無(wú)砟軌道聚合微粒吸聲板研究

劉海濤 王繼軍 劉偉斌

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

無(wú)砟軌道是高速鐵路、城市軌道交通的主要軌道結(jié)構(gòu)形式，具有高平順性、少維護(hù)、穩(wěn)定性好、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。然而由于混凝土道床表面對(duì)噪聲具有低吸收和高反射特性，無(wú)砟軌道噪聲比有砟軌道高約3 dB（A）［1-2］。在無(wú)砟軌道表面鋪設(shè)吸聲板可有效吸收輪軌區(qū)噪聲，降低無(wú)砟軌道噪聲。自20世紀(jì)80年代以來(lái)歐洲在噪聲控制方面開展了大量研究，德國(guó)、奧地利、荷蘭等國(guó)家已試驗(yàn)并在多段鐵路應(yīng)用了無(wú)砟軌道吸聲板，降噪2～3 dB（A），并開展了吸聲板和矮屏障的組合研究，可降噪6 dB（A）。自2007年以來(lái)中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司、中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司及中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司分別鋪設(shè)了相應(yīng)的試驗(yàn)段，列車通過時(shí)環(huán)境噪聲降低約1～3 dB（A），最高試驗(yàn)速度達(dá)300 km/h［3-4］。目前無(wú)砟軌道吸聲板采用水泥基類吸聲材料如陶粒混凝土、珍珠巖混凝土、泡沫混凝土等，達(dá)到了較好的降噪效果［5-6］，但也存在一些問題，例如：水泥基材料抗拉強(qiáng)度低，吸聲材料本身為多孔結(jié)構(gòu)，致使材料強(qiáng)度進(jìn)一步降低，環(huán)境長(zhǎng)期作用下顆粒容易剝離；有限的強(qiáng)度限制了較大空腔的設(shè)置以致主要靠微孔吸聲，單一的吸聲原理限制了吸聲效果進(jìn)一步提高［7］。

聚合微粒材料作為一種新型無(wú)縫吸聲材料，21世紀(jì)初起源于德國(guó)，目前在國(guó)外公共建筑中大量應(yīng)用。我國(guó)科研工作者在聚合微粒材料方面做了大量創(chuàng)新性的研究，形成了一系列核心且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，并成功應(yīng)用于一些建筑結(jié)構(gòu)［8-9］。本文首次將聚合微粒材料應(yīng)用于無(wú)砟軌道吸聲板，對(duì)聚合微粒吸聲板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過混響室試驗(yàn)和試驗(yàn)線實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證其降噪效果。

1 聚合微粒材料特性

聚合微粒吸聲材料精選特定數(shù)目的無(wú)機(jī)顆粒如天然砂粒、礦渣顆粒、建渣顆粒等，將膠凝溶劑均勻且極薄地施涂于微粒表面，使渣粒形成特定角形系數(shù)的覆膜微粒。在外力作用下，微粒覆膜層固化，微小顆粒就像被焊接一樣聚合在一起，微粒之間天然形成了大量不規(guī)則且相互連通的微小孔隙，從而使產(chǎn)品具有吸聲能力。假設(shè)形狀規(guī)則的微粒直徑為2R，角形系數(shù)為1，則微粒間孔隙面積Sx（圖1）的計(jì)算公式為

圖1 聚合微粒間孔隙面積

聚合微粒吸聲材料的高、中、低頻吸聲特性與微粒間細(xì)孔的大小、數(shù)量、構(gòu)造形式、板的厚度、板后空腔的大小等密切相關(guān)。通過對(duì)粒徑、板厚及空腔大小的調(diào)控，可對(duì)其吸聲頻率特性加以調(diào)整，滿足不同頻率的吸聲設(shè)計(jì)要求。

聚合微粒材料因采用聚酯類膠凝材料，在具備多孔特性的情況下，使材料強(qiáng)度得到提高。聚合微粒材料抗壓強(qiáng)度不小于20 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于6 MPa，基本解決了顆粒剝落的現(xiàn)象，同時(shí)使設(shè)置較大的空腔成為可能。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，聚合微粒材料的抗凍、耐老化、防火、環(huán)保、抗沖擊等性能滿足要求。

2 聚合微粒吸聲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 聚合微粒吸聲板結(jié)構(gòu)尺寸

聚合微粒吸聲板采用模筑法一次澆筑成型，在軌道板橫向上被2條鋼軌分為3部分（圖2）。在不影響?zhàn)B護(hù)維修前提下，承軌臺(tái)被部分遮蓋，吸聲板頂面形成標(biāo)準(zhǔn)矩形結(jié)構(gòu)，增大了吸聲面積且整體顯得美觀。單塊吸聲板與軌道板表面形成密閉空腔。吸聲板上表面接近鋼軌頂面。

