聚氨酯填充和TUP防尘膜对高速铁路箱型金属声屏障性能的影响

雷一彬，尚瑞华

(太原理工大学 建筑学院，太原 030024)

高速铁路提速极大拉近了城市与城市之间的距离，是目前最方便快捷的交通形式之一。但是，当高速铁路经过生产、生活区域时，高速行驶的火车带来的噪声，不可避免地困扰着人们的生活。研究高铁噪声，进行降噪处理，是提高人居环境的有效途径。相关测试表明，当高铁列车速度在300 km/h时，噪声分布区主要为轮轨区和车体下部，分别占48%和25%，占高铁列车总噪声的73%，对高速铁路辐射噪声起主导作用[1]。高铁噪声150 m范围内噪声衰减小，持续时间短；列车由远及近以中高频为主，由近及远以中低频噪声为主，持续时间长。我国高铁噪声高于国外发达国家，标准执行难度大，所以高速铁路环境噪声排放标准限值要高一些，目前为昼间等效声级70 dB(A)、夜间60 dB(A)[2]。时速为300～350 km/h时，动车组噪声声压级随着速度的提高，瞬时声压级变化率大，瞬时声压级水平远高于背景噪声[3]。2018年对京沪高速列车在通过高架桥、普通路基和路堑3种不同线路时进行监测，发现分别具有噪声先大后小、普通衰减和等效声压级相似的现象，这些现象均对经过的环境造成了严重噪声污染，而且影响方式特点各不相同[4]，低频噪声的控制难度很大。

在声源与接受者之间，插入一个有足够面密度的密实材料的板或墙，能使声波有一个显著的附加衰减，这样的“障碍物”称为声屏障[5]。针对高速铁路噪声特点，声屏障是降低其噪声的有效途径之一。在声屏障表面添加吸声材料，提高其吸声系数，能够有效提高降噪效果，尤其是在道路两侧平行设置声屏障的时候，其吸声作用尤为重要[6]，高铁声屏障的设置就符合这个显著的特点。

国内现在大多数已经铺设好的高铁声屏障设备，为20世纪90年代德国声屏障设计理念，内填吸音材料绝大多数是玻璃棉、矿棉等，一般2～3年后就会开始腐烂，隔音变差，吸声消失，同时还造成严重二次粉尘污染。

从以上理论及其研究来分析，高速铁路在声屏障屏体空腔的材料上应该有更多选择。自2014年起，太原理工大学建筑学院建筑物理实验室与山西晋金有限公司合作，对岩棉、水泥板、挤塑板、聚氨酯(覆膜和不覆膜)等原材料和金属声屏障填充进行了实验和理论分析，总结了箱型插入式金属声屏障填入聚氨酯材料、水泥板和TUP膜(热塑性聚氨酯thermoplastic polyurethanes)在不同使用条件下的不同技术参数和对比数据，所得数据和结论对同类研究声屏障的科研单位和生产声屏障企业单位起到一定借鉴意义，以期从噪声治理方面上推动我国高速铁路发展。

所有研究材料来源于山西晋金有色金属材料有限公司；实验室:太原理工大学建筑学院建筑物理实验室混响实验室(容积258.36 m3)；测试仪器：瑞士NTi，Exel Acoustic Set with M2230，丹麦BK Omni Power sound source 4292，丹麦BK Power Amplifier 2716、Flight Case KE-0358，检测依据为GB/T 20407-2006《声学混响室吸声测量》；实验室温度：16 ℃，湿度52.5%；测试时间：2014年10月至2018年10月。

1 插入式箱型金属声屏障特点及分析

传统的插入式箱型金属声屏障由1.5 mm厚铝合金板组成，朝向铁路一面为铝合金穿孔板，内填玻璃棉厚50 mm，水泥板9 mm，水泥板后空气层50 mm.其构造特征是利用水泥板和箱型屏体隔声，利用穿孔金属板和多孔材料进行吸声，同时水泥板和箱型背板之间形成的空腔提高了低频噪声的隔声和吸声能力，插入式箱型金属声屏障构造如图1所示。其中矿棉作为多孔吸声材料是主要吸声材料，其吸声原理是利用多孔材料提高空气流阻把声能转化为热能。其吸声系数主要取决于材料的孔隙率、厚度和密度。

