文望青，雷康寧,楊得旺,李小珍

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.西南交通大學(xué) 橋梁工程系, 四川 成都 610031)

高速鐵路在給人民生活帶來便利的同時(shí)，其噪聲問題也較大程度上影響了沿線居民的生活質(zhì)量。因此，在鐵路工程實(shí)踐中一直在研究解決噪聲污染的有效措施，而聲屏障對(duì)于噪聲的屏蔽作用卓有成效，得到了較為廣泛的應(yīng)用。

城市內(nèi)的道路常設(shè)置聲屏障，主要包括鐵路、公路、高架橋的沿線居民區(qū)和市區(qū)[1]。傳統(tǒng)直立式聲屏障的高度在2.15 ～ 3.15 m范圍內(nèi)，綜合降噪量可達(dá)5 ～ 10 dB(A)[2]。優(yōu)化單元板的結(jié)構(gòu)可使其降噪效果提高1 ～ 4 dB(A)，主要包括T型頂部、Y型頂部、多重邊緣頂部以及頂部降噪裝置等[3-7]。半封閉聲屏障可減少部分繞射聲，降噪效果約15 dB(A)[8-10]。與直立式、半封閉式聲屏障不同，全封閉式聲屏障具有較強(qiáng)的封閉性，極大程度地阻隔了直達(dá)聲的繞射作用，有效增強(qiáng)了降噪效果。因此，全封閉聲屏障逐漸推廣應(yīng)用在鐵路工程中，滬杭地區(qū)部分城市軌道交通、深茂鐵路靠近小鳥天堂景區(qū)的路段、京雄城際鐵路北落店村路段等，均采用全封閉聲屏障進(jìn)行噪聲的控制。然而，國內(nèi)外對(duì)于其降噪特性的研究到目前為止仍十分有限。

模型試驗(yàn)是設(shè)計(jì)中評(píng)估聲屏障性能的重要手段，可以在工程設(shè)計(jì)階段優(yōu)化方案，評(píng)估其建造可行性和降噪特性，主要包括縮尺試驗(yàn)和足尺試驗(yàn)。其中，后者能更為準(zhǔn)確地反映構(gòu)件的真實(shí)服役狀態(tài)和性能。劉巖等[11]通過聲屏障原型試驗(yàn)和聲屏障縮尺試驗(yàn)研究了倒L型聲屏障降噪特性。Daltrop[12]通過比例尺為1∶31.5的縮尺模型研究了吸聲材料和樹木枝葉對(duì)于道路聲屏障降噪效果的影響。Voropayev[13]以聲屏障的幾何形狀、頂部細(xì)部結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了模型試驗(yàn)，研究了此類因素下的規(guī)律。

本文以高速鐵路全封閉式聲屏障為工程背景，采用足尺模型試驗(yàn)，針對(duì)金屬吸聲板、混凝土單元板兩種結(jié)構(gòu)的全封閉聲屏障進(jìn)行降噪特性研究。通過現(xiàn)場實(shí)測獲取試驗(yàn)中所需的列車噪聲源，使用揚(yáng)聲器進(jìn)行播放，對(duì)聲屏障內(nèi)、外測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析獲得其降噪量和插入損失值，總結(jié)兩種聲屏障的降噪特性。

1 試驗(yàn)概況

將試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸潭ㄓ诨炷粱?，兩種聲屏障均由鋼拱架和單元板組成，縱向設(shè)置橫梁將拱圈進(jìn)行連接，兩種聲屏障單元板分別采用金屬復(fù)合吸聲板和高韌性混凝土板。

兩種方案采用相同尺寸的拱形斷面，其尺寸見圖1。聲屏障鋼拱架采用H型鋼制成，沿縱橋向2 m等間距布置，其半徑約6.3 m，拱腳中心間距11.6 m，拱頂距拱腳高度為9 m。兩種聲屏障足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂v向長度不同，金屬復(fù)合吸聲板聲屏障模型長14 m，混凝土聲屏障模型長9 m。

圖1 箱梁上全封閉聲屏障的橫斷面(單位：m)

