新型城市高架轨道交通声屏障的研究

龚 辉， 邱贤锋， 王巧燕， 李晓东

（上海船舶运输科学研究所 环境分所，上海200135）

0 引 言

为改善城市交通，全国各大中型城市均加快了城市轨道交通的建设。轨道交通主要分为地下线、地面线和高架线3种型式，其中高架线路具有投资少，建设快，运管维护方便且费用低等优点，在各城市特别是近郊广泛采用。但是高架轨道交通具有噪声源强大，辐射面广的特点，给沿线居民带来的噪声影响突出，引发居民投诉，制约了高架城市轨道交通的推广。

声屏障是控制高架轨道交通噪声最主要的措施之一，现已被广泛采用，然而很多现有轨道交通声屏障降噪效果并不理想。通过调研分析现有轨道交通声屏障在声学设计方面存在的不足，结合轨道交通噪声特性，研究开发了新型轨道交通声屏障。实验室检测和实际应用结果显示，该新型声屏障吸声性能优良，降噪效果显著。

1 城市高架轨道交通噪声特性

城市高架轨道交通辐射的噪声分为空气声和结构声［1］。

空气声是指列车运行中直接产生并以空气为媒介传播的噪声，主要包括轮轨、列车设备、气流等产生的噪声，噪声产生后直接辐射至敏感建筑。据调查，我国城市轨道交通列车运行速度一般为50～80 k m／h，空气声以轮轨噪声为主［2］，声能量集中在250 Hz以上的宽频带［3］，通常在500～1 250 Hz之间出现宽频峰值［4］。

结构声主要由高架桥振动引起，列车通过高架桥梁时，由车轮和轨道的相互作用产生的振动通过扣件、枕木、道砟传递到桥梁，激发高架桥的桥面、防撞墙、桥墩等各个构件以及声屏障的振动，产生2次结构噪声向敏感目标辐射。结构声的声能量集中在250 Hz以下频段，通常在40～125 Hz有1个峰值声压［5］。

与地面线路相比，城市高架轨道交通辐射的噪声相对较大，其大小与高架桥结构、高度、轮轨特性以及列车的行驶速度有关。相关测试显示，列车经过时，城市高架轨道交通辐射的声压级很高，在距离外轨中心线10 m处A声级可达80～95 d B（A）。

2 现有高架轨道交通声屏障的不足

经过对北京、上海、广州等城市现有轨道交通声屏障的调研，发现其存在吸声性能不足，隔声量偏低，屏体共振引发二次结构声等问题，并导致总体降噪效果不理想。

2.1 吸声性能不足

城市高架轨道交通噪声低频声占比较高，且列车车体宽大，反射作用明显，因此要求轨道交通声屏障具有比道路声屏障更好的吸声性能，才能有效减少反射、绕射作用对屏障降噪效果的影响。实地调研发现，现有轨道交通声屏障大都采用穿孔板包裹吸声棉形式，很多还设置大面积透明非吸声屏体，吸声性能不足，在低频段的吸声性能较差。

2.2 隔声性能不足

列车经过时，城市高架轨道交通辐射的声压级很高，因此轨道交通声屏障必须具备更高的隔声量才能有效降低轨道交通噪声对两侧区域的影响。现有很多声屏障按照平均降噪量5 d B，隔声量15～20 d B的要求设计，但在实际情况中，平均降噪量5 d B往往包含了无列车经过时间，要求列车经过时的降噪量远高于5 d B，隔声量应按照列车经过时的降噪效果设计。

除了隔声材料的选择导致的屏体隔声性能不足外，上下屏体之间、屏体和立柱的缝隙是导致屏体隔声量不足的另1个重要原因，尤其是当屏体受列车通过产生的震动影响时，缝隙漏声更为明显。现有轨交屏障对此大都没有妥善处理。

2.3 屏体结构共振二次噪声

在列车经过时，由于受到高架桥梁振动的影响，屏体也会随之振动。现有的屏障未能消除防止屏体振动带来的2次结构噪声。频谱分析显示，在屏体共振2次结构声的影响下，很多轨道声屏障的声影区内，低频噪声不但没有被降低，反而出现噪声增加的现象［3］。

3 新型声屏障的研制

轨道交通噪声具有频率低、绕射能力强，能量大、辐射声级高，车体反射影响明显等特点，因此新型声屏障设计重点在低频段的吸声、隔声、减少绕射以及屏体减振方面予以考虑和革新。

据此提出屏体总体为直立屏＋顶部带吸声圆筒的结构形式，该新型声屏障的总体设计示意图见图1。

3.1 吸声性能优化

新型声屏障将复合通孔铝板制作成尖劈形式的吸声面板，内填50 mm厚的聚酯纤维吸声材料，并利用三元乙丙弹性密封条替代传统的钢弹簧对屏体进行固定，增加了屏体空腔厚度。该屏障联合应用了尖劈、微穿孔、吸声纤维及加大屏体空腔的措施，结合相关参数优化，大幅提高了屏体的吸声系数，同时改善了低频段的吸声性能。