圖2 聚合微粒吸聲板沿軌道布置

吸聲板的長(zhǎng)度和寬度受列車經(jīng)過時(shí)氣動(dòng)壓強(qiáng)分布特征、制造工藝、運(yùn)輸和施工便捷性、使用時(shí)荷載效應(yīng)等影響。氣動(dòng)壓強(qiáng)在沿線路方向隨長(zhǎng)度增加而急劇衰減，增加吸聲板長(zhǎng)度有利于增強(qiáng)穩(wěn)定性。吸聲板越寬則吸聲效果越好。從方便制造、運(yùn)輸和施工角度考慮，吸聲板尺寸不宜過大。綜合考慮以上因素，吸聲板長(zhǎng)度確定為3個(gè)扣件間距；寬度上，為方便運(yùn)輸和施工，鋼軌內(nèi)側(cè)切分為2塊（或保持為1塊），2根鋼軌外側(cè)分別為單獨(dú)1塊。

為保證行車安全，吸聲板總高度不得超過鋼軌頂面且留有25 mm安全空間［10］。通常無(wú)砟軌道吸聲板總厚度為180 mm。為增強(qiáng)吸聲效果，采用大空腔設(shè)計(jì)，如圖3所示。空腔采用拱形，上拱為圓形拱（矢跨比1∶5），空腔四周密閉，底部與軌道板形成密閉空腔。拱形加矩形的空腔設(shè)置有利于吸聲板受力、拓展吸聲頻段及制造過程中脫模。根據(jù)力學(xué)分析并考慮制造工藝因素，單個(gè)孔徑跨度為225 mm。根據(jù)阻抗管垂直入射法測(cè)試結(jié)果，空腔高度宜大于80 mm。

圖3 聚合微粒吸聲板空腔

2.2 聚合微粒吸聲板吸聲原理

聚合微粒吸聲板的吸聲原理主要有3個(gè)方面［11］：

1）多孔隙吸聲

聚合微粒材料為多孔結(jié)構(gòu)，具有多孔隙吸聲作用。聚合微粒材料內(nèi)部有大量微小的連通孔隙，聲波沿著這些孔隙可以深入材料內(nèi)部，與材料發(fā)生摩擦，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過熱傳導(dǎo)降低熱能從而降低聲波強(qiáng)度。

2）共振吸聲

聚合微粒材料強(qiáng)度較高，可以設(shè)置較大的空腔，產(chǎn)生亥姆霍茲空腔共振吸聲效果。聚合微粒吸聲板內(nèi)部設(shè)計(jì)為密閉空腔，吸聲板表面孔隙和內(nèi)部空腔組成亥姆霍茲共振器。聲波入射時(shí)，在共振頻率上，微孔內(nèi)的空氣振動(dòng)，而密閉空腔內(nèi)的空氣對(duì)其產(chǎn)生恢復(fù)力，微孔內(nèi)的空氣和空腔內(nèi)的空氣產(chǎn)生劇烈的共振作用，從而損耗了聲能。

3）干涉消聲

通過選用較厚的材料，材料內(nèi)部孔隙互聯(lián)，產(chǎn)生干涉消聲效果。聚合微粒材料內(nèi)部小孔相互貫通，當(dāng)不同方向和波長(zhǎng)的聲波在聚合微粒內(nèi)相遇時(shí)，聲波因干涉而相消，從而起到吸聲作用。

2.3 聚合微粒吸聲板表面設(shè)計(jì)

吸聲板表面可采用縱向波浪形曲面或直面，波浪形曲面能夠增加吸聲面積。為研究曲面型和直面型吸聲板吸聲系數(shù)的差異，以風(fēng)積沙為原料，分別制作10～12 m2樣品，通過混響室試驗(yàn)（圖4）測(cè)試其吸聲系數(shù)，其中曲面弦長(zhǎng)取50 mm，波浪幅值為±10 mm。測(cè)試結(jié)果表明：并排放置的吸聲板間距為20 mm時(shí)，直面型和曲面型的降噪系數(shù)分別為0.93和0.90；間距為0時(shí)，降噪系數(shù)分別為0.81和0.89。吸聲板間距20 mm時(shí)直面型和曲面型吸聲板吸聲系數(shù)見圖5。考慮到采用較小曲面設(shè)計(jì)對(duì)吸聲板吸聲系數(shù)影響較小，而其加工工藝復(fù)雜，因此吸聲板表面選用直面型。

圖4 吸聲板混響室試驗(yàn)

