反射体对U型梁贴附式吸声材料插入损失影响的实验研究

吴波波， 王高沂， 李海霞， 任重义， 韩西明

(中国科学院 声学研究所北海研究站， 山东 青岛 266023)

近年来，U型梁由于可以降低建筑高度，其自身腹板可以起到声屏障作用有利于降低噪声辐射以及质轻等一系列优点，越来越多地应用于城市轨道交通中。城市轨道交通中噪声源的频率特性主要以低频的结构噪声和中高频的轮轨噪声为主[1-3]，结构噪声由车轮激励U型梁振动产生，大部分由U型梁外表面直接向外辐射；轮轨噪声由列车轮轨和轨道之间的相互作用产生，经过U型梁腹板和列车车厢的反射后传到轨道外，城市轨道交通由于列车车速不高，气动噪声可忽略，噪声以轮轨噪声为主[4-6]。在U型梁的腹板内侧贴附吸声材料目前是一种和声屏障相配合使用的降噪手段，同样，参考声屏障降噪性能的评价方法，以插入损失评价U型梁腹板内侧贴附式吸声材料的降噪性能。目前使用的膨胀珍珠岩板，泡沫铝板、陶粒板均为贴附式吸声材料，实际使用过程中的测试表明，其插入损失只有1～2 dB，在城市轨道交通噪声降噪中只起辅助作用[7-8]，其原因是这些贴附式吸声材料的吸声能力相对不足。因此，开发高性能贴附式吸声材料可提高实际应用中的插入损失，改善轨道沿线声环境，但新材料在研发阶段时尚不能满足实际安装条件，为了测试新材料的实际降噪性能只能进行模拟试验。实际应用中，轮轨噪声在传播时会经过吸声材料表面和列车车体之间的反射，为了探究反射体存在时新型贴附式吸声材料插入损失的影响，需要建立模拟反射体进行实验研究。

1 噪声传播路径与衰减

轮轨噪声产生于车厢底部两侧车轮位置，在传播过程中低频噪声由于波长较长和衍射效应，直接传递到U型梁腹板外侧；占有声能量比例高的中高频噪声会经过U型梁腹板和列车车体间的多次反射最后传播到轨道外侧，如图1所示。

图1 有反射体时轮轨噪声传播

以一条声线为例，其声能量为E，U型梁腹板内侧未贴附吸声材料时，与空气相比反射体与U型梁内壁可视为声学刚性材料，呈现全反射的边界效应，入射声能几乎无损失而反射；若在U型梁腹板内侧贴附一层吸声结构，则U型梁腹板内侧呈现黏弹性效应，入射声波不仅在内侧反射而且透射到外侧空间，中高频声波每经过声学材料表面就会有部分声能被吸收，经过n次反射，该声线的声能量为En，则满足式(1)

(1)

式中:ΔEi为经过第i次反射后该声线损失的能量。当没有反射体时，多次反射强度比较弱，所以可近似为只有一次反射的情况，即取n=1

E1=E-ΔE1

(2)

以声功率评价声能量E，声功率与声压之间的关系可表示为式(3)

(3)

式(3)可简化为

(4)

式中:W为平均声功率;p为声压;Re代表取实部运算;T为时间;pa为声压幅值;pe为声压有效值;ρc为空气特征阻抗;S为声能量流流过的截面积，可见在面积确定后，平均声功率正比于声压有效值的平方。

经过n次反射后声能量为E的声能损失可以以dB形式表示如下

(5)

式(5)可以看出，反射体存在时，每条声线会经过多次反射，理论上会造成额外的声能量损失[9-13]，直接测量轨道内外的声压即可得到反射体存在时U型梁贴附吸声材料的降噪量，定义U型梁贴附式吸声材料的插入损失为

IL=Pl0-Pl1

(6)

