高速铁路声屏障降噪技术研究进展

尹守迁

(中国铁路上海局集团有限公司 计划统计处，上海 200071)

1 高速铁路降噪技术概述

高速铁路作为国家的关键基础设施，在我国经济社会发展中具有至关重要的地位和作用，截至2017年底，中国高速铁路营业里程达2.5万km，占世界高速铁路营业里程的66.3%。高速铁路在为人们出行带来舒适和便捷的同时，噪声影响问题也越来越受到关注和重视，有效降低噪声是高速铁路持续发展中亟待解决的关键技术之一。作为高速铁路噪声治理的主要技术措施，声屏障降噪技术研究取得的成果越来越多，对降低高速铁路噪声、改善沿线声环境质量发挥了重要作用。

国内外研究表明：高速铁路噪声可以大致分为轮轨噪声、空气动力性噪声、集电系统噪声及建筑物结构二次辐射噪声等[1-2]。高速铁路噪声源决定于列车具体的运行形式，列车速度对噪声的辐射有着深刻的影响：列车以相对较低的速度运行时(250 km/h以下)，列车辐射噪声以轮轨噪声为主；随着列车运行速度的提高，轮轨噪声所占比例下降，空气动力性噪声、集电系统噪声所占比例提高。由于高速列车由众多结构部件组成，结构复杂，其运行产生的噪声源属于复杂声源[3-5]，随着运行速度的变化，噪声源的能量和频谱特性均会发生变化，有效降低辐射噪声遇到很大的挑战。

为有效控制高速列车运行引起的环境噪声污染，国内外研究者从控制噪声源、切断传播途径、保护接受体等方面出发，分别研究和提出了不同的降噪技术措施。例如，为了降低轮轨噪声的源强，采用车轮镟修、钢轨打磨技术，阻尼车轮和阻尼钢轨等技术措施，从降低轮轨粗糙度激扰、改变结构声辐射特性和增加能量损耗等方面实现噪声控制；声屏障、轨道矮屏障和轨道吸声板等降噪技术措施则注重于改变噪声的传播途径，降低受声点处接收的直达声；对于铁路附近两侧的居民区，可以通过加装隔声门窗的方式实现对接受体的保护。

2 声屏障降噪技术的基本原理

高速铁路噪声源产生机理和组成较为复杂，对噪声源采取控制措施需要掌握车-线-网-气流强耦合复杂大系统的动力学特性，其技术难度较大且进展缓慢。高速铁路噪声辐射区域大，受影响人群具有较大的流动性与分散性，对受声点处进行噪声防护实施难度较大。相比而言，噪声传播途径控制是最简单经济的方式。

声屏障在控制交通噪声方面应用较为普遍，通过在声源与接受点之间设置声屏障，可以在一定范围内产生良好的降噪效果。相较于其他高速铁路降噪技术措施，声屏障因具有实施难度小、降噪效果明显、拆装方便及对周围建筑设施的影响较小等优点，成为高速铁路主要降噪技术措施。

声屏障的降噪原理是阻断声源至受声点的传播途径，如图1所示。声源向外辐射声波时，声屏障阻止直达声的传播，对透射声进行隔离，并使衍射声发生足够的衰减从而降低噪声。在声波无法直达的区域，称之为声影区，该区域声强有明显的减弱；在声波直达的区域，称之为声亮区，该区域声屏障的降噪效果较差。

图1 声屏障降噪基本原理示意图

3 声屏障降噪效果的研究现状及应用效果

利用声屏障降低环境噪声在国外已经有较长的历史，美国、日本、德国等从上世纪60年代开始研究通过声屏障对铁路噪声进行控制。日本、德国、法国等在1973年开始实现了声屏障的规模化生产，在制造标准、道路景观设计等方面提供了许多可借鉴的经验[6]。相比发达国家，我国对声屏障的研究和应用起步较晚，但我国高速铁路路网密集、覆盖面广，已建设大量高速铁路声屏障，目前实施的总长度超过4 000 km[7-8]，上海局集团公司管内声屏障长度超过了1 000 km，随着高速铁路建设项目的增多，对声屏障的需求扩大，进一步提高声屏障降噪效果是建设绿色铁路急待解决的课题之一。由于高速铁路与普速铁路噪声特性不同，客观上要求研究和发展适合高速铁路声源分布和特性的声屏障。为了增强声屏障的实际降噪效果，国内外研究人员主要从材料选取、结构选型和降噪机理等方面展开研究，并取得一定成果。

