高速鐵路聲屏障插入損失影響因素及規(guī)律

周 信， 肖新標， 何 賓， 韓珈琪， 溫澤峰， 金學松

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

高速鐵路聲屏障插入損失影響因素及規(guī)律

周 信， 肖新標， 何 賓， 韓珈琪， 溫澤峰， 金學松

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

為研究聲屏障降噪的主要影響因素及規(guī)律，基于邊界元理論，結(jié)合高速列車實測聲源識別結(jié)果，建立了高速鐵路聲屏障降噪效果預測模型，研究了包括高速列車不同位置聲源、聲屏障高度、聲屏障截面形狀和吸聲邊界條件對插入損失的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了對現(xiàn)役聲屏障結(jié)構(gòu)的改進方案.研究結(jié)果表明，列車聲源高度對聲屏障插入損失有重要影響，現(xiàn)有2.15 m高聲屏障只對車體下方噪聲有降噪效果；隨著聲屏障高度增加，插入損失逐漸增大，聲屏障高于6.15 m時，插入損失達到25 dB（A）以上；對于不同截面形式的聲屏障，降噪效果從優(yōu)到劣依次為Y型、傾斜型、T型、外折型、直立型和內(nèi)折型，其中Y型比直立型插入損失高0.7～1.5 dB（A）；對于任一類型聲屏障，吸聲引起的具體降噪效果與聲屏障形式有關(guān)，有吸聲邊界條件的降噪效果要優(yōu)于“剛性光滑”邊界條件，前者與后者相比，其插入損失可提高0.3～6.4 dB（A）.

高速鐵路；噪聲源；聲屏障；插入損失；邊界元方法；

聲屏障技術(shù)作為降低車外噪聲對環(huán)境影響的有效措施，在高速鐵路中已得到廣泛應用.我國高速鐵路聲屏障以直立型為主，分為插板式和整體式兩種［1］，且多為插板式.插板式聲屏障是由金屬單元板和H型鋼立柱組合而成，常見的高度有2.15、2.65和3.15 m.單元板內(nèi)部填有多孔吸聲材料，用于吸收列車輻射噪聲，減小噪聲在車身表面與聲屏障之間的多重反射，以提高聲屏障的降噪效果.盡管采用了現(xiàn)階段能用的幾乎全部降噪措施，晝夜等效聲級仍不能滿足2類區(qū)標準限值要求［2］，解決辦法之一是采用結(jié)構(gòu)更加復雜而有效的聲屏障.

為了提高高速鐵路聲屏障的降噪效果，Ishizuka等調(diào)查了不同高度和頭型聲屏障對入射聲波的衰減作用［3］.Morgan等研究了多種截面形狀的聲屏障對高速鐵路輪軌噪聲的降噪效果［4］.Belingard等對TGV線路兩側(cè)聲屏障進行測試［5］，測試結(jié)果表明，對直立型聲屏障采用吸聲或頭型結(jié)構(gòu)可改進降噪效果.

部分學者對我國現(xiàn)有高速鐵路聲屏障降噪效果做了相關(guān)測試研究［6-7］，分析了相關(guān)影響因素，包括車外噪聲特性、聲源構(gòu)成、聲屏障降噪頻譜特性和軌道結(jié)構(gòu)類型等，提出了用于分析計算的高速鐵路聲屏障插入損失等效聲源，并給出用于工程評估的插入損失計算經(jīng)驗公式.對于復雜聲屏障結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的解析解和經(jīng)驗公式已不再適用，而邊界元法是相對有效的計算方法.采用邊界元方法的高速鐵路聲屏障仿真預測模型［6］，利用高速列車聲源識別結(jié)果，可對多種復雜聲屏障結(jié)構(gòu)的降噪效果進行準確預測.本文主要研究列車不同位置聲源、聲屏障高度、吸聲條件和截面形狀對插入損失的影響，為進一步提高聲屏障插入損失提供依據(jù).

