我國高速鐵路聲屏障應(yīng)用效果分析

李晏良（中國鐵道科學(xué)研究院，北京　100081）

我國高速鐵路聲屏障應(yīng)用效果分析

李晏良
（中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081）

對我國高速鐵路典型聲屏障的應(yīng)用效果開展了現(xiàn)場試驗研究。結(jié)果表明：我國高速鐵路聲屏障降噪效果隨車速增加而降低；聲屏障中部和端部降噪效果有較大差異；聲屏障降噪效果可將高速動車組噪聲源等效為一定高度的線聲源來進行預(yù)測。為推動我國高速鐵路聲屏障理論發(fā)展和提高實際應(yīng)用效果，迫切需要進一步開展高速動車組噪聲源識別研究。

高速鐵路；聲屏障；降噪效果；線聲源

隨著我國高速鐵路的大量建設(shè)，鐵路噪聲的影響日益引起人們的關(guān)注。聲屏障作為有效降低噪聲的措施，在國內(nèi)外高速鐵路沿線被普遍采用。德、法、日、英、美等國的研究人員分別從聲屏障降噪理論、聲屏障的結(jié)構(gòu)形式等方面對聲屏障開展研究，建立了聲屏障降噪效果預(yù)測模型，并取得了良好的社會經(jīng)濟效益［1］。聲屏障的降噪理論根據(jù)其發(fā)展歷程可分為幾何與波動聲學(xué)理論、試驗與半經(jīng)驗理論、邊界元理論等［2］。我國的《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則聲環(huán)境》（HJ 2.4—2009）和《聲屏障聲學(xué)設(shè)計和測量規(guī)范》（HJ/T 90—2004）中規(guī)定了無限長聲屏障的插入損失計算公式。文獻［3］按照高速鐵路噪聲源分布特征建立了聲屏障對噪聲衰減的預(yù)測公式。文獻［4］基于邊界元理論，并利用高速動車組車外噪聲源識別結(jié)果建立了聲屏障降噪效果的有限元預(yù)測模型。

雖然相關(guān)科研單位及高校近些年對國內(nèi)外聲屏障現(xiàn)狀不斷進行調(diào)查分析，但從深度和廣度來看，目前仍不能滿足進一步開展聲屏障技術(shù)深化研究的需要。因此，需對我國高速鐵路聲屏障應(yīng)用效果開展全面深入的實際測試工作，分析給出不同結(jié)構(gòu)形式、不同材質(zhì)聲屏障的降噪效果，以進一步開展聲屏障技術(shù)深化研究。本文結(jié)合高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及綜合試驗，對聲屏障的降噪效果開展了大量現(xiàn)場試驗，并根據(jù)聲屏障的結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、高度等分類整理其降噪效果和聲學(xué)性能特征，進而提出繼續(xù)開展聲屏障技術(shù)深化研究的工作建議。

1　我國高速鐵路聲屏障應(yīng)用現(xiàn)狀

我國鐵路聲屏障研究已有30多年的歷史［5］，經(jīng)歷了基礎(chǔ)研究階段（1985—1995年）、示范工程應(yīng)用階段（1995—2005年）、規(guī)模應(yīng)用階段（2005年至今）3個發(fā)展階段［5］。目前我國高速鐵路聲屏障以系列聲屏障標(biāo)準(zhǔn)圖為基礎(chǔ)，已實施的總長度超過4000 km。

我國高速鐵路聲屏障按照運行速度分為250 km/h客運專線聲屏障和350 km/h客運專線聲屏障；按照線路形式分為路基段聲屏障和橋梁段聲屏障；按照材質(zhì)分為金屬聲屏障和非金屬聲屏障；按照結(jié)構(gòu)形式分為插板式聲屏障和整體式預(yù)制混凝土聲屏障。插板式聲屏障約占聲屏障總數(shù)量的90%以上。整體式預(yù)制混凝土聲屏障僅在福廈、廈深、海南東環(huán)線等少數(shù)線路上應(yīng)用。在聲屏障高度上，橋梁插板式聲屏障多為2.15 m高，路基插板式聲屏障多為2.95 m高，部分線路為進一步提高降噪效果，在頂端增加0.5 m或1.0 m透明的亞克力隔聲板。此外，對部分有特殊要求的低速路段設(shè)置了5～8 m直立式聲屏障或折角式、半封閉聲屏障。

