鐵路聲屏障用吸聲材料吸聲性能對比分析

李 峰

（中鐵電氣化局集團有限公司 中鐵電氣工業(yè)有限公司，河北 保定 071051）

1 概述

根據(jù)鐵路噪聲頻率特征，低速列車等效頻率在125 ～ 750 Hz[1]，高速列車噪聲頻率集中在低頻段40 ～ 80 Hz 和高頻段 500 ～ 8 000 Hz[2]，不同頻率有不同的吸聲系數(shù)。按照ISO標準和國家標準，吸聲測試報告中吸聲系數(shù)的頻率范圍是100 ～ 5 000 Hz。一般認為平均吸聲系數(shù)大于0.2的材料是吸聲材料、大于0.56的材料稱為高效吸聲材料[3]。在工程中常用降噪系數(shù)(Noise Reduction Coef fi cient，NRC)評價吸聲性能，這一數(shù)值是材料在250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz頻率吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值，根據(jù)《鐵路聲屏障聲學構(gòu)件技術(shù)要求及測試方法》(TB/T 3122—2010)[4]的要求，吸聲材料NRC應(yīng)大于0.60。

吸聲材料按照吸聲機理分為共振吸聲結(jié)構(gòu)材料和多孔吸聲材料，目前鐵路聲屏障用吸聲材料多選用多孔材料。多孔吸聲材料的結(jié)構(gòu)特征是材料內(nèi)部有大量互相連通的微孔或間隙，孔隙細小且在材料內(nèi)部均勻分布。吸聲機理是當聲波射到材料表面時，一部分在材料表面反射，另一部分透入材料內(nèi)部向前傳播，在傳播過程中引起孔隙中的空氣運動，與形成孔壁的固體孔筋或孔壁發(fā)生摩擦，由于粘滯性和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟⒌簟Ｂ暡ㄔ趧傂员诿娣瓷浜?，?jīng)過材料回到表面時，一部分聲波透射到空氣中，一部分反射回材料內(nèi)部，聲波通過這種反復(fù)傳播，使能量不斷轉(zhuǎn)換耗散直到平衡，由此使材料吸收部分聲能[5]。工程上廣泛使用的有纖維材料和灰泥材料兩類，前者包括玻璃棉和巖棉或以此類材料為主要原料制成的各種吸聲板材或吸聲構(gòu)件等；后者包括微孔磚和顆粒性礦渣吸聲磚等。

在吸聲理論中，用流阻、孔隙率、結(jié)構(gòu)因數(shù)來確定材料的吸聲特性，而在實際應(yīng)用中，通常以材料厚度、容重(重量/體積)來反映其結(jié)構(gòu)狀態(tài)和確定其吸聲特性。增加材料的厚度可以提高低頻、中頻吸聲系數(shù)[6]，但對高頻吸收的影響小。如果在吸聲材料和剛性墻面之間留出空間，可以增加材料的有效厚度，提高對低頻的吸聲能力。根據(jù)聲學理論和聲屏障聲學材料實際情況，對多孔吸聲材料進行對比分析。

2 多孔吸聲材料吸聲性能對比分析

以聲屏障工程中常用的吸聲材料為樣品，采用《聲學 混響室吸聲測量》(GB/T 20247—2006)[7]的方法進行測試，對比不同多孔吸聲材料的吸聲性能。

2.1 纖維類吸聲材料

纖維類吸聲材料選用聲屏障工程常用的離心玻璃棉板和巖棉板，根據(jù)聲屏障實際使用情況，通常厚度為50 ～ 100 mm，考慮使用中最不利情況，厚度選用50 mm。

選擇的吸聲材料如下：離心玻璃棉板選用2號纖維平均直徑玻璃棉，憎水率不小于98%，使用熱固性樹脂為粘接劑，容重為48 kg/m3，厚度50 mm，質(zhì)量符合《絕熱用玻璃棉及其制品》(GB/T 13350—2017)[8]。巖棉選用TR15巖棉板，尺寸穩(wěn)定性不大于1.0%，憎水率不小于98%，容重100 kg/m3，厚度50 mm，質(zhì)量符合《建筑外墻外保溫用巖棉制品》(GB/T 25975—2010)[9]。

2.2 礦物微孔顆粒類吸聲材料

礦物微孔顆粒類吸聲材料在聲屏障工程實際應(yīng)用較少，為了對比研究，在此列入新型礦物微孔顆粒類吸聲材料：陶粒板和火山巖板，這2種材料還未有相應(yīng)的國家或行業(yè)標準。此類吸聲材料較纖維類吸聲材料孔隙率小，為滿足《鐵路聲屏障聲學構(gòu)件技術(shù)要求及測試方法》(TB/T 3122—2010)對降噪吸聲的要求(降噪系數(shù)不小于0.6)，將礦物微孔顆粒類吸聲材料厚度設(shè)置為70 mm。材料具體指標如下。

