高速鐵路隧道壁吸聲材料降噪效果仿真分析

于 越，常 亮，尹 鏹

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251;2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

鐵路高速化是當(dāng)今世界各國鐵路現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢。列車速度的提高，其產(chǎn)生的環(huán)境影響明顯加劇，其中高速列車運(yùn)營產(chǎn)生的噪聲污染尤為突出，列車通過隧道時(shí)車內(nèi)外聲環(huán)境更加惡化。在津秦客運(yùn)專線聯(lián)調(diào)試驗(yàn)及石太、武廣客運(yùn)專線等線路運(yùn)營過程中，當(dāng)高速動(dòng)車組通過隧道區(qū)段時(shí)，車廂內(nèi)聲級水平明顯增高引起乘客舒適度降低［1-2］。

妥善處理高速列車通過隧道時(shí)所帶來的環(huán)境噪聲問題，事關(guān)高速鐵路列車內(nèi)乘客的身心健康，對于車內(nèi)乘客的乘車環(huán)境的改善有著重大的意義，這也是此類高速鐵路建設(shè)工程所必須要考慮的問題。因此，本文所開展的高速鐵路隧道降噪措施研究是很必要的［3-4］。

我國國內(nèi)在部分公路隧道中采取過隧道吸聲降噪處理措施，對于降低隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車通行產(chǎn)生的轟鳴聲相較未采取降噪措施的隧道具有明顯效果。韓國、德國等均有在公路及鐵路隧道中采取過吸聲降噪措施的先例，但是在高速鐵路應(yīng)用較少［5-9］。我國尚未在高速鐵路隧道內(nèi)采取吸聲降噪措施，而由于高速列車速度較高，須同時(shí)考慮吸聲效果及構(gòu)件承受列車運(yùn)行脈動(dòng)力等多個(gè)因素。以隧道內(nèi)消聲降噪措施為研究對象，針對在隧道內(nèi)壁敷設(shè)吸聲結(jié)構(gòu)的降噪方法，采用聲學(xué)軟件對其進(jìn)行仿真分析，并對吸聲材料不同的鋪設(shè)方案、面積所產(chǎn)生的降噪效果進(jìn)行評價(jià)，以期得到更加經(jīng)濟(jì)有效的降噪方式。高速鐵路隧道內(nèi)列車聲輻射示意見圖1。

圖1 高速鐵路隧道內(nèi)列車聲輻射示意

1 隧道內(nèi)吸聲板材料特性及鋪設(shè)結(jié)構(gòu)形式

對于隧道內(nèi)壁鋪設(shè)吸聲板材的降噪方法，其吸聲板結(jié)構(gòu)常采用顆?；蚺菽嗫撞牧线M(jìn)行制備。表示多孔吸聲材料的吸聲能力的參數(shù)為吸聲系數(shù)和聲阻抗率，一般工程應(yīng)用中軌道吸聲材料要求其降噪系數(shù)大于0.8［10］。本文計(jì)算中采用的某種適用于隧道內(nèi)吸聲降噪的無機(jī)多孔材料的吸聲系數(shù)如圖2所示，其降噪系數(shù)滿足要求。

影響多孔材料吸聲性能的主要是流阻、孔隙率和結(jié)構(gòu)因數(shù)、厚度、體積密度等參數(shù)，對隧道壁面吸音板來說，還與其在隧道內(nèi)的安裝位置、安裝面積等因素有關(guān)，針對隧道內(nèi)不同安裝位置、不同安裝面積下的吸聲材料降噪效果進(jìn)行分析研究。

圖2 計(jì)算中采用的吸聲材料吸聲系數(shù)

2 隧道-吸聲材料-列車的邊界元模型

2.1 邊界元方法

本文中，采用邊界元法對前述各方案的降噪效果進(jìn)行計(jì)算。邊界元法是求解結(jié)構(gòu)振動(dòng)向周圍空間輻射噪聲問題的一種數(shù)值方法，包括直接邊界元和間接邊界元法，它們都以 Helmholtz邊界積分方程為基礎(chǔ)［10-13］。

