無砟軌道聚合微粒吸聲板研究

劉海濤 王繼軍 劉偉斌

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

無砟軌道是高速鐵路、城市軌道交通的主要軌道結構形式，具有高平順性、少維護、穩(wěn)定性好、耐久性好等優(yōu)點。然而由于混凝土道床表面對噪聲具有低吸收和高反射特性，無砟軌道噪聲比有砟軌道高約3 dB（A）［1-2］。在無砟軌道表面鋪設吸聲板可有效吸收輪軌區(qū)噪聲，降低無砟軌道噪聲。自20世紀80年代以來歐洲在噪聲控制方面開展了大量研究，德國、奧地利、荷蘭等國家已試驗并在多段鐵路應用了無砟軌道吸聲板，降噪2～3 dB（A），并開展了吸聲板和矮屏障的組合研究，可降噪6 dB（A）。自2007年以來中國鐵道科學研究院集團有限公司、中國中鐵二院工程集團有限責任公司及中國鐵路設計集團有限公司分別鋪設了相應的試驗段，列車通過時環(huán)境噪聲降低約1～3 dB（A），最高試驗速度達300 km/h［3-4］。目前無砟軌道吸聲板采用水泥基類吸聲材料如陶?；炷痢⒄渲閹r混凝土、泡沫混凝土等，達到了較好的降噪效果［5-6］，但也存在一些問題，例如：水泥基材料抗拉強度低，吸聲材料本身為多孔結構，致使材料強度進一步降低，環(huán)境長期作用下顆粒容易剝離；有限的強度限制了較大空腔的設置以致主要靠微孔吸聲，單一的吸聲原理限制了吸聲效果進一步提高［7］。

聚合微粒材料作為一種新型無縫吸聲材料，21世紀初起源于德國，目前在國外公共建筑中大量應用。我國科研工作者在聚合微粒材料方面做了大量創(chuàng)新性的研究，形成了一系列核心且具有自主知識產(chǎn)權的技術，并成功應用于一些建筑結構［8-9］。本文首次將聚合微粒材料應用于無砟軌道吸聲板，對聚合微粒吸聲板進行結構設計，并通過混響室試驗和試驗線實車測試驗證其降噪效果。

1 聚合微粒材料特性

聚合微粒吸聲材料精選特定數(shù)目的無機顆粒如天然砂粒、礦渣顆粒、建渣顆粒等，將膠凝溶劑均勻且極薄地施涂于微粒表面，使渣粒形成特定角形系數(shù)的覆膜微粒。在外力作用下，微粒覆膜層固化，微小顆粒就像被焊接一樣聚合在一起，微粒之間天然形成了大量不規(guī)則且相互連通的微小孔隙，從而使產(chǎn)品具有吸聲能力。假設形狀規(guī)則的微粒直徑為2R，角形系數(shù)為1，則微粒間孔隙面積Sx（圖1）的計算公式為

圖1 聚合微粒間孔隙面積

聚合微粒吸聲材料的高、中、低頻吸聲特性與微粒間細孔的大小、數(shù)量、構造形式、板的厚度、板后空腔的大小等密切相關。通過對粒徑、板厚及空腔大小的調(diào)控，可對其吸聲頻率特性加以調(diào)整，滿足不同頻率的吸聲設計要求。

聚合微粒材料因采用聚酯類膠凝材料，在具備多孔特性的情況下，使材料強度得到提高。聚合微粒材料抗壓強度不小于20 MPa，抗拉強度不小于6 MPa，基本解決了顆粒剝落的現(xiàn)象，同時使設置較大的空腔成為可能。經(jīng)試驗驗證，聚合微粒材料的抗凍、耐老化、防火、環(huán)保、抗沖擊等性能滿足要求。

2 聚合微粒吸聲板結構設計

2.1 聚合微粒吸聲板結構尺寸

聚合微粒吸聲板采用模筑法一次澆筑成型，在軌道板橫向上被2條鋼軌分為3部分（圖2）。在不影響?zhàn)B護維修前提下，承軌臺被部分遮蓋，吸聲板頂面形成標準矩形結構，增大了吸聲面積且整體顯得美觀。單塊吸聲板與軌道板表面形成密閉空腔。吸聲板上表面接近鋼軌頂面。