圖5 直面型和曲面型吸聲板吸聲系數(shù)（板間距20 mm）

2.4 吸聲板強(qiáng)度設(shè)計(jì)

將日常養(yǎng)護(hù)維修荷載視為100 kPa等效荷載。在100kPa均布荷載作用下，吸聲板最大拉應(yīng)力僅為0.3MPa，小于聚合微粒材料抗力，滿足日常使用強(qiáng)度。

在特殊荷載或環(huán)境作用下，為預(yù)防聚合微粒吸聲板出現(xiàn)斷裂，保證吸聲板斷裂后不會(huì)分解成小塊而影響行車安全，吸聲板內(nèi)配置纖維鋼筋，即使出現(xiàn)斷裂仍能保持整體性。

3 聚合微粒吸聲板關(guān)鍵參數(shù)研究

聚合微粒顆粒大小、板的厚度、空腔設(shè)置是影響吸聲板吸聲效果的關(guān)鍵參數(shù)。通過阻抗管試驗(yàn)研究大顆粒和小顆粒2種材料的吸聲板厚度和空腔設(shè)置對(duì)吸聲系數(shù)的影響規(guī)律，確定相關(guān)參數(shù)。

3.1 小顆粒聚合微粒板厚度對(duì)吸聲系數(shù)的影響

空腔高度取80 mm時(shí)，微粒板厚度分別取10，15，20，30，50 mm，通過阻抗管試驗(yàn)研究小顆粒聚合微粒板厚度對(duì)吸聲系數(shù)的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 小顆粒聚合微粒板厚度對(duì)吸聲系數(shù)的影響

由圖6可知：小顆粒聚合微粒板厚度小于30 mm時(shí)，保持空腔高度不變，增大試塊厚度，聚合物吸聲系數(shù)峰值有所減小，吸聲系數(shù)頻段分布逐漸加寬；厚度大于30 mm時(shí)，由于微粒板厚度的變化影響到流阻及孔隙率，在配方保持不變的情況下整體降噪性能下降。因此，小顆粒聚合微粒材料不適用于較厚吸聲板。

3.2 小顆粒聚合微粒板空腔設(shè)置對(duì)吸聲系數(shù)的影響

微粒板厚度取50 mm時(shí)，空腔高度分別取0，40，80，100 mm，通過阻抗管試驗(yàn)研究小顆粒聚合微粒板空腔設(shè)置對(duì)吸聲系數(shù)的影響，結(jié)果見圖7。可知：小顆粒聚合微粒板在采用較大厚度時(shí)吸聲系數(shù)較小；隨著空腔高度的增加，低頻段吸聲系數(shù)有所增加。

圖7 小顆粒聚合微粒板空腔設(shè)置對(duì)吸聲系數(shù)的影響

3.3 大顆粒與小顆粒聚合微粒板吸聲系數(shù)對(duì)比

采用較大粒徑顆粒可提高聚合物微粒的孔隙率，降低流阻。大顆粒聚合微粒板的厚度和空腔設(shè)置對(duì)吸聲系數(shù)的影響規(guī)律與小顆粒類似。

為對(duì)比大顆粒和小顆粒2種材料的吸聲系數(shù)，分別選取不同厚度的大顆粒礦渣材料聚合微粒板（N30，N50，厚度分別為30，50 mm）和小顆粒風(fēng)積沙材料聚合微粒板（M30，M50，厚度分別為30，50 mm）進(jìn)行阻抗管試驗(yàn)，空腔高度為80 mm。大顆粒與小顆粒聚合微粒板的吸聲系數(shù)對(duì)比見圖8。

圖8 大顆粒與小顆粒聚合微粒板的吸聲系數(shù)對(duì)比

由圖8可知，厚度大于30 mm時(shí)，小顆粒聚合微粒板吸聲系數(shù)明顯下降，而大顆粒材料能夠使吸聲系數(shù)顯著提高。因此，軌道吸聲板采用較厚的聚合微粒板，特別是厚度超過50 mm時(shí)，宜采用大顆粒聚合微粒板。

3.4 大顆粒聚合微粒板空腔設(shè)置對(duì)吸聲系數(shù)的影響

對(duì)于較大顆粒聚合微粒板N60，空腔高度分別取0，80 mm，通過阻抗管試驗(yàn)研究大顆粒聚合微粒板空腔高度對(duì)吸聲系數(shù)的影響，結(jié)果見圖9。可知，隨著空腔高度增加，吸聲系數(shù)在低頻段優(yōu)勢(shì)更為顯著。因此，設(shè)置較大空腔有利于提高低頻吸聲效果。

