高速铁路半封闭式声屏障降噪效果测试与分析

李小珍,　赵秋晨,　张　迅,　杨得旺

(西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031)

高速铁路的迅猛发展方便了人们出行,但其产生的噪声问题也引起了公众的关注.噪声控制的措施主要有:在声源处控制、在传播途径中控制和在受声点处控制.通过噪声传播途径控制,声屏障被公认为是一种有效降低铁路噪声的措施[1].

国内外学者对传统直立式声屏障的声学性能开展了大量的研究,取得了丰富的成果:在现场试验方面,我国学者在武广客专[2-3]、京津城际[4]、京沪高铁[5-6]等代表性高速铁路上开展了声屏障降噪效果测试,得到了声屏障高度的影响规律,提出了声屏障插入损失的简化计算模式;在数值分析方面,文献[6]采用边界元法建立了声屏障降噪预测模型,讨论了吸声系数、声屏障厚度、高度、倾角及面板结构形式等因素的降噪机理和效果.国外学者也将边界元法应用于直立式声屏障的几何形状优化、声源简化、声学处理和顶部声学装置的研究中[7-9].由于高速列车的车速较高,在持续脉动风压作用下,声屏障的使用寿命大大缩短[10].针对这一问题,高速铁路减载式声屏障成为了近些年的研究热点[5].

受限于高度因素(一般为2.15～3.15 m),传统直立式声屏障的降噪量有限,不适用于有较高降噪需求的噪声敏感区.特别是当沿线存在高层建筑时,传统直立式声屏障对较高楼层几乎没有效果.因此,为了获得更好的降噪效果,半封闭式或全封闭式声屏障在工程中逐渐得到了应用.例如,武汉、宁波、杭州等城市轨道交通中使用了半封闭式或全封闭式声屏障来降低轨道交通车辆的运行噪声,取得了较好的降噪效果[12-13].此外,不少道路交通也采用了半封闭式或全封闭式声屏障来降低噪声.然而,在利用半封闭式或全封闭式声屏障降低高速铁路噪声的研究方面,当前国内外的研究极其有限.由于高速铁路与轨道交通、道路交通的噪声源特性有较大差异,因此不宜直接进行套用.

现场试验是掌握半封闭式声屏障在运营状态下实际降噪效果的重要手段,并能为数值模拟、降噪优化等提供重要基础.以沪昆客专杭长段半封闭式声屏障为工程背景,对声屏障内外表面、封闭侧和敞开侧不同距离处的受声点进行测试,获得了场点声压级频谱、声场分布、衰减规律、隔声量和插入损失等声学特性.可为今后工程设计、理论研究等提供参考.

1　试验概况

1.1　声屏障构造

沪昆客专杭长段在人群密集居住区设有约1.5 km长的半封闭式声屏障,如图1所示.该区段为多跨32 m混凝土简支箱梁组成的高架桥,线间距为5 m,轨面距地面的高度为5 m.

声屏障全高为8.15 m,全宽为11.7 m,采用金属插板式构造.声屏障立柱在顺桥向的间距为2 m.金属单元板采用铝合金复合吸声板,厚度为0.14 m,宽度约0.5 m,面板为穿孔铝合金板,背板为1.5 mm厚的铝合金板,内部填充玻璃棉毡.沿高度方向共有13块单元板,其中,第5、6块单元板之间设有1.1 m高的通透隔声板,通透隔声板厚度为20 mm.在声屏障框架的顶部,沿横桥向设有7块通透隔声板,总宽度为7.23 m.单元板与H型钢立柱及上下单元板之间垫三元乙丙橡胶.

(a) 横截面布置(b) 敞开侧照片(c) 封闭侧照片图1 桥上半封闭式声屏障Fig.1 Semi-closed sound barriers on bridges

1.2　测点布置

如图2所示,在半封闭式声屏障的封闭侧和敞开侧分别布置噪声传感器,其中,测点N1～N5位于声屏障封闭侧内表面,距轨面的竖向高度分别为7.3、5.8、4.4、2.5 m和1.5 m;测点W1～W5位于声屏障封闭侧外表面,与测点N1～N5处于同一高度.

此外,参考ISO 3095标准[14],分别在敞开侧和封闭侧距轨道中心线7.5 m和25 m处布置测点.在封闭侧布置测点F1～F10其中,测点F1～F5距轨道中心线7.5 m,距轨面的竖向高度分别为6.0、4.5、3.0、1.5 m和0 m;测点F6～F10距轨道中心线25 m,与测点F1～F5处于同一高度.受现场环境限制,测点F与测点C位于不同桥梁断面,于不同时间段采集噪声.采用INV 3060S型24位智能采集仪进行数据采集,采样频率为25.6 kHz,噪声传感器为MPA231型自由场传声器.

