顶端降噪器在城区铁路声屏障工程中的应用

韩亚丽

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

铁路的快速发展在给铁路客货运输带来生机与活力的同时，也使得铁路环境噪声状况越来越严重。如何降低铁路噪声影响已成为铁路建设尤为关注的问题。通过铺设无缝线路，低噪声车辆等从声源来有效控制噪声的办法不能达到满意效果。通过对受声点采取隔声窗来防治噪声影响，是一种被动的防治措施，且很难实施。根据国内外经验，从声传播途径控制即建造吸声屏障、隔声墙等，是迄今为止解决铁路噪声问题用得最多、最有效的手段。一般情况下，为提高声屏障的插入损失，通常采用的方法是提高声屏障的几何高度。但声屏障太高可能会侵入某个构筑物的限界，对铁路运营安全构成威胁。结合西黄线铁路工程，对有限高要求，直立式声屏障又不能满足降噪要求时，探讨采用顶端降噪器提高声屏障降噪效果。

1 西黄线增二线工程声屏障设计

1.1 工程概况及存在的问题

西黄线增二线工程为北京西站至黄村站的铁路工程，线路长度22.3 km。列车运营速度目标值为120 km/h。沿线涉及到小马厂社区1栋29层楼，距离既有线路为25 m，距离增二线30 m，此段线路形式为平路基。根据西黄线增二线《环境影响报告书》要求，采取设置5.0 m高弧形声屏障的降噪措施，可降噪2.4～3.5 dB(A)，使敏感点处的噪声值为57.3～59.8 dB(A)，来满足铁路运行后列车噪声“不高于现状值”的降噪目标。

西黄线增二线目前已开通运营，电气化线路配有接触网(沿铁路上空架设的向电力机车供电的输电线路)，受既有线路的地形条件限制，环评报告提出的5 m高弧形声屏障侵入接触网线的安全保护距离，对电气化线路造成安全隐患。为保证接触网与声屏障间的安全距离，声屏障的高度必须有所降低。

在控制声屏障高度的前提下，如何保证噪声敏感点的噪声达标，成为该工程声屏障设计的关键问题。根据国内外的有关研究，在直立声屏障上端加装特定形状的降噪器可以提高声屏障的降噪效果。

1.2 设计对策设想

根据本工程的实际情况，铁路接触网高为5.3 m，其安全防护距离为1.3 m，声屏障高度不能超过4 m。施工设计时考虑采用声屏障+C型顶端降噪器来实现环评报告中要求的降噪效果。国内研发的一种顶端降噪器(QBT－C型)高度约为0.41 m，声屏障高度则应为3.5 m。即要使3.5 m高声屏障顶端+C型顶端降噪器与环评中的5 m高弧形声屏障达到等效。见图1。

图1 声屏障全新方案(单位:m)

2 顶端降噪器应用可行性分析

2.1 降噪原理(图2)

声屏障顶端降噪器是指置于声屏障顶端，通过其特有的声学结构，降低绕射声影响的一种装置。声屏障顶部既是声波的绕射点，又是亮区与声影区的分界点。靠近屏障上边缘的入射声场对绕射声场有明显贡献，这种贡献可以等价地看成是由屏障上端边缘处虚线声源产生的。如果能减小隔声屏障顶端的虚拟声源强度，就可以减弱声屏障背后的声压，提高声屏障的总体降噪效果。声屏障顶端降噪器正是基于此原理而研究和开发设计。目前，日本、韩国等已在工程实际中应用的声屏障顶端降噪器按其声学原理大致可分类为吸声型、干涉型、共振型以及混合型4种。

图2 声屏障与顶端降噪器降噪原理

在传统声屏障技术条件下(顶部无顶端降噪器)，轮轨噪声在列车侧面与声屏障之间多次反射将造成声屏障顶端声能集中，使声屏障的高度边际效应递减，工程性价比锐减。声屏障直立结构仅对直射噪声起到一定阻隔作用，对绕过屏障顶端的绕射声无能为力，在声屏障顶端形成二次噪声源，降低了声影区的降噪效果。传统声屏障顶端存在的声波绕射，以中、低频噪声的绕射尤为突出。顶端降噪器可有效削减顶端绕射声，提高全部声影区的降噪效果。