图1 新型声屏障设计示意图

实施中，新型声屏障采用的复合通孔铝板制作由2层不同孔径的微孔组成，穿孔直径为0.5～0.8 mm，穿孔率为5%～10%，扩大了吸声频带宽度。复合通孔铝板被制作成断面形状呈等腰梯形的平顶尖劈，取消尖劈结构中对降噪效果影响较小的尖部，以达到大幅减小屏体总厚度的目的。等腰梯形的下底宽为100 mm，上底宽为40 mm，高为80 mm，尖部取消了40%的高度。

新型声屏障在空腔内填充了50 mm厚的聚酯纤维吸声材料，使得入射声波经过复合通孔铝板，部分经过共振衰减，其余部分继续向前传播。吸声材料进一步提高声阻率，提高声屏障的吸声效果。

3.2 隔声性能优化

新型声屏障采用1.4 mm的钢板作为背部钢板，根据平均隔声量的经验公式计算得出钢板的平均隔声量为28 d B。同时在钢板采用一定间隔的加筋处理，提高了板的刚度，从而提高了低频段的隔声效果。此外，通过在钢板表面喷涂阻尼材料，增大钢板的阻尼，可以提升高频吻合区的隔声量。

造成屏障隔声性能不足的另1个问题是漏声，包括屏体和立柱之间以及屏体和屏体之间的漏声。传统的声屏障在固定屏体和H型立柱时，采用30 mm厚的安装弹簧，相当于点固定，新型声屏障采用单管三元乙丙弹性密封条替代钢弹簧，相当于线固定，消除了屏体和H型钢之间的缝隙。同时，新型声屏障屏体之间及屏体和底板之间采用自粘发泡三元乙丙密封条防止漏声。

3.3 防止二次结构噪声的优化

传统的声屏障在安装过程中，由于屏体与屏体之间、屏体与基础之间均采用刚性连接，使列车经过时引起的高架桥梁振动容易引起声屏障的振动，产生二次噪声。新型声屏障在屏体与立柱之间均采用三元乙丙弹性密封条进行固定和密封，在屏体和屏体之间及屏体和底板之间采用自粘发泡三元乙丙密封条实现了软性连接，防止了声屏障二次结构噪声的产生。

4 新型声屏障吸声性能和降噪效果实测

为验证新型声屏障效果，开展了吸声性能实验室测试和降噪效果现场实测。

4.1 吸声性能测试

新型轨道交通声屏障在同济大学声学所进行了混响室吸声系数对比测试（见表1）。测试工况4为所研究的新型声屏障；测试工况1、2、3作为比对。表1中平均吸声系数为100～5 000 Hz的1／3倍频程吸声系数的算术平均值。图2为1／3倍频程吸声系数测试结果。

由表1和图2可知，新型声屏障在250～2 000 Hz的低中频段的吸声系数均在0.7以上，吸声性能较其他屏体有了很大的提升，降噪系数（Noise Reduction Coefficient，NRC）为0.95，平均吸声系数为0.86，吸声性能优良。

图2 4种测试工况的吸声系数对比

表1 新型轨道交通声屏障吸声性能测试工况及测试结果

4.2 降噪效果实测

4.2.1 测试方案

新型声屏障应用在上海轨道交通5号线，课题组对该新型声屏障的降噪效果进行了实测，监测断面见图3。测点N1高于轨面1.2 m，测点N2高于地面1.2 m。测点距离轨道中心线为30 m，轨面距离地面高度为8 m。

4.2.2 声屏障总体降噪效果分析

当列车从近侧轨道通过时，无屏障断面N2点的等效A声级为75.8 d B（A），有屏障断面为68.4 d B（A），声屏障的降噪效果为7.4 d B（A）；当列车从远侧轨道通过时，无屏障断面N1点的等效A声级为74.8 d B（A），有屏障断面为68.3 d B（A），声屏障的降噪效果为6.5 d B（A）；列车通过时段声屏障的平均降噪效果为6.9 d B（A）。因此安装声屏障使N1点的最大A声级平均降低了7.1 d B（A）。

以上分析可知，通过在高架轨道两侧安装新型声屏障，能够有效减少轨道交通噪声对两侧区域的噪声影响，降噪效果显著。

图3 声屏障监测断面示意图

5 结 语

针对现有轨道交通声屏障吸声、隔声性能不足以及屏体二次结构声等问题，通过屏体结构和材料的创新运用，研制了高架轨道交通新型声屏障。该新型声屏障吸声、隔声性能优良，有效地消除了屏体漏声和振动，综合降噪效果显著，非常适用于高架轨道交通。

［1］ J.Hargreaves，R.Sturt，M.Willf ord.A validated CAE method for predicting rail way viaduct structure－borne noise［C］.Internoise，2000.

［2］ Brons M.，Nijkamp P.，Pels E.，et al.Railroad noise：economic valuation and policy［R］.Transportation Research Part D 8（2003）：169－184.

［3］ 任京芳，刘扬，辜小安.北京城市铁路噪声环境影响现状和控制对策［J］.地铁与轻轨，2003（5）：17－20.

［4］ 张博，黄震宇，陈大跃.高架桥轨道系统的噪声源识别［J］.噪声与振动控制工程，2006，26（1）：46－48.

［5］ 朱妍妍，柳至和，段传波，等.城市轨道交通噪声特性研究［C］∥任洪岩.轨道交通行业环境影响评价技术研讨会论文集.北京：中国环境科学出版社，2011.