在簡諧激勵(lì)作用下結(jié)構(gòu)振動(dòng)外部流體介質(zhì)中產(chǎn)生的輻射聲壓p(r)滿足Helmholtz微分方程

式中，k為波數(shù)。在邊界上，需滿足速度邊界條件、聲壓邊界條件和聲阻抗邊界條件

對于外聲場問題，在無限遠(yuǎn)處Helmholtz方程還應(yīng)滿足

得到Helmholtz直接和間接邊界積分方程后，對邊界積分方程利用邊界元法進(jìn)行離散，即得到邊界元求解方程。

2.2 隧道-吸聲結(jié)構(gòu)-列車的二維邊界元模型

本文根據(jù)邊界元法的基本原理，建立了如圖2所示的不同表面結(jié)構(gòu)吸音板－軌道－車輛的二維邊界元模型。通過在吸音板表面施加相同的聲阻抗邊界條件，比較不同表面結(jié)構(gòu)形式對其降噪效果的影響，計(jì)算時(shí)聲源采用點(diǎn)聲源，聲源大小按列車運(yùn)行速度為350 km/h下的輻射噪聲選取，列車采用CRH3型高速列車的基本截面尺寸，軌道結(jié)構(gòu)采用CRTSⅡ型板式無砟軌道。為了對比分析隧道壁面鋪設(shè)吸聲板先后的降噪效果，計(jì)算列車表面附近場點(diǎn)的聲壓級來進(jìn)行比較分析。本文建立的二維車輛－隧道的線單元邊界網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 隧道壁面全部鋪設(shè)吸聲材料的列車－隧道－吸聲板二維邊界元模型

據(jù)前述所建立的二維邊界元模型，計(jì)算得到鋪設(shè)與不鋪設(shè)吸聲材料時(shí)，隧道內(nèi)的車體表面測點(diǎn)的聲壓級頻譜如圖4所示，500 Hz頻率下隧道內(nèi)壁全部鋪設(shè)吸聲材料前后其隧道內(nèi)的噪聲云圖如圖5所示。

圖4 兩種對比工況的計(jì)算結(jié)果

圖5 500 Hz頻率下鋪設(shè)吸聲材料前后隧道內(nèi)的降噪效果

計(jì)算結(jié)果可以看出，隧道壁面安裝吸音板后，其吸聲降噪效果明顯改善，特別是隧道內(nèi)輻射噪聲的高頻成分明顯降低。在隧道表面全部鋪設(shè)吸聲材料后，其A聲級可降低約14.3 dB，因此，采用此種降噪方式降低隧道內(nèi)的聲輻射水平是可行的。

3 高速鐵路隧道吸聲材料降噪效果分析

根據(jù)吸聲結(jié)構(gòu)的整體降噪效果及安裝、維護(hù)和安全等因素，設(shè)計(jì)如圖6所示4種吸聲材料的安裝方案，并根據(jù)這4種降噪方案，采用數(shù)值計(jì)算方法分析計(jì)算不同安裝方式下的降噪效果。計(jì)算中，邊界元法模型建立的不同計(jì)算截面如圖7所示。

圖6 隧道內(nèi)吸聲材料的鋪設(shè)方案(單位:m)

圖7 根據(jù)不同設(shè)計(jì)方案建立的邊界元法計(jì)算截面

圖中，方案1為整體安裝，即沿列車運(yùn)行方向隧道內(nèi)壁全部鋪設(shè)吸聲材料;方案2為整體安裝及隧道內(nèi)部上部、下部部分安裝的組合方式，即按列車線路方向吸聲材料的鋪設(shè)方式發(fā)生變化;方案3為整體安裝及隧道內(nèi)壁下部安裝的組合，吸聲材料的鋪設(shè)面積較方案2有所減少;方案4為隧道內(nèi)壁上部、下部的安裝方式，此種鋪設(shè)方式進(jìn)一步減少了吸聲材料的鋪設(shè)面積。

根據(jù)邊界元法，前述4種設(shè)計(jì)方案中4個(gè)基本計(jì)算截面的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

在計(jì)算上述4種方案的吸聲降噪效果時(shí)，由于模型采用二維邊界元模型，而設(shè)計(jì)方案在線路縱向其吸聲材料的安裝情況有變化，截面的邊界條件改變，因此，可以根據(jù)不同截面的吸聲降噪效果進(jìn)行疊加對其近似。在計(jì)算中，方案1、方案4沿線路縱向截面邊界條件不變，可根據(jù)相應(yīng)截面邊界條件進(jìn)行降噪效果的計(jì)算;對于方案2，可看作圖7中截面3和截面4的組合，需綜合考慮兩者的降噪效果，其降噪效果取兩者平均值;對于方案3，可看作圖7中截面2和截面4的組合，其降噪效果取兩者平均值。1 000 Hz下不同鋪設(shè)位置、面積時(shí)隧道內(nèi)的噪聲云圖如圖9所示。圖6給出的不同設(shè)計(jì)方案的綜合降噪效果如表1所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著吸聲材料覆蓋率的增加，其吸聲降噪效果也越明顯。

圖8 隧道內(nèi)壁吸聲材料鋪設(shè)面積不同時(shí)的降噪效果(對應(yīng)圖7中的截面號)

圖9 隧道內(nèi)壁吸聲材料不同鋪設(shè)面積時(shí)的1 000 Hz時(shí)降噪效果(對應(yīng)圖7中的截面號)