图1 插入式箱型金属声屏障构造及测试现场Fig.1 Inserted box metal noise barrier construction and test site

有关研究表明，矿棉实贴的时候，吸声系数呈现中高频吸声系数高、低频吸声系数低的特点，这个特点对于不断提速的高速铁路中最明显的空气低频声最为不利。如图2所示为50 mm矿棉吸声系数特征。

研究表明，我国的高速铁路所产生的噪声峰值频率均在低频段，并呈宽频特性，最大声压级集中在125 Hz以下的低频段，而4 000 Hz以上高频的声压级快速减小；A计权的噪声能量大多都分布在500～5 000 Hz倍频带，其中1 000～4 000 Hz的噪声能量最为突出。 随着高铁的提速，各频带的声压级逐渐升高，高频比低频升高较快。相对于高频，低频噪声主要来源于空气动力噪声，对速度更敏感。以时速达到300 km/h为界[3]，超过这个时速后，反而以空气动力噪声为主的低频噪声提升较快，而矿棉、玻璃棉类型的多孔吸声材料能够大量消耗掉1 000 Hz以上的高铁噪声，并且吸声系数在0.7左右。

图2 50 mm矿棉吸声系数特征Fig.2 Characteristic diagram of sound absorption coefficient of 50 mm mineral wool

箱型金属声屏障吸声系数特征如图3所示。当插入式箱型金属声屏障水泥板背后增加空腔后，其吸声系数在低频段提高明显。中高频吸声系数也有一定程度的提高。尤其是250～2 000 Hz倍频带内，吸声系数有极大提高。这是由于多孔材料背后的空气层对低频噪声起了很大消耗作用。矿棉背后的水泥板在极大提高屏体隔声量的同时，又在低频和中频提高了屏体的吸声系数。在针对目前常规的高速铁路箱型金属声屏障进行测试后，得出其平均吸声系数α为0.82，降噪系数NRC为0.94，隔声量36 dB，从指标上来看符合高速铁路的声屏障要求。

图3 箱型金属声屏障吸声系数特征Fig.3 Characteristic diagram of sound absorption coefficient of box-type metal sound barrier

多孔材料填充物如矿棉、岩棉和玻璃棉都存在耐候性差的问题，而由于铁路沿线很长、施工量大、更换不方便等原因也对大量大范围采用这些吸声材料提出了质疑。基于以上原因，寻找一种能够替代矿棉等耐候性差的多孔材料，同时又能够达到吸声系数的要求，质量轻、价格合理的多孔吸声材料，是解决目前问题的有效方法之一。经过对多种材料广泛筛选，反复测试，最终课题组把改良材料定位为阻燃聚氨酯吸声泡沫塑料。

2 聚氨酯与矿棉吸声系数特征对比

阻燃聚氨酯吸声泡沫塑料是一种轻质材料。泡沫型的材料主要由其泡孔的构造来区分形式，一种泡孔的内壁之间互相封闭，互不连通，属于闭孔式泡沫材料，其主要特点是具有很好的热阻，属于保温隔热材料；另一种泡孔的内壁之间存在很多孔隙和裂缝，互相联通，属于开孔型泡沫，其特点是入射到材料表面的声波通过泡孔传至材料内，并因摩擦作用消耗声能，属于典型的多孔吸声材料。多孔吸声材料密度小、耐水性好、材质轻、弹性好、柔软成型容易、方便加工、施工方便、环保。研究表明，其表观密度为26 kg/m3，拉伸力为117 kPa，延伸率为150%，撕裂强度为3.88 N/cm，自燃性为7 min，材料为25 mm厚时降噪系数(NRC)为0.75，材料为50 mm厚时降噪系数(NRC)为0.95[7].

