高性能地鐵軌道吸音板的優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

朱萬(wàn)旭，酆磊，周紅梅，秦亦偲，欒皓翔

（1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

高性能地鐵軌道吸音板的優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

朱萬(wàn)旭1，2，3，酆磊1，周紅梅1，秦亦偲1，欒皓翔1

（1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

以陶粒作為主要骨料，水泥為膠凝材料，并添加適量的外加劑和纖維制備的高性能地鐵軌道吸音板非常適合地鐵環(huán)境下的吸聲降噪。試驗(yàn)分別對(duì)厚度，“門(mén)”型空腔，表面形態(tài)等吸聲降噪方面進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，厚度130 mm的吸音板在100～1800 Hz頻段的降噪效果較好；在吸音板底部設(shè)置“十字”型空腔對(duì)低頻的吸聲性能有很大的提高；表面開(kāi)槽對(duì)聲波具有更充分的吸收。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，吸音板降噪效果可達(dá)3～4 dB（A）。

陶粒；吸音板；降噪；優(yōu)化；實(shí)測(cè)

0 前言

隨著城市化進(jìn)程的提高，中國(guó)近十幾年城市軌道交通得到迅猛發(fā)展：高速公路、鐵路和城市高架橋，特別是城市地鐵建設(shè)，正以迅雷不及掩耳之勢(shì)快速設(shè)計(jì)與建設(shè)[1]。地鐵作為大運(yùn)量的軌道交通運(yùn)輸方式，是解決當(dāng)今世界各國(guó)大城市客運(yùn)交通十分重要的運(yùn)輸工具，然而隨著地鐵建設(shè)量的逐年增大，地鐵軌道內(nèi)的噪聲和地鐵車(chē)站內(nèi)的噪聲已經(jīng)成為制約地鐵走可持續(xù)發(fā)展道路的關(guān)鍵。防治和降低噪聲污染已成為環(huán)境保護(hù)的重要內(nèi)容[2]。

在地下鐵路或隧道中，行車(chē)引起的噪聲和振動(dòng)是兩大嚴(yán)重污染源，這種污染源在隧道中反復(fù)回響難以消失，對(duì)旅客以及附近的建筑物和居民都有很大干擾[3]。為了降低列車(chē)在運(yùn)行中輪軌接觸以及撞擊而產(chǎn)生的劇烈振動(dòng)，國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)都在軌道結(jié)構(gòu)和材料等方面進(jìn)行了研究[4]。以陶粒、水泥為主要原材料，添加聚丙烯纖維和外加劑等，通過(guò)混合、攪拌、壓制、養(yǎng)護(hù)等工藝制備的高性能地鐵軌道吸音板是地鐵工程重要的降噪方法和手段，通過(guò)內(nèi)部大量結(jié)構(gòu)細(xì)密、相互連通的微小空隙和孔洞，利用空氣的粘滯特性，使聲波在穿過(guò)孔結(jié)構(gòu)過(guò)程中振動(dòng)能量（聲能）不斷轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗掉，從而實(shí)現(xiàn)降噪效果。目前，國(guó)內(nèi)地鐵軌道吸音板的生產(chǎn)工藝研究還處于起步階段，因此，對(duì)高性能地鐵軌道吸音板降噪性能進(jìn)行優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析具有重要意義。

1 高性能地鐵軌道吸音板的制備工藝

原材料：陶粒、42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、聚丙烯纖維、水、外加劑。各原材料配合比見(jiàn)表1。

陶粒屬于吸水率較高的輕骨料，攪拌之前首先對(duì)陶粒進(jìn)行預(yù)濕處理，可以減少陶粒在攪拌過(guò)程中的吸水作用。另外因?yàn)樗冶容^小，所以得到的半干料較松散，倒入模具之后需要進(jìn)行壓制，施加一定壓力使其黏聚在一起。

按材料配合比將外加劑和纖維加入水中，用玻璃棒攪拌均勻。原材料準(zhǔn)備好以后，先將濕潤(rùn)的陶粒和水泥進(jìn)行預(yù)拌，然后加入外加劑和纖維混合的水溶液，攪拌3～4 min，得到半干松散的混合料，倒入模具中壓制、成型即可，制得的高性能地鐵軌道吸音板如圖1所示。