2　高速鐵路聲屏障應(yīng)用效果現(xiàn)場試驗研究

聲屏障降噪效果以聲屏障插入損失來衡量，其現(xiàn)場測試方法依據(jù)HJ/T 90—2004和《客運專線鐵路工程竣工驗收動態(tài)檢測指導(dǎo)意見》（TB 10761—2013），采用間接法進行測試。計算公式為

式中：IL為聲屏障插入損失；Lref，a為聲屏障安裝后參考點處的A聲級，dB（A）；Lref，b為在等效場所參考點處測量的聲屏障安裝前的A聲級，dB（A）；Lr，a為聲屏障安裝后受聲點處的A聲級，dB（A）；Lr，b為在等效場所受聲點處測量的聲屏障安裝前的A聲級，dB（A）。

選取大西、武廣等高速鐵路進行聲屏障降噪效果現(xiàn)場試驗測試，各線路邊界條件見表1。

2.1聲屏障插入損失與動車組速度的關(guān)系分析

高速動車組噪聲源主要由輪軌噪聲、空氣動力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲等組成。動車組速度不同，各噪聲源貢獻量亦發(fā)生變化，對聲屏障降噪效果會產(chǎn)生影響。帶聲屏障的高速鐵路噪聲傳播如圖1所示。

圖1　帶聲屏障的高速鐵路噪聲傳播示意

根據(jù)測試結(jié)果對聲屏障降噪效果隨速度變化規(guī)律進行了統(tǒng)計分析。大西高速綜合試驗段路基插板式金屬聲屏障測點布設(shè)在距外側(cè)軌道中心線25 m，軌面以上0，1.5，3.5和5.0 m處。杭甬鐵路路基及橋梁金屬插板式聲屏障測點布設(shè)在距外側(cè)軌道中心線25 m，與軌面齊平處［6］。不同高度聲屏障插入損失與速度的關(guān)系見圖2。

圖2　不同高度聲屏障插入損失與速度的關(guān)系

由圖2可知，隨動車組速度增加，聲屏障的降噪效果呈降低趨勢，這是由于動車組速度增加，集電系統(tǒng)噪聲、空氣動力噪聲等動車組上部噪聲增大，等效聲源高度增加，逐漸降低了聲屏障的防護作用。動車組以250 km/h以下速度運行時，距線路25 m、軌面以上0 ～5 m高度范圍內(nèi)，聲屏障降噪效果相差不大。根據(jù)聲屏障降噪原理，距線路25 m處，對于軌面以上2 m高聲屏障，輪軌區(qū)域噪聲完全處于聲影區(qū)范圍，而車輛上部集電系統(tǒng)噪聲則全部超出聲影區(qū)范圍。因此對于距線路25 m處軌面以上0～5 m高度范圍內(nèi)，不同高度降噪效果差異主要受車體不同部分的噪聲貢獻量影響，說明動車組速度在250 km/h以下時車體空氣動力噪聲所占總聲能量比例較小。

2.2聲屏障插入損失與敏感點位置的關(guān)系分析

為達到理想的聲屏障插入損失，除了保證聲屏障具有一定的高度外，還應(yīng)在目標(biāo)范圍以外向兩端延伸一定的附加長度［7］。為給聲屏障加長量的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐，在津保鐵路對聲屏障中部及端部（測點距端部10 m）降噪效果的差異進行了測試和對比分析［8］。此外，根據(jù)武廣聲屏障現(xiàn)場測試結(jié)果，對聲屏障降噪效果隨敏感點距離變化規(guī)律進行了統(tǒng)計分析。津保聲屏障測點布設(shè)在距外側(cè)軌道中心線30 m及60 m，地面以上1.2 m處；武廣聲屏障測點布設(shè)在距外側(cè)軌道中心線15 m及25 m，軌面高度處。不同敏感點聲屏障插入損失與速度的關(guān)系見圖3。