图2 我国高速铁路使用的声屏障

3.1 不同材质声屏障的降噪效果

按照隔声材料的不同，铁路声屏障通常可以分为非金属声屏障和金属声屏障。目前普遍采用的吸声材料是多孔吸声材料，有超细玻璃棉和矿棉等无机纤维类材料。我国高速铁路广泛使用的声屏障结构形式主要为插板式金属声屏障，约占声屏障总数的90%以上，此外还设有少量的混凝土插板式、整体式声屏障，如图2所示。辜小安等[8]对我国高速铁路常用的金属直立声屏障进行声学性能测试，发现金属声屏障材料的计权隔声量在19～44 dB之间；金属声屏障降噪系数在0.3～1.1之间。主要的吸声、隔声频带对应频率为315～3 150 Hz范围内。在现场实验中，金属声屏障与混凝土声屏障的降噪效果相差不大，低频吸声效果不佳。以杭甬线和津保线为例，当列车以200 km/h分别通过路基处高度为2.31 m的吸声式金属和混凝土声屏障时，距线路25 m轨面同高处降噪量约10 dB(A)[9]。

3.2 不同结构声屏障的降噪效果

声屏障按结构形式可以大致分为直立式、(半)封闭式和顶端改良声屏障等。直立式声屏障是铁路声屏障中最为常用的结构形式，也是我国高速铁路线路中最主要的结构形式。根据相关资料，国外高速铁路直立式声屏障措施一般可降低列车运行噪声6～10 dB(A)。为了提高直立式声屏障的降噪效果，增加声屏障高度是一种有效的方式。根据道路声屏障设计经验，直立式声屏障每增高1 m，插入损失约增加1.5 dB(A)。由于高速铁路的噪声特性不同于以轮胎噪声为主的公路噪声，多位学者的研究成果表明[10-13]，声屏障的高度与降噪效果不遵循简单的线性关系，声屏障高度从3 m增加到4 m对降噪效果的提高有限，从4 m增加到5 m时降噪效果显著提高，而超过5 m后再增加声屏障高度带来的降噪效果并不明显。这表明，只有当声屏障能够有效遮挡噪声源的直达声时，才能获得较为显著的降噪效果。

为了进一步提高声屏障的隔声效果，国内外开始发展(半)封闭式声屏障。封闭式声屏障是指在线路上安装隧道式的隔声结构，将线路和车辆完全隔离在屏障内，同时也将车辆运行产生的噪声隔离在声屏障内。封闭式声屏障降噪效果好，但构造复杂、造价昂贵，主要用于对声环境有特殊要求的地段。例如，我国深茂铁路建设过程中为避免铁路噪声对周边“小鸟天堂”景区造成影响，建设了高速铁路全封闭声屏障，该声屏障全长2 036.35 m，主要由拱形钢构架和金属吸声、隔声板及ECC混凝土吸声板组成。

增加声屏障高度可以提高声屏障的降噪效果，但同时列车通过时的气动载荷也会加大，使得对安装基础的要求提高，增加了声屏障的应用成本；再者，过高的声屏障也会产生空间压抑感，破坏视觉环境。因此，研究高度低于4 m的高速铁路声屏障具有重要的现实意义。国内外研究者们提出通过改良顶端结构改变声屏障的衍射声场，从而达到降低噪声的目的[14-15]。日本和欧洲等国较早地研究改变声屏障的顶端结构，发展了宽顶式声屏障，并已经在高速铁路线路中应用。宽顶式声屏障常见的结构形状有T型、倒L型和Y型等。Kaoru Murata[16]利用1∶20的模型试验，研究了几种顶部结构改良的声屏障的降噪效果，试验结果显示：顶部为Y型结构的声屏障在距离铁路12.5 m的地面1.2 m高度测点，降噪效果较2 m高的直立式声屏障可降低6.3 dB(A)。

Hothersall D C 等[17]通过数值计算和缩尺模型实验研究表明：与同等高度的传统直立型声屏障相比，T型顶端的声屏障插入损失提升了1～3 dB，其附加降噪量随着顶部宽度增加而增大，但宽度超出1.6 m后则效果不明显，但在实际线路测试插入损失往往较小。Belingard P等[18]对TGV高速列车通过时声屏障吸声和顶部装置的附加降噪效果进行了测试，分析得出Y型声屏障相对于直立型声屏障附加插入损失提高了3.5～4.0 dB(A)，实际线路测试T型声屏障降噪效果，附加插入损失约为1～1.5 dB(A)。造成这种差异主要有2个原因：一是未能准确给出高速铁路噪声源的特性，如在模型实验中仅考虑了声源位置的影响，忽略了各噪声源相对大小、频谱特性及其贡献量；二是实际测试与数值模拟的边界条件有差异。目前，我国多采用直立式声屏障，考虑到顶部采用倒L型、Y型、T型结构虽较直立式声屏障能够提高降噪效果，但易与铁路附属构筑物相互干扰可能影响安全限界，在我国高速铁路中对于宽顶声屏障的应用较少。