圖1 高性能地鐵軌道吸音板

2 吸聲性能測(cè)試

2.1 吸聲原理

高性能地鐵軌道吸音板屬于多孔性吸音材料，其吸聲降噪過(guò)程如圖2所示，聲音在傳播過(guò)程中遇到多孔材料，一部分聲波（圖中的聲能E1）經(jīng)材料表面反射后產(chǎn)生振動(dòng)形成噪聲，另一部分被多孔材料吸收進(jìn)入材料內(nèi)部（圖2中的聲能E2、E3）。在多孔材料內(nèi)部，聲波引起的振動(dòng)帶動(dòng)空氣質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，而緊靠孔壁和纖維表面的空氣受孔壁影響不易動(dòng)起來(lái)，造成空氣質(zhì)點(diǎn)與孔壁的摩擦。因摩擦和粘滯力作用，有相當(dāng)部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能（圖2中的聲能E2），從而使聲波衰減，反射聲減弱，達(dá)到吸聲的目的。另一方面，聲波遇到剛性壁面反射后，一部分聲波透射到空氣中，一部分又反射回材料內(nèi)部。聲波通過(guò)如此反復(fù)傳播，聲能不斷轉(zhuǎn)化成熱能而耗費(fèi)，反復(fù)多次后會(huì)實(shí)現(xiàn)新的平衡，最后多孔材料吸收足夠聲能，實(shí)現(xiàn)降噪效果[5-7]。

圖2 吸聲材料吸聲原理示意

材料吸聲性能主要用吸聲系數(shù)來(lái)表示，即入射總聲能E0和被反射聲能E1的差值與入射總聲能E0之比。吸聲系數(shù)是評(píng)定吸聲作用的主要指標(biāo)，一般情況下0＜α＜1，α越大，吸聲性能越好。吸聲系數(shù)α按式（1）計(jì)算：

2.2 測(cè)試方法

根據(jù)GBJ 47—1983《混響室法吸聲系數(shù)測(cè)量規(guī)范》進(jìn)行測(cè)試。圖3為混響室法吸聲系數(shù)測(cè)試示意。

圖3 混響室法吸聲系數(shù)測(cè)試示意

3 高性能地鐵軌道吸音板的優(yōu)化分析

3.1 降噪厚度優(yōu)化

選用同種配方制成厚度分別為80、100與130 mm的高性能地鐵軌道吸音板，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)材料厚度增加時(shí)，從低頻開(kāi)始吸聲系數(shù)逐漸提高，其中130 mm厚的試塊在100 Hz吸聲系數(shù)達(dá)到0.52，并且最低峰值也達(dá)到0.45。80、100 mm厚的試塊吸聲系數(shù)曲線大致相似，低頻時(shí)吸聲系數(shù)較低，在100 Hz分別只有0.12和0.18。隨著頻率的增大，100 mm厚的試塊在500 Hz出現(xiàn)第一個(gè)峰值，其吸聲系數(shù)為0.95，遠(yuǎn)大于80 mm、130 mm厚的試塊最大峰值。80 mm厚的試塊在630 Hz達(dá)到其最大吸聲系數(shù)0.78。由于80、100 mm厚的試塊低頻吸聲系數(shù)較低，導(dǎo)致其整體吸聲降噪效果不好，而隨著厚度的增加，吸聲頻譜峰值向低頻方向移動(dòng)，曲線谷值吸聲系數(shù)也不是太低，從而使整體吸聲性能得到有效改善[8]。

圖4 不同厚度吸音板的吸聲系數(shù)曲線

上述現(xiàn)象是因?yàn)殡S著厚度的增加，聲波進(jìn)入吸聲材料后，發(fā)生的非彈性碰撞大大延長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)多次的折射和反射后，與孔壁的有效摩擦增加，聲波得到了充分的摩擦，能量損失較多，低頻吸聲性能得到顯著提高，對(duì)整個(gè)頻段都有較好的吸聲效果。

3.2 “門(mén)”型空腔優(yōu)化

高性能地鐵軌道吸音板鋪設(shè)于兩軌枕之間，軌枕中間原先存在一條排水通道，供地鐵內(nèi)雨水與污水從軌道內(nèi)排出，如果將整塊吸音板鋪設(shè)到軌枕排水槽內(nèi)，吸音板將會(huì)阻礙水排出。在吸音板底部設(shè)置平行于線路方向的空腔，對(duì)吸收低頻的吸聲性能有很大提高，類似于增大了多孔材料的厚度，使降噪的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用有所降低。吸音板呈“門(mén)”型，“門(mén)”型一方面保證排水有足夠空間，同時(shí)底部空腔可有效提高吸音效果。吸聲系數(shù)曲線如圖5所示。

圖5 不同空腔吸音板的吸聲系數(shù)曲線

由圖5可以看出：同一種材料，背后增加了空氣層，低頻范圍內(nèi)的吸聲降噪特性有較大提高，且在1250～2000 Hz范圍內(nèi)，隨著空氣層增加，吸聲系數(shù)也逐漸變大。