C型顶端降噪器是一种干涉型降噪器，是根据2个同频率且相位相反声波相干涉原理设计而成。反射腔室按噪声源的特定频率的1/4波长设置，进入该反射腔室的某一噪声频率经反射在该装置入口处与同频率的声波相位正好相反或接近相反，相互干涉使入口处该频率声压趋于零，不同腔深对应的不同频率声压趋于零，且奇数倍的频率也被干涉降压，实现宽频域范围的绕射声的递减。

C型顶端降噪器安装于传统声屏障顶端，通过干涉消减声屏障顶端的绕射声，特别针对中低频噪声有非常明显的附加降噪区。

2.2 C型顶端降噪器降噪效果

2.2.1 铁路列车运行噪声频谱特性

实测数据及计算结果表明，列车运行速度越大，其噪声等效频率越大。对于运行速度50～80 km/h的货车其能量主要集中在300～1 000 Hz，其等效频率为750 Hz。运行速度90～120 km/h的客车其能量主要集中在400～3 000 Hz，其等效频率为1 000 Hz。运行速度在180 km/h以上动车组其能量主要集中在500～4 000 Hz，其等效频率为 1 600 Hz。

实测铁路列车运行噪声频谱有如下特征:

(1)低频区域声级明显低于中、高频噪声声级;

(2)峰值频率基本在500～2 500 Hz;

(3)＞5 000 Hz时噪声声级随频率直线下降。

2.2.2 顶端降噪器频谱特征

QBT-C型顶端降噪器是针对250～1 250 Hz 1/3倍频程频率设计腔室，降低250～1 250 Hz 1/3倍频程频率及其奇数倍频率噪声，其声学特性基本符合铁路噪声频谱特性。

2.2.3 顶端降噪器附加降噪量

QBT－C型顶端降噪器的降噪效果预测值根据铁道部产品质量监督检验中心在混响室测定的附加降噪量以及铁路上海南站工程和太中银铁路工程实测的附加降噪量约为2 dB(A)。

通过场地和现场实测数据分析可知:

(1)直立型声屏障的降噪效果主要表现在中、高频区域，特别是高于1 250 Hz的高频区域比较显著，而中、低频区域效果较差;

(2)直立型声屏障的降噪效果主要体现在低于声屏障高度的声影区，高于声屏障高度的声影区，随高度上升，其降噪效果显著下降。

本项目在3.5 m高直立型声屏障的顶端安装QBT－C型顶端降噪器作为声屏障的补强措施，正好弥补直立型声屏障的上述2个缺陷。在降噪的频率特性上，因QBT－C型顶端降噪器恰好针对250～1 250 Hz 1/3倍频程中心频率设计空腔，对250～1 250 Hz 1/3倍频程频率及其奇数倍的频率具有较强的降噪效果，正好弥补直立型声屏障在中、低频区域的补充降噪作用。在3.5 m高直立型声屏障的顶端安装QBT－C型顶端降噪器是为了消减顶端的虚拟声源，降低声屏障的绕射声在声影区的影响。因此，安装QBT－C型顶端降噪器不仅降低低于3.5 m高度的声影区的绕射声，而且对高于3.5 m声屏障高度的声影区的绕射声也具有同样的降噪效果。

3 应用效果预测

3.1 5 m高弧形声屏障降噪效果预测

根据西黄线列车运行参数，采用模式法预测，预测噪声敏感点处经采取5 m高弧形声屏障后噪声等效声级，计算结果见表1。

表1 5 m高弧形声屏障敏感点噪声预测(采取措施后)dB(A)

