高速鐵路半封閉式聲屏障降噪效果測試與分析

李小珍,　趙秋晨,　張　迅,　楊得旺

(西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031)

高速鐵路的迅猛發展方便了人們出行,但其產生的噪聲問題也引起了公眾的關注.噪聲控制的措施主要有:在聲源處控制、在傳播途徑中控制和在受聲點處控制.通過噪聲傳播途徑控制,聲屏障被公認為是一種有效降低鐵路噪聲的措施[1].

國內外學者對傳統直立式聲屏障的聲學性能開展了大量的研究,取得了豐富的成果:在現場試驗方面,我國學者在武廣客專[2-3]、京津城際[4]、京滬高鐵[5-6]等代表性高速鐵路上開展了聲屏障降噪效果測試,得到了聲屏障高度的影響規律,提出了聲屏障插入損失的簡化計算模式;在數值分析方面,文獻[6]采用邊界元法建立了聲屏障降噪預測模型,討論了吸聲系數、聲屏障厚度、高度、傾角及面板結構形式等因素的降噪機理和效果.國外學者也將邊界元法應用于直立式聲屏障的幾何形狀優化、聲源簡化、聲學處理和頂部聲學裝置的研究中[7-9].由于高速列車的車速較高,在持續脈動風壓作用下,聲屏障的使用壽命大大縮短[10].針對這一問題,高速鐵路減載式聲屏障成為了近些年的研究熱點[5].

受限于高度因素(一般為2.15～3.15 m),傳統直立式聲屏障的降噪量有限,不適用于有較高降噪需求的噪聲敏感區.特別是當沿線存在高層建筑時,傳統直立式聲屏障對較高樓層幾乎沒有效果.因此,為了獲得更好的降噪效果,半封閉式或全封閉式聲屏障在工程中逐漸得到了應用.例如,武漢、寧波、杭州等城市軌道交通中使用了半封閉式或全封閉式聲屏障來降低軌道交通車輛的運行噪聲,取得了較好的降噪效果[12-13].此外,不少道路交通也采用了半封閉式或全封閉式聲屏障來降低噪聲.然而,在利用半封閉式或全封閉式聲屏障降低高速鐵路噪聲的研究方面,當前國內外的研究極其有限.由于高速鐵路與軌道交通、道路交通的噪聲源特性有較大差異,因此不宜直接進行套用.

現場試驗是掌握半封閉式聲屏障在運營狀態下實際降噪效果的重要手段,并能為數值模擬、降噪優化等提供重要基礎.以滬昆客專杭長段半封閉式聲屏障為工程背景,對聲屏障內外表面、封閉側和敞開側不同距離處的受聲點進行測試,獲得了場點聲壓級頻譜、聲場分布、衰減規律、隔聲量和插入損失等聲學特性.可為今后工程設計、理論研究等提供參考.

1　試驗概況

1.1　聲屏障構造

滬昆客專杭長段在人群密集居住區設有約1.5 km長的半封閉式聲屏障,如圖1所示.該區段為多跨32 m混凝土簡支箱梁組成的高架橋,線間距為5 m,軌面距地面的高度為5 m.

聲屏障全高為8.15 m,全寬為11.7 m,采用金屬插板式構造.聲屏障立柱在順橋向的間距為2 m.金屬單元板采用鋁合金復合吸聲板,厚度為0.14 m,寬度約0.5 m,面板為穿孔鋁合金板,背板為1.5 mm厚的鋁合金板,內部填充玻璃棉氈.沿高度方向共有13塊單元板,其中,第5、6塊單元板之間設有1.1 m高的通透隔聲板,通透隔聲板厚度為20 mm.在聲屏障框架的頂部,沿橫橋向設有7塊通透隔聲板,總寬度為7.23 m.單元板與H型鋼立柱及上下單元板之間墊三元乙丙橡膠.

(a) 橫截面布置(b) 敞開側照片(c) 封閉側照片圖1 橋上半封閉式聲屏障Fig.1 Semi-closed sound barriers on bridges

1.2　測點布置

如圖2所示,在半封閉式聲屏障的封閉側和敞開側分別布置噪聲傳感器,其中,測點N1～N5位于聲屏障封閉側內表面,距軌面的豎向高度分別為7.3、5.8、4.4、2.5 m和1.5 m;測點W1～W5位于聲屏障封閉側外表面,與測點N1～N5處于同一高度.

此外,參考ISO 3095標準[14],分別在敞開側和封閉側距軌道中心線7.5 m和25 m處布置測點.在封閉側布置測點F1～F10其中,測點F1～F5距軌道中心線7.5 m,距軌面的豎向高度分別為6.0、4.5、3.0、1.5 m和0 m;測點F6～F10距軌道中心線25 m,與測點F1～F5處于同一高度.受現場環境限制,測點F與測點C位于不同橋梁斷面,于不同時間段采集噪聲.采用INV 3060S型24位智能采集儀進行數據采集,采樣頻率為25.6 kHz,噪聲傳感器為MPA231型自由場傳聲器.

