V型減載式聲屏障降噪特性的試驗研究

周立群，韓 健，何 賓，開 建，肖新標

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031；2.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

鐵路噪聲嚴重影響鐵路周邊居民的生活和身體健康，通常在鐵軌兩側設置聲屏障來減小鐵路沿線的噪聲污染。隨著高速列車速度的不斷提高，列車持續脈動風壓導致普通直立型聲屏障的使用壽命減短，普通直立型聲屏障已經無法滿足安全性和穩定性等要求。為了解決這個問題，有學者提出了減載式聲屏障的概念[1-2]，通過特定的結構來降低聲屏障承受的氣動荷載力，但不同的減載結構會對聲屏障降噪效果造成不同的影響。

蘇衛青[3]和周信[4]等國內學者對直立型聲屏障的降噪效果進行了預測和測試分析。Ekici[5]和Morgan[6]等國外學者對直立型、倒L型、Y型、T型、多重邊型、圓柱型等聲屏障形式做了完整的總結。目前國內外針對減載式聲屏障結構的研究較少，周強[7]通過仿真方法對減載式聲屏障的降噪效果進行研究，但國內外對于V型減載式聲屏障的降噪效果現場試驗驗證較少。為研究高速鐵路V型減載式聲屏障的降噪效果，本文通過實測高速列車經過戶外時測點噪聲，分析V型減載式聲屏障的降噪效果及降噪特性，為今后高速鐵路的聲屏障設計和選取提供一定的工程應用方法。

1 高速列車的噪聲及聲屏障降噪原理

圖1給出了減載式聲屏障的結構示意圖，其結構包括設置在兩端的H型鋼立柱和H型鋼立柱之間的多塊聲屏障單元板，具有約為50%的開孔率。

圖1 聲屏障結構示意圖

圖2給出了聲屏障的剖面圖，V型單元板結構包括由V型吸聲單元背板、V型吸聲單元穿孔板組成的吸隔聲結構和填充在吸隔聲結構內的吸聲材料。其中V型吸聲單元背板和V型吸聲單元穿孔板由鋁鎂合金材料構成，厚度為148 cm，傾角為20度。穿孔板的開孔率約為50%；吸聲材料為巖棉，吸聲系數在0.7以上。為了方便，以下將V型減載式聲屏障簡稱為V型聲屏障。

1.1 聲屏障的插入損失

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3所示。

圖2 聲屏障剖面圖

圖3 聲屏障的傳播路徑

聲屏障的插入損失是衡量聲屏障實際降噪效果的主要指標，用符號IL表示。IL的基本定義為在保持地形、地貌、地面和氣象條件不變的情況下，同一噪聲源在聲屏障安裝前后，在同一受聲點上先后測定的噪聲聲壓級之差，根據下式計算聲屏障的插入損失。

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

1.2 開孔聲屏障的降噪機理

為了簡化開孔聲屏障降噪效果的研究，Elvira[8]對開孔聲屏障的隔聲機理進行驗證，并且可進行精確的數值模擬。簡化開孔聲屏障如圖4所示，P2發射一個平面波，到達空隙點P1，聲壓可表達為

式中A與聲功率大小成正比，r21是聲源和空隙點P1的距離，k是波數（k=π/λ）。

Fresnel-Kirchhoff衍射公式將受聲點P0通過孔隙的聲壓表示為

圖4 開孔聲屏障示意圖

式中：r01是受聲點到孔隙的距離，θ21和θ01是對應著間隙面法向量的夾角。

如果將上述方程應用于V型聲屏障，受聲點P0最終聲壓表達式為

1.3 試驗測點布置

根據ISO3095-2013，對距離軌道中心30 m的邊界噪聲進行測試。測點布置示意圖如圖5所示，其中測點M1位于軌面3.5 m高處。

圖5 測點布置示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 高速列車速度對測點聲壓級的影響

圖6給出了某高速列車以250 km/h～360 km/h的速度運行時，測點在有、無聲屏障時斷面聲壓級大小及其與速度的擬合曲線，由此得到的3.95 m高V型聲屏障插入損失隨速度變化規律如圖5所示。圖中點畫線代表測點在有、無聲屏障時斷面隨速度變化的聲壓級，對應左側Y軸；柱狀圖的值代表3.95 m高的V型聲屏障的插入損失，對應右側Y軸。

圖6 測點聲壓級隨速度變化關系圖

當列車速度從250 km/h提高到360 km/h時，無聲屏障區段聲級從93.6 dB(A)增加到97.5 dB(A)，V型聲屏障區段聲級從80.0 dB(A)增加到87.3 dB(A)。安裝聲屏障后測點聲壓級下降，但相對無聲屏障，此時聲壓級隨速度的提高增幅更快，增幅要大3.4 dB(A)。

