高速鐵路聲屏障降噪研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

汪紅霞，孫文娟

(安徽新華學(xué)院 信息工程學(xué)院, 合肥 230088)

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高速鐵路聲屏障降噪研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

汪紅霞，孫文娟

(安徽新華學(xué)院 信息工程學(xué)院, 合肥 230088)

聲屏障技術(shù)是降低高速鐵路車外輻射噪聲最有效的措施之一。為了降低噪聲帶來的嚴(yán)重影響，本文綜合分析了聲屏障的插入損失原理、結(jié)構(gòu)和研究方法，并分析了將聲屏障技術(shù)應(yīng)用在高速鐵路上的研究現(xiàn)狀，從而從根本上降低了噪聲。

聲屏障；高速鐵路；降噪

高速鐵路運(yùn)輸?shù)呐畈l(fā)展給人們的出行帶來了極大的便利，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，但與此同時也帶來了不可避免的影響。高速列車運(yùn)行時產(chǎn)生的噪聲已經(jīng)成為環(huán)境污染的主要污染源，世界衛(wèi)生組織指出環(huán)境噪音污染是僅次于空氣污染的威脅公民健康的一大隱患。

為了給人們創(chuàng)造更加方便快捷的出行條件，越來越多的高速鐵路在規(guī)劃修建選擇線路時不可避免地選擇了穿越城市的路線，造成的后果是高鐵經(jīng)過人口密集的居民區(qū)，高鐵經(jīng)過時產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重干擾著周圍居民正常的生活和工作?？茖W(xué)研究表明，噪聲暴露可引起聽力減退、煩躁、睡眠障礙，還可使人們降低工作效率，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致高血壓和缺血性心臟病[1]。當(dāng)人們長期生活在噪聲的環(huán)境中，特別是在睡眠期間，會引起內(nèi)分泌系統(tǒng)失調(diào)和免疫應(yīng)激反應(yīng)。因此，控制和降低噪聲不僅是社會發(fā)展過程中必須要解決的問題，同時也是發(fā)展高速鐵路的難題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析

1.1 聲屏障研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

1.1.1 聲屏障插入損失

為了降低噪聲，在噪聲源和受聲點(diǎn)之間通常設(shè)計一種聲學(xué)障板，這種技術(shù)叫作聲屏障。采用聲屏障是在噪聲的傳播途徑中進(jìn)行控制的一種降噪方式，它通常用于為某一特定聲源和保護(hù)區(qū)域設(shè)計的。直立型聲屏障的截面圖如圖1所示，圖中左邊的S是噪聲源，中間的B表示聲屏障，右邊的R是受保護(hù)的區(qū)域，也稱為受聲點(diǎn)，E表示地面。

圖1 直立型聲屏障的截面示意圖

噪聲源S在傳播途中遇到聲屏障B時，經(jīng)過了四條傳播路徑，如圖2所示，有的聲波發(fā)生反射，有的聲波穿透聲屏障到達(dá)受聲點(diǎn)，有的聲波在經(jīng)過聲屏障頂端時又發(fā)生衍射到達(dá)受聲點(diǎn)，還有的聲波在聲屏障上方繼續(xù)沿直線傳播。噪聲源沿著這四條路徑傳播聲能量的方式是聲屏障達(dá)到降噪的主要原因。

圖2 聲源傳播路徑

聲屏障的作用可以分為以下幾種情況：一、用來阻止聲波直接傳播到受聲點(diǎn)；二、用來減少透射聲；三、使衍射生能量盡快地衰弱，目的是在聲屏障后面形成聲影區(qū)(如圖3中陰影部分)，聲影區(qū)內(nèi)的聲波較噪聲源有顯著地衰減從而達(dá)到降低噪聲對受聲區(qū)影響的目的。

圖3 聲衍射路徑

插入損失(Insertion Loss of noise barriers，簡稱為IL)一般作為衡量聲屏障降噪效果，可用式(1)計算得到。

(1)

式(1)中，p0(r,r0)為無聲屏障時受聲點(diǎn)的聲壓值，p(r,r0)為有聲屏障時受聲點(diǎn)的聲壓值。

1.1.2 聲屏障研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

聲屏障最早應(yīng)用于道路交通的噪聲控制。日、美、法等國早在上世紀(jì)70年代就己經(jīng)開展了針對聲屏障的理論研究[2]，并實(shí)施了大量具體的工程。隨著聲屏障在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用，大量學(xué)者和研究人員開展了相關(guān)研究工作。

