多孔吸聲型聲屏障降噪效果仿真分析

劉冬　楚瓏晟　張明杰　陳翊民

摘要：利用邊界元法建立高速鐵路區(qū)間直立型聲屏障降噪預(yù)測模型，對添加硅酸鹽基多孔吸聲材料前后聲屏障對降噪效果的影響進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明：厚度為0.08 m的硅酸鹽基多孔吸聲材料使得聲屏障在距離線路中心30 m的鐵路界限處噪聲衰減量最大可增加12.5 dB；應(yīng)用于聲屏障的最佳硅酸鹽基多孔吸聲材料厚度為0.08～0.11 m。

關(guān)鍵詞：聲屏障；高速鐵路；硅酸鹽基多孔吸聲材料；聲壓級；邊界元

中圖分類號：U238；TU112.594 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，大大方便人們出行，促進(jìn)物資的流通，在實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置方面起到巨大的作用。然而，高速鐵路的快速發(fā)展在給人們的出行帶來方便、快捷和舒適的同時(shí)，其噪聲也給周邊環(huán)境帶來一定的影響。采用聲屏障是降低鐵路對周邊環(huán)境噪聲污染的有效途徑。英國、法國等歐洲國家在建設(shè)高速鐵路時(shí)大量采用聲屏障來降低噪聲對周邊環(huán)境的影響；日本在建立新干線時(shí)，為避免擾民于線路重要區(qū)段設(shè)置大量聲屏障。鐵路聲屏障按降噪機(jī)理不同分為隔聲聲屏障和吸聲聲屏障2種。我國高速鐵路設(shè)置的聲屏障主要是隔聲聲屏障，通過設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)形式有效降噪，但隔聲聲屏障只改變噪聲的傳播，并不消耗聲能。在聲屏障一側(cè)添加多孔吸聲材料，利用吸聲材料的吸聲特性可在原聲屏障的基礎(chǔ)上增加降噪效果，然而其如何影響聲屏障的降噪效果尚未見報(bào)道。由于影響聲屏障降噪效果的因素很多，而研究各種因素對降噪效果影響的方法卻有一定局限性，如何從中選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案，至今依然沒有成熟的理論來指導(dǎo)，目前采用最多的是利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對該類問題進(jìn)行研究。

國外學(xué)者大量應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對聲屏障的降噪效果進(jìn)行數(shù)值模擬，可大大提高準(zhǔn)確性和效率。近年來，我國研究人員也開始重視應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)對聲屏障的降噪效果進(jìn)行預(yù)測，為設(shè)計(jì)高效的聲屏障提供參考依據(jù)。Virtual Lab Acoustics是世界領(lǐng)先的專門用于聲振分析的CAE軟件，其以CATIA V5平臺為基礎(chǔ)，不僅完全繼承Sysnoise軟件的強(qiáng)大功能，還包含更為先進(jìn)的技術(shù)方法，其中的有限元法、直接邊界元法和間接邊界元法等都已廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域，對解決技術(shù)問題相當(dāng)有效。邊界元方法相對于其他方法，能夠更有效地考慮軌道和車體的幾何特征，便于計(jì)算聲屏障對聲傳播的多重繞射和反射效果。本文通過應(yīng)用仿真軟件Virtual Lab Acoustics對直立型聲屏障的降噪效果進(jìn)行數(shù)值仿真，利用間接邊界元法建立聲屏障降噪效果的預(yù)測模型，計(jì)算分析當(dāng)聲屏障單元板上添加硅酸鹽基多孔吸聲材料后對降噪效果的影響。

1聲屏障模型及邊界條件

1.1建立聲屏障模型

研究高速鐵路路基直立型混凝土單元板聲屏障，該類型聲屏障主要由混凝土立柱和聲屏障單元板2部分組成。立柱是聲屏障的主要受力構(gòu)件，通過焊接等方式固定在軌道邊的預(yù)埋鋼板上；聲屏障單元板是主要的吸聲和隔聲構(gòu)件，通過高強(qiáng)彈簧卡子固定在H型立柱槽中。

