrier and traditional L-noise barrier, especially the effect at low frequencies is obvious. So, it has high engineering applicability and practical significance.

rail transit; sound barrier; number theory diffusion sound absorber

TB535+.1

A

1000-3630(2019)-06-0675-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.06.013

2018-06-16;

2018-08-10

劉宏偉(1993－), 男, 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特人, 碩士研究生, 研究方向為結(jié)構(gòu)動力學(xué)。

劉宏偉,E-mail: 2505913396@qq.com