(1)聲屏障的結(jié)構(gòu)研究

通常采用直立性聲屏障作為對比對象，它是聲屏障結(jié)構(gòu)最簡單的一種類型，其他類型聲屏障聲學(xué)性能通常用它來進(jìn)行評估。聲屏障的幾何尺寸、幾何形狀、所用材料、聲屏障與聲源之間的距離以及聲屏障與受聲點(diǎn)之間的距離等參數(shù)都是影響聲屏障插入損失大小重要因素。此外，插入損失的大小也受到地面條件和氣候條件的影響[3]。有研究指出，剛性直立型聲屏障的最大插入損失理論上可以達(dá)到24dB[3]，但實(shí)際使用中卻很難實(shí)現(xiàn)。中華人民共和國聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3096-2008)指出，高3-6米的聲屏障實(shí)際的插入損失通常在5-12dB之間。

為了進(jìn)一步提高聲屏障的降噪效果，研究人員開展了大量的研究工作，提出了各種聲屏障的形式。眾多研究表明，改進(jìn)聲屏障表面材料的吸聲性和聲屏障的幾何形狀是目前提高其插入損失的兩種主要途徑。為了減少噪聲源在聲屏障頂端的衍射傳播，采用聲屏障的頂端結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化方法，這是在不改變聲屏障表面材料的基礎(chǔ)上通過改變幾何形狀來提高插入損失的關(guān)鍵。Okubo研究了頂端為水車輪式的聲屏障，得到不同的直徑、開口角度和槽深對聲屏障插入損失的影響規(guī)律[4]。Murata.K通過測試新干線Y型聲屏障的插入損失，研究了幾種不同Y型的聲屏障在不同部位處設(shè)置吸聲材料時的降噪效果[5]。在直立型聲屏障頂端安裝水平結(jié)構(gòu)就形成了T型聲屏障，Oldham采用數(shù)值模擬的方法研宄了T型聲屏障降噪性能的影響因素[6]。周強(qiáng)等為了評價V型聲屏障的降噪效果，通過試驗及預(yù)測相結(jié)合的方法對低載荷V型聲屏障進(jìn)行研究，結(jié)果表明，V型聲屏障針對實(shí)測高速列車車外噪聲降噪效果顯著[7]。Ishizuka系統(tǒng)地對比了頂端具有不同形狀和材料的聲屏障的降噪性能[8]。Inan Ekici較為全面地總結(jié)了聲屏障的多種形式[3]。

(2)聲屏障的研究方法

目前，聲屏障聲學(xué)性能的研究方法主要可以歸納為三種類型：解析法、經(jīng)驗法和數(shù)值模擬法。

1896年，Sommerfeld首次提出了半無限剛性聲屏障對平面入射波聲場的解析解[9]。Macdonald求解了半無限剛性薄板對點(diǎn)聲源和柱聲源的衍射，并對該方法進(jìn)行了拓展[10]。解析法對聲屏障的計算與實(shí)際測試結(jié)果能夠很好的吻合，但是公式復(fù)雜計算量大。

聲屏障的降噪效果可以采用基于幾何聲學(xué)理論和試驗方法的經(jīng)驗法來計算，剛性薄壁聲屏障的插入損失可以用單一參量菲涅爾數(shù)N來預(yù)測。Meakawa利用脈沖測試法測試了剛性聲屏障的衍射，并得到以菲涅爾數(shù)N為參量的經(jīng)驗計算公式[11]。Kurze在多種理論和試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到了計算剛性聲屏障插入損失的經(jīng)驗公式[12]。

剛性聲屏障的結(jié)構(gòu)不同采用的方法也不同，對于結(jié)構(gòu)簡單的聲屏障可以采用解析法和經(jīng)驗法，而對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聲屏障，需要采用數(shù)值模擬法。數(shù)值模擬法目前得到了飛速的發(fā)展與應(yīng)用。有限元法(Finite Element Method，簡稱FEM)非常適用于求解低頻的結(jié)構(gòu)聲振耦合問題。Morgan等在FEM的基礎(chǔ)上，研究了聲屏障的地面反射和幾何形狀對聲屏障降噪性能的影響[13]。但是，有限元法常用于計算封閉空間的聲場問題，不適于求解半無限和無限域問題。邊界元法(Boundary Element Method，簡稱BEM)是繼FEM之后的一種非常有效且精確的工程數(shù)值分析方法，在處理無限域或者半無限域聲場問題具有比FEM更高的精確度，BEM在求解聲屏障的問題上得到了廣泛的應(yīng)用。Seznec開創(chuàng)性的研究了邊界元法計算聲屏障插入損失[14]；Hothersall利用邊界元法分析了二維聲屏障的衍射問題[15]；朱曉天等利用邊界元分析法計算不同界面形狀的二維聲屏障的衍射聲場，例如T型、L型、弧形、橄攬型等截面形狀[16]。胡薇運(yùn)用聲學(xué)軟件LMS Virtual. Lab Acoustics對城市交通噪聲聲屏障進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、材料和模態(tài)分析[17]。

