高速鐵路寬帶復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李志強(qiáng)

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

我國高速鐵路噪聲具有短時(shí)聲級高、頻率范圍寬、低頻噪聲大等特點(diǎn)［1］。為實(shí)現(xiàn)對高速鐵路噪聲的有效控制，用于高速鐵路噪聲治理的吸聲材料或結(jié)構(gòu)除了在適應(yīng)高速鐵路戶外的惡劣環(huán)境方面應(yīng)具有良好的耐候性和穩(wěn)定的物理、化學(xué)性能外，還需要在吸聲性能方面具有足夠?qū)挼挠行晭挕ｄX微穿孔板、鋁纖維板等共振型金屬吸聲材料與常用的多孔類吸聲材料相比，具有更好的耐候性和更加穩(wěn)定的物理、化學(xué)性能［2-3］，可以通過調(diào)整面板結(jié)構(gòu)、板后空腔等多個參數(shù)實(shí)現(xiàn)特定頻率附近的較寬頻帶內(nèi)的高效吸聲［4-6］，是能夠在戶外長期使用且極具應(yīng)用前景的吸聲材料。但由于這2 種共振吸聲材料在共振頻率以外，特別是相鄰兩共振吸聲頻率之間的反共振頻率附近吸聲性能相對較差，目前在高速鐵路寬帶環(huán)境噪聲治理工程中應(yīng)用較少。

進(jìn)一步展寬共振吸聲結(jié)構(gòu)吸聲帶寬的方法有2 種：①將共振吸聲板作為護(hù)面板與多孔吸聲材料相結(jié)合［7］；②利用多層共振吸聲板的多模態(tài)耦合特性［2，8-12］。文獻(xiàn)［7］對第1 種方法的研究表明共振吸聲板使整體結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)峰值向低頻移動，但降低了多孔吸聲材料在中、高頻段的吸聲系數(shù)，寬帶效果有限。文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了第1 層為鋁微穿孔板、第2 層為鋁纖維板的微孔纖維復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在180～1 600 Hz頻段的吸聲系數(shù)不小于0.6；文獻(xiàn)［12］利用雙層微穿孔板設(shè)計(jì)了具有2 個共振吸聲峰值的吸聲結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在500～2 000 Hz 頻段的吸聲系數(shù)不小于0.69。這2種雙層復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)與單層共振吸聲結(jié)構(gòu)相比有效吸聲帶寬大幅改善，但在兩共振吸聲峰值頻率之間的頻段和高于第2個共振吸聲峰值頻率的高頻段，吸聲系數(shù)仍相對較小。這2 種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高速鐵路寬頻帶的噪聲治理尚存在較大的不足。繼續(xù)增加吸聲板層數(shù)雖然可以進(jìn)一步改善吸聲性能，但經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性也大打折扣。

基于以上考慮，本文在研究鋁微穿孔板及鋁纖維板吸聲系數(shù)的關(guān)鍵影響因素基礎(chǔ)上，根據(jù)高速鐵路車外輻射噪聲頻譜特征，重新設(shè)計(jì)一種第1 層為鋁纖維板、第2 層為鋁微穿孔板的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)只使用2 層共振吸聲板，即實(shí)現(xiàn)了與既有共振吸聲結(jié)構(gòu)相比吸聲頻帶更寬、吸聲系數(shù)更高的優(yōu)異吸聲性能，其有效吸聲頻帶可充分涵蓋高速鐵路車外噪聲主要頻率成分。

1 鋁微穿孔板與鋁纖維板吸聲性能

鋁微穿孔板或鋁纖維板與一定深度的空腔組成亥姆霍茲共振吸聲結(jié)構(gòu)，在共振頻率附近通過氣流在微穿孔內(nèi)或鋁纖維間的劇烈運(yùn)動摩擦，將聲能迅速轉(zhuǎn)化為熱能并消耗掉。單層鋁微穿孔板或鋁纖維板組成共振吸聲結(jié)構(gòu)的等效電路如圖1 所示。圖中：P為聲壓；ρ為空氣密度；c為空氣中的聲速；R為微穿孔板或鋁纖維板的聲阻；M為微穿孔板或鋁纖維板的聲質(zhì)量；ZD為空腔的阻抗。

圖1 共振吸聲結(jié)構(gòu)的等效電路

對于深度為H的空腔，對應(yīng)角頻率為ω時(shí)ZD為

吸聲系數(shù)α為

式中：r為相對聲阻，r=R/ρc；m為相對聲質(zhì)量，m=M/ρc。

對于孔徑為d、孔距為b、厚度為t的鋁微穿孔板，考慮聲波為正入射時(shí)，r和m的表達(dá)式分別為［4，8-9］

根據(jù)吸聲系數(shù)理論計(jì)算公式，設(shè)計(jì)并制作了一共振吸聲頻率為500 Hz的鋁微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，利用駐波管法測試其吸聲系數(shù)，實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，見圖2。