膨脹珍珠巖板選用防潮FB板，吸濕率小于5%，斷裂荷載大于175 kPa，顆粒體積密度小于500 kg/m3，厚度70 mm，質(zhì)量符合《膨脹珍珠巖裝飾吸聲板》(JC/T 430—2012)[10]。陶粒板選用顆粒粒徑小于5 mm，容重小于800 kg/m3，抗壓強度大于3 MPa，厚度70 mm。火山巖板選用顆粒粒徑小于5 mm，密度小于800 kg/m3，抗壓強度3 MPa，厚度70 mm。

2.3 吸聲材料吸聲系數(shù)對比分析

不同吸聲材料樣品面積均為10 m2，試驗按照1/3倍頻程進行，其中心頻率按照《聲學測量中的常用頻率》(GB/T 3240—1982)[11]標準執(zhí)行。吸聲系數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 吸聲系數(shù)對比表

由表1可以看出，多孔類吸聲材料在250 ～ 4 000 Hz頻率范圍內(nèi)有較高的吸聲系數(shù)。其中，纖維類吸聲材料吸聲系數(shù)普遍較礦物顆粒類高。降噪系數(shù)NRC由高到低分別為巖棉板、離心玻璃棉板、膨脹珍珠巖板、火山巖板和陶粒板，僅有陶粒板小于0.7。

3 纖維類吸聲材料 (巖棉) 面板開孔率對吸聲系數(shù)的影響

纖維類吸聲材料(如巖棉板、離心玻璃棉板)因強度和剛度不足，不能單獨承受壓力。因此，聲屏障工程中，常用外殼將吸聲材料包覆起來，面向聲源一側(cè)外殼作開孔處理，使吸聲材料發(fā)揮吸聲效果的同時，降低室外露天環(huán)境對吸聲材料性能的影響。目前，聲屏障工程中常用非金屬材料(如混凝土)及金屬材料(如鋁合金材料)作為外殼。

巖棉因其成本較低，具有良好的降噪功能，耐腐蝕、防火、無毒等特點，在聲屏障實際應(yīng)用中較為廣泛，結(jié)合工程實際應(yīng)用情況，目前主要有非金屬吸聲板孔徑Φ15 mm孔(開孔率11%)，孔徑Φ30 mm孔(開孔率20%)，長條孔(開孔率31%)；鋁合金吸聲板，開孔率40%。巖棉板材料選用與前述條件一致。不同開孔率下巖棉板吸聲系數(shù)如表2所示。

表2 不同面板開孔率下吸聲系數(shù)對比表

表2數(shù)據(jù)可以看出，吸聲材料面板開孔率對吸聲系數(shù)有一定影響，特別是頻率大于1 000 Hz時對吸聲系數(shù)的影響較大，當面板開孔率為11%，頻率大于1 000 Hz時，吸聲系數(shù)降低顯著，當面板開孔率由11%增加到40%時，吸聲系數(shù)呈增長趨勢，當面板開孔率為40%時，4 000 Hz以下吸聲系數(shù)與無面板基本一致，說明面板開孔率為40%時，面板開孔率對吸聲系數(shù)無影響。

4 礦物顆粒類 (火山巖板) 吸聲材料吸水后對吸聲效果的影響

目前礦物顆粒類材料作為聲屏障聲學構(gòu)件的吸聲材料應(yīng)用較少，對其相關(guān)的研究較少，并存在不同的看法，一是認為礦物顆粒類吸聲材料吸水后因水堵塞其內(nèi)部空隙，將降低吸聲效果；另一種認為因礦物顆粒類吸聲材料內(nèi)部貫通，只要吸水不飽和，礦物顆粒類吸聲材料將形成新的空隙，并不會影響其吸聲性能。火山巖板內(nèi)部空隙率高、吸水性強，選擇火山巖板進行干燥和吸水狀況下的吸聲效果對比試驗。為了更好地對比吸水前后數(shù)據(jù)，選用面積10 m2、厚度100 mm的火山巖板(厚度增加至100 mm可以提高低頻吸聲系數(shù))，狀態(tài)為干燥和吸水10 L分別進行吸聲系數(shù)測試，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 火山巖板吸水后吸聲系數(shù)對比表

由表3可以看出，吸水前后吸聲系數(shù)變化很小，說明在非飽和吸水情況下，火山巖板類吸聲材料吸水后并不影響其吸聲效果。

5 結(jié)束語

多孔類吸聲材料在250 ～ 4 000 Hz頻率范圍內(nèi)有較高的吸聲系數(shù)。其中，纖維類吸聲材料吸聲系數(shù)普遍較礦物顆粒類高。降噪系數(shù)NRC由高到低分別為巖棉板、離心玻璃棉板、膨脹珍珠巖板、火山巖板和陶粒板。吸聲材料開孔率對吸聲材料的吸聲系數(shù)有一定影響，特別是頻率大于1 000 Hz時對吸聲系數(shù)的影響較大，隨著開孔率的增加，吸聲系數(shù)呈增長趨勢，當面板開孔率為11%時，高頻吸聲系數(shù)下降顯著，當開孔率為40%時，開孔率對吸聲材料的吸聲系數(shù)無影響。火山巖板吸聲材料吸水前后其吸聲效果變化不大。