為提高降噪效果、便于施工，我們將吸音板的“門(mén)”型改變?yōu)椤笆帧毙?，如圖6所示。“十字”型的設(shè)計(jì)不僅提高了吸音板的降噪效果，而且在施工時(shí)十分方便。工人將鐵鉤鉤在“十字”兩端，兩手提起吸音板，然后將吸音板放在軌道槽內(nèi)，有效地避免了工人在放置吸音板時(shí)手被夾住的危險(xiǎn)，提高了工程的安全系數(shù)。

圖6 “十字”型空腔

3.3 降噪表面優(yōu)化

在實(shí)際工作中，地鐵軌道吸音板表面結(jié)構(gòu)大致有4類：表面平面、表面開(kāi)孔、表面斜面、表面開(kāi)槽。根據(jù)統(tǒng)計(jì)能量法建立模型，進(jìn)行計(jì)算分析可知（如圖7所示）：不同表面結(jié)構(gòu)形式的吸音板均有顯著的降噪效果，在計(jì)算中所采用相同結(jié)構(gòu)尺寸下，表面開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的吸音板降噪效果最佳，這種降噪效果在中低頻段較明顯；在高頻段，各種吸音板的降噪效果差別不明顯。

圖7 不同表面降噪量對(duì)比

槽型結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)相比較，表面開(kāi)槽增加了有效吸聲表面面積，使材料暴露于聲場(chǎng)中的面積增大，對(duì)聲波具有更加充分的吸收。因此，在實(shí)際工程中，考慮將吸音板表面優(yōu)化成開(kāi)槽模式，來(lái)提高吸聲系數(shù)。表面開(kāi)槽如圖8所示。

圖8 吸音板表面開(kāi)槽

3.4 玻璃纖維筋的應(yīng)用

為了提高吸音板的承載力與延性，考慮在吸音板內(nèi)部增添鋼筋。但是，在地鐵復(fù)雜的環(huán)境內(nèi)，不可避免的問(wèn)題就是鋼筋腐蝕。鋼筋埋設(shè)在吸音板內(nèi)部，吸音板由陶粒與水泥組成，板內(nèi)部空隙很多，且透水性強(qiáng)，極易受到腐蝕，其穩(wěn)定性受到一定影響。和普通鋼筋相比，玻璃纖維筋具有許多優(yōu)點(diǎn)如：強(qiáng)度高、自重輕、耐腐蝕性好等[9]。它可以用于結(jié)構(gòu)加固，提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的效果。由于GFRP筋的線膨脹系數(shù)與混凝土的十分相近，將GFRP筋取代普通鋼筋用于混凝土結(jié)構(gòu)中，可以達(dá)到很好的協(xié)同工作性。在吸音板內(nèi)部鋪設(shè)一層玻璃纖維筋網(wǎng)格，如圖9所示。圖10為未添加與添加玻璃纖維筋吸音板的吸聲系數(shù)曲線。

圖9 玻璃纖維筋網(wǎng)格

圖10 未添加與添加玻璃纖維筋吸音板的吸聲系數(shù)曲線

由圖10可以看出，2種情況下吸聲系數(shù)曲線相差甚微。添加玻璃纖維筋的吸音板吸聲系數(shù)在100～315 Hz頻率段時(shí)分別為0.29、0.44、0.67，比未添加玻璃纖維筋的試塊分別略低0.02、0.04、0.05；在400～800 Hz頻率段時(shí)分別為0.93、0.87、0.64、0.50，比未添加玻璃纖維筋的試塊分別略高0.01、0.08、0.07、0.02；在1000～2000 Hz頻段時(shí)兩種情況相差分別為0.03、0、0.05、0.04。說(shuō)明增加玻璃纖維筋不會(huì)對(duì)吸音板的吸聲性能有較大影響。

4 高性能地鐵軌道吸音板的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

為檢驗(yàn)吸音板的實(shí)際降噪性能，對(duì)已經(jīng)鋪設(shè)高性能地鐵軌道吸音板的北京地鐵8號(hào)線試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案按照GB 14892—2006《城市軌道交通列車(chē)噪聲限值和測(cè)量方法》要求進(jìn)行測(cè)試。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試準(zhǔn)備

本次現(xiàn)場(chǎng)噪聲測(cè)試采用AWA6291實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀與B&K4230聲較準(zhǔn)器（如圖11所示），實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀與聲級(jí)校準(zhǔn)器性能都符合GB/T 15173—2010《電聲學(xué)聲校準(zhǔn)器》的規(guī)定。測(cè)試時(shí)，各客車(chē)室內(nèi)門(mén)、窗緊閉，車(chē)廂內(nèi)2人負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，傳聲器置于客室縱軸中部，距地板高度1.2 m的位置，方向朝上。該試驗(yàn)驗(yàn)段處于地下環(huán)境，在實(shí)際營(yíng)運(yùn)路線上進(jìn)行，試驗(yàn)路段路況較好。列車(chē)為SFM12型，編組為6節(jié)，制造廠商為南車(chē)四方機(jī)車(chē)車(chē)倆公司，車(chē)行駛速度為70～72 km/h。

