我国高速铁路声屏障应用效果分析

李晏良（中国铁道科学研究院，北京　100081）

我国高速铁路声屏障应用效果分析

李晏良
（中国铁道科学研究院，北京100081）

对我国高速铁路典型声屏障的应用效果开展了现场试验研究。结果表明：我国高速铁路声屏障降噪效果随车速增加而降低；声屏障中部和端部降噪效果有较大差异；声屏障降噪效果可将高速动车组噪声源等效为一定高度的线声源来进行预测。为推动我国高速铁路声屏障理论发展和提高实际应用效果，迫切需要进一步开展高速动车组噪声源识别研究。

高速铁路；声屏障；降噪效果；线声源

随着我国高速铁路的大量建设，铁路噪声的影响日益引起人们的关注。声屏障作为有效降低噪声的措施，在国内外高速铁路沿线被普遍采用。德、法、日、英、美等国的研究人员分别从声屏障降噪理论、声屏障的结构形式等方面对声屏障开展研究，建立了声屏障降噪效果预测模型，并取得了良好的社会经济效益［1］。声屏障的降噪理论根据其发展历程可分为几何与波动声学理论、试验与半经验理论、边界元理论等［2］。我国的《环境影响评价技术导则声环境》（HJ 2.4—2009）和《声屏障声学设计和测量规范》（HJ/T 90—2004）中规定了无限长声屏障的插入损失计算公式。文献［3］按照高速铁路噪声源分布特征建立了声屏障对噪声衰减的预测公式。文献［4］基于边界元理论，并利用高速动车组车外噪声源识别结果建立了声屏障降噪效果的有限元预测模型。

虽然相关科研单位及高校近些年对国内外声屏障现状不断进行调查分析，但从深度和广度来看，目前仍不能满足进一步开展声屏障技术深化研究的需要。因此，需对我国高速铁路声屏障应用效果开展全面深入的实际测试工作，分析给出不同结构形式、不同材质声屏障的降噪效果，以进一步开展声屏障技术深化研究。本文结合高速铁路联调联试及综合试验，对声屏障的降噪效果开展了大量现场试验，并根据声屏障的结构形式、材质、高度等分类整理其降噪效果和声学性能特征，进而提出继续开展声屏障技术深化研究的工作建议。

1　我国高速铁路声屏障应用现状

我国铁路声屏障研究已有30多年的历史［5］，经历了基础研究阶段（1985—1995年）、示范工程应用阶段（1995—2005年）、规模应用阶段（2005年至今）3个发展阶段［5］。目前我国高速铁路声屏障以系列声屏障标准图为基础，已实施的总长度超过4000 km。

我国高速铁路声屏障按照运行速度分为250 km/h客运专线声屏障和350 km/h客运专线声屏障；按照线路形式分为路基段声屏障和桥梁段声屏障；按照材质分为金属声屏障和非金属声屏障；按照结构形式分为插板式声屏障和整体式预制混凝土声屏障。插板式声屏障约占声屏障总数量的90%以上。整体式预制混凝土声屏障仅在福厦、厦深、海南东环线等少数线路上应用。在声屏障高度上，桥梁插板式声屏障多为2.15 m高，路基插板式声屏障多为2.95 m高，部分线路为进一步提高降噪效果，在顶端增加0.5 m或1.0 m透明的亚克力隔声板。此外，对部分有特殊要求的低速路段设置了5～8 m直立式声屏障或折角式、半封闭声屏障。

2　高速铁路声屏障应用效果现场试验研究

声屏障降噪效果以声屏障插入损失来衡量，其现场测试方法依据HJ/T 90—2004和《客运专线铁路工程竣工验收动态检测指导意见》（TB 10761—2013），采用间接法进行测试。计算公式为

式中：IL为声屏障插入损失；Lref，a为声屏障安装后参考点处的A声级，dB（A）；Lref，b为在等效场所参考点处测量的声屏障安装前的A声级，dB（A）；Lr，a为声屏障安装后受声点处的A声级，dB（A）；Lr，b为在等效场所受声点处测量的声屏障安装前的A声级，dB（A）。

选取大西、武广等高速铁路进行声屏障降噪效果现场试验测试，各线路边界条件见表1。

2.1声屏障插入损失与动车组速度的关系分析

高速动车组噪声源主要由轮轨噪声、空气动力噪声、集电系统噪声等组成。动车组速度不同，各噪声源贡献量亦发生变化，对声屏障降噪效果会产生影响。带声屏障的高速铁路噪声传播如图1所示。