圖2　測點布置圖(單位:m)Fig.2　Layout of measuring points (unit: m)

在敞開側布置測點C1～C10,其中,測點C1～C5距軌道中心線7.5 m,距軌面的豎向高度分別為6.0、4.5、3.0、1.5 m和0 m;測點C6～C10距軌道中心線25 m,與測點C1～C5處于同一高度.

針對過路高速列車進行現場測試,車型為CRH380B.列車行經此處的車速比較穩定,平均車速約為280 km/h,在敞開側和封閉側共監測了約20組數據樣本.試驗數據處理前,先進行初步分析以剔除異常數據,再對剩余的多組有效數據進行統計分析.

2　噪聲評價方法

在列車通過時間tp內提取聲壓數據進行等效連續聲壓級計算[14],其定義如式(1).

(1)

式中:Ltp為等效連續A計權聲壓級;

tp為列車頭部和尾部經過測試斷面的時間差,tp=t2-t1;

pA(t)為A計權瞬時聲壓;

p0為參考聲壓,p0=20 μPa.

A計權聲壓級是目前評價噪聲的主要指標,其測量結果與人耳對噪聲的主觀感受近似一致,但并不適用于對中低頻噪聲有較高限制要求的情況[15].為此,參照式(1)的計算方法,同時給出A計權和線性計權(即不計權)的分析結果.

圖3給出了兩種計權方法的權值對比.可以看出,A計權對噪聲的低頻成分折減極大,故采用A計權會忽略低頻噪聲的危害.

圖3　A計權和線性計權的權值對比Fig.3　Comparison of the A-and non-weighted methods

隔聲構件的入射聲能與透射聲能的差值為隔聲量,為聲屏障單元板的固有聲學量,一般在聲學實驗室內測得.為了獲得半封閉式聲屏障在運營狀態下的隔聲性能,根據式(2)對其進行估計,

(2)

P1為聲屏障內表面測點的平均聲壓;

P2為聲屏障外表面測點的平均聲壓.

插入損失是在聲源、地形地貌、地面特性、周圍建筑物以及氣象條件等都不變的情況下,在聲屏障安裝前后某一指定受聲點的聲壓級之差,直接體現了聲屏障的降噪效果.參考標準[16]中插入損失的間接測試方法,由于該工點的聲屏障已經安裝,本文近似將敞開側和封閉側對應測點(即與線路的相對位置相同)的聲壓級差值作為聲屏障插入損失.

3　測試結果分析

3.1　聲屏障內表面的噪聲

圖4(a)～(b)分別為高速列車在封閉側、敞開側行駛時,聲屏障內表面測點N1～N5的線性計權、A計權聲壓級頻譜曲線以及總聲壓級柱狀圖.

根據獨立聲源疊加原理,定義分頻聲壓級最大值以下10分貝范圍內的頻率區域為噪聲顯著頻段,以圖4(b)為例,93～103 dB(L)對應的頻率區域為敞開側行車時聲屏障內表面噪聲顯著頻段.

①②(a) 封閉側行車① ②(b) 敞開側行車圖4 測點N1～N5的聲壓級頻譜Fig.4 SPL spectra of measuring points N1-N5

由圖4可以看出:

(1) 聲屏障內表面測點在低頻段(<200 Hz)和中高頻段(500～2 500 Hz)的噪聲均較顯著,說明高速列車運行產生的噪聲能量分布頻帶較寬.高速列車在封閉側(如圖4(a))行駛時,低位測點的低頻噪聲尤為明顯,其可能來源于箱梁、軌道板的二次噪聲[16].

(2) 高速列車在封閉側行駛時,各測點的總聲壓級較敞開側行駛時大,一方面是由于前者距離測點更近(至車體表面的橫向水平距離約為1.3 m),另一方面是由于車體表面與半封閉式聲屏障形成一個相對封閉的空間,噪聲在車體表面與聲屏障表面之間發生多重反射,產生一定的混響效果并增大了噪聲.

(3) 高速列車在封閉側行駛時,內表面5個測點的聲壓級頻譜曲線變化規律比較相似,但離軌面最近的測點N5的總聲壓級最大,為109.05 dB(A),而離軌面最遠的測點N1的總聲壓級最小,為104.1 dB(A).二者相差5 dB(A)左右,說明輪軌噪聲占較大比重.

(4) 高速列車在敞開側行駛時,由于經過距離衰減(至車體表面的橫向水平距離約為6.3 m)和聲屏障的遮擋,內表面5個測點的總聲壓級大小差異較小,最大差值不超過1.5 dB(A).