圖2 聚合微粒吸聲板沿軌道布置

吸聲板的長度和寬度受列車經(jīng)過時氣動壓強分布特征、制造工藝、運輸和施工便捷性、使用時荷載效應等影響。氣動壓強在沿線路方向隨長度增加而急劇衰減，增加吸聲板長度有利于增強穩(wěn)定性。吸聲板越寬則吸聲效果越好。從方便制造、運輸和施工角度考慮，吸聲板尺寸不宜過大。綜合考慮以上因素，吸聲板長度確定為3個扣件間距；寬度上，為方便運輸和施工，鋼軌內(nèi)側切分為2塊（或保持為1塊），2根鋼軌外側分別為單獨1塊。

為保證行車安全，吸聲板總高度不得超過鋼軌頂面且留有25 mm安全空間［10］。通常無砟軌道吸聲板總厚度為180 mm。為增強吸聲效果，采用大空腔設計，如圖3所示?？涨徊捎霉靶危瞎盀閳A形拱（矢跨比1∶5），空腔四周密閉，底部與軌道板形成密閉空腔。拱形加矩形的空腔設置有利于吸聲板受力、拓展吸聲頻段及制造過程中脫模。根據(jù)力學分析并考慮制造工藝因素，單個孔徑跨度為225 mm。根據(jù)阻抗管垂直入射法測試結果，空腔高度宜大于80 mm。

圖3 聚合微粒吸聲板空腔

2.2 聚合微粒吸聲板吸聲原理

聚合微粒吸聲板的吸聲原理主要有3個方面［11］：

1）多孔隙吸聲

聚合微粒材料為多孔結構，具有多孔隙吸聲作用。聚合微粒材料內(nèi)部有大量微小的連通孔隙，聲波沿著這些孔隙可以深入材料內(nèi)部，與材料發(fā)生摩擦，將聲能轉化為熱能，再通過熱傳導降低熱能從而降低聲波強度。

2）共振吸聲

聚合微粒材料強度較高，可以設置較大的空腔，產(chǎn)生亥姆霍茲空腔共振吸聲效果。聚合微粒吸聲板內(nèi)部設計為密閉空腔，吸聲板表面孔隙和內(nèi)部空腔組成亥姆霍茲共振器。聲波入射時，在共振頻率上，微孔內(nèi)的空氣振動，而密閉空腔內(nèi)的空氣對其產(chǎn)生恢復力，微孔內(nèi)的空氣和空腔內(nèi)的空氣產(chǎn)生劇烈的共振作用，從而損耗了聲能。

3）干涉消聲

通過選用較厚的材料，材料內(nèi)部孔隙互聯(lián)，產(chǎn)生干涉消聲效果。聚合微粒材料內(nèi)部小孔相互貫通，當不同方向和波長的聲波在聚合微粒內(nèi)相遇時，聲波因干涉而相消，從而起到吸聲作用。

2.3 聚合微粒吸聲板表面設計

吸聲板表面可采用縱向波浪形曲面或直面，波浪形曲面能夠增加吸聲面積。為研究曲面型和直面型吸聲板吸聲系數(shù)的差異，以風積沙為原料，分別制作10～12 m2樣品，通過混響室試驗（圖4）測試其吸聲系數(shù)，其中曲面弦長取50 mm，波浪幅值為±10 mm。測試結果表明：并排放置的吸聲板間距為20 mm時，直面型和曲面型的降噪系數(shù)分別為0.93和0.90；間距為0時，降噪系數(shù)分別為0.81和0.89。吸聲板間距20 mm時直面型和曲面型吸聲板吸聲系數(shù)見圖5。考慮到采用較小曲面設計對吸聲板吸聲系數(shù)影響較小，而其加工工藝復雜，因此吸聲板表面選用直面型。

