京雄城際鐵路全封閉聲屏障降噪效果研究

辛思遠,張世峰,王曉偉

(1.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308； 3.中國鐵道科學研究院集團有限公司節能環保勞衛研究所,北京 100081)

1 概述

隨著我國經濟的發展，噪聲問題也愈發突出，噪聲污染已成為空氣污染之后人類公共健康的“第二大殺手”[1-2]。設置聲屏障，切斷噪聲的傳播途徑，是高速鐵路降噪最常用的措施之一[3]。目前，我國鐵路采用的聲屏障主要有直立式、折角式、半封閉、全封閉4種型式，其中，直立式、折角式聲屏障技術已相對成熟，并已廣泛應用于各鐵路建設項目，對減緩鐵路運行噪聲對沿線的影響發揮著重大的作用[4-6]。但由于高速鐵路列車運行速度高、車流密度大，同時鐵路經過城市建成區兩側多分布高層住宅建筑，普通直立式、折角式聲屏障對較高樓層不能有效阻隔鐵路噪聲，采取直立式、折角式聲屏障后，區間高速路段無法滿足國家聲環境質量標準要求[7-8]。目前，部分低速鐵路項目已考慮采取半封閉、全封閉聲屏障措施[9]。

北京至雄安新區城際鐵路(以下簡稱“京雄城際”)，設計時速350 km，是首個引入雄安新區的重大交通基礎設施建設工程，原國家環境保護部環評批復要求在北落店村設置全封閉聲屏障1處，長約847.25 m，線路形式為橋梁，橋高約15 m。京雄城際橋梁地段全封閉聲屏障為國內外首例時速350 km高速鐵路橋梁全封閉聲屏障。為探究其降噪效果，采用Actran軟件，建立京雄城際橋梁地段的全封閉聲屏障仿真模型，預測全封閉聲屏障的降噪效果，同時在列車提速試驗期間研究分析其實際降噪效果，為以后工程應用提供依據。

2 全封閉聲屏障仿真模型建立

根據噪聲源辨識測試結果顯示，高速鐵路噪聲在200～5 000 Hz范圍內；橋梁結構噪聲主要頻率為1 500～2 500 Hz，考慮橋梁結構振動可能引起半封閉和全封閉式聲屏障二次結構噪聲，結構振動的有效計算頻率應不小于2 500 Hz。為保證純聲學仿真，選用的軟件應能同時滿足聲學與結構振動的低頻計算和較高頻計算需要。Actran提供的二維仿真模型能將鐵路噪聲源視為線聲源，并假設聲源特性和鐵路線聲學特征不沿線路方向變化，其結果與三維無限長模型計算結果等效，能夠滿足仿真要求[10-11]，因此，本研究選用Actran軟件建立仿真模型。

2.1 建立聲學有限元-無限元模型

全封閉式聲屏障的二維聲學有限元模型包含整個聲屏障框架結構以及簡支梁。圖1為橋梁段全封閉聲屏障二維有限元-無限元仿真模型，主要包含橋梁、軌道板、護撞墻、聲屏障等，計算聲屏障對近軌列車噪聲降噪效果，列車和橋梁結構幾何模型參照通用圖繪制并做簡化處理。因橋梁結構噪聲不受聲屏障影響，出于簡化計算模型的目的，用圖2模型單獨計算后疊加至總噪聲中。

圖1 考慮橋面以上聲源的全封閉聲屏障聲學仿真模型

圖2 只考慮橋梁結構噪聲的全封閉聲屏障聲學仿真模型

2.2 設定聲學邊界條件

聲學邊界條件可表征各種障礙物對噪聲的反射、吸收和衍射作用[12]。橋梁段聲屏障聲學仿真模型只包含1處吸聲邊界即聲屏障內側，實際測試路段橋梁高10m，因此，模型中不考慮地面對聲場的影響。其余聲學邊界如列車表面、高架橋、鋼軌、軌道板、聲屏障背板等結構表面均設為不吸聲的全反射邊界。混響室法測得的通用聲屏障單元板1/3倍頻程吸聲系數如表1所示。

表1 混響室法測得的金屬聲屏障面板吸聲系數

2.3 設立全封閉聲屏障等效聲源

仿真時采用的聲源應與環境噪聲評價量相對應，環境噪聲評價量均為規定時間內均聲壓平方的平均值或疊加值，即列車遠場輻射噪聲的綜合效果而輻射噪聲的瞬態量[13]。因此，可對高速鐵路噪聲源辨識所得到列車表面噪聲源進行簡化和等效，獲得仿真預測模型中的線聲源，以線聲源等效替代列車表面實際聲源。轉向架、受電弓、車頭等部位噪聲源并非線聲源，其遠場輻射噪聲LAeq，Tp與等效線聲源的遠場LAeq，Tp相同，因此也可以用等效線聲源表示。