3.2　聲屏障外表面的噪聲

圖5(a)～(b)分別為高速列車在封閉側、敞開側行駛時,聲屏障外表面測點W1～W5的線性計權、A計權聲壓級頻譜曲線以及總聲壓級柱狀圖.

由圖5可以看出:

(1) 高速列車不管是在封閉側還是敞開側行駛時,聲屏障外表面的低頻噪聲(<200 Hz)明顯高于中高頻噪聲,說明低頻噪聲易通過單元板透射出去,而聲屏障對中高頻噪聲的削弱作用更好.

(2) 高速列車不管是在封閉側還是敞開側行駛時,聲屏障外表面各測點的聲壓級大小差異均不大.與聲屏障內表面各測點噪聲相比,經過聲屏障的隔聲后,噪聲的指向性不再明顯.

(3) 由線性計權聲壓級噪聲可以看出,聲屏障外表面噪聲的顯著頻段為200 Hz以下低頻噪聲,而200 Hz以上頻段的噪聲對總聲壓級的貢獻非常小.

(4) 總體上,聲屏障外表面高位測點(如W1)的總聲壓級略大(約在1 dB(A)以內),聲屏障頂部隔聲板的降噪效果不如單元板,且部分噪聲可通過聲屏障頂部繞射出去.

① ②(a) 封閉側行車①②(b) 敞開側行車圖5 測點W1～W5的聲壓級頻譜Fig.5 SPL spectra of measuring points W1-W5

3.3　封閉側的噪聲

圖6給出了高速列車在封閉側行駛時,封閉側距軌道中心線7.5 m的測點F1、F5和距軌道中心線25 m的測點F6、F10的聲壓級頻譜曲線.

由圖6可以看出:

(1) 在整個頻率范圍內,距軌道中心線7.5 m的測點的聲壓級比距軌道中心線25 m的測點的聲壓級大,符合噪聲隨距離衰減的一般規律.

(2) 由于聲屏障的隔聲作用,200 Hz以內的低頻噪聲比中高頻噪聲高出近15 dB(L)以上,線性計權總聲壓級完全由200 Hz以內的低頻成分決定.

(3) 分析結果已表明聲屏障外表面各測點的聲壓級差異不大,但噪聲在向外傳播的過程中,由于部分噪聲通過聲屏障頂部的繞射,導致高位測點的總聲壓級略高于低位測點.例如,在距軌道中心線7.5 m處,高位測點F1的聲壓級較低位測點F5大2.5 dB(A)左右.但隨著至軌道中心線距離的增加,高位測點與低位測點的聲壓級差異逐漸減小,即噪聲分布的指向性不再明顯.

3.4　敞開側的噪聲

圖7給出了高速列車在敞開側行駛時,敞開側距軌道中心線7.5 m的測點C1、C5和距軌道中心線25 m的測點C6、C10的聲壓級頻譜曲線.

(a) 隨頻率變化趨勢(b) 匯總情況圖6 封閉側典型測點的聲壓級頻譜Fig.6 SPL spectra of typical measuring points on the closed side

(a) 隨頻率變化趨勢(b) 匯總情況圖7 敞開側典型測點的聲壓級頻譜Fig.7 SPL spectra of typical measuring points on the opened side

由圖7可以看出:

(1) 相比3.3節封閉側的衰減情況,敞開側的噪聲隨距離衰減得更快,從距軌道中心線7.5 m到距軌道中心線25 m,聲壓級衰減了約7 dB(A).這是由于封閉側在經過聲屏障的隔聲后,噪聲中的低頻成分對總聲壓級的貢獻度增加,而低頻噪聲隨距離的衰減較高頻噪聲慢所致.

(2) 與封閉側不同,距軌道中心線7.5 m處與25 m處,高位測點與低位測點的總聲壓級差異不明顯.

(3) 距軌道中心線7.5 m處低位測點C5比高位測點C1的線性計權總聲壓級略大,與封閉側的規律不一致,這主要是由于敞開側混凝土箱梁的低頻噪聲在測點C5位置更大的緣故[17].

4　降噪效果的討論

4.1　噪聲衰減規律

圖8(a)～(b)分別給出了高速列車在封閉側運行時,聲屏障封閉側和敞開側不同位置測點的噪聲頻譜曲線和總聲壓級,以分析噪聲沿橫橋向的衰減規律.

分析圖8可知:

(1) 對于封閉側,經過聲屏障的隔聲后,聲屏障內外表面的噪聲差異明顯,且隨著頻率增加,二者的差異愈加明顯,這主要與單元板的隔聲特性有關.

(2) 對于封閉側,噪聲沿橫橋向隨距離的衰減速率越來越慢,其中:聲屏障內外表面的總聲壓級差值為20.6 dB(A);距軌道中心線7.5 m處的總聲壓級比聲屏障外表面降低6.4 dB(A);距軌道中心線25 m處的總聲壓級比距軌道中心線7.5 m處降低4.1 dB(A).