图1　带声屏障的高速铁路噪声传播示意

根据测试结果对声屏障降噪效果随速度变化规律进行了统计分析。大西高速综合试验段路基插板式金属声屏障测点布设在距外侧轨道中心线25 m，轨面以上0，1.5，3.5和5.0 m处。杭甬铁路路基及桥梁金属插板式声屏障测点布设在距外侧轨道中心线25 m，与轨面齐平处［6］。不同高度声屏障插入损失与速度的关系见图2。

图2　不同高度声屏障插入损失与速度的关系

由图2可知，随动车组速度增加，声屏障的降噪效果呈降低趋势，这是由于动车组速度增加，集电系统噪声、空气动力噪声等动车组上部噪声增大，等效声源高度增加，逐渐降低了声屏障的防护作用。动车组以250 km/h以下速度运行时，距线路25 m、轨面以上0 ～5 m高度范围内，声屏障降噪效果相差不大。根据声屏障降噪原理，距线路25 m处，对于轨面以上2 m高声屏障，轮轨区域噪声完全处于声影区范围，而车辆上部集电系统噪声则全部超出声影区范围。因此对于距线路25 m处轨面以上0～5 m高度范围内，不同高度降噪效果差异主要受车体不同部分的噪声贡献量影响，说明动车组速度在250 km/h以下时车体空气动力噪声所占总声能量比例较小。

2.2声屏障插入损失与敏感点位置的关系分析

为达到理想的声屏障插入损失，除了保证声屏障具有一定的高度外，还应在目标范围以外向两端延伸一定的附加长度［7］。为给声屏障加长量的设计提供数据支撑，在津保铁路对声屏障中部及端部（测点距端部10 m）降噪效果的差异进行了测试和对比分析［8］。此外，根据武广声屏障现场测试结果，对声屏障降噪效果随敏感点距离变化规律进行了统计分析。津保声屏障测点布设在距外侧轨道中心线30 m及60 m，地面以上1.2 m处；武广声屏障测点布设在距外侧轨道中心线15 m及25 m，轨面高度处。不同敏感点声屏障插入损失与速度的关系见图3。

图3　不同敏感点声屏障插入损失与速度的关系

由图3可知，武广线桥梁插板式金属声屏障测点距离由15 m增加到25 m、津保线路基插板式非金属声屏障测点距离由30 m增加到60 m，声屏障降噪效果降低1～3 dB（A）。因此可以得出，在一定距离范围内，敏感点距线路距离加倍，声屏障降噪效果降低1～3 dB（A）。相同距离下，声屏障端部降噪效果较中部有明显的降低，距离越远，声屏障降噪效果降低越明显，因此在设计声屏障长度时需特别注意在声屏障两端留出足够的附加长度。

3　声屏障插入损失理论计算与实测对比分析

根据HJ 2.4—2009和HJ/T 90—2004，线声源、无限长声屏障的降噪效果计算公式为

式中：ΔLd为插入损失；f为声波频率，Hz；δ为声程差，m；c为声速，m/s。

目前铁路声屏障声学计算通常采用单声源模式，将声源位置假定为轨面以上某一高度，而声源高度选取的适宜与否直接影响计算的准确度［9］。以西宝铁路和津秦铁路声屏障为例，按式（2）计算不同等效声源高度（0.5，1.0，2.0 m）的降噪效果，并与300 km/h速度下现场测试降噪效果比较，以初步确定较为合理的等效声源高度。计算的声屏障降噪效果与实际测试结果比较见图4。可知在300 km/h速度下，将高速动车组噪声源等效为2 m高的线声源，声屏障插入损失计算结果与实测数据吻合得相对较好。

计算的插入损失与实测值有一定的差异，主要是由于高速动车组噪声源分布不均匀，声屏障对不同高度处的噪声传播的降噪效果不同，等效为一定高度的线声源作了较多的简化。此外，实际声屏障并不是完全阻断直达声，对不同频率声音的吸声系数也不同，与计算时的理想化情况存在差异。总体来说，将高速动车组噪声源等效为一定高度的线声源可以得到较为准确的计算结果，但需要在大量实际测试的情况下，对不同运行速度下的等效高度作进一步的对比研究。

