高速鐵路吸聲聲屏障插入損失影響因素的分析

羅文俊，徐海飛

（華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013）

高速鐵路吸聲聲屏障插入損失影響因素的分析

羅文俊，徐海飛

（華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013）

在半消聲室中建立直立型吸聲聲屏障縮尺模型，針對不同吸聲材料厚度、密度及不同聲屏障面板開孔率。基于德國Head公司DATaRec4 DIC24數據采集儀和ArtemiS數據分析軟件來測試聲屏障的降噪效果。分別對25%，35%，45%面板開孔率和60，80，100 mm厚度及24，32，48 kg/m3密度吸音板工況下的吸聲聲屏障的降噪效果進行測試和分析，從而探究高速鐵路吸聲聲屏障各參數對插入損失的影響規律。研究結果表明：在聲屏障一定高度的情況下，隨著聲屏障面板開孔率的增加，聲屏障的降噪效果越來越顯著，以此佐證增加聲屏障面板開孔率有利于提高聲屏障的降噪效果；同時隨著芯材厚度的增加以及芯材密度的減小，聲屏障的的降噪效果也越顯著，以此說明提高芯材厚度以及降低芯材密度也有利于提高聲屏障的降噪效果。

高速鐵路；吸聲聲屏障；插入損失；影響因素

隨著我國高速鐵路的快速發展的同時，給沿線居民的噪聲污染也日趨嚴重，高速鐵路的噪聲污染已經成為一個亟需解決的難題。吸聲聲屏障作為我國當前高速鐵路最主要的噪聲防治措施之一，其在高速鐵路降噪方面具有重要的意義。但是，目前我國吸聲聲屏障在實際運用的降噪效果往往達不到預期的效果，而聲屏障的降噪效果通常由插入損失來衡量，因此有必要對高速鐵路吸聲聲屏障插入損失的影響因素進行分析。

雖然國內外對高速鐵路聲屏障降噪效果的研究很多[1-3]，但由于聲屏障降噪是一個非常復雜的聲學問題，其受到眾多因素的影響[4-6]。其一，不同類型聲源以及不同高度聲源對聲屏障的降噪效果是不一樣；其二，聲屏障的結構和構造也影響著聲屏障的降噪效果；其三，目前國內外對高速鐵路吸聲聲屏障插入損失影響因素的研究還是不多。因此，為了滿足高速鐵路吸聲聲屏障以后應用的高標準以及人民對未來生活水平的高要求，筆者探究高速鐵路吸聲聲屏障插入損失影響因素的研究，對未來高速鐵路聲屏障降噪具有一定的參考意義。

1 聲屏障插入損失影響因素試驗的理論依據

聲波穿過聲屏障時，沿反射、透射和繞射路徑的聲能分配對聲屏障的插入損失具有重要的影響，如圖1（a）所示。繞射聲衰減是指直達聲與繞射聲的聲級之差，如圖1（b）所示。聲屏障插入損失IL的理論計算是根據《聲屏障聲學設計和測量規范》[7]來確定的。

一般我們假設聲屏障能夠完全阻擋直達聲,并認為繞射聲有足夠的衰減,并且透射聲的影響很小可以忽略。要是聲屏障安裝前后的A聲級能直接測量，那么就可根據下式計算聲屏障的插入損失：

式中：

Lref，a為安裝聲屏障后參考點處的聲級，dB（A）；Lref，b為安裝聲屏障前參考點處的聲級，dB（A）；Lr，a為安裝聲屏障后受聲點處的聲級，dB（A）；Lr，b為安裝聲屏障前受聲點處的聲級，dB（A）。

圖1 聲波在聲屏障傳播的路徑圖Fig.1 Path of sound wave propagation in acoustic barrier

2 聲屏障插入損失影響因素分析試驗

為了保證試驗測試的準確性，該試驗選擇在半消聲室中進行，通過在半消聲室中建立直立吸聲型聲屏障模型，然后進行聲屏障插入損失的降噪分析試驗。選擇德國Head公司DATaRec4 DIC24數據采集儀作為本試驗的數據采集處理軟件。

2.1 吸聲聲屏障插入損失影響因素工況的選擇

吸聲聲屏障插入損失影響因素試驗工況的選擇需要考慮試驗測量的難易程度，吸聲材料的吸聲系數梯度以及面板開孔率梯度必須合理考慮，這樣試驗測試的結果才具有可分析性。直立吸聲型聲屏障模型內置吸聲材料采用超細玻璃棉板，金屬面板采用鍍鋅鋼板，聲屏障模型具體工況如表1所示。試驗工況的安排采用控制變量法，工況一、二、三主要分析面板開孔率對吸聲聲屏障插入損失的影響，工況二、四、五主要分析吸音板厚度對吸聲聲屏障插入損失的影響，工況二、四、五主要分析吸音板密度對吸聲聲屏障插入損失的影響。

