V型减载式声屏障降噪特性的试验研究

周立群，韩 健，何 宾，开 建，肖新标

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031；2.中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

铁路噪声严重影响铁路周边居民的生活和身体健康，通常在铁轨两侧设置声屏障来减小铁路沿线的噪声污染。随着高速列车速度的不断提高，列车持续脉动风压导致普通直立型声屏障的使用寿命减短，普通直立型声屏障已经无法满足安全性和稳定性等要求。为了解决这个问题，有学者提出了减载式声屏障的概念[1-2]，通过特定的结构来降低声屏障承受的气动荷载力，但不同的减载结构会对声屏障降噪效果造成不同的影响。

苏卫青[3]和周信[4]等国内学者对直立型声屏障的降噪效果进行了预测和测试分析。Ekici[5]和Morgan[6]等国外学者对直立型、倒L型、Y型、T型、多重边型、圆柱型等声屏障形式做了完整的总结。目前国内外针对减载式声屏障结构的研究较少，周强[7]通过仿真方法对减载式声屏障的降噪效果进行研究，但国内外对于V型减载式声屏障的降噪效果现场试验验证较少。为研究高速铁路V型减载式声屏障的降噪效果，本文通过实测高速列车经过户外时测点噪声，分析V型减载式声屏障的降噪效果及降噪特性，为今后高速铁路的声屏障设计和选取提供一定的工程应用方法。

1 高速列车的噪声及声屏障降噪原理

图1给出了减载式声屏障的结构示意图，其结构包括设置在两端的H型钢立柱和H型钢立柱之间的多块声屏障单元板，具有约为50%的开孔率。

图1 声屏障结构示意图

图2给出了声屏障的剖面图，V型单元板结构包括由V型吸声单元背板、V型吸声单元穿孔板组成的吸隔声结构和填充在吸隔声结构内的吸声材料。其中V型吸声单元背板和V型吸声单元穿孔板由铝镁合金材料构成，厚度为148 cm，倾角为20度。穿孔板的开孔率约为50%；吸声材料为岩棉，吸声系数在0.7以上。为了方便，以下将V型减载式声屏障简称为V型声屏障。

1.1 声屏障的插入损失

声波穿过声屏障时，沿反射、透射和绕射路径的声能分配对声屏障的插入损失具有重要的影响，如图3所示。

图2 声屏障剖面图

图3 声屏障的传播路径

声屏障的插入损失是衡量声屏障实际降噪效果的主要指标，用符号IL表示。IL的基本定义为在保持地形、地貌、地面和气象条件不变的情况下，同一噪声源在声屏障安装前后，在同一受声点上先后测定的噪声声压级之差，根据下式计算声屏障的插入损失。

Lref,a为安装声屏障后参考点处的声级，Lref,b为安装声屏障前参考点处的声级，Lr,a为安装声屏障后受声点处的声级，Lr,b为安装声屏障前受声点处的声级。

1.2 开孔声屏障的降噪机理

为了简化开孔声屏障降噪效果的研究，Elvira[8]对开孔声屏障的隔声机理进行验证，并且可进行精确的数值模拟。简化开孔声屏障如图4所示，P2发射一个平面波，到达空隙点P1，声压可表达为

式中A与声功率大小成正比，r21是声源和空隙点P1的距离，k是波数（k=π/λ）。

Fresnel-Kirchhoff衍射公式将受声点P0通过孔隙的声压表示为

图4 开孔声屏障示意图

式中：r01是受声点到孔隙的距离，θ21和θ01是对应着间隙面法向量的夹角。

如果将上述方程应用于V型声屏障，受声点P0最终声压表达式为

1.3 试验测点布置

根据ISO3095-2013，对距离轨道中心30 m的边界噪声进行测试。测点布置示意图如图5所示，其中测点M1位于轨面3.5 m高处。

图5 测点布置示意图

2 试验结果与分析

2.1 高速列车速度对测点声压级的影响

图6给出了某高速列车以250 km/h～360 km/h的速度运行时，测点在有、无声屏障时断面声压级大小及其与速度的拟合曲线，由此得到的3.95 m高V型声屏障插入损失随速度变化规律如图5所示。图中点画线代表测点在有、无声屏障时断面随速度变化的声压级，对应左侧Y轴；柱状图的值代表3.95 m高的V型声屏障的插入损失，对应右侧Y轴。

图6 测点声压级随速度变化关系图

当列车速度从250 km/h提高到360 km/h时，无声屏障区段声级从93.6 dB(A)增加到97.5 dB(A)，V型声屏障区段声级从80.0 dB(A)增加到87.3 dB(A)。安装声屏障后测点声压级下降，但相对无声屏障，此时声压级随速度的提高增幅更快，增幅要大3.4 dB(A)。