線聲源等效方法是在線路方向求每個高度下所有點聲源強度的平均聲強，再按式(1)計算每條線聲源單位長度的輻射聲功率。在高度方向，分別計算橋面以上等效聲源和橋梁結構聲源。橋面以上聲源考慮列車表面聲源位置分布特性，從軌面以下0.4 m至軌面以上5.6 m，每隔0.2 m設置一個線聲源，共計31條；橋梁結構從軌面以下2.8 m至軌面以下0.8 m，每隔0.2 m設置一個線聲源，共計11條。由于列車長度超過200 m，因此在線路方向上，聲源模型假設為無限長線聲源，且頻譜特性在線路方向不發生變化。

(1)

式中，A為聲源幅值；ρ為曲率半徑；ω為角速度；W為輻射聲功率。

根據津秦高鐵聲源識別計算結果，確定各部分等效聲源的聲功率，進而確定聲學仿真模型中噪聲源的大小。350 km/h速度下CRH380動車組噪聲辨識噪聲源分布云圖如圖3所示。

圖3 350 km/h下CRH380動車組噪聲源分布云圖

各區域輻射聲功率的1/3倍頻程A計權頻譜如圖4所示。A計權頻譜中的低頻噪聲不再具有優勢。橋梁結構噪聲主要出現在1 500～2 500 Hz；輪軌區噪聲在500～4 000 Hz范圍內均較強，在500～2 000 Hz范圍以下尤為突出；車體下部噪聲在500～1 600 Hz之間較強，且在500 Hz以上隨頻率升高而下降。

圖4 350 km/h速度下CRH380動車組按高度劃分的噪聲源1/3倍頻程譜

各區域噪聲對噪聲總能量貢獻的比例，A計權條件如圖5所示，輪軌區噪聲和車體下部噪聲所占比例明顯上升，分別達到48%和25%，橋梁結構噪聲所占比例下降到18%，車體上部噪聲所占比例下降到6%，集電系統噪聲所占比例提升至4%。

圖5 350 km/h速度下CRH380動車組按高度劃分的噪聲源能量貢獻百分比

通過聲源辨識測試，得到車體各部位的聲源輻射功率，通過計算可得Actran軟件計算所用的噪聲源幅值。

3 全封閉聲屏障降噪效果預測

3.1 全封閉聲屏障降噪效果

根據建立的模型及聲學邊界條件、等效聲源，在不考慮橋梁結構噪聲、聲屏障二次結構噪聲時，計算分別得到無、有聲屏障條件下單車及會車時通過橋梁時的噪聲輻射云圖，在距線路外軌中心線25 m處，距軌面3.5 m高處布置噪聲測點，讀取得出受軌面以上聲源影響的受聲點處通過噪聲1/3倍頻程頻譜，如表2所示。

表2 受聲點處1/3倍頻聲壓級

無聲屏障情況下，單車通過時總A計權聲級為105.8 dB(A)，會車時總A計權聲級為107.1 dB(A)，有聲屏障情況下，單車通過時總A計權聲級為85.6 dB(A)，會車時總A計權聲級為86.6 dB(A)，設置聲屏障倍頻程頻譜聲壓級變化如圖6、圖7所示。實施全封閉聲屏障后，其插入損失值為20.2～20.5 dB(A)，相對于低頻噪聲而言，設置全封閉聲屏障后對高頻噪聲的降噪效果更加明顯。

圖6 單列車通過時設置與不設置聲屏障時受聲點處1/3倍頻聲壓級

圖7 會車時設置與不設置聲屏障時受聲點處1/3倍頻聲壓級

3.2 吸聲材料對全封閉聲屏障降噪效果影響

吸聲材料是影響鐵路聲屏障降噪效果的重要因素之一[14]，為研究全封閉聲屏障吸聲材料設置對全封閉聲屏障插入損失的影響，利用計算模型，考慮采用吸聲材料后聲屏障隔聲性能不變條件下，比較全封閉聲屏障內壁設吸聲材料對其插入損失的影響，在全封閉聲屏障壁表面設置聲阻抗的邊界條件，用以模擬鋪設的吸聲材料。其值可采用Delany-Bazley經驗公式得到

(2)

式中，Zn為吸聲材料阻抗；c為空氣中聲速；ρ0為空氣密度；f為頻率；σ為材料流阻。選取無機硅酸鹽作為吸聲材料，材料表面流阻取5 000 N/m3，在模型中節點上施加聲阻抗的邊界條件。該材料的相對聲阻抗率如表3所示。