試驗測點的布設參考《聲屏障聲學設計和測量規范》在聲屏障后面距聲屏障模型1.67 m和3.3 m處共選定6個點，高度分別為0.67，1.13 m和1.67 m。各測點的分布如表2所示。聲源采用球形聲源，其距離聲屏障前側2.5 m，高度為0.7 m。聲屏障模型安裝及測點布置如圖2（a）和（b）所示。

表1 聲屏障模型工況表Tab.1 Working conditions of sound barrier model

表2 聲屏障模型試驗測點布置表Tab.2 Layout of measuring points for sound barrier model test

2.2 面板開孔率對吸聲聲屏障插入損失影響的分析

圖2 吸聲聲屏障模型及測點布置Fig.2 Model of sound absorption barrier and layout of measuring points

面板作為直立型吸聲聲屏障重要的組成部分，同時也是聲屏障接觸到噪聲最早的部分，并且聲屏障面板開孔率的大小直接影響到聲屏障內置吸音面板與噪聲的接觸面積，所以吸聲聲屏障面板開孔率的大小對吸聲聲屏障的吸隔聲效果具有較大的影響。為了使試驗結果更具分析性，本試驗聲屏障面板開孔率梯度盡可能大地選擇，初步選擇了3種開孔率，分別為25%，35%，45%。通過采用Header軟件進行數據采集，噪聲采集的頻率范圍為63～10 000 Hz，從而得到在這3種面板開孔率下各個測點的時間-幅值圖及頻譜圖。

通過對測得的噪聲時間—幅值圖的數據處理及計算，分別得出聲屏障各個測點在面板開孔率25%，35%，45%下吸聲聲屏障各個測點1/3倍頻程的插入損失圖，如圖3所示。由于1～6號測點測得的結果大致相同，這里只給出了1，3，5號測點的插入損失影響圖。

從圖 3可以看出，隨著噪聲頻率的增加，吸聲型聲屏障的降噪效果越明顯，并且在630～10 000 Hz頻率范圍中，吸聲聲屏障降噪效果尤為顯著，降噪值大約在10～22 dB(A)。同時在100～10 000 Hz頻率范圍中，隨著聲屏障面板開孔率的增加，聲屏障的插入損失依次明顯提高。在1 000～10 000 Hz頻率區域的插入損失梯度大于100～500 Hz頻率區域的插入損失梯度。因此，在聲屏障高度一定的情況下，隨著聲屏障面板開孔率的增加，聲屏障的降噪效果越好，并且高頻的降噪效果好于低頻的降噪效果，說明增加聲屏障面板開孔率有利于提高吸聲聲屏障對噪聲特別是高頻區域噪聲的降噪效果。聲型聲屏障插入損失在500～1 000 Hz頻率范圍中，出現了空室“探底”的現象[8]，本文在分析聲型聲屏障插入損失影響因素未考慮空室“探底”對該頻率范圍的影響。

2.3 吸音板厚度對吸聲聲屏障插入損失影響的分析

吸音板作為吸聲聲屏障最為核心的組成部分，其不僅要具有較好的吸音作用，同樣要具有合適的厚度。吸音板厚度越大意味著噪聲穿過吸聲聲屏障時經過吸音板的路徑越長，吸音板的吸音時間也越長，所以吸音板厚度對吸聲聲屏障插入損失的影響也不容小覷。試驗根據實際工程所采用的吸音板厚度使用的經驗，初步選擇了60，80，100 mm這3種吸音板厚度，然后進行試驗，從而得到在這3種吸音板厚度下各個測點的時間-幅值圖及頻譜圖，并經過計算和處理得到各個測點1/3倍頻程的插入損失圖，如圖4所示。

圖3 面板開孔率在各個測點1/3倍頻程插入損失Fig.3 The insertion loss figure of panel aperture rate at each measuring point 1/3 octave

圖4 吸音板厚度在各個測點1/3倍頻程插入損失圖Fig.4 The insertion loss figure of sound-absorbing plate thickness at each measuring point 1/3 octave

從圖4可以看出：隨著噪聲頻率的增加，吸聲型聲屏障的降噪效果也越明顯，并且隨著芯材厚度的增加，聲屏障的的降噪效果越顯著，并且在100～500 Hz頻率區域的插入損失梯度大于1 000～10 000 Hz頻率區域的插入損失梯度，說明增加芯材厚度有利于提高聲屏障對噪聲特別是對低頻噪聲的降噪效果。

2.4 吸音板密度對吸聲聲屏障插入損失影響的分析

根據文獻[9]，吸音板的密度直接影響到吸音板的孔隙率以及孔徑，從而影響到吸音板的吸聲系數，所以吸音板的密度對吸聲聲屏障插入損失的影響也很大。試驗初步選擇了24，32，48 kg/m3這3種吸音板密度，然后進行試驗，從而得到在這3種吸音板密度下各個測點的時間-幅值圖及頻譜圖，并經過計算和處理得到各個測點1/3倍頻程的插入損失圖，如圖5所示。