1 高速鐵路聲屏障插入損失計算模型

1.1 邊界元模型

實際情況中，車輛和聲屏障都是有限長的，對于車輛和聲屏障的中部來說，由于車輛和聲屏障的高度相對于車輛和聲屏障的長度較短，可以認為聲屏障和車輛是無限長的.本文主要調(diào)查受聲點在列車和聲屏障中間位置的插入損失，這也是評價聲屏障降噪性能主要關(guān)注的區(qū)域.假設(shè)聲屏障和列車聲源均為無限長，并且截面形狀和聲學特性在長度方向不發(fā)生變化，那么計算模型可定義為一個2維（x-y平面）邊界元模型，如圖1所示.

圖1 高速鐵路聲屏障計算模型Fig.1 Calculation model for the noise barrier of high-speed railway

在任意點（x，y）處的聲壓滿足方程：

式中：（xs，ys）為聲源位置；（x，y）為受聲點位置；Qs為聲源強度；k為波數(shù).

采用邊界元法求解無限空間的聲場問題時，需要滿足以下兩個邊界條件：

（1）在無限遠處滿足Sommerfield邊界條件

（2）在模型邊界上滿足

式中：ρ0為流體密度；v（x，y）為法向振動速度；Z（x，y）為吸聲材料特性阻抗.

上述聲波方程和邊界條件可通過邊界元方法求解，得到受聲點處的聲壓［7］.聲屏障的降噪效果以插入損失SIL表示，可用式（4）計算得到：

式中：p0（r，r0）為無聲屏障時受聲點處聲壓；p（r，r0）有聲屏障時受聲點處聲壓.

高速鐵路聲屏障仿真預測模型中包括聲源特性、線路邊界、吸聲邊界等參數(shù).選取我國典型高速鐵路高架橋結(jié)構(gòu)，橋面寬12 m，鋼軌表面距離地面10.8 m，模型中考慮了線路對聲輻射有影響的結(jié)構(gòu)，包括防撞墻、聲屏障安裝基座，其中鋼軌頂面比聲屏障的安裝基座高0.1 m.由于是高架結(jié)構(gòu)，且計算的受聲點與聲源的距離相對較近，因此不考慮地面反射.聲屏障吸聲系數(shù)根據(jù)現(xiàn)有金屬聲屏障單元板實測結(jié)果選取.

1.2 高速列車等效聲源

高速列車噪聲源主要由輪軌滾動噪聲、受電弓氣動噪聲、車體結(jié)構(gòu)氣動噪聲組成［10］，這些噪聲源對車外噪聲形成顯著貢獻.輪軌滾動噪聲和牽引噪聲分布于列車下部位置.氣動噪聲源分布于受電弓、頂部基座、車間連接處、車頭、轉(zhuǎn)向架等位置.已有測試結(jié)果表明，隨著速度增加，氣動噪聲源增加速率快于輪軌滾動噪聲，當列車達到300 km／h時，氣動噪聲變得不可忽略［11］.常見的2 m高聲屏障只對車體下方的輪軌區(qū)域噪聲起遮蔽效果，而對于車體上方的氣動噪聲，設(shè)置5～6 m高的聲屏障才會起顯著作用.在調(diào)查高度較低聲屏障的降噪效果時，因為對上方氣動噪聲沒有遮蔽效果，可只考慮輪軌滾動噪聲［6］.但不考慮車體上方的氣動噪聲，可能會過高估計聲屏障的插入損失，不利于評估復雜聲屏障結(jié)構(gòu)的實際改進效果，因此本文在調(diào)查聲屏障降噪效果時考慮了列車各位置的聲源.

圖2給出了CRH380BL高速列車在340 km／h運行速度下聲強分布實測云圖.