3.2 3.5 m高声屏障+顶端降噪器的降噪效果预测

同样采用模式法预测设置3.5 m高声屏障+QBTC型顶端降噪器措施后，敏感点处的噪声等效声级，见表2。

表2 采取顶部降噪器方案后降噪效果预测 dB(A)

由预测结果比较可以判定，3.5 m高直立式声屏障+QBT-C型顶端降噪器(总高度3.91 m)方案，满足5.0 m高弧形声屏障的降噪要求。

4 现场实测验证

2013年本工程的竣工环境保护验收调查报告中对设置3.5 m高声屏障+QBT-C型顶端降噪器的小马厂社区进行了降噪效果监测，同时对QBT-C型顶端降噪器附加降噪量进行了验证，测点布置见图3。

监测结果表明，采取措施后敏感点处噪声级为57.1～59.5 dB(A)，根据《声屏障声学设计和测量规范》(HJ/T90—2004)规定的公式(17)计算得出，干涉器的附加降噪量为0.9～4.6 dB(A)，满足设计要求。

图3 QBT-C型顶端降噪器附加降噪量监测(单位:m)

5 工程降噪措施结论

(1)本项目为既有线电气化改造项目，在西黄铁路现状条件下首先要保证安全、满足建筑限界要求。比较原方案，设置3.5 m高直立型声屏障顶部加装QBT－C型顶端降噪器方案，距离上部供电线路具有更多的安全距离。QBT－C型顶端降噪器由绝缘材料制成，就电气安全方面多一份保障。

(2)声学性能上，采用的QBT－C型顶端降噪器具有明显的中、低频降噪特性。西黄线经改造后列车运行速度不大于120 km/h，声源以轮轨噪声为主，其噪声频谱以中、低频为主。QBT－C型顶端降噪器对此频段噪声具有明显降噪效果。而且对于远场(大于100 m的声影区)的降噪贡献会较大，保证达到原方案的声学效果。

(3)西黄线为既有线铁路，承担着繁忙的运输任务。施工安全要求高、施工条件差。采取加装顶部降噪器方案，施工简便、安全风险低、安装效率高、无需大型吊装设备和施工机具。

6 建议

既有电气化铁路改造工程中声屏障遇到限高问题，可采取声屏障+顶端降噪器的措施整改。同样，在桥梁预留荷载不足时，也可以采取此种办法解决降噪效果与荷载不足的矛盾，因此铁路设计中要充分考虑各构筑物与声屏障的关系，通过加设顶部降噪器既能保证铁路运营安全，又能保证降噪效果。

［1］苏卫青.客运专线声屏障设计中等效频率的确定［J］.铁道标准设计，2006(7):100-101.

［2］陈林.铁路声屏障插入损失分析计算［J］.四川理工学院学报:自然科学版，2009(2):122-124.

［3］尹皓，朴泰善，曾凤柳，白晓军，步青松，李龙煜，姜召福.声屏障顶端降噪器研究进展［J］.铁道劳动安全卫生与环保，2012(5):235-234.

［4］尹皓.干涉型声屏障结构的研究［J］.铁道劳动安全卫生与环保，2007(5):205-207.

［5］苏卫青，潘晓岩，叶平.高速铁路声屏障声学计算模式研究［J］.中国铁道科学，2013(1):126-130.

［6］刘荣珍，杨新文，李艳敏.高速铁路声屏障几何形状对降噪效果的影响［J］.计算机辅助工程，2009(1):43-46.

［7］马筠.对高速铁路声屏障降噪效果影响因素的探讨［J］.铁道劳动安全卫生与环保，2008(1):5-8.

［8］国家环境保护总局.HJ/90—2004 声屏障声学设计和测量规范［S］.北京:国家环境保护总局，2004.

［9］焦大化，钱德生.铁路环境噪声控制［M］.北京:中国铁道出版社，1990:229-230.

［10］中华人民共和国环境保护部.HJ2.4—2009 环境影响评价技术导则声环境［S］.北京:中国环境科学出版社，2010.