圖3　不同敏感點聲屏障插入損失與速度的關(guān)系

由圖3可知，武廣線橋梁插板式金屬聲屏障測點距離由15 m增加到25 m、津保線路基插板式非金屬聲屏障測點距離由30 m增加到60 m，聲屏障降噪效果降低1～3 dB（A）。因此可以得出，在一定距離范圍內(nèi)，敏感點距線路距離加倍，聲屏障降噪效果降低1～3 dB（A）。相同距離下，聲屏障端部降噪效果較中部有明顯的降低，距離越遠(yuǎn)，聲屏障降噪效果降低越明顯，因此在設(shè)計聲屏障長度時需特別注意在聲屏障兩端留出足夠的附加長度。

3　聲屏障插入損失理論計算與實測對比分析

根據(jù)HJ 2.4—2009和HJ/T 90—2004，線聲源、無限長聲屏障的降噪效果計算公式為

式中：ΔLd為插入損失；f為聲波頻率，Hz；δ為聲程差，m；c為聲速，m/s。

目前鐵路聲屏障聲學(xué)計算通常采用單聲源模式，將聲源位置假定為軌面以上某一高度，而聲源高度選取的適宜與否直接影響計算的準(zhǔn)確度［9］。以西寶鐵路和津秦鐵路聲屏障為例，按式（2）計算不同等效聲源高度（0.5，1.0，2.0 m）的降噪效果，并與300 km/h速度下現(xiàn)場測試降噪效果比較，以初步確定較為合理的等效聲源高度。計算的聲屏障降噪效果與實際測試結(jié)果比較見圖4?？芍?00 km/h速度下，將高速動車組噪聲源等效為2 m高的線聲源，聲屏障插入損失計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合得相對較好。

計算的插入損失與實測值有一定的差異，主要是由于高速動車組噪聲源分布不均勻，聲屏障對不同高度處的噪聲傳播的降噪效果不同，等效為一定高度的線聲源作了較多的簡化。此外，實際聲屏障并不是完全阻斷直達聲，對不同頻率聲音的吸聲系數(shù)也不同，與計算時的理想化情況存在差異?？傮w來說，將高速動車組噪聲源等效為一定高度的線聲源可以得到較為準(zhǔn)確的計算結(jié)果，但需要在大量實際測試的情況下，對不同運行速度下的等效高度作進一步的對比研究。

圖4　不同等效聲源高度計算的聲屏障與實測比較

若根據(jù)高速動車組噪聲源識別結(jié)果，將噪聲源分為輪軌噪聲、車體噪聲和集電系統(tǒng)噪聲3部分，按照每部分所占貢獻量分別對聲屏障降噪效果進行計算，可以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。目前，鐵科院、鐵三院、北京交大、西南交大、中南大學(xué)等單位分別在京津、京滬、京廣、津秦等高速鐵路開展過噪聲源識別相關(guān)試驗研究。試驗結(jié)果表明，輪軌區(qū)域噪聲是最主要的噪聲源，300 km/h及350 km/h速度時約占總聲能量50%及以上。初步按照350 km/h速度時輪軌噪聲、車體噪聲和集電系統(tǒng)噪聲3部分所占總能量比例分別為50%，30%和20%來進行計算。計算過程中，輪軌、車體和集電系統(tǒng)噪聲源等效位置分別取距軌面高度為0.5，2.0和4.5 m。各測點處的動車組輻射噪聲總能量按武廣高鐵現(xiàn)場測試結(jié)果并以1/3倍頻帶頻譜形式給定，分別計算各噪聲源分頻帶插入損失值，最終給出受聲點處總A計權(quán)插入損失預(yù)測值［10］。武廣高鐵聲屏障插入損失計算值與實測值比較見表2。