金屬復(fù)合吸聲板內(nèi)表面為穿孔板，外表面為1.5 mm厚鍍鋅鋼板，內(nèi)部填充玻璃棉氈，其尺寸為2×0.45 m。高韌性混凝土蓋板弧長為2.3～2.6 m，寬2 m，厚5 cm。

各測點(diǎn)采用MPA231型傳聲器進(jìn)行聲壓采集，采集聲壓動(dòng)態(tài)范圍為17～136 dB(A)，頻率范圍為20～20 000 Hz。模型試驗(yàn)現(xiàn)場聲壓數(shù)據(jù)采集使用東方所INV3060S型24位智能采集儀(16通道)，采樣頻率為25.6 kHz。

2 模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 封堵方案

由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝娉叽巛^大，而縱向尺寸較小，聲波在兩端的繞射嚴(yán)重，對(duì)實(shí)際工程中全封閉聲屏障性能的模擬產(chǎn)生影響。為了減輕繞射聲對(duì)測試結(jié)果的這一負(fù)面影響，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢啥瞬捎梅舛陆Y(jié)構(gòu)對(duì)聲輻射進(jìn)行控制。因此，封堵結(jié)構(gòu)的吸隔聲性能是決定試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵性因素。

聲屏障兩端封堵方案見圖2，即將封堵條板用腳手架固定在聲屏障兩端。封堵條板由彩鋼板內(nèi)敷玻璃棉板制成，彩鋼板厚度為0.4 mm，玻璃棉板密度為80 kg/m3、厚度為5 cm。

圖2 全封閉聲屏障兩端封堵方案

聲屏障兩端封堵流程，分五步進(jìn)行。首先制作封堵條板，然后在聲屏障兩端搭設(shè)腳手架，接著對(duì)單塊封堵條板進(jìn)行吊裝固定和橫向連接，最后將其余縫隙進(jìn)行封堵，見圖3。具體封堵方案見文獻(xiàn)[14]。

圖3 封堵條板示意圖

為保證模型試驗(yàn)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，聲屏障端部需采用具有良好隔聲性能的條板進(jìn)行封堵。本文利用VA-ONE軟件建立隔聲量計(jì)算模型，基于統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)封堵條板進(jìn)行隔聲量估計(jì)[15]。

封堵條板隔聲量仿真計(jì)算模型見圖4，模型共有兩個(gè)大小為8 m×4 m×4 m(長×寬×高)的聲腔，用于模擬聲源腔和受聲腔，在其間設(shè)置厚度為0.4 mm的鋼板和5 cm的玻璃棉板組成的單元板。材料特性取值如下：彩鋼板容重取7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比取0.31；玻璃棉板的流阻率取60 000 Pa·s/m4，容重取80 kg/m3。模型中，采用100 dB擴(kuò)散聲場作為聲源激勵(lì)，在50～8 000 Hz頻段范圍內(nèi)進(jìn)行分析。

圖4 隔聲量計(jì)算模型

封堵條板隔聲量的計(jì)算結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著頻率增大，隔聲量呈現(xiàn)增大的趨勢，隔聲量約為31.5 dB(A)。該封堵裝置隔聲性能良好，在模型兩端安裝封堵條板的試驗(yàn)方案可以較好的保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 封堵條板的隔聲量

2.2 聲源模擬

據(jù)文獻(xiàn)[16]，采用多聲源模式可提高高速列車降噪預(yù)測的可靠性，即將高速列車聲源等效為列車底部、中部和頂部(受電弓)3部分。

在本次模型試驗(yàn)中，采用揚(yáng)聲器播放噪聲作為聲源。為保證金屬和混凝土兩種聲屏障方案模型內(nèi)具有相同的聲能密度，內(nèi)部揚(yáng)聲器采用相同方式布置，沿聲屏障模型縱向按0.4 m等間距布置，沿高度方向布置成3行，距軌頂?shù)母叨确謩e為0.5、2.3、4.5 m，分別模擬輪軌、車體和弓網(wǎng)噪聲，依次用S1、S2、S3進(jìn)行編號(hào)。為模擬高速列車聲源，三排揚(yáng)聲器在現(xiàn)場測試時(shí)需同時(shí)播放聲源樣本。