圖9 大顆粒聚合微粒板空腔設(shè)置對(duì)吸聲系數(shù)的影響

4 聚合微粒吸聲板混響室試驗(yàn)

采用大顆粒材料制作10～12 m2聚合微粒吸聲板試件，在國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)聚合微粒吸聲板進(jìn)行混響室吸聲系數(shù)檢測(cè)［12］（圖10），測(cè)試結(jié)果見圖11。可知，在250～5 000 Hz范圍內(nèi)聚合微粒吸聲板的吸聲系數(shù)均達(dá)到0.9以上，降噪系數(shù)為1.0，聚合微粒吸聲板整體吸聲性能較好。需要說明的是，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用和混響室測(cè)試條件，混響室試驗(yàn)面積采用投影面積，不計(jì)算四周側(cè)面面積。

圖10 混響室試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖11 聚合微粒吸聲板吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

5 聚合微粒吸聲板實(shí)車測(cè)試

5.1 測(cè)試概況

在國(guó)家鐵路交通試驗(yàn)線對(duì)聚合微粒吸聲板進(jìn)行降噪性能測(cè)試（圖12）。聚合微粒吸聲板鋪設(shè)于路基曲線處，曲線半徑1 450 m，鋪設(shè)長(zhǎng)度110 m。試驗(yàn)列車為CRH400AF，測(cè)試速度為60，120，170 km/h。通過測(cè)試軌道吸聲板鋪設(shè)前后列車通過時(shí)的輻射噪聲，評(píng)估軌道吸聲板的降噪效果。

圖12 聚合微粒吸聲板實(shí)車測(cè)試

5.2 測(cè)點(diǎn)布置和計(jì)算方法

噪聲測(cè)點(diǎn)分別布置在近軌面（測(cè)點(diǎn)A，B）和近地面（測(cè)點(diǎn)C）處，如圖13所示。

圖13 噪聲測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

列車通過時(shí)的等效聲級(jí)計(jì)算公式為

式中：T為計(jì)算等效聲級(jí)的時(shí)間，s；ti為T時(shí)間內(nèi)第i個(gè)聲源在預(yù)測(cè)點(diǎn)噪聲作用時(shí)間，s；LPi為第i個(gè)聲源在預(yù)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的A聲級(jí)，dB（A）。

5.3 測(cè)試結(jié)果

在60～170 km/h的測(cè)試速度范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)A，B，C的插入損失分別為3.7～4.3 dB（A），4.0～4.4 dB（A），2.4～3.2 dB（A）。以列車速度120 km/h為例，測(cè)點(diǎn)B鋪設(shè)吸聲板前后的聲壓級(jí)頻域分布見圖14。

圖14 鋪設(shè)吸聲板前后測(cè)點(diǎn)B聲壓級(jí)頻域分布

6 結(jié)論

本文首次采用聚合微粒材料研發(fā)了一種無(wú)砟軌道吸聲板，分析了聚合微粒吸聲材料特性，研究了吸聲板結(jié)構(gòu)尺寸、吸聲原理、表面形狀和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)并進(jìn)行聚合微粒吸聲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后通過混響室試驗(yàn)和試驗(yàn)線實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證了聚合微粒吸聲板的降噪效果。結(jié)論如下：

1）保持空腔高度不變，增大吸聲板厚度，吸聲系數(shù)頻段分布逐漸加寬，吸聲系數(shù)峰值有所減小。為保證吸聲效果，應(yīng)隨厚度的增加而增大顆粒尺寸。

2）空腔的設(shè)置可增強(qiáng)低頻吸聲效果。低頻段吸聲系數(shù)隨空腔高度的增加而增大。

3）無(wú)砟軌道吸聲板應(yīng)采用較大顆粒聚合微粒材料，并設(shè)置高度不小于80 mm的空腔，綜合應(yīng)用微孔吸聲、共振吸聲和干涉消聲原理增強(qiáng)吸聲效果。

4）提出拱形空腔的設(shè)置方法，可在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力的同時(shí)拓展吸聲板吸聲頻段；根據(jù)混響室試驗(yàn)結(jié)果，確定吸聲板表面可采用直面型設(shè)計(jì)；根據(jù)吸聲板的使用條件確定吸聲板的幾何尺寸。

5）混響室試驗(yàn)結(jié)果表明，聚合微粒吸聲板在250～5 000 Hz范圍內(nèi)吸聲系數(shù)均達(dá)到0.9以上，降噪系數(shù)為1.0。

6）實(shí)車測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試速度為60～170 km/h時(shí)，距軌道中心線25 m、軌面以上3.5 m處吸聲板可降噪4.0～4.4 dB（A）。