傳統(tǒng)BEM具有高內(nèi)存占有量和高計算量的固有缺點(diǎn)，需要大量的計算時間，限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。為了充分發(fā)揮BEM在大規(guī)模工程分析中的作用，多種快速算法先后被提出?？焖俣鄻O邊界元法(Fast Multipole Boundary Element Method, 簡稱FMBEM)是快速多極算法在快速邊界元法領(lǐng)域應(yīng)用中形成的，它可以大幅度提高BEM的求解效率并顯著降低內(nèi)存占有量。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的鄭昌軍利用FMBEM對比分析了不同頻率點(diǎn)源聲場的衰減受不同尺寸的直立型聲屏障的作用，并總結(jié)了聲屏障降噪性能的多重因素[18]。

(3)聲屏障的發(fā)展趨勢分析

通過上述國內(nèi)外聲屏障的研究發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)分析聲屏障的發(fā)展趨勢如下：

①注重聲屏障結(jié)構(gòu)形式的有效性

為了用簡單而有效的聲屏障結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最理想降噪效果，其如何根據(jù)頻率特性和噪聲源所處的位置設(shè)計合理的聲屏障結(jié)構(gòu)就成了重點(diǎn)。

②提高算法的精確性和計算效率

如何同時提高算法的精確性和計算效率成為國內(nèi)外學(xué)者和研究人員研究的熱點(diǎn)。

③有源降噪技術(shù)在聲屏障中旳應(yīng)用研究

Ise等首次證明了將有源降噪技術(shù)應(yīng)用于聲屏障可以有效提高聲屏障的降噪效果，特別是可以提高低頻段噪聲的降噪效果，隨后很多學(xué)者展開了對聲屏障有源降噪技術(shù)的研究[19]。

④新型太陽能聲屏障

在聲屏障上安裝光伏系統(tǒng)，既能達(dá)到降低噪聲的目的，又可以利用噪聲能量來發(fā)電，也降低了光伏系統(tǒng)的發(fā)電成本。新型太陽能聲屏障具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，是未來聲屏障發(fā)展的方向。

2.1 高速鐵路噪聲

高速鐵路產(chǎn)生的輻射噪聲除了與其他軌道交通的輻射噪聲具有相似性外，但由于自身運(yùn)行速度快導(dǎo)致其輻射的噪聲又具備不同的特征和規(guī)律。

高速鐵路外部產(chǎn)生的噪聲可以歸納為三種：輪軌噪聲、氣動噪聲和牽引噪聲。輪軌噪聲主要是車輪滾動時由于表面粗糙而產(chǎn)生的滾動噪聲及鋼軌波紋磨損產(chǎn)生的噪聲等；氣動噪聲包括氣流流經(jīng)受電弓、車輛連接處、車頂百葉窗、轉(zhuǎn)向架等表面產(chǎn)生的氣動噪聲，以及車身表面、車頭和車尾湍流流動產(chǎn)生的氣動噪聲；牽引噪聲指牽引馬達(dá)、冷卻風(fēng)扇、齒輪和輔助設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。高速鐵路的外部噪聲源如圖4所示。

圖4 高速鐵路的外部噪聲源

Bin HE等的實(shí)驗測試分析結(jié)果顯示，高速列車車外噪聲源主要分布在輪軌區(qū)域、受電弓和車間連接區(qū)域[20]，如圖5所示。

圖5 高速列車車外主要噪聲源

隨著高速列車運(yùn)行速度的變化，高速鐵路外部產(chǎn)生的噪聲也隨之發(fā)生了很大的變化，噪聲的大小和成分都發(fā)生了顯著改變，圖6顯示了列車輻射噪聲的聲壓級隨列車速度的變化關(guān)系。圖中Vt1和Vt2稱為聲學(xué)轉(zhuǎn)變速度(兩個相鄰區(qū)段轉(zhuǎn)變時的速度)，列車的運(yùn)行速度分為三個區(qū)段，當(dāng)列車速度小于Vt1時的區(qū)段I由牽引噪聲主導(dǎo)，區(qū)段II為輪軌滾動噪聲主導(dǎo)，到了列車速度大于Vt2時的區(qū)段III，氣動噪聲顯著增大，占據(jù)主導(dǎo)作用。減振降噪措施、列車和軌道的狀態(tài)直接影響列車的聲學(xué)轉(zhuǎn)變速度。當(dāng)輪軌滾動噪聲控制在一定范圍時，臨界轉(zhuǎn)換速度Vt1將會變高而Vt2將會變低。