列車聲源主要分布在輪軌區(qū)域、受電弓區(qū)域，另外，車間連接位置也是噪聲顯著區(qū)域，因此，列車在高度方向存在連續(xù)分布的較大聲源.對列車表面聲源識別結(jié)果進行簡化和等效處理，得到預測模型中的聲源［8］.在高度方向，考慮列車表面聲源位置分布特性，從鋼軌頂面至弓網(wǎng)頂部間每隔0.20 m設(shè)置一個線聲源，共計29個，聲源在軌面上方0～1.00 m內(nèi)是輪軌區(qū)域噪聲，在軌面上方1.20～3.80 m內(nèi)是車體區(qū)域噪聲，在軌面上方4.00～5.60 m內(nèi)是弓網(wǎng)區(qū)域噪聲.各線聲源輻射聲功率可表示為

圖2 CRH380BL高速列車全頻帶聲強云圖（340 km／h）Fig.2 Sound intensity map of high-speed train CRH380BL at 340 km／h

式中：Ii（t）為瞬態(tài)聲強；i表示聲源編號；w0為參考聲功率；t0為參考時間，通常取1 s；t為列車通過時間；v為列車速度.

為了降低計算引起與實際不符的聲波干涉，采用窄帶計算方法，在2 000 Hz以下頻率，以20 Hz為計算步長，2 010～6 360 Hz頻率，以30 Hz為計算步長，再通過非相干疊加法將窄帶結(jié)果疊加至全頻帶.計算中取空氣密度ρ＝1.21 kg／m3，空氣中聲速c＝344 m／s.

2 插入損失影響因素及規(guī)律分析

影響聲屏障插入損失的因素眾多，本文主要在高速列車聲源位置、聲屏障本身結(jié)構(gòu)方面對插入損失的影響進行分析.

2.1 聲屏障對不同位置聲源的插入損失規(guī)律

聲屏障對高速列車表面不同位置聲源的遮蔽效果不同，對29個等效線聲源，計算單個聲源作用下2.15 m高直立吸聲聲屏障的插入損失.圖3給出了聲屏障在3個典型高度聲源條件下（分別為軌面上方0.40、2.00和5.00 m）的全頻帶插入損失云圖，聲源在高度上分別位于輪軌區(qū)域中央、車體中心和受電弓頂部.圖中橫坐標表示距離，0 m位置為近軌側(cè)軌道中心線，縱坐標表示高度，鋼軌頂面在0.8 m高位置.

圖3 單個等效聲源作用下聲屏障插入損失云圖Fig.3 SIL map of noise barrier under single equivalent noise source

從圖3中可以看出，對于不同區(qū)域的聲源，聲屏障的插入損失有較大差別，聲源位置越低，聲屏障的降噪效果越好.圖3（a）為輪軌區(qū)域聲源激勵下聲屏障插入損失云圖，聲屏障后方大部分受聲點處于聲影區(qū)，插入損失值達到10.0 dB（A）以上，靠近聲屏障區(qū)域插入損失達到25.0 dB（A），因此，聲屏障對輪軌噪聲源有較好的降噪效果.圖3（a）中車體的右上側(cè)受聲點插入損失值很小，甚至為負，這是因為該區(qū)域處在聲源的直達聲區(qū)域，同時聲波在聲屏障和車體間形成多重反射，造成該區(qū)域聲壓級增大，聲屏障插入損失為負.靠近軌道的右下側(cè)，存在插入損失較小的三角區(qū)，這是因為未安裝聲屏障時，高架橋上的防撞墻等構(gòu)造物對該區(qū)域已有一定降噪效果.圖3（b）為車體中心位置聲源激勵下聲屏障插入損失云圖，從圖中可以看出，隨著聲源高度增加，聲影區(qū)急劇減少，插入損失降低，最大插入損失出現(xiàn)在聲屏障背面與水平面成45°的路徑上.由于車體中心聲源在軌面上方2.00 m，而軌面比聲屏障安裝基座高0.10 m，所以在高度上與2.15 m高聲屏障接近，因此云圖中聲影區(qū)邊界與地面幾乎平行，聲影區(qū)邊界以上為聲亮區(qū)，插入損失小于5.0 dB（A），聲影區(qū)邊界以下為聲影區(qū)，插入損失在5.0～16.0 dB（A）.圖3（c）為弓網(wǎng)位置聲源激勵下聲屏障插入損失云圖，從圖中可以看出，2.15 m高聲屏障后方大部分為聲亮區(qū)，僅對高架橋下方距離軌道中心線10.00 m內(nèi)的受聲點有10.0 dB（A）以內(nèi)的插入損失，2.15 m高聲屏障對列車上方的聲源，尤其是弓網(wǎng)聲源幾乎沒有效果.