图4　不同等效声源高度计算的声屏障与实测比较

若根据高速动车组噪声源识别结果，将噪声源分为轮轨噪声、车体噪声和集电系统噪声3部分，按照每部分所占贡献量分别对声屏障降噪效果进行计算，可以得到更为准确的结果。目前，铁科院、铁三院、北京交大、西南交大、中南大学等单位分别在京津、京沪、京广、津秦等高速铁路开展过噪声源识别相关试验研究。试验结果表明，轮轨区域噪声是最主要的噪声源，300 km/h及350 km/h速度时约占总声能量50%及以上。初步按照350 km/h速度时轮轨噪声、车体噪声和集电系统噪声3部分所占总能量比例分别为50%，30%和20%来进行计算。计算过程中，轮轨、车体和集电系统噪声源等效位置分别取距轨面高度为0.5，2.0和4.5 m。各测点处的动车组辐射噪声总能量按武广高铁现场测试结果并以1/3倍频带频谱形式给定，分别计算各噪声源分频带插入损失值，最终给出受声点处总A计权插入损失预测值［10］。武广高铁声屏障插入损失计算值与实测值比较见表2。

表2　武广高铁声屏障插入损失计算值与实测值比较dB（A）

可以发现，按动车组不同部分噪声贡献量分别进行声屏障插入损失预测，可以进一步提高计算准确度。建议按照高速动车组噪声源的分布及能量占比的特点细化多条不同位置的等效声源来进行声屏障插入损失预测。这一设想需结合高速铁路噪声源识别的深化研究进一步开展工作。

4　结论与建议

1）随着动车组速度增加，动车组上部噪声贡献量增大，等效声源高度增加，声屏障的降噪效果呈降低趋势。

2）在距线路60 m范围内，敏感点距线路距离加倍，声屏障降噪效果降低1～3 dB（A）。相同距离下，声屏障端部降噪效果较中部明显降低，因此在声屏障设计时需特别注意预留附加长度。

3）将高速铁路噪声源等效为具有一定高度的线声源，以此预测声屏障的降噪效果具有一定的可靠性和应用价值，但由于高速铁路噪声源的复杂性，仍有很大的改进和优化空间。

为进一步提高声屏障降噪效果和丰富声屏障降噪理论，建议深化研究在不同速度时等效线声源的高度，同时进一步开展噪声源识别研究，按照高速动车组噪声源的分布及能量占比的特点细化多条不同位置的等效声源来进行声屏障插入损失预测。

［1］尹皓，刘兰华，李晏良，等.高速铁路声屏障研究现状及发展趋势［J］.铁路节能环保与安全卫生，2015，5（4）：148-151.

［2］吴洪洋.道路声屏障降噪理论的研究进展［J］.噪声与振动控制，2006（3）：85-88.

［3］雷晓燕.高速铁路噪声计算方法［J］.中国铁道科学，2005，26（4）：3-4.

［4］周信，肖新标，何宾，等.高速铁路声屏障降噪效果预测及其验证［J］.机械工程学报，2013，49（10）：14-18.

［5］辜小安，郭怀勇，周铁军，等.我国铁路声屏障发展概况［J］.铁路节能环保与安全卫生，2015，5（4）：143-147.

［6］中国铁道科学研究院.杭甬铁路动态检测报告［R］.北京：中国铁道科学研究院，2013.

［7］张丽娟，张斌，卢文成，等.高铁声屏障附加长度防护效果理论与实测的对比分析［J］.噪声与振动控制，2014，34（增1）：75-77.

［8］中国铁道科学研究院.津保铁路动态检测报告［R］.北京：中国铁道科学研究院，2015.

［9］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，2013，34（1）：126-130.

［10］中国铁道科学研究院.声屏障降噪效果及结构气动力影响现场试验研究报告［R］.北京：中国铁道科学研究院，2010.

（责任审编李付军）

Analysis on Application Effects of Noise Barrier of High Speed Railway

LI Yanliang
（China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T he field test of the typical noise barrier application effect in China high speed railway was made.T he results showed that the noise reduction effect of noise barrier in high speed railway decreases with the speed increasing and there was a big difference of noise reduction effect between the middle and end of noise barrier，and noise reduction effect of noise barrier should be used for prediction by taking the noise source of high speed EM U （Electric M ultiple Unit）as a linear noise source with certain height.Further research on noise source identification of high speed EM U is urgently needed for promoting the noise barrier theoretical development of high speed railway in China and improving the practical application effect.

High speed railway；Noise barrier；Noise reduction effect；Linear sound source

U214.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.41

1003-1995（2016）08-0164-04

2016-03-21；

2016-04-19

中国铁路总公司科技研究开发计划（2015Z003-A）

李晏良（1983— ），男，副研究员，硕士。