采用最小二乘法，對測點聲壓級與v進行對數擬合得到，無聲屏障時

安裝3.95 m高V型聲屏障時

相關研究表明[9-10]，在250 km/h以內的速度范圍內，噪聲級大約以30 lgv速率增長，速度更高時，噪聲級隨速度變化斜率進一步增加，大約以60 lgv速率增長。而滾動噪聲一般與30 lgv成正比，氣動噪聲與60 lgv成正比。故擬合曲線斜率為30時，測點噪聲以輪軌噪聲為主；曲線斜率為60時，噪聲以氣動噪聲為主。無聲屏障時曲線斜率為25.65，測點噪聲以輪軌噪聲為主；安裝V型聲屏障后曲線斜率增至49.46，此時測點氣動噪聲所占比例變大，這主要因為聲屏障能夠有效屏蔽列車下部噪聲，而輪軌噪聲主要來源于車下區域，而對于來自列車中上部的氣動噪聲抑制效果不如下部顯著，因此，表現為加入聲屏障后擬合曲線斜率增大的現象。

隨著列車運行速度的增加，V型聲屏障的插入損失有較明顯的下降。250 km/h時其插入損失為13.6 dB(A)，而360 km/h時為10.2 dB(A)，降幅為3.4 dB(A)。由于速度增加導致氣動噪聲增大，此時3.95 m高的V型聲屏障對列車中上部的氣動噪聲不能起到屏蔽作用，因此，插入損失呈下降趨勢較明顯。

根據測點擬合曲線，可以預測列車以更高速度運行時的測點聲壓級。當速度在400 km/h時，兩個區段對應的測點的預測聲級分別為98.9 dB(A)和89.7 dB(A)，即V型聲屏障插入損失約為9.2 dB(A)。

由圖7可知，在列車速度為350 km/h時，無聲屏障時測點聲級主要頻率為500 Hz～5 000 Hz，插入損失在中高頻較為顯著，且隨著頻率增大，3.95 mV型聲屏障的插入損失逐漸增大，增大值為1.8 dB(A)～22.0 dB(A)。

2.2 不同類型聲屏障對插入損失的影響

圖8給出了3.95 m高的V型聲屏障與直立型聲屏障的插入損失對比。

由圖8可知，高度同為3.95 m時，隨著列車運行速度的增加，V型聲屏障和直立型聲屏障的插入損失均有較明顯的下降，但V型的插入損失下降相對緩慢。

圖7 350 km/h三分之一倍頻譜特性

圖8 3.95 m高V型和直立型聲屏障的插入損失對比

在速度低于350 km/h時，V型聲屏障的插入損失均比直立型聲屏障小；隨著速度提高，二者的差值在逐步縮小，二者差值從250 km/h時的2.4 dB(A)下降到350 km/h時的0.1 dB(A)。在速度為360 km/h時，V型聲屏障的插入損失比直立型聲屏障大0.3 dB(A)。這和兩種聲屏障結構形式直接相關，直立型聲屏障為整體結構形式，能夠降低低頻的繞射聲；而V型聲屏障的開縫設計是為了降低聲屏障所受脈動風壓載荷，提高使用壽命。V型聲屏障開縫必然導致聲音繞射。根據聲傳播理論可知，低頻聲繞射能力較強，因此V型聲屏障對低頻聲的阻礙作用降低。

列車運行速度較低時，車外噪聲的低頻成分比重較大，此時直立型聲屏障的插入損失會比V型聲屏障更大。隨著列車速度提高，高頻噪聲逐漸成為主導，此時吸聲材料的敷設面積和吸聲系數尤為重要，直立型聲屏障吸聲材料與聲音的接觸面僅為聲屏障一側；而V型聲屏障開縫之后，增大了吸聲材料的使用面積和使用率。因此，速度越高，車外噪聲高頻比重越大，從而形成二者插入損失的差值逐步接近的結果，甚至在更高速下二者插入損失的差值發生相對轉變，V型聲屏障降噪效果更好。

圖9至圖11給出了列車速度分別為250 km/h、350 km/h和360 km/h時，3.95 m V型聲屏障及同高度的直立型聲屏障的頻譜特性。圖中點畫線代表2種聲屏障的插入損失，柱狀圖代表二者插入損失的差值，正數表示V型聲屏障的降噪效果更好。

圖9 3.95 m高V型和直立型聲屏障頻譜特性對比（250 km/h）

圖10 3.95 m高V型和直立型聲屏障頻譜特性對比（350 km/h）

圖11 3.95 m高V型和直立型聲屏障頻譜特性對比（360 km/h）

轉速為250 km/h時，在315 Hz～5 000 Hz，直立型聲屏障插入損失更大。其中，在1 600 Hz以下，直立型聲屏障測點插入損失大2.9 dB(A)～5.8 dB(A)。車速為350 km/h時，此時直立型和V型減載聲屏障的插入損失接近，該速度代表了相對插入損失轉變的臨界速度。1 600 Hz以下，直立型聲屏障的插入損失更大；在1 600 Hz以上，V型聲屏障插入損失更大。當速度提高到350 km/h以上時，V型聲屏障插入損失更大，在1 250 Hz以下，V型聲屏障測點插入損失僅小0.2 dB(A)～2.5 dB(A)。在1 250 Hz以上，V型聲屏障測點插入損失大1.0 dB(A)～9.0 dB(A)。