圖4給出了2.15 m高聲屏障在不同高度的單個等效聲源作用下，距離軌道中心線30.00 m處的斷面上4個受聲點的插入損失，4個受聲點分別為地面上方1.50 m、軌面平面內(nèi)、軌面上方1.50 m、軌面上方3.50 m高.從圖4中可以看出，當聲源高度在軌面上方3.00 m之內(nèi)，30.00 m遠處的不同受聲點的插入損失有明顯差異，隨著聲源高度進一步增加，各受聲點處的插入損失趨勢基本一致.整個變化過程為先增大，后降低，最后趨近于0，當聲源位于軌面上方0.40～0.80 m高度時，聲屏障的插入損失達到最大.對于地面上方1.50 m受聲點，當聲源高于軌面上方3.40 m，插入損失可忽略不計，對于軌面及上方場點，當聲源高于軌面上方2.40 m，聲屏障降噪效果可忽略不計.從以上分析可以看出，列車的聲源位置對聲屏障的插入損失影響顯著，2.15 m聲屏障對列車車體上部聲源的降噪效果有限.

圖4 單個聲源激勵下受聲點處插入損失Fig.4 SILat different field points under single equivalent noise source

2.2 聲屏障高度對插入損失的影響

2.15 m高的聲屏障只對車體下方聲源有顯著的遮蔽效果，如果要遮蔽車體上方及受電弓位置噪聲，需要增加聲屏障高度.本節(jié)調(diào)查了直立剛性光滑面和吸聲聲屏障以1.00 m的高度遞增，從2.15 m增至7.15 m高插入損失的變化.為了綜合評估聲屏障對后方受聲點的降噪效果，根據(jù)國內(nèi)外測試經(jīng)驗，考慮聲屏障對近場和遠場、軌面上方和軌面下方受聲點的影響，選取12個典型受聲點的插入損失的算術(shù)平均值作為插入損失評價值.受聲點位置如圖5所示.

圖5 聲屏障插入損失評價點（單位：m）Fig.5 Points selected for the assessment of SILof noise barrier（unit：m）

圖6給出了插入損失計算結(jié)果.從圖6中可以看出，隨著聲屏障高度增加，聲屏障插入損失增大，吸聲平面的聲屏障和剛性光滑平面的聲屏障整體趨勢相同.在分析兩種聲屏障相同高度范圍內(nèi)，吸聲屏障的降噪效果比剛性屏障高，其插入損失提高0.7～6.4 dB（A），且高度越高，吸聲效果差異越明顯.對于兩種邊界條件的聲屏障，高度從2.15 m增加至5.15 m，每增加1.00 m，聲屏障的插入損失增大2.8～5.2 dB（A）.高度從5.15 m增加至6.15 m，插入損失增加11.2～14.2 dB（A）以上.從6.15 m增加至7.15 m，插入損失增量回落至2.4～5.1 dB（A）.這與聲屏障和聲源的位置相符，模型中施加在車體上方的氣動噪聲最高距離軌面5.60 m，當聲屏障高度在5.15 m以下時，受聲點處既有直達聲貢獻，也有繞射聲貢獻，且受直達聲主導，因此，高度增加時插入損失增量較低.聲屏障高度從5.15 m增至6.15 m時，聲屏障能夠遮蔽所有直達聲源，受聲點只受到繞射聲的影響，插入損失快速增大.6.15 m以上，聲屏障插入損失增加趨于平緩，此時聲屏障增高只降低繞射聲能量，但插入損失達到25.0 dB（A）以上.