图2　测点布置图(单位:m)Fig.2　Layout of measuring points (unit: m)

在敞开侧布置测点C1～C10,其中,测点C1～C5距轨道中心线7.5 m,距轨面的竖向高度分别为6.0、4.5、3.0、1.5 m和0 m;测点C6～C10距轨道中心线25 m,与测点C1～C5处于同一高度.

针对过路高速列车进行现场测试,车型为CRH380B.列车行经此处的车速比较稳定,平均车速约为280 km/h,在敞开侧和封闭侧共监测了约20组数据样本.试验数据处理前,先进行初步分析以剔除异常数据,再对剩余的多组有效数据进行统计分析.

2　噪声评价方法

在列车通过时间tp内提取声压数据进行等效连续声压级计算[14],其定义如式(1).

(1)

式中:Ltp为等效连续A计权声压级;

tp为列车头部和尾部经过测试断面的时间差,tp=t2-t1;

pA(t)为A计权瞬时声压;

p0为参考声压,p0=20 μPa.

A计权声压级是目前评价噪声的主要指标,其测量结果与人耳对噪声的主观感受近似一致,但并不适用于对中低频噪声有较高限制要求的情况[15].为此,参照式(1)的计算方法,同时给出A计权和线性计权(即不计权)的分析结果.

图3给出了两种计权方法的权值对比.可以看出,A计权对噪声的低频成分折减极大,故采用A计权会忽略低频噪声的危害.

图3　A计权和线性计权的权值对比Fig.3　Comparison of the A-and non-weighted methods

隔声构件的入射声能与透射声能的差值为隔声量,为声屏障单元板的固有声学量,一般在声学实验室内测得.为了获得半封闭式声屏障在运营状态下的隔声性能,根据式(2)对其进行估计,

(2)

P1为声屏障内表面测点的平均声压;

P2为声屏障外表面测点的平均声压.

插入损失是在声源、地形地貌、地面特性、周围建筑物以及气象条件等都不变的情况下,在声屏障安装前后某一指定受声点的声压级之差,直接体现了声屏障的降噪效果.参考标准[16]中插入损失的间接测试方法,由于该工点的声屏障已经安装,本文近似将敞开侧和封闭侧对应测点(即与线路的相对位置相同)的声压级差值作为声屏障插入损失.

3　测试结果分析

3.1　声屏障内表面的噪声

图4(a)～(b)分别为高速列车在封闭侧、敞开侧行驶时,声屏障内表面测点N1～N5的线性计权、A计权声压级频谱曲线以及总声压级柱状图.

根据独立声源叠加原理,定义分频声压级最大值以下10分贝范围内的频率区域为噪声显著频段,以图4(b)为例,93～103 dB(L)对应的频率区域为敞开侧行车时声屏障内表面噪声显著频段.

①②(a) 封闭侧行车① ②(b) 敞开侧行车图4 测点N1～N5的声压级频谱Fig.4 SPL spectra of measuring points N1-N5

由图4可以看出:

(1) 声屏障内表面测点在低频段(<200 Hz)和中高频段(500～2 500 Hz)的噪声均较显著,说明高速列车运行产生的噪声能量分布频带较宽.高速列车在封闭侧(如图4(a))行驶时,低位测点的低频噪声尤为明显,其可能来源于箱梁、轨道板的二次噪声[16].

(2) 高速列车在封闭侧行驶时,各测点的总声压级较敞开侧行驶时大,一方面是由于前者距离测点更近(至车体表面的横向水平距离约为1.3 m),另一方面是由于车体表面与半封闭式声屏障形成一个相对封闭的空间,噪声在车体表面与声屏障表面之间发生多重反射,产生一定的混响效果并增大了噪声.

(3) 高速列车在封闭侧行驶时,内表面5个测点的声压级频谱曲线变化规律比较相似,但离轨面最近的测点N5的总声压级最大,为109.05 dB(A),而离轨面最远的测点N1的总声压级最小,为104.1 dB(A).二者相差5 dB(A)左右,说明轮轨噪声占较大比重.

(4) 高速列车在敞开侧行驶时,由于经过距离衰减(至车体表面的横向水平距离约为6.3 m)和声屏障的遮挡,内表面5个测点的总声压级大小差异较小,最大差值不超过1.5 dB(A).