针对50 mm厚的矿棉和聚氨酯吸声材料进行测试对比，对比结果如图4所示。从实测数据来看，在同等实贴的条件下，从500 Hz开始，聚氨酯矿棉的吸声系数在1/3倍频带基本吻合，属于同等吸声能力的吸声系数；从材料结构类型来看，低频吸声系数低，中高频吸声系数高，这是所有多孔吸声材料的共同特点。值得注意的是在100～500 Hz的低频段内聚氨酯的吸声系数普遍要高于矿棉，这是由于聚氨酯本身泡孔的材料结构特征造成的，也恰恰是这个特点，非常适合高速铁路提速超过300 km/h后，低频空气噪声更为突出的分布特点和铁路沿线声屏障产品选择。

图4 50 mm厚矿棉和聚氨酯吸声系数对比Fig.4 Contrast diagram of sound absorption coefficient of 50 mm mineral wool and polyurethane

3 插入式箱型金属声屏障填充物替代测试分析

从多次吸声系数对比测试结果可以总结聚氨酯吸声材料吸声特点是：中高频吸声系数很高，低频吸声系数很低。从材料吸声性能指标上来看与矿棉很接近，甚至于要优于矿棉。课题组把同等厚度的矿棉填充物和聚氨酯填充物分别填入金属声屏障箱体，在同样条件下进行吸声系数测试，其测试结果如图5所示。表明厚50 mm矿棉和聚氨酯材料实贴后，它们吸声系数的对比特征在填入箱型屏体后依然有效。

图5 50mm厚矿棉和聚氨酯填充声屏障吸声系数对比图Fig.5 Contrast diagram of sound absorption coefficient of 50 mm mineral wool and polyurethane filled sound barrier

从图5中可以判断：按照1/3倍频带，400～2 500 Hz以内的聚氨酯和矿棉的吸声系数几乎吻合，但是在100～400 Hz的低频和2 500～5 000 Hz的高频段，聚氨酯做为升级替代填充物，具有巨大优势。尤其是低频段的优势明显。以上特征表明，聚氨酯除了符合高铁时速超过300 km/h后低频噪声提高明显的特征外，更符合低频噪声的隔声规律。声学研究中，声音的频率越低，其波长越大，绕射作用明显，很难控制和消除。做为高速铁路沿线的声屏障，其长度较长，但是高度一般不超过4 m，对于低频噪声的消除，由于屏体材料的限制也存在一定难度。聚氨酯作为填充物代替矿棉，能够在低频上提高吸声系数，说明它做为矿棉、玻璃棉的替代产品不但可行，而且还有巨大优势。

4 不同厚度聚氨酯吸声材料填充后屏体吸声系数有效性分析

相关实验数据表明，聚氨酯吸声材料吸声系数与其厚度具有很大的关系，对实贴结构形式进行测试分析表明，厚度为10～25 mm阶段，中频吸声系数提高明显；厚度为25～50 mm的阶段，中低频吸声系数提高明显[7]；超过50 mm，对箱型金属声屏障的屏体厚度就有更高要求，不符合目前屏体尺寸的通用厚度，因此，课题组选取了超过25 mm的厚度(即30 mm)进行测试，用30 mm和50 mm厚度的聚氨酯吸声泡沫塑料分别代替矿棉测试，并在靠穿孔板一侧附热塑性聚氨酯膜(TPU防尘膜)，TPU防尘膜紧贴在聚氨酯面上，能够有效防止户外风沙和灰尘对聚氨酯空隙率的影响。其测试数据如表1，表2所示。测试结果如图6所示。

表1 30 mm厚聚氨酯填充物箱型金属声屏障吸声系数测试结果Table 1 Test table for sound absorption coefficient of 30 mm polyurethane filler box-type metal sound barrier

表2 50 mm厚聚氨酯填充物箱型金属声屏障吸声系数测试结果Table 2 Test table for sound absorption coefficient of 50 mm polyurethane filler box-type metal sound barrier