圖6 高度對聲屏障插入損失的影響Fig.6 Effects of noise barrier height on SIL

2.3 聲屏障截面形狀對插入損失的影響

除了直立型聲屏障外，計算了其他5種截面形狀的聲屏障結(jié)構(gòu)在2.15和3.15 m、剛性和吸聲條件下的插入損失.5種截面形狀分別為內(nèi)折型、外折型、Y型、T型和傾斜型，如圖7（a）～（d）所示.其中傾斜型是向軌道外側(cè)傾斜，用于將聲波反射至軌道和車輛上方，降低多重反射效應.文獻［12］認為傾斜角在10°時效果最好，本文考慮到工程實際，則對10°之內(nèi)傾斜角的剛性聲屏障做了計算，發(fā)現(xiàn)同樣是10°傾斜角的效果最好，因此計算中選擇該傾斜角.吸聲條件均施加在聲屏障面向車體的直立屏體部分.

圖7 不同聲屏障形式截面圖（單位：m）Fig.7 Different sections of sound barriers（unit：m）

圖8給出了5種截面形狀的聲屏障分別在4種邊界條件下，對12個受聲點平均插入損失的影響.為了僅評估聲屏障截面變化對平均插入損失的影響，圖中縱坐標設(shè)為附加插入損失，該附加插入損失由不同截面聲屏障的插入損失值與參考值做差值得到，圖中4條曲線的參考值分別以2.15 m直立剛性、3.15 m直立剛性、2.15 m直立吸聲、3.15 m直立吸聲的插入損失作為參考值.從圖中可以看出，除了內(nèi)折型結(jié)構(gòu)，其他頭型均可提高聲屏障插入損失，效果從優(yōu)到劣依次為Y型、傾斜型、T型、外折型，這與文獻［13］中給出的比例模型試驗結(jié)果基本一致.內(nèi)折型的附加插入損失為－0.4～0.0 dB（A），這是因為內(nèi)折型聲屏障是向軌道側(cè)彎折，更多車體聲源能夠沿著折臂直達受聲點，造成平均插入損失降低.外折型附加插入損失為0.0～0.7 dB（A），由于折臂與內(nèi)折型相反，更多車體聲源能夠被折臂遮擋，因此插入損失增大.Y型聲屏障具有多重繞射邊界，又具有外折型聲屏障的特點，附加插入損失為0.7～1.5 dB（A），具有較好的降噪效果.值得指出的是，傾斜型聲屏障通過將聲波擴散至空中，獲得0.5～1.6 dB（A）的附加插入損失，接近Y型的效.T型附加插入損失為0.6～0.8 dB（A），受其他邊界條件影響較小.

圖8 截面對聲屏障附加插入損失的影響Fig.8 Effects of different sections of noise barrier on SIL

當聲屏障高度相同時，在剛性聲屏障的基礎(chǔ)上增設(shè)頭型，比在吸聲條件下增設(shè)頭型可獲得更好的降噪效果.同為吸聲或者剛性條件時，在3.15 m直立聲屏障的基礎(chǔ)上采用Y型、T型及傾斜型截面更加有效.

3 插入損失計算結(jié)果討論

表1給出了在現(xiàn)役2.15 m直立吸聲聲屏障的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置高度、吸聲條件和頭型的辦法獲得的平均插入損失和插入損失增加量，插入損失增加量為各種聲屏障平均插入損失與2.15 m直立吸聲聲屏障平均插入損失的差值.

表1 不同聲屏障形式對插入損失的影響Tab.1 Effects of different forms of noise barrier on SILdB（A）

從表1中可以看出，增加高度比增加吸聲條件或改變頭型更為有效，這與道路聲屏障相比存在較大差別［14］.對于所有聲屏障形式，吸聲屏障總是具有更高插入損失，相比于剛性屏障可提高0.3～6.4 dB（A）.當聲屏障高度超過列車最高聲源時，降噪效果顯著，如6.15 m高直立吸聲屏障可獲得附加插入損失26.4 dB（A），遠高于現(xiàn)有聲屏障的降噪性能.需要指出的是，增加高度可能會帶來較為嚴重的氣動影響［15］，因此需要綜合考慮安全因素.對于線路應用的直立吸聲屏障，如果不增加高度，僅通過改變形狀來增加插入損失，建議采用傾斜型聲屏障，只需改變部分結(jié)構(gòu)即可獲得接近Y型聲屏障的效果.