3.2　声屏障外表面的噪声

图5(a)～(b)分别为高速列车在封闭侧、敞开侧行驶时,声屏障外表面测点W1～W5的线性计权、A计权声压级频谱曲线以及总声压级柱状图.

由图5可以看出:

(1) 高速列车不管是在封闭侧还是敞开侧行驶时,声屏障外表面的低频噪声(<200 Hz)明显高于中高频噪声,说明低频噪声易通过单元板透射出去,而声屏障对中高频噪声的削弱作用更好.

(2) 高速列车不管是在封闭侧还是敞开侧行驶时,声屏障外表面各测点的声压级大小差异均不大.与声屏障内表面各测点噪声相比,经过声屏障的隔声后,噪声的指向性不再明显.

(3) 由线性计权声压级噪声可以看出,声屏障外表面噪声的显著频段为200 Hz以下低频噪声,而200 Hz以上频段的噪声对总声压级的贡献非常小.

(4) 总体上,声屏障外表面高位测点(如W1)的总声压级略大(约在1 dB(A)以内),声屏障顶部隔声板的降噪效果不如单元板,且部分噪声可通过声屏障顶部绕射出去.

① ②(a) 封闭侧行车①②(b) 敞开侧行车图5 测点W1～W5的声压级频谱Fig.5 SPL spectra of measuring points W1-W5

3.3　封闭侧的噪声

图6给出了高速列车在封闭侧行驶时,封闭侧距轨道中心线7.5 m的测点F1、F5和距轨道中心线25 m的测点F6、F10的声压级频谱曲线.

由图6可以看出:

(1) 在整个频率范围内,距轨道中心线7.5 m的测点的声压级比距轨道中心线25 m的测点的声压级大,符合噪声随距离衰减的一般规律.

(2) 由于声屏障的隔声作用,200 Hz以内的低频噪声比中高频噪声高出近15 dB(L)以上,线性计权总声压级完全由200 Hz以内的低频成分决定.

(3) 分析结果已表明声屏障外表面各测点的声压级差异不大,但噪声在向外传播的过程中,由于部分噪声通过声屏障顶部的绕射,导致高位测点的总声压级略高于低位测点.例如,在距轨道中心线7.5 m处,高位测点F1的声压级较低位测点F5大2.5 dB(A)左右.但随着至轨道中心线距离的增加,高位测点与低位测点的声压级差异逐渐减小,即噪声分布的指向性不再明显.

3.4　敞开侧的噪声

图7给出了高速列车在敞开侧行驶时,敞开侧距轨道中心线7.5 m的测点C1、C5和距轨道中心线25 m的测点C6、C10的声压级频谱曲线.

(a) 随频率变化趋势(b) 汇总情况图6 封闭侧典型测点的声压级频谱Fig.6 SPL spectra of typical measuring points on the closed side

(a) 随频率变化趋势(b) 汇总情况图7 敞开侧典型测点的声压级频谱Fig.7 SPL spectra of typical measuring points on the opened side

由图7可以看出:

(1) 相比3.3节封闭侧的衰减情况,敞开侧的噪声随距离衰减得更快,从距轨道中心线7.5 m到距轨道中心线25 m,声压级衰减了约7 dB(A).这是由于封闭侧在经过声屏障的隔声后,噪声中的低频成分对总声压级的贡献度增加,而低频噪声随距离的衰减较高频噪声慢所致.

(2) 与封闭侧不同,距轨道中心线7.5 m处与25 m处,高位测点与低位测点的总声压级差异不明显.

(3) 距轨道中心线7.5 m处低位测点C5比高位测点C1的线性计权总声压级略大,与封闭侧的规律不一致,这主要是由于敞开侧混凝土箱梁的低频噪声在测点C5位置更大的缘故[17].

4　降噪效果的讨论

4.1　噪声衰减规律

图8(a)～(b)分别给出了高速列车在封闭侧运行时,声屏障封闭侧和敞开侧不同位置测点的噪声频谱曲线和总声压级,以分析噪声沿横桥向的衰减规律.

分析图8可知:

(1) 对于封闭侧,经过声屏障的隔声后,声屏障内外表面的噪声差异明显,且随着频率增加,二者的差异愈加明显,这主要与单元板的隔声特性有关.

(2) 对于封闭侧,噪声沿横桥向随距离的衰减速率越来越慢,其中:声屏障内外表面的总声压级差值为20.6 dB(A);距轨道中心线7.5 m处的总声压级比声屏障外表面降低6.4 dB(A);距轨道中心线25 m处的总声压级比距轨道中心线7.5 m处降低4.1 dB(A).