鋁纖維板受所采用的鋁纖維直徑、單位面積鋁纖維的用量、壓實(shí)程度等加工工藝的影響。目前尚沒有針對不同類型鋁纖維板的聲阻和聲抗的通用計(jì)算公式，其吸聲性能的研究以試驗(yàn)測試為主要方法。文獻(xiàn)［13］從鋁纖維板的組成結(jié)構(gòu)、鋁纖維板的厚度、板后空腔的深度等不同角度分析了鋁纖維板結(jié)構(gòu)對吸聲系數(shù)的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在利用鋁箔提升了鋁纖維板的聲阻后，1.3 mm厚的鋁纖維板可在較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的吸聲性能，且與1.6 mm 和1.8 mm厚的鋁纖維板相比，空腔深度相同時(shí)的共振吸聲頻率更低、低頻吸聲效果更好。圖3 為空腔深度不同時(shí)1.3 mm 厚鋁纖維板的吸聲系數(shù)駐波管法測試結(jié)果。可知，隨空腔深度增加，鋁纖維板的共振吸聲頻率和有效吸聲的低頻下限均降低，但有效吸聲帶寬減小，且吸聲系數(shù)曲線在兩共振吸聲頻率之間的反共振頻率附近存在吸聲系數(shù)非常低的凹谷。

圖2 微穿孔板吸聲系數(shù)計(jì)算與實(shí)測結(jié)果對比

圖3 空腔深度不同時(shí)1.3 mm厚鋁纖維板吸聲系數(shù)（駐波管法）

2 高速鐵路用復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖4中動車組以300 km/h速度通過我國一高速鐵路橋梁區(qū)段時(shí)輻射噪聲源強(qiáng)頻譜特征可知，高速鐵路噪聲的聲能量主要集中在中心頻率為31.5～125 Hz的低頻段和中心頻率為315～5 000 Hz 的中、高頻段。其中在不超過125 Hz 的低頻段，由于A 計(jì)權(quán)響應(yīng)小于-16 dB，加權(quán)處理后低頻段的影響顯著減小，因此315～5 000 Hz頻段噪聲是對聲環(huán)境產(chǎn)生主要影響的成分，也是高速鐵路環(huán)境噪聲治理中需要重點(diǎn)關(guān)注的頻段。

圖4 動車組以300 km/h 速度通過一高速鐵路橋梁區(qū)段時(shí)輻射噪聲源強(qiáng)頻譜

根據(jù)圖2、圖3 的試驗(yàn)測試結(jié)果，單純采用1 層鋁微穿孔板或鋁纖維板制成的共振吸聲結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)的有效吸聲頻帶遠(yuǎn)不能涵蓋高速鐵路噪聲的主要頻率成分。既有雙層鋁微穿孔板［12］或第1層為鋁微穿孔板、第2 層為鋁纖維板［2］的多模態(tài)耦合共振吸聲結(jié)構(gòu)在某些頻段吸聲系數(shù)也低于0.7，不能在315～5 000 Hz全頻段有效吸收高速鐵路車外噪聲?；诟咚勹F路噪聲頻譜特征，本文研究設(shè)計(jì)了第1層為鋁纖維板、第2 層為鋁微穿孔板的新型共振吸聲結(jié)構(gòu)。首先，在合理選用鋁纖維板的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整空腔的深度，利用駐波管法試驗(yàn)研究空腔深度對正入射聲波吸聲性能的影響規(guī)律。其次，在駐波管法研究的基礎(chǔ)上制作測試樣品開展混響室法吸聲系數(shù)測試，得到了該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)對漫入射聲波的吸聲性能。

吸聲系數(shù)駐波管法測試得到的是材料對正入射平面波的吸聲系數(shù)。該方法具有測試時(shí)間短、測試用料少等優(yōu)勢，適合作為該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)吸聲性能規(guī)律的試驗(yàn)研究方法。鋁纖維板和鋁微穿孔板在駐波管中安裝方式如圖5 所示，鋁纖維板和鋁微穿孔板之間空腔深度為D1，鋁微穿孔板后空腔深度為D2，忽略鋁纖維板和鋁微穿孔板的厚度，吸聲結(jié)構(gòu)的總厚度D=D1+D2。

圖5 鋁纖維板與鋁微穿孔板在駐波管中安裝方式

駐波管法測得不同復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線見圖6?？芍?，1.3 mm 厚鋁纖維板單獨(dú)使用時(shí)共振吸聲頻率更低、最大吸聲系數(shù)更大，但與鋁微穿孔板組合成復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)后，1.6 mm 厚鋁纖維板可以在中、高頻段實(shí)現(xiàn)更高的吸聲系數(shù)，因此后續(xù)試驗(yàn)的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)均選用1.6 mm厚鋁纖維板。

圖6 不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線（駐波管法）

圖7 為總厚度140 mm 和100 mm 的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)駐波管法測試結(jié)果，圖中的實(shí)線為1 層鋁纖維板及相應(yīng)深度空腔結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線。可知，在鋁纖維板后增加鋁微穿孔板后結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)大小和有效吸聲帶寬均有大幅度改善。具體表現(xiàn)在2個方面：①兩共振吸聲頻率之間的反共振頻率附近吸聲系數(shù)得到了有效的提升；②低頻段吸聲系數(shù)提高，有效吸聲的低頻下限頻率進(jìn)一步減小。