采用最小二乘法，对测点声压级与v进行对数拟合得到，无声屏障时

安装3.95 m高V型声屏障时

相关研究表明[9-10]，在250 km/h以内的速度范围内，噪声级大约以30 lgv速率增长，速度更高时，噪声级随速度变化斜率进一步增加，大约以60 lgv速率增长。而滚动噪声一般与30 lgv成正比，气动噪声与60 lgv成正比。故拟合曲线斜率为30时，测点噪声以轮轨噪声为主；曲线斜率为60时，噪声以气动噪声为主。无声屏障时曲线斜率为25.65，测点噪声以轮轨噪声为主；安装V型声屏障后曲线斜率增至49.46，此时测点气动噪声所占比例变大，这主要因为声屏障能够有效屏蔽列车下部噪声，而轮轨噪声主要来源于车下区域，而对于来自列车中上部的气动噪声抑制效果不如下部显著，因此，表现为加入声屏障后拟合曲线斜率增大的现象。

随着列车运行速度的增加，V型声屏障的插入损失有较明显的下降。250 km/h时其插入损失为13.6 dB(A)，而360 km/h时为10.2 dB(A)，降幅为3.4 dB(A)。由于速度增加导致气动噪声增大，此时3.95 m高的V型声屏障对列车中上部的气动噪声不能起到屏蔽作用，因此，插入损失呈下降趋势较明显。

根据测点拟合曲线，可以预测列车以更高速度运行时的测点声压级。当速度在400 km/h时，两个区段对应的测点的预测声级分别为98.9 dB(A)和89.7 dB(A)，即V型声屏障插入损失约为9.2 dB(A)。

由图7可知，在列车速度为350 km/h时，无声屏障时测点声级主要频率为500 Hz～5 000 Hz，插入损失在中高频较为显著，且随着频率增大，3.95 mV型声屏障的插入损失逐渐增大，增大值为1.8 dB(A)～22.0 dB(A)。

2.2 不同类型声屏障对插入损失的影响

图8给出了3.95 m高的V型声屏障与直立型声屏障的插入损失对比。

由图8可知，高度同为3.95 m时，随着列车运行速度的增加，V型声屏障和直立型声屏障的插入损失均有较明显的下降，但V型的插入损失下降相对缓慢。

图7 350 km/h三分之一倍频谱特性

图8 3.95 m高V型和直立型声屏障的插入损失对比

在速度低于350 km/h时，V型声屏障的插入损失均比直立型声屏障小；随着速度提高，二者的差值在逐步缩小，二者差值从250 km/h时的2.4 dB(A)下降到350 km/h时的0.1 dB(A)。在速度为360 km/h时，V型声屏障的插入损失比直立型声屏障大0.3 dB(A)。这和两种声屏障结构形式直接相关，直立型声屏障为整体结构形式，能够降低低频的绕射声；而V型声屏障的开缝设计是为了降低声屏障所受脉动风压载荷，提高使用寿命。V型声屏障开缝必然导致声音绕射。根据声传播理论可知，低频声绕射能力较强，因此V型声屏障对低频声的阻碍作用降低。

列车运行速度较低时，车外噪声的低频成分比重较大，此时直立型声屏障的插入损失会比V型声屏障更大。随着列车速度提高，高频噪声逐渐成为主导，此时吸声材料的敷设面积和吸声系数尤为重要，直立型声屏障吸声材料与声音的接触面仅为声屏障一侧；而V型声屏障开缝之后，增大了吸声材料的使用面积和使用率。因此，速度越高，车外噪声高频比重越大，从而形成二者插入损失的差值逐步接近的结果，甚至在更高速下二者插入损失的差值发生相对转变，V型声屏障降噪效果更好。

图9至图11给出了列车速度分别为250 km/h、350 km/h和360 km/h时，3.95 m V型声屏障及同高度的直立型声屏障的频谱特性。图中点画线代表2种声屏障的插入损失，柱状图代表二者插入损失的差值，正数表示V型声屏障的降噪效果更好。

图9 3.95 m高V型和直立型声屏障频谱特性对比（250 km/h）

图10 3.95 m高V型和直立型声屏障频谱特性对比（350 km/h）

图11 3.95 m高V型和直立型声屏障频谱特性对比（360 km/h）

转速为250 km/h时，在315 Hz～5 000 Hz，直立型声屏障插入损失更大。其中，在1 600 Hz以下，直立型声屏障测点插入损失大2.9 dB(A)～5.8 dB(A)。车速为350 km/h时，此时直立型和V型减载声屏障的插入损失接近，该速度代表了相对插入损失转变的临界速度。1 600 Hz以下，直立型声屏障的插入损失更大；在1 600 Hz以上，V型声屏障插入损失更大。当速度提高到350 km/h以上时，V型声屏障插入损失更大，在1 250 Hz以下，V型声屏障测点插入损失仅小0.2 dB(A)～2.5 dB(A)。在1 250 Hz以上，V型声屏障测点插入损失大1.0 dB(A)～9.0 dB(A)。

