城市軌道交通高架橋結構噪聲聲場分布及傳播規律研究*

陸可人劉 艷張天琦馮立力李 莉

（1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.上海材料研究所，200437，上海；3.寧波軌道交通集團有限公司，315101，寧波∥第一作者，碩士研究生）

城市軌道交通高架線路噪聲主要有輪軌噪聲、集電系統噪聲、橋梁結構噪聲等。其中，橋梁結構噪聲由于其所具有的低頻特性而易于被忽視［1］。列車在運行過程中，輪軌間的相互作用，再加上軌道幾何不平順、車輪扁瘢、軌道剛度離散周期性分布等因素，引發橋梁各板件振動，進而向外輻射結構噪聲。目前，對城市軌道交通橋梁結構噪聲的研究中主要通過理論分析、數值計算或仿真與實測相結合的方法，對橋梁結構聲輻射特性及相關因素進行分析［2-4］，但對城市軌道交通橋梁結構噪聲聲場分布及其影響因素的研究相對較少。

由于城市軌道橋梁結構噪聲聲場分布較為復雜，且可能的影響因素較多，數值計算或軟件仿真都經過簡化處理，因此獲得的結果與實際工況存在一定差異，尤其是對一些復雜系統，差異更為突出。而采用試驗的方法，可以不必具體考慮系統內的一些復雜關系，在保證測試數據可靠的條件下，則能夠得到比較準確的結果。因此，本文采用現場試驗的方法，通過對城市軌道交通高架線某區段沿線進行橋梁結構噪聲近場及遠場測試，通過對數據結果進行分析，研究軌道交通高架橋結構噪聲在空間不同高度和距離的傳播、分布規律與衰減特征，并對影響聲場分布的主要因素進行了具體分析，為今后對高架軌道交通周邊合理噪聲控制提供準確的依據。

1 研究方法

考慮到全封閉聲屏障對輪軌噪聲、集電系統噪聲有較好的遮蔽效果，能更好地突出結構噪聲，特別是橋梁頂面以下各個板件輻射的噪聲，因此本文選擇全封閉聲屏障高架段作為測試試驗研究場地。通過對車輛經過時段的橋梁底板、腹板和翼板近場噪聲進行分析，得到橋梁結構噪聲頻譜特點；同時，在橋下不同距離與高度處布置聲學傳感器，對比不同場點的總聲壓級和倍頻程聲壓級，研究橋梁結構噪聲聲場分布與傳播規律。

2 試驗概況

測試區段橋梁為30 m跨簡支雙線箱型梁，橫斷面尺寸如圖1所示。橋梁底板距地面高度為9 m，軌道結構為道床墊浮置式整體道床，橋上安裝有全封閉聲屏障。測試截面位于區間中間位置，列車平均行駛速度為68.5 km/h。

圖1 測試橋梁橫斷面

圖2為聲傳感器的空間布局圖，傳感器的頻率范圍為6.3 Hz～20 kHz。在垂直于橋梁翼板、腹板和底板的中點約5 cm處，各布置一個傳感器，編號分別為S1、S2和S3，用于測試橋梁結構近場噪聲，從而獲得橋梁結構噪聲頻譜特性；其次，沿橋梁橫斷面方向布置3組聲傳感器，分別距離近側軌道線路中心線7.5 m、22 m和55 m，用于研究橋梁結構噪聲在橫向的傳播與衰減規律；此外，每組聲傳感器沿豎向各布置4個，分別用于研究橋梁結構噪聲在近地面處、梁側附近以及梁體以上的分布與變化趨勢。

圖2 聲傳感器布置圖

3 聲場分布與傳播規律研究

由于A計權聲壓級無法全面描述低頻噪聲［5］，所以本文采用線性聲壓級描述測試結果。測試的橋梁斷面設置有全封閉聲屏障，且聲屏障兩端距離測試斷面不小于40 m，所以可以認為測得的噪聲主要是橋梁底板、腹板和翼板的輻射噪聲，輪軌噪聲和橋梁頂板噪聲貢獻量較少，這一點也在測試得到的測點頻譜曲線圖中得到了驗證。