3.3 高速铁路声屏障的实际降噪测量情况

上海局集团公司环境监测站在京沪(上海局管段)、沪杭、沪宁城际、宁杭等高速铁路沿线选点进行有/无声屏障铁路边界噪声对比测量，部分线路噪声测量结果如表1所示。表1中所有监测点声屏障均为直立式，如沪宁城际高速铁路(桥梁段)2监测情况，有声屏障测点位于K63+800处，声屏障高于轨面2.31 m，无声屏障测点位于K64+100处，两测点位于同一区间，均为桥梁段，桥高8 m，除声屏障影响因素外，其余条件基本相同，测点位置为铁路外侧轨道外30 m处，测量方法符合《铁路边界噪声限值及其测量方法》(GB 12525—1990)有关要求。

表1 部分高速铁路声屏障降噪声效果

从监测结果看：声屏障插入损失最大为10.3 dB(A)，最小为3.1 dB(A)，平均为6.3 dB(A)，声屏障声学构件的材质、声学性能及施工安装质量都是影响声屏障降噪效果的重要因素。

4 声屏障降噪技术需关注的问题

声屏障措施是目前高速铁路降噪的主要措施，但其在应用过程中还需关注以下方面。

(1)虽然理论和实验研究表明，增加声屏障高度或设计声屏障顶端结构均可以提高声屏障的降噪效果，但在我国实际高速铁路线路中，绝大部分声屏障是2～3 m高的直立式声屏障。增高声屏障和加设顶端结构均对声屏障动力性能及安装基础有更高的要求，而且影响视觉环境，可能侵入安全限界。基于安全考虑，目前对于过高或异形声屏障的使用较谨慎。

(2)现场试验结果表明：对普通声屏障采取一些顶端改良等改进措施降噪效果有限。在距离外轨25～30 m的范围里，对普通声屏障改进后附加插入损失约在1～4 dB(A)范围内。而绝大多数环境保护目标位于铁路边界(30 m)以外，随着距离增大，增高或异形声屏障的附加降噪效果会进一步减弱。

(3)既有高速铁路声屏障的监测结果表明：不同线路及同一线路不同区间声屏障的降噪效果差别较大，声屏障的声学构件性能、高度及安装质量都会对降噪效果产生较大的影响。

(4)单一的声屏障降噪措施往往不能充分满足降噪要求，需要从高速铁路噪声产生机理，以及噪声控制指标分解、低噪声动车组控制技术、基础设施减振降噪控制技术等方面联合攻关，采用多种途径降低高速铁路产生的噪声影响。

5 结论与展望

高速铁路噪声是车-线-网-气流强耦合的复杂大系统，从根本上实现低噪声、低振动的高速铁路需要对空气动力学、弓网关系、车体振动与车体模态、车体运行稳定性、高速轮轨关系等方面进行综合分析设计。目前，我国已经形成一些常用的高速铁路降噪技术和措施，主要以声屏障技术为代表，但提高高速铁路降噪效果还应加大高速铁路综合降噪技术研究，并根据我国高速铁路声屏障实际应用情况，不断改进声屏障设计、建设水平，为高速铁路的绿色发展提供科学基础。

(1)需要深化高速铁路声屏障降噪技术的研究，掌握高速铁路噪声特性，分析高速铁路声屏障实际应用效果及影响因素，提出改进高速铁路声屏障降噪技术方法，发展适用于高速铁路的声屏障降噪技术和措施。

(2)现有的减振降噪措施多针对于车、线、弓网中的某个部分或区域，常见于对轮轨区辐射噪声与振动的控制，单一的减振降噪措施对高速铁路总体噪声的降噪量有限。为提高整体减振降噪效果，研究多种减振降噪措施的配合使用方法是高速铁路减振降噪技术的发展趋势之一。

(3)需要从源头降低高速铁路噪声，开展低噪声动车组控制技术研究。根据动车组声源识别及噪声控制指标分解，进一步深化低噪声高速动车组的设计研发，从降低车体气动噪声、受电弓区域噪声、转向架区域噪声等方面开展深入研究，以持续提升我国动车组噪声控制技术整体水平。

(4)需要深入开展基础设施减振降噪技术研究，探索高速铁路综合减振降噪技术。需要进一步加强列车结构传声机理的基础性研究，掌握列车的声-振特性，开展阻尼钢轨、阻尼车轮、轨道吸声板、聚氨酯道床、轨道矮屏障等技术和产品研发，并对其降噪效果进行现场试验验证。