圖4 吸聲板混響室試驗

圖5 直面型和曲面型吸聲板吸聲系數(shù)（板間距20 mm）

2.4 吸聲板強度設計

將日常養(yǎng)護維修荷載視為100 kPa等效荷載。在100kPa均布荷載作用下，吸聲板最大拉應力僅為0.3MPa，小于聚合微粒材料抗力，滿足日常使用強度。

在特殊荷載或環(huán)境作用下，為預防聚合微粒吸聲板出現(xiàn)斷裂，保證吸聲板斷裂后不會分解成小塊而影響行車安全，吸聲板內(nèi)配置纖維鋼筋，即使出現(xiàn)斷裂仍能保持整體性。

3 聚合微粒吸聲板關鍵參數(shù)研究

聚合微粒顆粒大小、板的厚度、空腔設置是影響吸聲板吸聲效果的關鍵參數(shù)。通過阻抗管試驗研究大顆粒和小顆粒2種材料的吸聲板厚度和空腔設置對吸聲系數(shù)的影響規(guī)律，確定相關參數(shù)。

3.1 小顆粒聚合微粒板厚度對吸聲系數(shù)的影響

空腔高度取80 mm時，微粒板厚度分別取10，15，20，30，50 mm，通過阻抗管試驗研究小顆粒聚合微粒板厚度對吸聲系數(shù)的影響，結果見圖6。

圖6 小顆粒聚合微粒板厚度對吸聲系數(shù)的影響

由圖6可知：小顆粒聚合微粒板厚度小于30 mm時，保持空腔高度不變，增大試塊厚度，聚合物吸聲系數(shù)峰值有所減小，吸聲系數(shù)頻段分布逐漸加寬；厚度大于30 mm時，由于微粒板厚度的變化影響到流阻及孔隙率，在配方保持不變的情況下整體降噪性能下降。因此，小顆粒聚合微粒材料不適用于較厚吸聲板。

3.2 小顆粒聚合微粒板空腔設置對吸聲系數(shù)的影響

微粒板厚度取50 mm時，空腔高度分別取0，40，80，100 mm，通過阻抗管試驗研究小顆粒聚合微粒板空腔設置對吸聲系數(shù)的影響，結果見圖7。可知：小顆粒聚合微粒板在采用較大厚度時吸聲系數(shù)較??；隨著空腔高度的增加，低頻段吸聲系數(shù)有所增加。

圖7 小顆粒聚合微粒板空腔設置對吸聲系數(shù)的影響

3.3 大顆粒與小顆粒聚合微粒板吸聲系數(shù)對比

采用較大粒徑顆?？商岣呔酆衔镂⒘５目紫堵剩档土髯?。大顆粒聚合微粒板的厚度和空腔設置對吸聲系數(shù)的影響規(guī)律與小顆粒類似。

為對比大顆粒和小顆粒2種材料的吸聲系數(shù)，分別選取不同厚度的大顆粒礦渣材料聚合微粒板（N30，N50，厚度分別為30，50 mm）和小顆粒風積沙材料聚合微粒板（M30，M50，厚度分別為30，50 mm）進行阻抗管試驗，空腔高度為80 mm。大顆粒與小顆粒聚合微粒板的吸聲系數(shù)對比見圖8。

圖8 大顆粒與小顆粒聚合微粒板的吸聲系數(shù)對比

由圖8可知，厚度大于30 mm時，小顆粒聚合微粒板吸聲系數(shù)明顯下降，而大顆粒材料能夠使吸聲系數(shù)顯著提高。因此，軌道吸聲板采用較厚的聚合微粒板，特別是厚度超過50 mm時，宜采用大顆粒聚合微粒板。

3.4 大顆粒聚合微粒板空腔設置對吸聲系數(shù)的影響

對于較大顆粒聚合微粒板N60，空腔高度分別取0，80 mm，通過阻抗管試驗研究大顆粒聚合微粒板空腔高度對吸聲系數(shù)的影響，結果見圖9?？芍?，隨著空腔高度增加，吸聲系數(shù)在低頻段優(yōu)勢更為顯著。因此，設置較大空腔有利于提高低頻吸聲效果。