由于實(shí)際鐵路聲屏障長度通常在200 m以上，所以仿真模擬的模型太大，會導(dǎo)致計(jì)算過程繁瑣。有研究表明，當(dāng)把聲屏障長度簡化為25 m時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果很相近，因此，在建立仿真聲屏障模型時(shí)，將聲屏障長度取為25 m。為更好地降低噪聲，聲屏障兩端長度應(yīng)較列車長度長一些，所以列車長度取為23 m。聲屏障距離列車軌道中心線為4m，列車距離路基高度為0.91 m，列車車輛寬度為3.38 m，車輛高度為3.70 m（車體結(jié)構(gòu)的幾何尺寸參照CRH380A車型繪制而成），輪軌噪聲源取列車時(shí)速為300 km/h時(shí)的源強(qiáng)大小為90 dBA（根據(jù)鐵路總公司主持制定的《鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)噪聲振動源強(qiáng)取值和治理原則》中鐵路客運(yùn)專線動車組噪聲源強(qiáng)取值規(guī)定），聲源位置在軌道中心線距離軌面0.40 m高處，以有限長線聲源表示，在三維模型效果圖中顯示為柱狀聲源。

1.1.1聲屏障結(jié)構(gòu)模型

在Virtual Lab的幾何建模模塊Geometry中直接建立直立型聲屏障結(jié)構(gòu)，見圖1。

聲屏障由單元板組成，以水泥為粘結(jié)劑。吸聲聲屏障是在直立型混凝土聲屏障單元板上覆蓋一層吸聲材料，在仿真軟件中通過共節(jié)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)2種材料的連接，因此聲屏障單元板的側(cè)視圖見圖2。

1.1.2網(wǎng)格劃分

進(jìn)入Virtual Lab的網(wǎng)格劃分模塊Meshing中的CAD Meshing，對結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格。由于六面體網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格對計(jì)算結(jié)果的精確性影響不同，為計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元尺寸必須小于最大計(jì)算頻率所對應(yīng)波長的1/6。

1.1.3設(shè)置相關(guān)參數(shù)

聲屏障單元板材料采用C40混凝土和硅酸鹽基多孔吸聲材料，材料參數(shù)見表1。

在Virtual Lab Acoustics的間接邊界元法中，多孔吸聲材料的吸聲屬性以聲阻抗表示，因而不同厚度的多孔吸聲材料具有特定的等效聲阻抗。本文所選的3種厚度的多孔吸聲材料的等效聲阻抗見表2。

1.2假設(shè)條件

高速鐵路列車運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲主要有輪軌噪聲、集電系統(tǒng)噪聲和空氣動力噪聲等，研究表明，對于運(yùn)行速度低于300 km/h的高速列車，輪軌噪聲是主要噪聲源，其等效頻率為1 000～2 000 Hz，不需要考慮列車頂部以上的集電系統(tǒng)噪聲等，因此提交計(jì)算時(shí)，頻率范圍設(shè)為200～2 600 Hz，步長為100Hz。為簡化計(jì)算，對列車降噪模型提出以下4點(diǎn)假設(shè)：

（1）假設(shè)空氣為理想氣體；

（2）假設(shè)路基、車體為剛體，只考慮其對聲波的反射；

（3）假設(shè)聲屏障為無限長聲屏障；

（4）假設(shè)背景噪聲為O，不考慮其影響。

1.3場點(diǎn)網(wǎng)格與參考點(diǎn)

為全面分析高速鐵路在經(jīng)過聲屏障阻隔后的空間聲場分布，建立場點(diǎn)網(wǎng)格及參考點(diǎn)，2個(gè)場點(diǎn)網(wǎng)格分別與聲屏障法線方向平行和垂直。場點(diǎn)網(wǎng)格1為xy平面網(wǎng)格，與聲屏障法線方向平行，距離軌面高0.4 m，長70 m，寬40 m，按40×40劃分單元網(wǎng)格。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，鐵路噪聲的測量以距離軌道中心30m處為界限，因此場點(diǎn)網(wǎng)格2為xz平面網(wǎng)格，與聲屏障法線方向垂直，距離鐵路線路中心30 m，長70m寬30 m，按40×40劃分單元網(wǎng)格。2個(gè)場點(diǎn)網(wǎng)格可以用于分析鐵路限界處平面內(nèi)噪聲的衰減規(guī)律以及聲屏障降噪前后的聲壓級分布情況。為能直觀得出聲屏障降噪的規(guī)律，在xy場點(diǎn)網(wǎng)格建立距離鐵路線路中心10 m遠(yuǎn)的的參考點(diǎn)101，102和103，這3點(diǎn)分別位于聲屏障保護(hù)區(qū)內(nèi)、保護(hù)區(qū)邊緣和保護(hù)區(qū)外；建立參考點(diǎn)104和105，這2點(diǎn)與場點(diǎn)101在同一垂直線上，并分別距離線路中心20 m和30 m；同時(shí)，在xz場點(diǎn)網(wǎng)格上建立距離軌面高度為4 m的參考點(diǎn)106，107和108，這3點(diǎn)分別位于聲屏障保護(hù)區(qū)內(nèi)、保護(hù)區(qū)邊緣和保護(hù)區(qū)外；另外建立與點(diǎn)106處于同一垂直線上的參考點(diǎn)109和1010，這2點(diǎn)分別距離軌面高度為15 m和25 m。綜合所有條件及相關(guān)規(guī)定可以得到場點(diǎn)網(wǎng)格和場點(diǎn)位置見圖3。endprint