表1 邊界元法計(jì)算的隧道內(nèi)吸聲降噪效果匯總

理論計(jì)算結(jié)果表明，在隧道壁面安裝吸聲結(jié)構(gòu)最多可使隧道內(nèi)噪聲降低13～14 dB，且隨著吸聲材料覆蓋率的增加，降噪效果就更加顯著。對于所列4種方案，方案1其吸聲降噪效果最佳，但其安裝面積也越大，花費(fèi)成本高。對比方案2，方案1安裝面積增大近10 000 m2后，其降噪效果僅增加3～4 dB，因此其經(jīng)濟(jì)性較方案2較差。對于安裝面積最少的方案4，其降噪效果較方案1、方案2、方案3差，對于噪聲水平要求較高的情況，往往難以滿足要求。

4 結(jié)論

本文計(jì)算分析了隧道內(nèi)壁吸聲材料不同鋪設(shè)方案的降噪效果。計(jì)算中采用SYSNOISE軟件建立了350 km/h速度下高速列車通過時(shí)隧道內(nèi)吸音板降噪效果的二維邊界元模型，考慮了車輛表面及軌道結(jié)構(gòu)對聲音的反射吸收效果，并在隧道內(nèi)壁吸音板結(jié)構(gòu)表面施加聲阻抗邊界條件來進(jìn)行吸音板降噪效果的比較。在本文計(jì)算條件下，通過對不同鋪設(shè)方案隧道內(nèi)聲壓級的變化進(jìn)行比較，得到的主要結(jié)論如下。

(1)在隧道內(nèi)壁鋪設(shè)吸聲材料對于降低隧道內(nèi)的噪聲水平有著顯著的效果，對于隧道內(nèi)部壁面全部鋪設(shè)吸聲材料的降噪方案，其隧道內(nèi)聲壓級的降低量約為14.3 dBA，但實(shí)際工程應(yīng)用中，需考慮隧道結(jié)構(gòu)條件、行車安全性及工程經(jīng)濟(jì)性等因素。

(2)隨著隧道內(nèi)壁吸聲板鋪設(shè)面積的增大，其吸聲降噪效果越好，底部鋪設(shè)、底部和中部鋪設(shè)、全部鋪設(shè)的二維邊界元計(jì)算截面模型得到的降噪量分別為14.3、8.0、5.2 dBA。

(3)考慮到工程經(jīng)濟(jì)性等因素，不同鋪設(shè)方案下，隧道內(nèi)的降噪效果不同。其中隧道壁面整體安裝吸聲材料降噪效果最優(yōu)，隧道內(nèi)聲壓級降低量為14.3 dBA，隧道壁面僅底部安裝吸聲材料降噪效果最差，約為5.2 dBA;實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮，合理選取降噪方案。

［1］雷曉燕，圣小珍.鐵路交通噪聲與振動(dòng)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［2］馬筠，翟婉明.無砟軌道噪聲振動(dòng)特性及其治理措施研究［J］.中國鐵路，2009(10):38-43.

［3］K.Takagiet al，Prediction of road traffic noise around tunnel mouth.Pro.Inter.Noise，2000:3099-3104.

［4］焦大化，錢德生.鐵路環(huán)境噪聲控制［M］.北京:中國鐵道出版社，1990.

［5］Jian Kang.A method for Predicting acoustic indices in longen closures［J］.Applied Acousties，1997，51(2):169-180.

［6］夏德榮.公路隧道交通噪聲的聲學(xué)處理［J］.噪聲與振動(dòng)控制，1990(2):35-36.

［7］陳興，梁志堅(jiān)，等.公路隧道噪聲降噪案例研究［J］.聲學(xué)技術(shù)，2008，27(2):244-246.

［8］王美燕.公路隧道噪聲預(yù)測及降噪措施研究［D］.西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［9］張銳，黃曉明，等.隧道噪聲的調(diào)查與分析［J］.公路交通科技，2006，23:29-32.

［10］Allard J，Atalla N.Propagation of Sound in Porous Media:Modelling Sound Absorbing Materials［M］.Wiley，2009.

［11］DJThompson，CJCJones，N Turner.Investigation into the validity of two-dimensional models for sound radiation from waves in rails［J］.The Journal of the Acoustical Society of America，2003.

［12］何琳，朱海潮，邱小軍，杜功煥.聲學(xué)理論與工程應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［13］蘇衛(wèi)青.高速鐵路噪聲影響評價(jià)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(5):100-104.

［14］趙鍵，汪鴻振，朱物華.邊界元法計(jì)算已知振速封閉面的聲輻射［J］.聲學(xué)學(xué)報(bào)，1989，14(4):250-257.