从表1和表2数据来看，30 mm和50 mm聚氨酯填充，均符合插入式箱型金属声屏障吸声指标要求。从图6可以看出，30 mm厚聚氨酯和50 mm厚聚氨酯填充在箱型屏体内后，50 mm厚声屏障在低频依然有一定优势，但不是很明显，中高频吸声系数比较接近。从材料有效性方面考虑，选择30 mm聚氨酯填充物节省材料，比较经济有效。

图6 30，50 mm厚聚氨酯填充声屏障吸声系数对比图Fig.6 Contrast diagram of sound absorption coefficient of 30，50 mm polyurethane filled sound barrier

由于高速铁路箱型金属声屏障屏体内空腔约为75 mm左右，实际来看，空腔厚度越大，屏体对低频吸声系数提升作用越大，对中高频下的吸声系数提升变化不大；从经验来看，超过200 mm时提升作用不大，所以，金属屏体总厚度不要超过265 mm.

5 不同厚度TPU膜后的吸声系数分析

TPU薄膜(热塑性聚氨酯)是把TPU颗粒进行特殊加工而形成一种很薄的膜，在耐高温耐低温、高弹性、耐老化、低变形率和耐磨特性等方面具有很好的物理特性[8]。TPU膜为无孔致密结构膜，呈微相分离结构，由硬链段和软链段组成[9]，其厚度仅0.01 mm，但具有高拉力、高张力和耐老化能力，是一种成熟的环保材料。由于其防水透气的特性，附着在聚氨酯外表面上后，可以极大地防止灰尘进入吸声材料孔隙后降低吸声系数，其良好的防水功能能够防止雨水进入后降低吸声作用。课题组依然选用50 mm聚氨酯吸声材料，在覆膜和不覆膜两种情况下进行吸声系数测试，测试结果如表3所示。表3结果表明：TPU膜对聚氨酯材料的影响在100～250 Hz低频时比无膜的时候吸声系数高，这也表明覆膜对于高速铁路的降低低频噪声特征是有效的。

表3 50 mm厚无膜和有膜聚氨酯填充物箱型金属声屏障吸声系数表Table 3 Sound absorption coefficient table of 50 mm non-film and film polyurethane filler box-type metal sound barrier

分别对10，15，25，30 mm厚度聚氨酯吸声材料进行无膜、厚0.012 mm膜、厚0.015 mm膜进行测试比较，并针对测试数据作出如图7-10的曲线分析对比图.根据对比分析，不同厚度下的聚氨酯吸声材料，覆膜比无膜在低频段的吸声系数要高，说明TPU膜对在高铁时速快的时候具备一定针对性消除低频噪声的作用；但是在超过2 000 Hz左右的时候，无膜的吸声系数反而更高，说明低速铁路还是选用无膜的较为合理；TPU膜的厚度细微差异对吸声系数的影响未见明显差别，因此仅需要参考其他物理性能指标的数据来选择膜的厚度，如延展性、耐候性、防尘效果等。

图7 厚10 mm聚氨酯不同厚度膜吸声对比Fig.7 Sound absorption comparison of 10 mm polyurethane films with different thicknesses

图8 厚15 mm聚氨酯不同厚度膜吸声对比Fig.8 Sound absorption comparison of 15 mm polyurethane films with different thicknesses

图9 厚25 mm聚氨酯不同厚度膜吸声对比Fig.9 Sound absorption comparison of 25 mm polyurethane films with different thicknesses

图10 厚30 mm聚氨酯不同厚度膜吸声对比Fig.10 Sound absorption comparison of 30 mm polyurethane films with different thicknesses

6 结束语

高速铁路在我国发展很快，在发展高铁事业的同时，消除一些对高铁发展不利的技术因素，是科研工作者的责任和义务。通过以上高铁噪声分析、声屏障特点介绍、填充材料替换分析和多种厚度下覆膜的对比，充分说明用阻燃聚氨酯泡沫吸声材料代替玻璃棉、矿棉等材料后，吸声系数最低0.87，降噪系数最低0.86，对2 000 Hz以下为主的高铁噪声排放覆膜有效，对2 000 Hz以上为主的高铁噪声排放无膜有效。该项研究能够给研究高铁声屏障的科技工作者和设备厂家提供一定理论和技术参考。