圖11 AWA6291實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀和B&K4230聲較準(zhǔn)器

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

對(duì)鋪設(shè)高性能地鐵軌道吸音板的3個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試第一區(qū)域（知育路站至平西府站）的軌道鋪設(shè)吸音板的長(zhǎng)度為1500 m，按照列車(chē)行駛速度計(jì)算，列車(chē)通過(guò)時(shí)間大約為76 s，可以進(jìn)行2次測(cè)試；第二區(qū)域（西小口站至永泰莊站）鋪設(shè)的路線長(zhǎng)度約為380 m，列車(chē)通過(guò)時(shí)間為19 s左右，可以進(jìn)行1次測(cè)試；第三區(qū)域（永泰莊站至林萃橋站）鋪設(shè)的路線長(zhǎng)度約為430 m，列車(chē)通過(guò)時(shí)間為21 s左右，可以進(jìn)行1次測(cè)試；測(cè)試時(shí)間為早上05：00至06：30，測(cè)試分2次進(jìn)行；每測(cè)試1次的時(shí)間約為30 min。2次測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示。

表2 05：00～05：30測(cè)試結(jié)果

表3 06：00～06：30測(cè)試結(jié)果

由表2、表3可知，平西府站至知育路站區(qū)域內(nèi)的降噪性能比永泰莊站至西小口站區(qū)域的降噪效果好，降噪可以達(dá)到2～3 dB（A），其中永泰莊站至西小口站區(qū)域鋪設(shè)了少量吸音板，平西府站至知育路站區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)的高性能地鐵軌道吸音板較多，通過(guò)兩者對(duì)比分析可知，永泰莊站至西小口站區(qū)域的聲壓級(jí)最高為82 dB（A），而平西府站至知育路站區(qū)域內(nèi)的聲壓級(jí)最小值為79 dB（A）。根據(jù)GB 14892—2006《城市軌道交通列車(chē)噪聲限值和測(cè)量方法》可知，地鐵軌道交通地下線客車(chē)內(nèi)噪聲的限值為83 dB（A），此次測(cè)試結(jié)果均在測(cè)試限值以下，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，吸音板在地鐵軌道內(nèi)鋪設(shè)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)其降噪效果越好，降噪效果可以達(dá)到3～4 dB（A）。

5 結(jié)論

（1）吸音板厚度增加，低頻吸聲性能得到顯著提高，厚度130 mm在100～1800 Hz吸聲頻段的整體降噪效果較好。

（2）“十字槽”型的設(shè)計(jì)不僅提高了吸音板的降噪效果，而且在施工時(shí)十分方便。吸音板表面優(yōu)化成開(kāi)槽模式，可有效提高降噪系數(shù)。

（3）玻璃纖維筋在增加吸音板承載力與延性的情況下，不會(huì)對(duì)吸聲性能有較大影響。高性能地鐵軌道吸音板在地鐵軌道內(nèi)鋪設(shè)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)其降噪效果越好，降噪效果可以達(dá)到3～ 4 dB（A）。

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Optimization and field actual measurement analysis of high performance metro rail sound-absorbing panels

ZHU Wanxu1，2，3，F(xiàn)ENG Lei1，ZHOU Hongmei1，QIN Yicai1，LUAN Haoxiang1
（1.College of Civil and Architecture Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；
2.Guangxi Key Laboratory for Geotechnics，Guilin 541004，China；3.College of Civil and Architecture Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China）

With ceramsite as main aggregates，cement as cementitious material，adding moderate additive and fiber to produce high performance metro rail sound-absorbing panel is very suitable for the subway environment under the sound absorption and noise reduction.Experiments were carried out to optimize the thickness，"door"type cavity，surface morphology and other noise reduction aspects.The study found that 130 mm of thickness in 100～1800 Hz noise reduction effect better；set the"cross"cavity at the bottom of the sound-absorbing panels，on the low frequency sound absorption performance have greatly improved；Slotted surface absorbed more fully on acoustic.Through the field observation，the noise reduction effect of sound absorption board can reduce the 3～4 dB（A）.

ceramsite，acoustic panel，noise reduction，optimization，actual measurement

TU552

A

1001-702X（2016）12-0107-05

2016-06-20

朱萬(wàn)旭，男，1972年生，廣西玉林人，教授，長(zhǎng)期從事建筑新材料研發(fā)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)及相關(guān)研究開(kāi)發(fā)。