3.1 橋梁結構近場噪聲特性研究

圖3給出了橋梁翼板、腹板和底板近場測點噪聲頻譜曲線（12.5～2 500 Hz）。從圖3中可以看到，測點S1—S3主要頻段在250 Hz以內，中高頻噪聲很小，符合橋梁結構噪聲的頻譜特性。此外，文獻［6］通過相關理論分析，發現橋梁各板件近場噪聲主要就是由對應的板件輻射出的噪聲。因此，可以認為橋梁各板件近場噪聲主要就是橋梁輻射的結構噪聲。如圖3所示，3個板件輻射的近場噪聲均集中在50～80 Hz頻段內；在5～250 Hz頻段內，測點S1與測點S2的頻譜曲線基本重合；S3的頻譜曲線與其余兩條曲線在25～80 Hz范圍內有明顯的差別，在剩余頻段范圍內，則較為接近。

圖3 各個板件近場噪聲頻譜圖

橋梁結構近場噪聲由兩方面因素共同作用，一方面是各板件輻射的聲波通過直射或者繞射會相互產生影響，另一方面則是板件的聲輻射特性。影響板件輻射噪聲大小的因素較為復雜，在特定頻段內，它與板的表面積、表面法向振動速度的均方值和輻射效率均有關系，而板的輻射效率又受結構振動模態波長、結構尺寸和形狀等的影響［7］。因而，雖然橋梁底板輻射表面積最大，但輻射出的噪聲在某些頻段的聲壓級卻往往小于其余兩個測點，如圖3所示。

3.2 橋下噪聲分布及傳播規律研究

如圖4所示，各測點噪聲總聲壓級隨橫向距離的增大逐漸衰減，但距離地面不同高度，測點聲壓級衰減速度不同，如1.2 m高度處噪聲衰減速度要慢于其它高度測點噪聲。這主要是由于當距離地面較近的測點與橋梁之間的距離遠大于距地面高度時，如果將地面看作“鏡面”，橋梁結構輻射的聲波與地面反射波在該處的聲程差遠小于主頻段聲波對應的波長，二者疊加，就造成接近地面的場點噪聲較大。因此，地面反射波會對近地面測點沿橫向衰減速度產生一定的影響。

圖5～7給出了不同高度測點沿遠離橋梁方向（定義為橫向）傳播的頻譜曲線（12.5～250 Hz），顯示各測點均在50～80 Hz頻段內達到峰值，與橋梁底板、腹板和翼板近場噪聲頻譜特性吻合。這說明橋下各測點的低頻噪聲主要是橋梁輻射出的結構噪聲。從圖5～7中可以明顯看出，不同高度處各測點三分之一倍頻程中心頻率處噪聲聲壓級總體上沿橫向衰減，但在某些頻段呈現出不一致的規律，具體表現為：①低頻率的頻段噪聲衰減速度一般比相對高頻率的頻段噪聲小，但在某些頻段也會出現反常情況，如中心頻率160 Hz所在頻段的噪聲衰減比125 Hz頻段慢；②在距離橋梁7.5 m處，各測點噪聲能量主要集中在50～80 Hz頻段，隨著橫向距離的增大，噪聲頻譜曲線趨于平緩，主頻段聲壓優勢減小，并出現多個聲壓級相差不大的小峰值；③并非所有頻段聲壓均隨橫向距離的增大而衰減，如在圖6中，中心頻率為20 Hz的頻段聲壓在從22 m向55 m傳播過程中，出現了增大的情況。

發生上述現象的主要原因是：橋梁各板件輻射的結構噪聲頻譜特性較為接近，對于特定頻段的噪聲，在橋梁各板件的尺寸、相對位置關系以及場點與橋梁間的距離等因素作用下，某些場點發生了干涉現象，從而在局部形成了加強點或削弱點，如圖8和圖9所示。