本次測試選用實(shí)測列車噪聲和粉紅噪聲作為聲源，其中粉紅噪聲又分兩種，分別為全頻帶粉紅噪聲和200～8 000 Hz(1/3倍頻程中心頻率)單頻帶粉紅噪聲。

圖6 采集列車聲源樣本的測點(diǎn)布置(單位：m)

在某高速鐵路半封閉聲屏障內(nèi)部進(jìn)行實(shí)測聲源采集，現(xiàn)場實(shí)測測點(diǎn)布置位置見圖6，沿高度方向布置3個(gè)測點(diǎn)，距軌頂高度分別為0.5、2.3 和4.5 m，編號(hào)S1—S3。采用MPS426型表面?zhèn)髀暺鬟M(jìn)行聲屏障內(nèi)部聲壓采集，從多組測試結(jié)果中選取5組車速為270～300 km/h之間的典型工況進(jìn)行分析，形成實(shí)測列車聲源樣本文件。

圖7 實(shí)測列車聲源(車速275 km/h)

車速為275 km/h的實(shí)測列車聲源見圖7。由圖7可知，各測點(diǎn)實(shí)測列車聲源總聲壓級(jí)均大于105 dB(A)，呈現(xiàn)出隨高度增加而降低的趨勢，即輪軌噪聲(S1)最大，弓網(wǎng)噪聲(S3)最小。

2.3 測點(diǎn)布置

聲屏障內(nèi)外兩側(cè)聲源及噪聲測點(diǎn)布置示意圖見圖8。其中聲源布置在聲屏障內(nèi)部距線路中心線1.7 m處，沿縱向和高度方向布置方式如2.2節(jié)所述。聲屏障內(nèi)外兩側(cè)均布置有3個(gè)噪聲測點(diǎn)，均布置在模型正中斷面。其中內(nèi)部測點(diǎn)距軌面高度依次為0、1.5、3.5 m，距線路中心線均為2.7 m，編號(hào)分別為N1—N3；外部測點(diǎn)布置在與內(nèi)部測點(diǎn)等高處，水平方向均距線路中心線7.5 m，編號(hào)分別為N4—N6。

圖8 聲源及測點(diǎn)布置(單位：m)

此外，在自由場地(無聲屏障)測試斷面，按照與有聲屏障測試斷面相同的方式布置聲源和測點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)分別在金屬聲屏障斷面、混凝土聲屏障斷面和無聲屏障斷面布置測點(diǎn)，各測試斷面的測試工況見表1。本次試驗(yàn)在夜間進(jìn)行，以減小背景噪聲對(duì)測試結(jié)果的影響。

表1 噪聲測試斷面的測試工況

以內(nèi)部播放車速為275 km/h的實(shí)測聲源為例，此時(shí)N5測點(diǎn)聲壓級(jí)時(shí)程曲線見圖9。由圖9可知，列車經(jīng)過時(shí)間為3～4 s，此時(shí)聲壓級(jí)遠(yuǎn)大于無車通行時(shí)的背景噪聲。在有聲屏障斷面的測點(diǎn)處，聲壓級(jí)較自由場地顯著降低。。

圖9 N5測點(diǎn)的瞬時(shí)聲壓級(jí)

本文通過降噪量和插入損失對(duì)聲屏障降噪效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以表1中實(shí)測列車聲源工況所測結(jié)果平均值作為列車實(shí)測聲源。

在聲場中，聲輻射經(jīng)隔聲構(gòu)件阻隔后聲壓級(jí)的減小值，稱為“降噪量”[17]。本文中，全封閉聲屏障的降噪量取為內(nèi)、外兩側(cè)各三個(gè)測點(diǎn)(即內(nèi)部N1—N3，外部N4—N6)聲壓級(jí)的平均值之差。

另外，聲屏障外部聲場中某一點(diǎn)分別在有無聲屏障時(shí)所測得的聲壓級(jí)之差，稱為“插入損失”[17]。本文中，插入損失取為在自由聲場和全封閉聲屏障外側(cè)聲場中測得的N4—N6測點(diǎn)聲壓級(jí)的平均值之差。