圖9 大顆粒聚合微粒板空腔設置對吸聲系數(shù)的影響

4 聚合微粒吸聲板混響室試驗

采用大顆粒材料制作10～12 m2聚合微粒吸聲板試件，在國家鐵路產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心對聚合微粒吸聲板進行混響室吸聲系數(shù)檢測［12］（圖10），測試結果見圖11?？芍?，在250～5 000 Hz范圍內(nèi)聚合微粒吸聲板的吸聲系數(shù)均達到0.9以上，降噪系數(shù)為1.0，聚合微粒吸聲板整體吸聲性能較好。需要說明的是，根據(jù)現(xiàn)場使用和混響室測試條件，混響室試驗面積采用投影面積，不計算四周側面面積。

圖10 混響室試驗現(xiàn)場

圖11 聚合微粒吸聲板吸聲系數(shù)測試結果

5 聚合微粒吸聲板實車測試

5.1 測試概況

在國家鐵路交通試驗線對聚合微粒吸聲板進行降噪性能測試（圖12）。聚合微粒吸聲板鋪設于路基曲線處，曲線半徑1 450 m，鋪設長度110 m。試驗列車為CRH400AF，測試速度為60，120，170 km/h。通過測試軌道吸聲板鋪設前后列車通過時的輻射噪聲，評估軌道吸聲板的降噪效果。

圖12 聚合微粒吸聲板實車測試

5.2 測點布置和計算方法

噪聲測點分別布置在近軌面（測點A，B）和近地面（測點C）處，如圖13所示。

圖13 噪聲測點布置（單位：m）

列車通過時的等效聲級計算公式為

式中：T為計算等效聲級的時間，s；ti為T時間內(nèi)第i個聲源在預測點噪聲作用時間，s；LPi為第i個聲源在預測點產(chǎn)生的A聲級，dB（A）。

5.3 測試結果

在60～170 km/h的測試速度范圍內(nèi)，測點A，B，C的插入損失分別為3.7～4.3 dB（A），4.0～4.4 dB（A），2.4～3.2 dB（A）。以列車速度120 km/h為例，測點B鋪設吸聲板前后的聲壓級頻域分布見圖14。

圖14 鋪設吸聲板前后測點B聲壓級頻域分布

6 結論

本文首次采用聚合微粒材料研發(fā)了一種無砟軌道吸聲板，分析了聚合微粒吸聲材料特性，研究了吸聲板結構尺寸、吸聲原理、表面形狀和結構強度等關鍵參數(shù)并進行聚合微粒吸聲板結構設計，最后通過混響室試驗和試驗線實車測試驗證了聚合微粒吸聲板的降噪效果。結論如下：

1）保持空腔高度不變，增大吸聲板厚度，吸聲系數(shù)頻段分布逐漸加寬，吸聲系數(shù)峰值有所減小。為保證吸聲效果，應隨厚度的增加而增大顆粒尺寸。

2）空腔的設置可增強低頻吸聲效果。低頻段吸聲系數(shù)隨空腔高度的增加而增大。

3）無砟軌道吸聲板應采用較大顆粒聚合微粒材料，并設置高度不小于80 mm的空腔，綜合應用微孔吸聲、共振吸聲和干涉消聲原理增強吸聲效果。

4）提出拱形空腔的設置方法，可在增強結構受力的同時拓展吸聲板吸聲頻段；根據(jù)混響室試驗結果，確定吸聲板表面可采用直面型設計；根據(jù)吸聲板的使用條件確定吸聲板的幾何尺寸。

5）混響室試驗結果表明，聚合微粒吸聲板在250～5 000 Hz范圍內(nèi)吸聲系數(shù)均達到0.9以上，降噪系數(shù)為1.0。

6）實車測試結果表明，測試速度為60～170 km/h時，距軌道中心線25 m、軌面以上3.5 m處吸聲板可降噪4.0～4.4 dB（A）。