圖6 不同噪聲成份隨列車運(yùn)行速度變化的關(guān)系

2.2 高速鐵路聲屏障研究現(xiàn)狀分析

高速鐵路聲屏障與城市道路聲屏障和普通鐵路聲屏障既有聯(lián)系又有區(qū)別。普通鐵路由于運(yùn)行速度比較慢，利用聲屏障可以得到較好降噪效果。而高速列車運(yùn)行速度快，產(chǎn)生的車外輻射噪聲機(jī)理相對復(fù)雜，并分布在列車各處，且聲波會在車體和聲屏障之間形成多重反射。因此，將傳統(tǒng)的聲屏障應(yīng)用于高速鐵路，其噪聲控制效果需要重新預(yù)測和評估。

美國的高速鐵路噪聲預(yù)測模型和歐洲國家的鐵路噪聲預(yù)測模型，均采用較少的等效鐵路聲源位置，主要是采用基于聲程差的經(jīng)驗公式來計算聲屏障的降噪特性。Hothersall等利用1:20的試驗裝置，釆用單極子和偶極子聲源組合的方法將列車聲源的指向性考慮進(jìn)來，通過實(shí)驗測試了聲屏障對TGV高速列車的降噪效果[21]。為了提高高速鐵路聲屏障的降噪效果，MORGAN等針對高速鐵路的輪軌噪聲，研究了多種截面形狀的聲屏障對其不同的降噪效果[22]；ISHIZUKA等研究了不同高度和頂端形狀聲屏障對噪聲源的衰減效果[23]；Belingard等對TGV高速鐵路線路兩側(cè)的聲屏障進(jìn)行測試，結(jié)果表明，采用吸聲或頭型結(jié)構(gòu)可改進(jìn)直立型聲屏障的降噪效果[24]。T. Kitagawa等對新干線鐵路使用的典型聲屏障進(jìn)行了研究，通過模型分析了不同類型和形狀的聲屏障的降噪特性，結(jié)果表明，Y型結(jié)構(gòu)的聲屏障降噪效果最好[25]。

我國的高速鐵路聲屏障主要以插板式結(jié)構(gòu)為主以整體式結(jié)構(gòu)為輔。尹皓等采用我國現(xiàn)行聲屏障測量規(guī)范，對合武、合寧和京津城際鐵路上安裝的聲屏障進(jìn)行了測試[26]。TW Wu分析了高速鐵路聲屏障插入損失的影響因素，給出了用于分析計算的高速鐵路聲屏障插入損失等效聲源[27]。蘇衛(wèi)青等在京津城際和京滬高速鐵路列車聲源識別結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了包括等效頻率和等效高度在內(nèi)的用于計算高速鐵路聲屏障插入損失的等效聲源，并進(jìn)一步給出了用于工程評估的插入損失計算公式[28]。

通過以上分析可知，數(shù)值模擬法主要用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的聲屏障的研究。相關(guān)研究顯示，邊界元法是一種非常有效且精確的求解聲屏障問題的方法。在對高速鐵路聲屏障的降噪效果進(jìn)行預(yù)測和分析時，國內(nèi)外眾多學(xué)者也紛紛選擇了邊界元法。B. He等通過數(shù)值模擬研究了減載式高速列車聲屏障的聲學(xué)性能，分析了聲屏障頂端的聲波衍射現(xiàn)象[29]。

3 結(jié)語

本文首先分析了聲屏障降低噪聲的原理、結(jié)構(gòu)和國內(nèi)外聲屏障相關(guān)研究的方法及發(fā)展趨勢；其次分析研究了高速鐵路聲屏障降噪需要采用的新技術(shù)新方法。

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責(zé)任編輯：程艷艷

Research Status and Development Trend of Sound Barrier Technology for Reduction of Noise on High-speed Railway

WANG Hongxia, SUN Wenjuan

(Institute of Information Engineering, Anhui Xinhua University, Hefei 230088, China)

The sound barrier technology is one of the most effective measures to reduce the radiated noise outside the carriage on high-speed railway. In order to reduce the serious effects that noise brings, this paper comprehensively analyzes the insertion loss principle, structure and method of sound barrier, discusses the research status of applying sound barrier technology in high-speed railway, thus to reduce the noise fundamentally.

sound barrier; high-speed railway; de-noising

2016-07-12

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項目(KJ2015A306)

汪紅霞(1979-)，女，安徽宣州人，講師，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)方面研究。

TP13

A

1009-3907(2016)10-0006-05