(3) 对于敞开侧,没有声屏障的隔声,各测点的噪声频谱曲线衰减趋势比较一致.距轨道中心线25 m处的总声压级比距轨道中心线7.5 m处降低5.8 dB(A),即与封闭侧相比衰减量增加了1.7 dB(A),主要是由于封闭侧与敞开侧的噪声频谱特性有所差异.

4.2　隔声量

根据式(2)计算半封闭式声屏障在运营状态下隔声量的估计值,结果绘制于图9中.

由图9可以看出:

(1) 总体上,随着频率增加,隔声量逐渐增加,即声屏障对中高频噪声的隔声效果更好,主要是由于低频噪声容易通过单元板透射出去.

(2) 当频率小于50 Hz时,隔声量接近10 dB;频率大于200 Hz以上时,隔声量明显增加;在1 000 Hz处,隔声量出现峰值,最大隔声量为26 dB.

① ②(a) 封闭侧① ②(b) 敞开侧图8 噪声衰减特性Fig.8 Noise attenuation characteristics

图9　隔声量的频谱Fig.9　Sound insulation spectrum

隔声量为单元板的固有声学量.将多个单元板组装成声屏障结构以后,其在运营状态下的隔声量一般要小于单元板的隔声量.一方面,高速列车通过时的脉动风压、轮轨振动荷载使得声屏障单元板发生变形,造成单元板之间存在缝隙而泄漏噪声;另一方面,声屏障结构的振动会带来二次噪声影响,而声学实验室内测试时单元板处于静止状态.

4.3　插入损失

一般用插入损失直接评价声屏障的降噪效.图10(a)、(b)分别给出了距轨道中线7.5 m和25.0 m处的插入损失,其采用封闭侧和敞开侧对应测点的声压级差值进行估算.

由图10可知:

(1) 与隔声量的频谱曲线类似,插入损失的频谱特征也是随着频率增加而增大,但插入损失在800 Hz以后的变化范围比较小.

(2) 距轨道中心线7.5 m处的插入损失约为15～18 dB(A),而距轨道中心线25 m处的插入损失约为15～16 dB(A),即沿垂直于线路方向的插入损失有减小的趋势.

(3) 在距轨道中心线相同位置处,高位测点的插入损失要比低位测点略小,由于高位测点更容易受到声屏障顶部绕射声的影响.

为进一步对比传统直立式声屏障和半封闭式声屏障在插入损失方面的差异,本文调研了相关数据,统计结果列于表1.

表1　高速铁路传统直立式声屏障的插入损失Tab.1　Insertion loss of traditional vertical noise barriers applied on high-speed railway

由表1可以看出,以距轨道中心线25 m、与轨面等高处作为参考点,半封闭式声屏障的插入损失估计值相比2.15～3.15 m高传统直立式声屏障可提高约9～6 dB(A).

5　结　论

以沪昆客专杭长段半封闭式声屏障为工程背景,对声屏障内外表面、封闭侧和敞开侧不同距离处的受声点进行测试,获得了场点声压级频谱、声场分布、衰减规律、隔声量和插入损失等声学特性.主要结论如下:

(1) 高速列车运行产生的噪声能量分布频带较宽,车体附近在200 Hz以下和500～2 500 Hz频段范围的噪声均较显著.轮轨噪声是主要噪声源,使得离轨面越近测点的噪声越大.

(2) 半封闭式声屏障与车体表面形成一个相对封闭的空间,多重反射造成的混响效应会增大声屏障内表面的噪声.

(3) 对于封闭侧测点,随着至轨道中心线距离的增加,噪声分布在垂直方向的指向性逐渐减弱,在距轨道中心线25 m处的指向性不再明显.与封闭侧不同,在距离轨道中心线不同位置处,敞开侧噪声分布在垂直方向的指向性均不明显.

(4) 就噪声衰减特性而言,从半封闭式声屏障的内表面到外表面、再到距轨道中心线7.5 m和25 m处,总声压级分别衰减20.6、27.0 dB(A)和31.1 dB(A).

(5) 半封闭式声屏障对中高频噪声的隔声效果较好,当频率小于50 Hz时,隔声量不足10 dB;频率大于200 Hz以上时,隔声量明显增加;在1 000 Hz处,隔声量出现峰值,最大隔声量为26 dB.

(6) 采用封闭侧和敞开侧对应测点的声压级差值来估算插入损失,得到距轨道中心线7.5 m和25 m处的插入损失均值为16.5 dB(A)和15.5 dB(A).