3.1 單頻粉紅噪聲測試結(jié)果

聲屏障結(jié)構(gòu)在不同頻段的聲學(xué)特性可通過單頻帶粉紅噪聲測試得到。聲屏障內(nèi)部測點(diǎn)N1—N3測得的聲壓級(jí)平均值頻譜圖見圖10，此時(shí)播放的聲源樣本為單頻帶粉紅噪聲，其中心頻率為1 000 Hz。

由圖10可知，1 000 Hz頻帶附近的聲壓級(jí)遠(yuǎn)大于其他頻帶，可達(dá)100 dB以上。此外，全封閉金屬聲屏障的內(nèi)部測點(diǎn)聲壓級(jí)在相同聲源激勵(lì)作用時(shí)略小于混凝土聲屏障。

圖10 1 000 Hz單頻帶噪聲

兩種聲屏障在200～8 000 Hz范圍內(nèi)單頻帶噪聲降噪量見圖11，由圖11可知：

(1) 在低于400 Hz頻帶范圍內(nèi)，金屬聲屏障的降噪量均低于混凝土聲屏障，差值為1～3 dB，此外兩種聲屏障的降噪量均隨著頻率的增大而增大。

(2) 中心頻率為400～2 000 Hz頻段范圍內(nèi)，兩種聲屏障均具有較好的降噪效果，降噪量為26～30 dB。混凝土聲屏障的降噪量呈現(xiàn)出隨著頻率的增大而降低的趨勢。

(3) 中心頻率高于2 000 Hz(2 500 Hz)時(shí)，金屬(混凝土)聲屏障降噪效果顯著增加，且金屬聲屏障降噪量遠(yuǎn)高于混凝土。

以上測試結(jié)果表明兩種聲屏障的降噪性能在不同頻帶范圍內(nèi)有較大差異。這是因?yàn)槎叩牟牧蠈?duì)不同頻段內(nèi)的噪聲具有不同的阻隔能力，在低頻范圍內(nèi)，兩者均表現(xiàn)出較差的隔聲效果。

圖11 單頻帶噪聲的降噪量

3.2 內(nèi)部聲場混響效應(yīng)

全封閉聲屏障的吸聲作用有限，在聲屏障內(nèi)部會(huì)形成大量的反射聲，產(chǎn)生“混響效應(yīng)”，從而使其內(nèi)部聲壓級(jí)增大，影響乘客的舒適性，降低了全封閉聲屏障的降噪效果。

為對(duì)聲屏障內(nèi)部混響效應(yīng)進(jìn)行評(píng)定，在S1—S3分別播放實(shí)測列車聲源和全頻帶粉紅噪聲樣本，測得N1—N3測點(diǎn)在有無聲屏障時(shí)聲壓級(jí)平均值的差值，見圖12。

圖12 聲屏障內(nèi)部聲場的增加量

從圖12可知：

(1) 在相同聲源下，聲屏障內(nèi)部聲場聲壓級(jí)增加量均大于0，即較自由場地有所增加。

(2) 由于混凝土聲屏障的吸聲性能弱于金屬聲屏障，對(duì)內(nèi)部聲場聲波的反射作用更強(qiáng)，從而混凝土聲屏障內(nèi)部產(chǎn)生更強(qiáng)的混響效應(yīng)。同一聲源下，混凝土聲屏障內(nèi)部聲場聲壓級(jí)增加量較金屬聲屏障高出2～4 dB(A)。

(3) 在聲屏障材料相同時(shí)，列車實(shí)測聲源激勵(lì)下的混響效應(yīng)高于粉紅噪聲，其差值約為1～3 dB(A)。

(4) 金屬、混凝土聲屏障在列車實(shí)測聲源工況下，內(nèi)部聲場較自由場地的總聲級(jí)分的增量分別為3～4 dB(A)和6～7 dB(A)。

3.3 降噪量

列車聲源和全頻帶粉紅噪聲工況下，混凝土和金屬聲屏障降噪量的頻譜曲線及其總聲壓級(jí)見圖13。

圖13 聲屏障降噪量(內(nèi)外聲壓級(jí)差值)