表3 材料的相對聲阻抗率

從表3可以看出，框架式聲屏障安裝吸聲板后，其吸聲降噪效果明顯改善，特別是全封閉聲屏障內輻射噪聲的高頻成分明顯降低，如圖8所示。聲屏障內側設置或不設置吸聲材料的情況下，全封閉聲屏障內部混響場總噪聲級差值為8.3 dB(A)，設置吸聲材料在高頻段有較為顯著的降噪效果。結合全封閉聲屏障透射聲、聲屏障二次結構噪聲、橋梁噪聲，距線路外軌中心線25 m、距軌面3.5 m處噪聲測點聲壓級如表4所示。

圖8 吸聲材料降噪效果計算結果

表4 距線路外軌中心線2 m、距軌面3.5 m處噪聲測點聲壓級 dB(A)

列車通過全封閉聲屏障時，輻射噪聲在屏障內部短時間多次反射疊加，形成混響，屏障內部噪聲能量密度和幅值普遍明顯高于明線路段同一位置的噪聲。此時，應將混響聲場視為對環境噪聲有實際影響的聲源，混響聲場平均能量密度決定了噪聲幅值。在聲屏障隔聲量一定的條件下，須在全封閉聲屏障內側安裝吸聲材料，降低混響聲場，否則混響引起的噪聲提高一定程度上抵消了隔聲產生的降噪效果[15-16]。

4 現場測試及分析

4.1 測試布點

國際標準ISO 3095-2013對于高速列車噪聲型式試驗所要求的環境條件、軌道狀態、測量點位(標準測點、附加測點)、測量量、試驗程序、數據處理等方面有詳細規定[17-18]。根據ISO 3095-2013要求，當測試列車速度≥200 km/h時，輻射噪聲的標準測點通常布置在水平向距軌道中心線25 m、垂向距軌面3.5 m處，鐵路邊界噪聲測試各斷面測點布置如圖9、圖10所示。

圖9 全封閉聲屏障斷面聲屏障噪效果測點布置(單位：m)

圖10 全封閉聲屏障區段聲屏障測點現場

4.2 測試方法

本研究參照GB 12525—1990《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》等規定的方法[19]。噪聲測試利用多通道數據采集儀，測試動車組以不同速度通過聲屏障插入損失變化情況，評價鐵路環境噪聲及聲屏障降噪效果是否滿足相關標準及設計要求。為此，在2020年9月21日至10月9日，CRH380AJ—0201綜合檢測列車提速試驗期間，搭載開展了噪聲測試，檢測線路為上行線，共測試了48組有效數據，列車每個速度噪聲均測試2次以上，最高速度385 km/h。本次噪聲檢測中測試斷面分布及邊界條件匯總如表5所示。

表5 測試斷面分布及邊界條件

4.3 數據分析

通過對現場測試數據分析，其結果如表6所示。當綜合檢測列車以180～385 km/h速度通過全封閉聲屏障時，距軌道中心線25 m、垂向距軌面3.5 m處，實測插入損失值為17.0～20.6 dB(A)；當綜合檢測列車以350 km/h速度通過全封閉聲屏障時，插入損失值為19.8～20.1 dB(A)，滿足設計降噪效果要求和國家、行業相關標準[20]。

表6 全封閉聲屏障插入損失值

5 結論

京雄城際鐵路橋梁地段全封閉聲屏障為國內外首例時速350 km高速鐵路橋梁全封閉聲屏障，通過仿真模擬和現場測試，對京雄城際鐵路北落店村段全封閉聲屏障降噪效果進行深入研究，得出如下結論。

(1)通過仿真模擬發現，設置全封閉聲屏障后，噪聲插入損失值在20.2～20.5 dB(A)之間，而聲屏障內側設置吸聲材料，與不設置總噪聲級差值為8.3 dB(A)，頂部開口與否對聲屏障降噪效果影響僅有0.4 dB(A)。

(2)在現場測試中，發現當綜合檢測列車以180～385 km/h速度通過全封閉聲屏障時，距軌道中心線25 m、垂向距軌面3.5 m處，實測插入損失值為17.0～20.6 dB(A)，滿足國家相關標準要求。

該成果目前已成功運用于京雄城際全封閉聲屏障的設計和施工，在京雄城際聯調聯試階段，經檢測其降噪效果顯著、各項指標優異，整體系統協調，已成為京雄城際上一大技術亮點,全封閉聲屏障已成為該工程一道靚麗風景。

該成果在京雄城際鐵路上的成功應用，建立了高速鐵路全封閉聲屏障降噪設計技術體系，對于推動高速鐵路噪聲防治技術的進步和發展，提高高鐵沿線居民聲環境質量具有十分重要的意義，對于今后類似聲屏障設計具有指導意義，為高鐵“近城靜音”提供了有益借鑒，研究成果具有較強的經濟、環境和社會效益。