根據(jù)厚度不同時(shí)復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線隨D1和D2的變化規(guī)律可知，隨著D1減小、D2增大，在鋁纖維板的第一階共振頻率附近的頻段吸聲系數(shù)呈減小的趨勢，而在反共振頻率附近的頻段吸聲系數(shù)呈增大的趨勢，當(dāng)D1與D2接近時(shí)，有效吸聲頻帶內(nèi)的吸聲系數(shù)曲線相對平直且吸聲系數(shù)均較高。當(dāng)復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的總厚度D為140 mm 且D1=80 mm，D2=60 mm時(shí)，在250～1 600 Hz 頻段內(nèi)吸聲系數(shù)均不小于0.8；當(dāng)復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的總厚度D為100 mm 且D1=D2=50 mm時(shí)，在300～1 600 Hz頻段內(nèi)吸聲系數(shù)均不小于0.8。

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中聲波在各個方向傳播，因此利用混響室法測得的對漫入射聲波的吸聲系數(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中更具指導(dǎo)意義。根據(jù)駐波管法吸聲系數(shù)的試驗(yàn)研究成果，制作不同厚度的混響室法吸聲系數(shù)測試樣品，委托國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心開展混響室法吸聲系數(shù)測試。測試結(jié)果見圖8，圖中的實(shí)線均為1 層鋁纖維板及相應(yīng)深度空腔結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線。

由圖8 可知，鋁纖維板加鋁微穿孔板的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)與單層鋁纖維板吸聲結(jié)構(gòu)相比，在中、高頻段吸聲系數(shù)明顯增大，有效改善了單層鋁纖維板在反共振頻率處吸聲系數(shù)較低的問題，且在低于第一階共振吸聲頻率的低頻段吸聲系數(shù)增大，降低了有效吸聲的低頻下限?；祉懯曳ㄅc駐波管法測得的鋁微穿孔板對鋁纖維板吸聲性能的影響規(guī)律基本一致。該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)通過合理設(shè)計(jì)D1和D2的大小，總厚度為100 mm時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)250～5 000 Hz 的吸聲系數(shù)均不小于0.8，降噪系數(shù)NRC為0.92；總厚度為140 mm 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)220～5 000 Hz 的吸聲系數(shù)均不小于0.8，降噪系數(shù)NRC為0.93。

圖8 不同厚度時(shí)各結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)曲線（混響室法）

根據(jù)2種不同吸聲系數(shù)測試方法的測試結(jié)果和對比分析結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的鋁纖維板加鋁微穿孔板的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，與只采用1 層共振吸聲材料的結(jié)構(gòu)相比，低頻效果更好，吸聲頻帶更寬。其有效吸聲帶寬和吸聲系數(shù)優(yōu)于常見的雙層多模態(tài)耦合共振吸聲結(jié)構(gòu)，在總厚度為100 mm 時(shí)有效吸聲頻帶即可充分涵蓋高速鐵路環(huán)境噪聲的主要頻率成分。隨厚度增加，低頻段吸聲性能進(jìn)一步提高。該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)兼具高吸聲性能和穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)，既可以作為高速鐵路沿線聲屏障的吸聲材料，在戶外惡劣環(huán)境中長期使用，也可制作成吸聲墻壁、吊頂或吸聲體，用于高鐵站臺、候車室、廊道等室內(nèi)區(qū)域的噪聲治理。此外，該結(jié)構(gòu)所使用的材料均為鋁質(zhì)，后期方便回收和再利用，是一種極具應(yīng)用潛力的綠色、環(huán)保吸聲結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

1）所設(shè)計(jì)的鋁纖維板加鋁微穿孔板復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，利用多共振模態(tài)耦合，不僅有效提高了中、高頻段吸聲系數(shù)，還降低了有效吸聲的低頻下限，有效吸聲帶寬和降噪系數(shù)均得到明顯改善。

2）所設(shè)計(jì)的鋁纖維板加鋁微穿孔板復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，鋁微穿孔板的位置由靠近鋁纖維板逐漸向空腔底部移動時(shí)，低頻段吸聲系數(shù)減小，高頻段吸聲系數(shù)增大，鋁微穿孔板前、后空腔大小接近時(shí)吸聲系數(shù)曲線較為平直且吸聲系數(shù)較大。

3）鋁纖維板加鋁微穿孔板的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)總厚度不小于100 mm 時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在250～5 000 Hz 頻段內(nèi)吸聲系數(shù)不低于0.8、降噪系數(shù)不低于0.9的優(yōu)異吸聲性能，有效吸聲頻帶充分涵蓋了高速鐵路環(huán)境噪聲的主要頻率成分。

4）該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)有效吸聲頻帶寬，降噪系數(shù)高，綠色、環(huán)保、可回收，耐候性好，可在惡劣環(huán)境條件下長期使用。將該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于高速鐵路噪聲防護(hù)工程，有助于推動我國綠色鐵路建設(shè)和國家生態(tài)文明建設(shè)。