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综上所述，随着列车运行速度提高，测点噪声的主要频率向高频移动，中高频噪声的贡献量增大。而减载声屏障相对直立型声屏障有更多的吸声材料和吸声面积，逐步在中高频段体现出降噪效果。

2.3 不同高度对插入损失的影响

提高声屏障高度不仅能够进一步提高对列车下部噪声（如轮轨噪声）的降噪量，还能够有效屏蔽列车中上部声源。图12给出了高度分别为2.95 m和3.95 mV型声屏障的插入损失结果，调查V型声屏障高度对高速铁路车外噪声的影响。

图12 V型声屏障的插入损失

由图12可知，V型声屏障高度增加，插入损失增大。2.95 m高V型声屏障的插入损失为6.4 dB(A)～10.3 dB(A)，而3.95 m高V型声屏障插入损失为10.0 dB(A)～13.6 dB(A)。V型声屏障高度从2.95 m增加至3.95 m，插入损失增大3.1 dB(A)～3.8 dB(A)。随着声屏障高度增加，声屏障与车体之间的多重反射加剧，改变声波的传播规律和传播路线，造成部分频率的插入损失有一定的减少。就整体规律而言，测点插入损失随着声屏障高度的增加在所有频率均有不同程度的提高。但不同高度带来的插入损失差异受速度影响较小。

图13给出了列车速度为350 km/h时，两种不同高度V型声屏障插入损失的频谱特性。图中点画线代表不同高度V型声屏障的插入损失，柱状图代表两者插入损失的差值，正数表示3.95 m高V型声屏障的降噪效果更好。

在315 Hz～5 000 Hz范围内，随着频率增加，声屏障的插入损失均增大，说明插入损失的主要频率向高频移动。

两个不同高度V型声屏障插入损失达到峰值的频率相同，分别为3 150 Hz和5 000 Hz，但2.95 m高V型声屏障的峰值大小为12.9 dB(A)～13.4 dB(A)，3.95 m高V型声屏障的峰值大小为18.4 dB(A)～22.0 dB(A)。

图13 不同高度V型声屏障频谱特性对比（350 km/h）

两者在速度为350 km/h时，频率为5 000 Hz的插入损失相差最大，3.95 m高V型声屏障要比2.95 m声屏障高8.6 dB(A)。

图14给出了高度分别为2.95 m和3.95 m时直立声屏障的插入损失结果。

图14 直立声屏障的插入损失

由图14可知，直立声屏障高度增加，插入损失同样增大。2.95 m高直立声屏障的插入损失为10.8 dB(A)～14.8 dB(A)，而3.95 m高直立声屏障插入损失为11.1 dB(A)～16.3 dB(A)。直立声屏障高度从2.95 m增加至3.95 m，插入损失增大0.2 dB(A)～1.7 dB(A)。

图15给出了列车速度为350 km/h时，两种不同高度直立型声屏障插入损失的频谱特性。

在315 Hz～5 000 Hz范围内，2.95 m和3.95 m直立声屏障插入损失达到峰值的频率相同，分别为1600 Hz和3150 Hz，但2.95 m声屏障的峰值大小为13.0 dB(A)～13.9 dB(A)，3.95 m声屏障的峰值大小为13.4 dB(A)～14.4 dB(A)。两者在频率为315 Hz的插入损失相差最大，3.95 m声屏障要比2.95 m声屏障高3.2 dB(A)。

由以上可知，不论是V型声屏障还是直立声屏障，插入损失随着高度的增加而增大。当二者高度同时由2.95 m增大到3.95 m，V型声屏障的插入损失增大3.1 dB(A)～3.8 dB(A)，直立声屏障的插入损失增大0.2 dB(A)～1.5 dB(A)。因此，当高度同时由2.95 m增大到3.95 m时，V型声屏障的降噪效果提高更明显，在速度为360 km/h时，比直立型声屏障的插入损失大3.5 dB(A)。

图15 不同高度直立声屏障频谱特性对比（350 km/h）

3 结语

本文基于高速列车通过车外标准点的噪声实测结果，对V型声屏障的降噪特性进行分析，得到以下结论：

（1）随着列车运行速度的增加，V型声屏障和直立型声屏障的插入损失均有较明显的下降，但V型的插入损失下降相对缓慢。

（2）对于3.95m高的V型与直立声屏障，当速度小于350 km/h时，直立声屏障的降噪效果更好，插入损失要大0.1 dB(A)～2.4 dB(A)；当速度大于350 km/h时，V型声屏障的降噪效果更好，插入损失要大0.3 dB(A)。

（3）V型声屏障与直立声屏障的高度同时由2.95 m增大到3.95 m，V型声屏障的降噪效果提高更明显，在速度为360 km/h时，比直立型声屏障的插入损失大3.5 dB(A)。