式中:Pl0为U型梁腹板内侧未贴附吸声材料时U型梁外侧测点的声压级；Pl1为U型梁腹板内侧贴附吸声材料之后相同测点的声压级。

忽略声波在大气中的衰减，且U型梁腹板内侧有无吸声材料时的模拟声源、测试环境相同，则式(6)与式(5)是等价的。

2 现场插入损失测试

现场在长度为25 m的U型梁腹板内侧安装新研发的高性能贴附式吸声材料进行插入损失测试，新材料为多层复合吸声材料，采用组合单元式结构设计，吸声单元的尺寸为870 mm×116 mm×48 mm，多块单元组合成吸声面。利用U型梁内壁上的预埋槽道和单独设计的安装支架安装在U型梁腹板内壁，安装后覆盖U型梁腹板内壁约90%的面积。共进行四组实验，每组实验测三次，每组测试工况见表1，取三次测试的平均值作为每次测试的结果。

表1 测试次数与贴附式吸声材料布置

参考人耳的听觉范围，实验现场采用20～20 kHz白噪声作为噪声源模拟轮轨噪声，后期数据处理时可选择关心频段计算插入损失。轨道内测量总声级为110 dB(A)，风速小于2 m/s，现场背景噪声为45 dB(A)；在U型梁外侧噪声敏感点，水平和竖直方向各布置5个性能一致的接收传感器。如图2所示。

垂直方向由低到高布置5个性能一致的接收麦克风，间距1 m，第一个接收麦克风距U型梁底所在平面的垂直距离为1.7 m，距U型梁外檐水平距离2 m；水平方向布置5个性能一致的接收麦克风，间距2 m，水平麦克风的垂直高度为2 m，距离U型梁最近接收点与U型梁外檐水平间距2 m。各个测点的插入损失计算方法见表2。

表2 插入损失计算表

实验结果如图3所示。

(a) 竖直方向插入损失比较

(b) 水平方向插入损失比较

取垂直方向5.7 m高处测点和水平距离6 m远处测点1/3倍频程插入损失，如图4、图5所示。

图4 5.7 m高测点插入损失

3 结 论

经过现场试验测试可知，该吸声材料的插入损失在有无反射体时差异很大，但整体趋势基本保持一致，总结如下：

图5 6 m远测点插入损失

(1) 有反射体时，无论是水平还是垂直方向，各测点的插入损失值明显高于没有反射体时的插入损失。

(2) 随着高度的增加，插入损失逐渐增大，图3(a)中在5.7 m高处的插入损失值达到6.5 dB(A)，可以推测存在一个插入损失最大的高度，在有反射体存在时，该高度的插入损失值大于6.5 dB(A)，当超过该高度时，直达声逐渐增加，插入损失降低，逐渐增加测点高度可以找到插入损失最大值时的测点位置。

(3) 图3(b)表明，随着水平距离的增加，在一定范围内(本试验中<6 m)，插入损失基本不变，当水平距离大于某一距离(本实验中>6 m)时，插入损失明显下降，随后保持基本稳定。

(4) 图4表明，有无反射体对竖直方向插入损失的影响主要体现在中、高频段，低频段影响不大，主要是因为低频段声波波长较长，不经过反射体反射直接绕射到轨道外侧。

(5) 由于各反射信号相干叠加使水平方向插入损失随频率呈锯齿状变化曲线，并且总体插入损失较无反射体时增大。

综上所述，模拟试验表明，对于U型梁这种特殊的梁结构，开发一种高性能贴附式吸声材料贴附在U型梁腹板内侧，在有反射体存在时在U型梁外侧噪声敏感区域可以提供较高的插入损失，达到4～6 dB(A)；实际使用中，应当对列车正常运行时的噪声进行测试，了解轨道交通噪声源的频谱分布，以便更好地选择模拟声源；当列车经过时才会产生轮轨噪声，而列车车体则提供了天然的反射体，因为反射体存在比较接近实际工况，所以有反射体时测量的插入损失值应该更加接近实际工况的数值。

参 考 文 献

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