從圖5還可以看出：隨著芯材密度的減小，聲屏障的的降噪效果也越顯著，并且在1 000～ 10 000 Hz頻率區域的插入損失梯度大于100～ 500 Hz頻率區域的插入損失梯度，說明降低芯材密度有利于提高聲屏障對噪聲特別是對低頻噪聲的降噪效果。

綜合分析，我們在高速鐵路工程中，如果想用吸聲聲屏障盡可能地降低鐵路環境噪聲，需盡可能選擇開口率大的面板，以及芯材厚度大且密度小的吸音板作為吸聲聲屏障的材料；如果想盡可能地降低低頻噪聲，則需要選擇需盡可能選擇開口率小的面板，以及芯材厚度大且密度小的吸音板作為吸聲聲屏障的材料，反之如果想盡可能地降低高頻噪聲，則需要選擇需盡可能選擇開口率大的面板以及芯材厚度小且密度大的吸音板作為吸聲聲屏障的材料。

3 結論

1）在聲屏障高度一定的情況下，隨著聲屏障面板開孔率的增加，聲屏障的降噪效果越來越顯著，說明增加聲屏障面板開孔率有利于提高聲屏障的降噪效果。

2）在聲屏障高度一定的情況下，隨著芯材厚度的增加以及芯材密度的減小，聲屏障的的降噪效果也越顯著，說明提高芯材厚度以及降低芯材密度也有利于提高聲屏障的降噪效果。

3）隨著噪聲頻率的增加，吸聲型聲屏障的降噪效果越明顯，并且在630～10 000 Hz頻率范圍中，吸聲聲屏障降噪效果尤為顯著，降噪值大約在10～22 dB(A)。

圖5 吸音板密度在各個測點1/3倍頻程插入損失圖Fig.5 The insertion loss figure of sound-absorbing board density at each measuring point 1/3 octave

[1]張增海，王重實，無限長聲屏障對運行列車噪聲降噪模型研究[J].噪聲與振動控制，2002（1）：12-14。

[2]KAORU MURATA，佐川明朗.日本高速鐵路的環境對策-噪聲對策[C]//北京：中日高速鐵路環境技術交流會，2008.

[3]L GODINHO，J ANTONIO，A TADEU.The seattering of 3D sound sources by rigid barriers in the vicinity of tall buildings[J].Engineering Analysis with Boundary Elements，2002，26：781-787.

[4]LUIS GODINHO，JULIETA ANONIO，Anonio tadeu，sound propagation around rigid barriers laterally confined by tall buildings[J]. Applied Acoustics，2002，63：595-609.

[5]羅錕，雷曉燕.鐵路聲屏障降噪效果影響因素分析[J].噪聲與振動控制，2008，28（5）：142-146.

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[7]國家環境保護總局.HJ/T90-2004.聲屏障聲學設計和測量規范[S].北京：中國環境科學出版社，2004.

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[9]蘇衛青，潘曉巖.高速鐵路聲屏障材料的選擇及安裝[J].鐵道技術監督，2009，37（5）：37-38.

Analysis on Influence Factors of Insertion Loss of Sound Absorption Noise Barrier in High-speed Railway

Luo Wenjun,Xu Haifei
（Engineering Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise of the Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

In the semi-anechoic chamber,a vertical scale model of the sound absorption noise barrier was established in this study to explore influence factors including the thickness and density of different sound absorption material and the aperture ratio of different sound barrier panels.Based on German Head company’s DATaRec4 DIC24 data acquisition instrument and ArtemiS data analysis software,it tested the noise reduction effects of sound absorption noise barriers respectively for acoustic panels in 25，35，45%panel aperture ratio and 60，80，100 mm thickness and 24，32，48 kg/m3density,so as to analyze the influence of parameters on the insertion loss of acoustic barriers in high-speed railway.The results showed that with the increase of the aperture ratio of the noise barriers,the noise reduction effect of the noise barrier becomes more and more obvious under the condition of a certain height of the noise barrier,which supports that increasing the aperture ratio of the noise barrier panel is helpful for improving the noise reduction effect of the noise barrier；meanwhile,with the increase of the thickness of core material and the decrease of core material density,the noise reduction effect of the noise barrier is more significant,which indicates that increasing the thickness of core material and reducing the density of core material may improve the noise reduction effect of noise barriers.

high-speed railway；sound absorption noise barrier；insertion loss；influence factors

TU112.59+4

A

1005-0523（2017）03-0001-06

（責任編輯 王建華）

2016－12－03

國家自然科學基金項目（51468021）；江西省遠航工程項目（S2014-65）；江西省自然基金（20161BAB206160）

羅文俊（1979—），女，副教授，博士，研究方向為鐵路環境振動、噪聲分析及控制。