表2　武廣高鐵聲屏障插入損失計算值與實測值比較dB（A）

可以發(fā)現(xiàn)，按動車組不同部分噪聲貢獻量分別進行聲屏障插入損失預(yù)測，可以進一步提高計算準(zhǔn)確度。建議按照高速動車組噪聲源的分布及能量占比的特點細(xì)化多條不同位置的等效聲源來進行聲屏障插入損失預(yù)測。這一設(shè)想需結(jié)合高速鐵路噪聲源識別的深化研究進一步開展工作。

4　結(jié)論與建議

1）隨著動車組速度增加，動車組上部噪聲貢獻量增大，等效聲源高度增加，聲屏障的降噪效果呈降低趨勢。

2）在距線路60 m范圍內(nèi)，敏感點距線路距離加倍，聲屏障降噪效果降低1～3 dB（A）。相同距離下，聲屏障端部降噪效果較中部明顯降低，因此在聲屏障設(shè)計時需特別注意預(yù)留附加長度。

3）將高速鐵路噪聲源等效為具有一定高度的線聲源，以此預(yù)測聲屏障的降噪效果具有一定的可靠性和應(yīng)用價值，但由于高速鐵路噪聲源的復(fù)雜性，仍有很大的改進和優(yōu)化空間。

為進一步提高聲屏障降噪效果和豐富聲屏障降噪理論，建議深化研究在不同速度時等效線聲源的高度，同時進一步開展噪聲源識別研究，按照高速動車組噪聲源的分布及能量占比的特點細(xì)化多條不同位置的等效聲源來進行聲屏障插入損失預(yù)測。

［1］尹皓，劉蘭華，李晏良，等.高速鐵路聲屏障研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，2015，5（4）：148-151.

［2］吳洪洋.道路聲屏障降噪理論的研究進展［J］.噪聲與振動控制，2006（3）：85-88.

［3］雷曉燕.高速鐵路噪聲計算方法［J］.中國鐵道科學(xué)，2005，26（4）：3-4.

［4］周信，肖新標(biāo)，何賓，等.高速鐵路聲屏障降噪效果預(yù)測及其驗證［J］.機械工程學(xué)報，2013，49（10）：14-18.

［5］辜小安，郭懷勇，周鐵軍，等.我國鐵路聲屏障發(fā)展概況［J］.鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，2015，5（4）：143-147.

［6］中國鐵道科學(xué)研究院.杭甬鐵路動態(tài)檢測報告［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2013.

［7］張麗娟，張斌，盧文成，等.高鐵聲屏障附加長度防護效果理論與實測的對比分析［J］.噪聲與振動控制，2014，34（增1）：75-77.

［8］中國鐵道科學(xué)研究院.津保鐵路動態(tài)檢測報告［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2015.

［9］蘇衛(wèi)青，潘曉巖，葉平.高速鐵路聲屏障聲學(xué)計算模式研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2013，34（1）：126-130.

［10］中國鐵道科學(xué)研究院.聲屏障降噪效果及結(jié)構(gòu)氣動力影響現(xiàn)場試驗研究報告［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2010.

（責(zé)任審編李付軍）

Analysis on Application Effects of Noise Barrier of High Speed Railway

LI Yanliang
（China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T he field test of the typical noise barrier application effect in China high speed railway was made.T he results showed that the noise reduction effect of noise barrier in high speed railway decreases with the speed increasing and there was a big difference of noise reduction effect between the middle and end of noise barrier，and noise reduction effect of noise barrier should be used for prediction by taking the noise source of high speed EM U （Electric M ultiple Unit）as a linear noise source with certain height.Further research on noise source identification of high speed EM U is urgently needed for promoting the noise barrier theoretical development of high speed railway in China and improving the practical application effect.

High speed railway；Noise barrier；Noise reduction effect；Linear sound source

U214.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.41

1003-1995（2016）08-0164-04

2016-03-21；

2016-04-19

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃（2015Z003-A）

李晏良（1983— ），男，副研究員，碩士。