(3) 對于敞開側,沒有聲屏障的隔聲,各測點的噪聲頻譜曲線衰減趨勢比較一致.距軌道中心線25 m處的總聲壓級比距軌道中心線7.5 m處降低5.8 dB(A),即與封閉側相比衰減量增加了1.7 dB(A),主要是由于封閉側與敞開側的噪聲頻譜特性有所差異.

4.2　隔聲量

根據式(2)計算半封閉式聲屏障在運營狀態下隔聲量的估計值,結果繪制于圖9中.

由圖9可以看出:

(1) 總體上,隨著頻率增加,隔聲量逐漸增加,即聲屏障對中高頻噪聲的隔聲效果更好,主要是由于低頻噪聲容易通過單元板透射出去.

(2) 當頻率小于50 Hz時,隔聲量接近10 dB;頻率大于200 Hz以上時,隔聲量明顯增加;在1 000 Hz處,隔聲量出現峰值,最大隔聲量為26 dB.

① ②(a) 封閉側① ②(b) 敞開側圖8 噪聲衰減特性Fig.8 Noise attenuation characteristics

圖9　隔聲量的頻譜Fig.9　Sound insulation spectrum

隔聲量為單元板的固有聲學量.將多個單元板組裝成聲屏障結構以后,其在運營狀態下的隔聲量一般要小于單元板的隔聲量.一方面,高速列車通過時的脈動風壓、輪軌振動荷載使得聲屏障單元板發生變形,造成單元板之間存在縫隙而泄漏噪聲;另一方面,聲屏障結構的振動會帶來二次噪聲影響,而聲學實驗室內測試時單元板處于靜止狀態.

4.3　插入損失

一般用插入損失直接評價聲屏障的降噪效.圖10(a)、(b)分別給出了距軌道中線7.5 m和25.0 m處的插入損失,其采用封閉側和敞開側對應測點的聲壓級差值進行估算.

由圖10可知:

(1) 與隔聲量的頻譜曲線類似,插入損失的頻譜特征也是隨著頻率增加而增大,但插入損失在800 Hz以后的變化范圍比較小.

(2) 距軌道中心線7.5 m處的插入損失約為15～18 dB(A),而距軌道中心線25 m處的插入損失約為15～16 dB(A),即沿垂直于線路方向的插入損失有減小的趨勢.

(3) 在距軌道中心線相同位置處,高位測點的插入損失要比低位測點略小,由于高位測點更容易受到聲屏障頂部繞射聲的影響.

為進一步對比傳統直立式聲屏障和半封閉式聲屏障在插入損失方面的差異,本文調研了相關數據,統計結果列于表1.

表1　高速鐵路傳統直立式聲屏障的插入損失Tab.1　Insertion loss of traditional vertical noise barriers applied on high-speed railway

由表1可以看出,以距軌道中心線25 m、與軌面等高處作為參考點,半封閉式聲屏障的插入損失估計值相比2.15～3.15 m高傳統直立式聲屏障可提高約9～6 dB(A).

5　結　論

以滬昆客專杭長段半封閉式聲屏障為工程背景,對聲屏障內外表面、封閉側和敞開側不同距離處的受聲點進行測試,獲得了場點聲壓級頻譜、聲場分布、衰減規律、隔聲量和插入損失等聲學特性.主要結論如下:

(1) 高速列車運行產生的噪聲能量分布頻帶較寬,車體附近在200 Hz以下和500～2 500 Hz頻段范圍的噪聲均較顯著.輪軌噪聲是主要噪聲源,使得離軌面越近測點的噪聲越大.

(2) 半封閉式聲屏障與車體表面形成一個相對封閉的空間,多重反射造成的混響效應會增大聲屏障內表面的噪聲.

(3) 對于封閉側測點,隨著至軌道中心線距離的增加,噪聲分布在垂直方向的指向性逐漸減弱,在距軌道中心線25 m處的指向性不再明顯.與封閉側不同,在距離軌道中心線不同位置處,敞開側噪聲分布在垂直方向的指向性均不明顯.

(4) 就噪聲衰減特性而言,從半封閉式聲屏障的內表面到外表面、再到距軌道中心線7.5 m和25 m處,總聲壓級分別衰減20.6、27.0 dB(A)和31.1 dB(A).

(5) 半封閉式聲屏障對中高頻噪聲的隔聲效果較好,當頻率小于50 Hz時,隔聲量不足10 dB;頻率大于200 Hz以上時,隔聲量明顯增加;在1 000 Hz處,隔聲量出現峰值,最大隔聲量為26 dB.

(6) 采用封閉側和敞開側對應測點的聲壓級差值來估算插入損失,得到距軌道中心線7.5 m和25 m處的插入損失均值為16.5 dB(A)和15.5 dB(A).