圖4 不同高度測點總聲壓級橫向衰減圖

圖5 距地面1.2 m測點噪聲橫向衰減圖

圖6 距地面11.3 m測點噪聲橫向衰減圖

圖7 距地面12.8 m測點噪聲橫向衰減圖

圖8 20 Hz頻段聲壓級云圖

圖9 160 Hz頻段聲壓級云圖

不同橫向距離處測點噪聲總聲壓級沿高度方向變化如圖10所示。從圖10中可以看出，在離近側軌道中心線同一距離不同高度處各測點聲壓級變化有如下趨勢：距離地面12.8 m處聲壓級最大，距地面1.2 m處聲壓級次之，距梁體較近的兩處聲壓級值較小。同時，距離近側軌道中心線相同距離處每組測點噪聲各頻段聲壓級（12.5～250 Hz頻段內）在高度方向總體上也有相同的變化規律，如圖11～13；但某些頻段噪聲（特別是近地面測點）則呈現出不同的變化規律，如：橫向距離22 m處，50 Hz頻段噪聲聲壓級在距地面1.2 m處最大，而125 Hz頻段聲壓在此測點卻較小。這主要是因為橋梁結構噪聲聲場受到地面反射的影響，距離地面越近，地面反射波影響往往越大。以125 Hz頻段噪聲為例，如圖14所示，在距離橋梁22 m處，由于地面反射的作用，入射波與反射波在距離地面1.2 m處的聲程差與該頻段半波長大小相近，二者干涉減弱，導致該測點的頻段聲壓級均小于同一橫向距離處的其他測點。對比圖11～13，發現隨著距離增大，在橫向距離相同的測點中，距地面1.2 m處測點有更多的頻段聲壓成為各測點相應頻段的最大值。隨著橫向距離增大，一方面，聲波入射角增大，且地面聲阻抗遠遠大于空氣聲阻抗，聲波更易發生全反射［8］；另一方面，入射波與反射波的聲程差在逐漸減小，當遠小于低頻聲波波長時，入射波與反射波相互疊加，增大場點聲壓。因此，地面反射波對噪聲遠場近地面處的影響較大。

圖10 各測點總聲壓級沿高度變化趨勢圖

圖11 距軌道中心線7.5 m處各測點聲壓頻譜

圖12 距軌道中心線22 m各測點聲壓頻譜圖

圖13 距軌道中心線55 m各測點聲壓頻譜圖

4 結論

本文通過對城市軌道交通全封閉聲屏障高架橋梁結構噪聲近場及遠場的現場測試，分析了結構噪聲的聲場分布及傳播規律，得到如下結論：

（1）橋梁各板件近場噪聲頻譜變化趨勢基本一致，主頻段均為50～80 Hz。其中，翼板與腹板的近場噪聲頻譜曲線幾乎重合，底板近場噪聲與前二者略有差別。

（2）本次實測研究中，中心頻率為20 Hz的頻段聲壓在從22 m向55 m傳播過程中，出現了增大的情況。這說明在橋梁各板件輻射的結構噪聲頻譜特性較為接近時，對于特定頻段的噪聲，在橋梁各板件的尺寸、相對位置關系以及場點與橋梁間的距離等因素作用下，某些場點會發生干涉現象，從而在局部形成了加強點或削弱點。

（3）橋梁結構噪聲聲場受到地面反射的影響，距離地面越近，地面反射波影響往往越大。在地面反射作用下，反射波與入射波疊加，造成近地面噪聲反而大于部分距離梁體更近的場點的噪聲。但地面反射并非對每個頻段的噪聲均有加強，對于特定頻段的噪聲，如在125 Hz噪聲頻段，當其入射波與反射波的聲程差為聲波半波長的奇數倍時，頻段聲壓由于干涉削弱反而減小。

（4）通過分析研究發現，在距地面1.2 m處測點有更多的頻段聲壓成為各測點相應頻段的最大值，即隨著橫向距離增大，對于近地面場點來說，地面反射的影響反而相對增大。因為，隨著聲波入射角增大，聲波更易發生全反射，且入射波與地面反射波的聲程差相對于波長較小，入射波與反射波容易形成干涉加強。

（5）由于低頻噪聲衰減速度一般比相對高頻小，且現有各類減振降噪措施能較為有效地降低中高頻噪聲等因素，總的而言，在噪聲傳播過程中隨著橫向距離的增大，環境噪聲中的低頻聲能越為凸顯。

［1］ 李小珍，尹航，吳金峰，等.成灌快鐵高架橋梁區段噪聲測試［J］.噪聲與振動控制，2013，33（2）：183.

［2］ 劉林芽，付奇川，邵文杰，等.箱型橋梁結構的面板聲學貢獻分析［J］.鐵道科學與工程學報，2015，12（4）：743.

［3］ 李晶.城市軌道交通高架橋梁振動與結構噪聲研究［D］.北京：北京交通大學，2012.

［4］ 高飛，夏禾，曹艷梅，等.用邊界元-有限元法研究高架結構輻射噪聲［J］.土木建筑與環境工程，2012，34（1）：42.

［5］ 張迅.軌道交通橋梁結構噪聲預測與控制研究［D］成都：西南交通大學，2012.

［6］ 李小珍，劉孝寒，張迅，等.基于相干分析的高鐵簡支箱梁結構噪聲源識別方法研究［J］.工程力學，2014，31（1）：129.

［7］ DAVID T.鐵路噪聲與振動［M］.田靜，譯.北京：科學出版社，2013：353.

［8］ 陳聃.風場和溫度場影響下空氣中聲波的傳播特性研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2009.