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綜上所述，隨著列車運行速度提高，測點噪聲的主要頻率向高頻移動，中高頻噪聲的貢獻量增大。而減載聲屏障相對直立型聲屏障有更多的吸聲材料和吸聲面積，逐步在中高頻段體現出降噪效果。

2.3 不同高度對插入損失的影響

提高聲屏障高度不僅能夠進一步提高對列車下部噪聲（如輪軌噪聲）的降噪量，還能夠有效屏蔽列車中上部聲源。圖12給出了高度分別為2.95 m和3.95 mV型聲屏障的插入損失結果，調查V型聲屏障高度對高速鐵路車外噪聲的影響。

圖12 V型聲屏障的插入損失

由圖12可知，V型聲屏障高度增加，插入損失增大。2.95 m高V型聲屏障的插入損失為6.4 dB(A)～10.3 dB(A)，而3.95 m高V型聲屏障插入損失為10.0 dB(A)～13.6 dB(A)。V型聲屏障高度從2.95 m增加至3.95 m，插入損失增大3.1 dB(A)～3.8 dB(A)。隨著聲屏障高度增加，聲屏障與車體之間的多重反射加劇，改變聲波的傳播規律和傳播路線，造成部分頻率的插入損失有一定的減少。就整體規律而言，測點插入損失隨著聲屏障高度的增加在所有頻率均有不同程度的提高。但不同高度帶來的插入損失差異受速度影響較小。

圖13給出了列車速度為350 km/h時，兩種不同高度V型聲屏障插入損失的頻譜特性。圖中點畫線代表不同高度V型聲屏障的插入損失，柱狀圖代表兩者插入損失的差值，正數表示3.95 m高V型聲屏障的降噪效果更好。

在315 Hz～5 000 Hz范圍內，隨著頻率增加，聲屏障的插入損失均增大，說明插入損失的主要頻率向高頻移動。

兩個不同高度V型聲屏障插入損失達到峰值的頻率相同，分別為3 150 Hz和5 000 Hz，但2.95 m高V型聲屏障的峰值大小為12.9 dB(A)～13.4 dB(A)，3.95 m高V型聲屏障的峰值大小為18.4 dB(A)～22.0 dB(A)。

圖13 不同高度V型聲屏障頻譜特性對比（350 km/h）

兩者在速度為350 km/h時，頻率為5 000 Hz的插入損失相差最大，3.95 m高V型聲屏障要比2.95 m聲屏障高8.6 dB(A)。

圖14給出了高度分別為2.95 m和3.95 m時直立聲屏障的插入損失結果。

圖14 直立聲屏障的插入損失

由圖14可知，直立聲屏障高度增加，插入損失同樣增大。2.95 m高直立聲屏障的插入損失為10.8 dB(A)～14.8 dB(A)，而3.95 m高直立聲屏障插入損失為11.1 dB(A)～16.3 dB(A)。直立聲屏障高度從2.95 m增加至3.95 m，插入損失增大0.2 dB(A)～1.7 dB(A)。

圖15給出了列車速度為350 km/h時，兩種不同高度直立型聲屏障插入損失的頻譜特性。

在315 Hz～5 000 Hz范圍內，2.95 m和3.95 m直立聲屏障插入損失達到峰值的頻率相同，分別為1600 Hz和3150 Hz，但2.95 m聲屏障的峰值大小為13.0 dB(A)～13.9 dB(A)，3.95 m聲屏障的峰值大小為13.4 dB(A)～14.4 dB(A)。兩者在頻率為315 Hz的插入損失相差最大，3.95 m聲屏障要比2.95 m聲屏障高3.2 dB(A)。

由以上可知，不論是V型聲屏障還是直立聲屏障，插入損失隨著高度的增加而增大。當二者高度同時由2.95 m增大到3.95 m，V型聲屏障的插入損失增大3.1 dB(A)～3.8 dB(A)，直立聲屏障的插入損失增大0.2 dB(A)～1.5 dB(A)。因此，當高度同時由2.95 m增大到3.95 m時，V型聲屏障的降噪效果提高更明顯，在速度為360 km/h時，比直立型聲屏障的插入損失大3.5 dB(A)。

圖15 不同高度直立聲屏障頻譜特性對比（350 km/h）

3 結語

本文基于高速列車通過車外標準點的噪聲實測結果，對V型聲屏障的降噪特性進行分析，得到以下結論：

（1）隨著列車運行速度的增加，V型聲屏障和直立型聲屏障的插入損失均有較明顯的下降，但V型的插入損失下降相對緩慢。

（2）對于3.95m高的V型與直立聲屏障，當速度小于350 km/h時，直立聲屏障的降噪效果更好，插入損失要大0.1 dB(A)～2.4 dB(A)；當速度大于350 km/h時，V型聲屏障的降噪效果更好，插入損失要大0.3 dB(A)。

（3）V型聲屏障與直立聲屏障的高度同時由2.95 m增大到3.95 m，V型聲屏障的降噪效果提高更明顯，在速度為360 km/h時，比直立型聲屏障的插入損失大3.5 dB(A)。