4 結(jié) 論

本文通過建立高速鐵路聲屏障降噪效果預測模型，對聲屏障降噪效果影響因素進行了討論分析，包括高速列車聲源位置、聲屏障高度、聲屏障截面形狀和吸聲邊界條件對插入損失的影響，得到以下結(jié)論：

（1）對列車單個等效聲源計算，隨著聲源高度增加，2.15 m高直立吸聲聲屏障的插入損失先增大后減小，最后趨近于0，其主要對列車下方聲源有降噪效果；

（2）隨著聲屏障高度增加，插入損失逐漸增大，聲屏障高于6.15 m時，插入損失達到25.0 dB（A）以上.

（3）對于不同截面形式的聲屏障，降噪效果從優(yōu)到劣依次為Y型、傾斜型、T型、外折型、直立型和內(nèi)折型，其中Y型比直立型插入損失高0.7～1.5 dB（A）.

（4）對于任一聲屏障類型，施加吸聲條件的降噪效果要優(yōu)于剛性光滑表面聲屏障的降噪效果，但吸聲引起的具體降噪效果與聲屏障形式有關(guān).

（5）如在現(xiàn)有聲屏障基礎(chǔ)上提高插入損失，最有效的方法是增加聲屏障高度，其次可采用結(jié)構(gòu)較為簡單的傾斜型聲屏障.

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（中文編輯：唐 晴 英文編輯：周 堯）

Influential Factors and Rules for Insertion Loss of High-Speed Railway Noise Barriers

ZHOU Xin， XIAO Xinbiao， HE Bin， HAN Jiaqi， WEN Zefeng， JIN Xuesong
（State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Based on the boundary element method and the train noise sources identified by a beamforming noise source system，a numerical prediction model was established to study the factors and rules relevant to the insertion loss of high-speed railway noise barriers.The effects of noise source locations，noise barrier heights，shapes，and absorbing boundary conditions were investigated.The improvement strategies based on the current structure of noise barriers were proposed.The numerical results show that the noise source height has a significant effect on the sound barrier performance.The sound barrier of 2.15 m height can only reduce noise coming from the lower part of the train.The insertion loss increases with the noise barrier height.When the height exceeds 6.15 m，the insertion loss reaches over 25 dB（A）.The sound barriers with different cross sections are listed，according to their noise attenuation effect，i.e.，Y-shaped barrier，tilted barrier，T-shaped barrier，inward folded barrier，vertical barrier and outward folded barrier.The Y-shaped barrier produces the highest performance with an increase of 0.7～1.5 dB（A）in insertion loss compared with the vertical barrier.Despite the shape of noise barriers，the absorbing boundary overall lead to more noise reduction than the smooth rigid boundary，but the noise reduction amount relates to the forms of sound barriers ranging from 0.3 to 6.4 dB（A）.

high-speed railway；noise sources；sound barrier；insertion losses；boundary element method

U448.27

：A

0258-2724（2014）06-1024-08

10.3969／j.issn.0258-2724.2014.06.014

2014-01-17

國家科技支撐計劃資助項目（2009BAG12A01-B06）；國家863計劃資助項目（2011AA11A103-4-2）；教育部創(chuàng)新團隊項目（IRT1178，SWJTU12ZT01）；四川省科技支撐計劃資助項目（2010GZ0226）

周信（1988－），男，博士研究生，研究方向為鐵路振動噪聲，E-mail：wszhouxin＠hotmail.com

金學松（1956－），男，教授，博士生導師，研究方向為輪軌關(guān)系，E-mail：xsjin＠home.swjtu.edu.cn

周信，肖新標，何賓，等.高速鐵路聲屏障插入損失影響因素及規(guī)律［J］.西南交通大學學報，2014，49（6）：1024-1031.