由圖13可知：

(1) 對(duì)于相同材料的聲屏障，列車聲源激勵(lì)和全頻帶粉紅噪聲下的降噪量相差不超過2 dB(A)，表明聲屏障的降噪性能受聲源頻譜特性的影響。

(2) 在列車聲源激勵(lì)下，軌道中心線以外7.5 m處，混凝土和金屬全封閉聲屏障的降噪量均可達(dá)27～28 dB(A)；

(3) 在400 Hz以下的低頻范圍內(nèi)，金屬聲屏障和混凝土聲屏障的降噪量隨著頻率降低迅速減小，對(duì)噪聲的控制效果不佳；在400 Hz以上的中高頻范圍內(nèi)，兩種聲屏障的降噪量均大于25 dB，呈現(xiàn)出了良好的隔聲性能。

3.4 插入損失

根據(jù)HJ/T 90—2004《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測量規(guī)范》[18]，本文在50～5 000 Hz頻率范圍內(nèi)，對(duì)插入損失的測試結(jié)果進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析，以其最大A聲級(jí)結(jié)果對(duì)聲屏障的降噪性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

距軌道中心線7.5 m處的插入損失見圖14。

圖14 聲屏障插入損失

由圖14可知：

(1) 列車聲源工況下，距線路中心線7.5 m處金屬聲屏障插入損失高于混凝土聲屏障2～3 dB(A)，分別約25 dB(A)和22 dB(A)。這是因?yàn)榛炷谅暺琳蟽?nèi)部混響效應(yīng)強(qiáng)于金屬聲屏障，使其降噪效果差。

(2) 從插入損失頻譜曲線可知，中高頻段兩種聲屏障均有較大的插入損失，且同一頻率處金屬聲屏障高于混凝土聲屏障。

(3) 在距線路中心線7.5 m處，全頻帶粉紅噪聲工況下聲屏障的插入損失較列車聲源工況大1～2 dB(A)。這是因?yàn)?，列車聲源工況下，聲屏障內(nèi)部具有更強(qiáng)的混響效應(yīng)，使其插入損失降低。。

4 結(jié)論

為研究混凝土全封閉聲屏障和金屬聲屏障降噪特性，對(duì)兩種全封閉聲屏障進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

(1) 本文提出了一種針對(duì)全封閉聲屏障聲學(xué)測試的可行方案，包含模型邊界處理、聲源模擬以及測點(diǎn)布置等多方面內(nèi)容，可為類似聲學(xué)模型試驗(yàn)提供參考。

(2) 由于混響效應(yīng)的存在，會(huì)提高全封閉聲屏障內(nèi)部聲場的聲壓級(jí)，可利用結(jié)構(gòu)的吸聲性能加以控制。列車聲源工況下，較自由場地，金屬聲屏障內(nèi)部聲壓級(jí)增加3～4 dB(A)，混凝土聲屏障內(nèi)部聲壓級(jí)增加6～7 dB(A)。

(3) 兩種全封閉聲屏障均對(duì)中高頻(400 Hz以上)噪聲具有較大的降噪量，為25～30 dB。高于2 000 Hz時(shí)，金屬聲屏障的降噪量隨著中心頻率的增大而增加。高于2 500 Hz時(shí)，混凝土聲屏障的降噪量隨著中心頻率的增大而增加。

(4) 列車聲源工況下，兩種聲屏障在距線路中心線7.5 m處的降噪量比較接近，為27～28 dB(A)。

(5) 距線路中心線7.5 m處，金屬聲屏障的插入損失約為25 dB(A)，混凝土聲屏障的插入損失約為22 dB(A)。

(6) 聲源的頻譜特性對(duì)聲屏障插入損失有一定的影響，在距線路中心線7.5 m處，全頻帶粉紅噪聲工況下的插入損失較列車聲源工況大1～2 dB。

本次足尺模型測試結(jié)果可以較好地反映兩種聲屏障的降噪特性，但模型邊界、聲源模擬、聲場環(huán)境等與實(shí)際存在出入，使得試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差。此外，該模型縱向尺寸較小，使聲屏障內(nèi)部混響加劇，同時(shí)實(shí)際工程中列車通過時(shí)會(huì)導(dǎo)致聲屏障振動(dòng)而輻射噪聲，使得聲屏障降噪效果進(jìn)一步降低。