高速铁路声屏障截面形式对轮轨区域噪声降噪效果影响研究

陈 兴，伍向阳，尹 皓，陆维姗

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

0 引言

高速铁路是“车—线—网—气流”强耦合的复杂动力学系统，对周边环境影响以噪声为主[1]。高速铁路噪声具有持续时间短、通过声级高、传播距离远等特点，降低高速铁路噪声影响对改善铁路沿线声环境质量意义重大。高速铁路噪声主要由轮轨噪声、气动噪声和集电系统噪声等构成，车外噪声水平随着运行速度提高而增加。研究表明：当运行速度在200～300 km/h范围内，我国高速铁路动车组辐射噪声声级水平与速度级的增长系数为26～30；运行速度在300～350 km/h范围内，辐射噪声声级水平与速度级的增长系数为36～43[2]。同时，高速铁路主要噪声源的分布特征和贡献量与运行速度相关性强；随着我国高速铁路路网密集化和运输效率提升的发展趋势，铁路沿线声环境质量恶化风险增加，对高速铁路噪声控制水平提出了更高要求。

目前，国内外高速铁路主要采用直立式声屏障阻隔噪声传播路径，可降低列车运行辐射噪声6～10 dB(A)。声屏障技术因降噪效果明显、拆装方便、占地面积小、对周围建筑设施影响较小等优点，成为高速铁路中普遍采用的降噪技术。现场测试结果表明，随着高速列车运行速度的提高，声屏障的降噪效果呈下降趋势，而且对中低频噪声的降噪效果有限。为提高直立式声屏障的降噪效果，周信[3]研究了声屏障高度对降噪效果的影响，数值仿真结果表明在一定条件下高速铁路声屏障增高1 m，插入损失增加约3 dB(A)。以日本为代表的一些国家通过加装顶端结构来增加声屏障插入损失，常见顶端结构有倒L型、Y型、T型结构，可获得附加插入损失约1～3 dB(A)，但增高声屏障和加设顶端结构对声屏障动力性能、安装基础有更高的要求，且影响视觉环境，可能侵入安全限界。综合行车安全、成本等因素，我国高速铁路运营线路对过高和异形声屏障的使用较谨慎，绝大部分声屏障是2.15～3.15 m高直立式声屏障。为提升高速铁路声屏障降噪效果，需深化声屏障技术研究，改变声屏障结构形式单一的现状，本文通过对比研究高速铁路截面形式对降噪性能的影响，探索提升高速铁路声屏障技术水平的新途径。

1 高速铁路车外噪声特性

掌握高速铁路车外噪声特性是研究高速铁路噪声控制技术的基础。按照噪声产生机理，高速铁路的噪声大致可分为轮轨噪声、气动噪声和集电系统噪声等。我国铁路科研单位基于波束形成技术，有效识别了高速铁路主要噪声源分布及贡献量。研究人员基于高速铁路噪声源分布特征，分别提出单声源、三声源和五声源高速铁路噪声源模型[4-6]。以三声源模型为例，根据高速铁路噪声源识别结果，将轮轨区域、车身区域和弓网区域噪声用点声源和线声源描述，分别设置在0.5 m、2.5 m和5.3 m附近。高速铁路噪声源特性与速度紧密相关，我国高速铁路的主要运行速度包括200 km/h、250 km/h、300 km/h 和350 km/h。列车运行辐射噪声源强是评价高速铁路车外噪声水平的重要指标，为获得高速铁路车外噪声能量分布特征，选取某设计速度350 km/h 高速铁路的典型桥梁区段开展列车运行辐射噪声源强现场测试。传声器设置于距线路中心线25 m、轨面以上3.5 m 处，垂直指向线路，得到200 km/h 和300 km/h 运行速度下车外噪声的声能量频谱特征，如图1所示。

图1 典型速度下高速铁路车外噪声能量频谱特征

由图1 可知，声能量主要集中在20～100 Hz 和400～2 500 Hz频段内，占总能量的84%～89%。当高速列车运行速度为200 km/h时，在630 Hz附近出现噪声能量峰值，对应轮轨滚动噪声主要频段。随着高速列车运行速度提升，20～100 Hz低频噪声能量占比增加，气动噪声贡献量显著提升。

我国现行环境噪声评价体系通常采用A 计权声压级，典型速度下高速铁路车外噪声A 计权能量频谱特征如图2 所示。根据A 计权曲线，低频噪声对人体烦恼度影响被大幅削弱，人体感知高速铁路噪声的频段集中在630～3 150 Hz 频段。随着高速列车运行速度由200 km/h 提升至300 km/h，车外噪声A计权能量频谱峰值由630 Hz 偏移至2 000 Hz。近年来，低频噪声引起居民投诉的案例逐渐增多，低频噪声的影响评价受到更多关注[7]。有研究人员指出A计权曲线无法准确反映低频声的影响，需要对烦恼度预测曲线进行修正[8]。因此，需关注高速铁路声屏障对低频噪声的降噪效果。结合高速铁路车外噪声特性，建议声屏障主要降噪频带应覆盖20～100 Hz和630～3 150 Hz。