2多孔吸聲材料對聲屏障降噪效果影響仿真分析

通過Virtual Lab Acoustics仿真軟件直接得出直立型混凝土聲屏障在各噪聲頻率下的聲壓級云圖，見圖4。由圖4可以看出，隨著噪聲頻率的增加，聲壓級云圖有明顯改變，降噪效果逐漸提升。總體來看，低頻區(qū)的降噪效果不太理想，這是由于低頻區(qū)的波長較長，聲波很容易產(chǎn)生繞射，仿真結(jié)果符合噪聲的繞射衰減規(guī)律。在高鐵輪軌噪聲等效頻率為1 000～2 000 Hz范圍內(nèi)，降噪效果更是有很大的改善，聲屏障的水平保護(hù)區(qū)域逐漸縮小，垂直保護(hù)區(qū)域呈擴(kuò)大趨勢。然而，水平面聲屏障保護(hù)區(qū)外和垂直面內(nèi)較高位置的降噪效果都較差，這是由于部分噪聲經(jīng)過多次反射后越過聲屏障到達(dá)受聲點(diǎn)。

為改善聲屏障的降噪效果，在直立型聲屏障靠近列車的一側(cè)添加一層厚度為80 mm的硅酸鹽基多孔吸聲材料形成吸聲型聲屏障，從而得到各噪聲頻率下的聲壓級云圖見圖5。在聲屏障面向列車的一側(cè)添加一層80 mm的硅酸鹽基多孔吸聲材料后，隨著噪聲頻率的增加，依然是噪聲衰減越來越大，整體變化趨勢與直立型混凝土聲屏障的類似，但是場點(diǎn)網(wǎng)格2的上半部分有較大變化，顏色較深的區(qū)域明顯擴(kuò)大，可見吸聲材料不僅改善聲影區(qū)內(nèi)的噪聲，對聲亮區(qū)也有降噪效果。為進(jìn)一步說明不同場點(diǎn)在不同噪聲頻率下吸聲材料對聲屏障降噪效果的影響，分別計(jì)算平面場點(diǎn)網(wǎng)格1和2上的各參考點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)，得到各點(diǎn)頻率響應(yīng)曲線，分別見圖6和7。

從圖6中可以明顯看出：隨著噪聲頻率的變化，場點(diǎn)聲壓級會呈現(xiàn)波動震蕩現(xiàn)象，但總體呈下降趨勢；從變化趨勢來看，吸聲型聲屏障的各參考點(diǎn)頻率響應(yīng)曲線平緩很多，尤其是處于聲屏障保護(hù)區(qū)內(nèi)的101，104和105點(diǎn)，該現(xiàn)象可能會減小對鐵路附近居民的刺激，相對于前者而言噪聲沖擊性會降低。此外，多孔吸聲型聲屏障和直立型聲屏障的降噪效果都是隨頻率的增加而增加，當(dāng)頻率增加到2 600Hz時(shí)，降噪效果最佳。由圖6a）和6b）看出：位于聲屏障保護(hù)區(qū)中心的場點(diǎn)101的聲壓級在吸聲型聲屏障中達(dá)到38.28 dB，比同頻率直立型聲屏障的47.98 dB降低9.70 dB，降噪效果較好；位于聲屏障保護(hù)區(qū)邊緣的102點(diǎn)和保護(hù)區(qū)外的103點(diǎn)的聲壓級分別降低0.41 dB和1.04 dB。