图2 典型速度下高速铁路车外噪声A计权能量频谱特征

2 高速铁路声屏障降噪特性研究

通过回顾我国高速铁路声屏障的实际应用效果，在分析直立式声屏障降噪特性的基础上，开展变截面声屏障降噪特性的对比研究。

2.1 我国高速铁路声屏障降噪效果现状

声屏障通过阻隔直达声使声波产生衍射，从而降低声影区噪声。影响声屏障降噪效果的因素包括声屏障高度、声屏障声学性能、噪声源频谱特征、噪声源、受声点及声屏障相对位置关系等。根据我国高速铁路现场测试结果，2.15 m 直立式声屏障对距外轨中心线30 m 不同高度敏感点的降噪效果一般在3～8 dB(A)[9]。进一步分析声屏障不同频段的插入损失可知：在400 Hz以下频率范围内，声屏障的插入损失值较低；频率高于500 Hz 时声屏障的插入损失值较高，可达5 dB以上[10]。根据试验室测试结果，我国声屏障大多在400 Hz以上具有较好的隔声性能，250～800 Hz范围内具有较好的吸声性能，低频隔声、吸声性能较差。以常用吸声材料岩棉为例，在面板开孔率40%的条件下，100 Hz的吸声系数为0.33，630 Hz的吸声系数可达1.03[11]。由此可知，提高声屏障低频吸声隔声性能、优化声屏障对重点噪声频段的声辐射特性是提升高速铁路声屏障降噪性能的关键。

2.2 直立式高速铁路声屏障降噪特性研究

基于声屏障降噪机理，重点研究直立式声屏障对轮轨区域噪声的降噪特性。通过数值仿真方法，对典型路基区段轮轨区域辐射噪声空间分布特性及声屏障降噪特性进行分析。根据车外噪声能量集中频段，分别以100 Hz和600 Hz代表高速铁路低频噪声和中高频噪声的影响特性。利用既有高速铁路噪声源模型中对轮轨噪声的定义方式，在高于轨面0.5 m 处设置单声源。路基声屏障高度设置为2.95 m、厚度为0.14 m，与我国高速铁路常用声屏障实际尺寸一致。

为掌握不同频率噪声的传播特性，分别得到100 Hz和600 Hz轮轨噪声引起的空间声场分布，如图3(a)和3(d)所示。由于不规则边界存在，简单声源引起的声场呈复杂空间分布特征。对于100 Hz低频噪声，噪声传播无明显指向性；随着声源频率升高至600 Hz，噪声源呈明显指向性，空间不同区域声能量差异增大。为掌握直立式声屏障的降噪特性，分别研究声屏障吸声性能对降噪效果的影响。按照吸声性能划分，可将声屏障分为反射式声屏障和吸声式声屏障，研究以100 Hz 和600 Hz 频率下吸声系数为0.1 的声屏障代表反射式声屏障，如图3(b)和3(e)所示，以100 Hz 和600 Hz 频率下吸声系数为0.9 的声屏障代表吸声式声屏障，如图3(c)和3(f)所示。

反射式声屏障改变了噪声源辐射声场的空间分布规律，隔绝直达声，降低声影区噪声影响。通过对比有声屏障和无声屏障2 种工况可知：对于声亮区，声能量的主要传播路径未发生变化；对于声影区，声场分布发生变化，声能量降低。此外，反射式声屏障未能有效消耗噪声源产生的部分声能，引起声屏障对侧空间声场特性发生显著变化。以600 Hz 轮轨噪声为例，受声屏障影响，对侧空间声场指向性由水平方向转变至135°附近。设置吸声式声屏障，对侧空间辐射声场未发生明显变化。以距离线路中心线25 m、轨面0 m 处为降噪效果评价点，声屏障可降低100 Hz 轮轨噪声约4.3 dB，降低600 Hz轮轨噪声约13.4 dB。受多孔吸声材料吸声机理限制，无法在一定厚度条件下，大幅提升声屏障的低频吸声性能，因而需开展声屏障结构形式研究，提高声屏障对低频噪声源辐射声场的调控作用。

2.3 变截面高速铁路声屏障降噪特性研究

为提高声屏障低频噪声的降噪效果，通过改变声屏障截面形式，探究结构形式对声屏障降噪特性的影响。为改变声屏障对轮轨区域噪声源辐射声场，声屏障面向声源一侧轮廓为正弦曲线，其曲线参数为

式中：A为正弦曲线峰值，取0.1 m；y代表声屏障垂向不同高度处；L为声屏障高度，取2.95 m；N为声屏障截面形式参数，取值在1～6之间。

图3 噪声源辐射声场

图4 不同形式变截面声屏障在100 Hz的附加插入损失

分别计算不同截面形式(N取值1～6)对100 Hz轮轨区域噪声降噪效果，如图4 所示。通过与直立式声屏障对比可知，通过改变声屏障截面形式，在距离线路中心线25 m、轨面0 m 处可获得附加插入损失0～2 dB。为分析变截面声屏障对低频噪声影响特征，分别得到直立式声屏障和N=6变截面声屏障在近场区域和评价点区域的声压级分布特征，如图5 所示。直立式声屏障和变截面声屏障对辐射声场传播模式未发生明显变化，主要由于控制波长3.43 m 远大于截面尺寸。但是，改变声屏障截面形式可引起局部声压强度变化，从而引起受声点声压级变化。仅通过截面形式变化对声屏障总体降噪效果影响有限，需发展小尺寸结构提升对低频声波相位延迟能力，方可有效改变辐射声场分布特性。

图5 声压级分布特征

3 结论

通过测试分析高速铁路车外噪声特性，提出了高速铁路噪声主要控制频段。基于我国高速铁路常用直立式声屏障的应用现状，进一步分析了声屏障对轮轨噪声的降噪特性。针对既有直立式声屏障低频吸声性能有限、对低频噪声辐射声场的调控能力弱等问题，探究声屏障结构形式对声屏障降噪效果影响。仿真计算结果表明，通过优化声屏障截面形式，可以将轮轨区域100 Hz 噪声降噪效果提升约0～2 dB。