由圖6c）可以看出：在聲屏障保護(hù)區(qū)域內(nèi)，隨著與聲屏障距離的增加，聲壓級下降的趨勢并不明顯，而且直立型聲屏障中101，104和105點(diǎn)的聲壓級值較分散，吸聲型的這3個(gè)點(diǎn)聲壓級值相對集中一些，因此參考點(diǎn)104和105的噪聲衰減量與101點(diǎn)更接近，可見聲屏障對鐵路周邊環(huán)境的降噪效果相當(dāng)顯著，同時(shí)吸聲材料的應(yīng)用更是明顯改善噪聲影響。

由圖7可知：多孔吸聲材料的添加使場點(diǎn)網(wǎng)格2上的降噪效果有所改善，尤其是參考點(diǎn)106在頻率為2 600 Hz時(shí)的聲壓級達(dá)到45.53 dB，比直立型聲屏障同頻率時(shí)減小3.97 dB；位于聲屏障保護(hù)區(qū)邊緣的107點(diǎn)和保護(hù)區(qū)外的108點(diǎn)分別降低0.12dB和0.03 dB，變化不大。相對于直立型聲屏障來說，隨著高度的增加，吸聲型聲屏障噪聲衰減程度更大，尤其109點(diǎn)在2 600 Hz時(shí)因吸聲材料引起的聲壓級可降低12.00 dB，處于較高位置的1010點(diǎn)在200～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)降噪效果也較好，最大聲壓級降低量在頻率為1 250 Hz時(shí)達(dá)到12.50 dB；然而，在1 500 Hz后聲壓級有略微的上升趨勢，這可

從整體來看，多孔吸聲材料對場點(diǎn)網(wǎng)格2的中上部區(qū)域的降噪發(fā)揮很大的作用，比較適用于鐵路兩邊辦公大樓、商業(yè)大樓等高層建筑噪聲的控制。

由于不同厚度的多孔吸聲材料對應(yīng)的等效聲阻抗不同，因此取3種不同厚度的吸聲材料對聲屏障降噪效果的影響進(jìn)行對比分析，得出各參考點(diǎn)的頻率響應(yīng)曲線見圖8。從圖8可看出：當(dāng)多孔吸聲材料厚度增加時(shí)，參考點(diǎn)IO2和IO7的聲壓級幾乎沒有變化，即對聲屏障保護(hù)區(qū)外噪聲沒有影響；對于場點(diǎn)網(wǎng)格1上的參考點(diǎn)IO1，IO4和IO5，隨著吸聲材料厚度的增加，在中高頻段有明顯的噪聲下降趨勢，但并不是呈簡單線性關(guān)系，并且在這3點(diǎn)的噪聲衰減量是先增大后減小的趨勢，可見吸聲材料厚度越大，在距離線路中心20 m附近區(qū)域的降噪量會較大，而在其他區(qū)域會稍小一些；同樣地，對于場點(diǎn)網(wǎng)格2上的參考點(diǎn)IO6，IO9和IO10，吸聲材料厚度越大，在這3點(diǎn)降噪能力先提高后降低，甚至在聲亮區(qū)的1010點(diǎn)處影響很不穩(wěn)定，高頻段時(shí)噪聲值都變大，可見在鐵路界限30 m處，聲影區(qū)內(nèi)距軌面15 m附近區(qū)域降噪效果有較大的改善。吸聲材料厚度增加，降噪效果會有改善。吸聲材料厚度從0.08 m增大到0.11 m時(shí)，聲壓級最高可減小5 dB左右，厚度的增加對提高噪聲衰減量是有界限的；從圖8d）和8g）可以看出，厚度從0.11 m增大到0.15 m時(shí)，聲壓級變化很小，在2 600 Hz時(shí)幾乎相等。

3結(jié)論

（1）計(jì)算機(jī)模擬仿真法可為聲屏障性能研究和設(shè)計(jì)提供可靠有效的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)分析。

（2）硅酸鹽基多孔吸聲材料厚度會影響聲屏障的降噪性能，厚度從0.08 m增大到0.11 m時(shí)，厚度越大降噪效果越好，聲壓級可降低5 dB左右；但當(dāng)厚度從0.11 m增大到0.15 m時(shí)，噪聲衰減緩慢且逐漸消失。綜合考慮，硅酸鹽基多孔吸聲材料用于聲屏障時(shí)的最佳厚度為0.08～0.11 m。endprint