文献原创 高速铁路声屏障评价体系探讨

1 引言

近年来我国高速铁路建设大力发展，它大大方便了公众的日常出行，然而它同时也给沿线居民的声环境造成一定影响。就当前而言，声屏障是解决各类交通噪声污染的最有效途径之一。列车运行噪声频谱对铁路声屏障设计至关重要，其频谱特性随列车速度、机车车辆类型、轨道结构的不同而不同。现行普通铁路声屏障工程建设的设计材料选型、工程材料招标、新材料研发以铁道行业标准TB／T3122-2005《铁路声屏障声学构件技术要求及测试方法》[1]（以下简称标准）为指导。

高速铁路运行噪声，它与一般的铁路噪声存在着很大的不同。首先高速铁路噪声强度大，可达90dB [2]。其次，随着速度的提高，在低速区占主导地位的轮轨噪声将让位于高速区的气动噪声。空气动力噪声相比轮轨噪声而言，其频率宽、并且声源位置要高，主要声源距地面2米以上，这将会大大降低声屏障的效果[3]。最后，高速铁路声屏障的载荷除自重荷载外，还要承受由于高速行驶的列车通过而引起的相当大的脉动风力，它会引起声屏障的振动。

综上可知，高速铁路声屏障设计与普通铁路声屏障设计存在着很大差别，因此现行《铁路声屏障声学构件技术要求及测试方法》不能完全满足高速铁路声屏障的设计要求。本文针对高速铁路的噪声特性，探讨了适合高速铁路声屏障声学构件的声学性能的评价体系和应对措施。

2 高铁声屏障评价体系

2.1 吸声性能

高速铁路噪声频谱宽，特别是中低频成分多。现有声屏障吸声结构一般都是采用百叶窗内添多孔吸声材料。其中低频吸声性能不佳，同时这种结构不耐潮，不适合南方春季潮湿季节。如何有效提高吸声材料的中低频吸声性能和环保耐候性能则是当前需要考虑的问题。相比多孔吸声材料，微穿孔板可以作为一种可精确可控的吸声结构，可实现良好的中低频吸声；同时微穿孔是一种无纤维材料，因此它可以在高温、高湿以及有气流冲击和腐蚀等条件下使用，弥补了传统吸声材料不耐久以及存在二次污染的问题。

图1 多频带微穿孔吸声特性。

Fig.1 Sound absorption of the multiband micro-perforated panels

目前大量使用的微穿孔板孔径都在0.8mm左右，对于这种孔径的微穿孔板而言，一般的吸声频带约为2个倍频程。如果可以有效利利用微穿孔板的高阶吸声系数，通过设计的变空腔[4]，即采用一种并联结构，使其吸声共振峰错开，从而增大各波谷处的吸声系数，是有望整体提高微穿孔板的吸声系数。这一思想的前提条件就是验证微穿孔板的多频带吸声特性。

图1为空腔深度80mm下的微穿孔板吸声性能的理论与实验对比。实验所用微穿孔板参数为孔径0.7mm、厚度0.5mm、孔距4.9mm的金属板；实验仪器是B&K公司生产的型号为4206的阻抗管；阻抗管内径29mm，传声器的间距为20mm，测试频率范围为500Hz～6.4kHz，测试方法为传递函数测量法。图1的吸声测试曲线精准验证了微穿孔板这一多频带吸声的特性。

同时，如果把孔径减小到0.07-0.15mm，就可以进一步拓宽微穿孔板的吸声频带[5]。我们研制出一种新型的双层复合微穿孔板吸声结构，目前测试结果表明，这一结构吸声系数大于0.5的频率范围为300-2500Hz，最大吸声系数0.96，具有较强的实用价值。

2.2 高架的影响

现有高铁大量修建于桥梁之上，列车运行高架桥梁时，会引起桥梁和声屏障本身振动从而产生二次声辐射，使得声屏障对于高架结构线路噪声，特别是低频噪声的降噪效果下降很大。其措施对声屏障而言，可以通过将高架桥梁声屏障下部加长，延伸至桥面以下，将桥梁底面与侧面遮挡住，从而隔绝桥梁振动的辐射噪声的传播路径。同时在桥梁与声屏障的连结部位安装减振、隔振及吸振装置，最大程度上的减小振动的传递，以减小声屏障本身的振动，从而减小声屏障的二次辐射噪声。总体而言，未来高速铁路声屏障评价体系应该涵盖高架声屏障对桥梁低频辐射的降噪指标。

3 总结和建议

目前高速交通噪声污染成为了环境保护的急切工作，相应的高速交通声屏障技术研究课题具备技术实用性和广泛应用前景，将会收到良好的社会及经济效益。虽然由于高速列车噪声声源强度和车外声场分布特性与普通列车存在很大差异，声屏障在高速铁路的应用效果还需要进一步确认，但从噪声影响敏感区域的声接受者角度考虑，设置声屏障仍是比较直接和有效的手段之一。然而一旦声屏障在高速铁路上建成，对其进行改进或优化的成本将大大增加，甚至超过重新建造声屏障的成本。影响声屏障降噪效果的因素一般包括声屏障高度、长度、设置位置、声屏障结构形式、频谱特性及声源构成等。因此必须根据高速列车噪声源频谱特性和分布在声屏障的设计阶段给予充分考虑，尽量避免在声屏障建成之后再评价其噪声控制效果和作进一步改进优化。相应的高速铁路声屏障的评价体系的建立就显得十分迫切，这一体系需要涵盖相应的声屏障插入损失目标值、声屏障的二次声辐射问题，高速气流对吸声结构的非线性影响、吸声材料的使用寿命等方面。最后针对高铁噪声所具有的声源强度高、频谱宽、位置高这三个特点，使得现有高铁声屏障的降噪效果大打折扣。未来在设计高铁声屏障前，应首先开展相应的动力学、声学仿真和模型试验，尽可能确保设计的高铁声屏障安全、有效。

参考文献:

[1] TB/T 3122-2005 《铁路声屏障声学构件技术要求和测试方法》[S] TB/T 3122-2005 “Technique Requirements and Measurement of Acoustic Elements of Railway’s Sound Barrier”

[2] 俞悟周, 王晨, 毛东兴, 王佐民, 姜在秀, 万雯 “高速铁路动车组列车的噪声特性” 环境防治与污染 2009 31(1) 74-77

Yu Wuzhou, Wang Chen, Mao Dongxing, Wang Zuomin, Jiang Zaixiu,Wan Wen. “Noise characteristics of China railway high-speed” ENVIRONMENT POLLUTION & CONTRAL 2009 31(1) 74-77

[3]   尹皓, 李耀增, 辜小安 “高速铁路列车运行噪声特性研究” 铁道劳动安全卫生与环保 2009 36 (5) 221-224

YIN Hao “Study of the Noise Characteristic of Running Trains of High-speed Railroad” Railway Occupational Safety Health & Environmental Protection 2009 36(5) 221-224

[4]   俞悟周 “高架道路渐变空腔微穿孔声屏障的设计和降噪”[J] 环境与噪声污染 2008 30(7) 55-61

Yu Wuzhou. “Design and noise reduction of elevated road barrier of micro-perforated panels with linear-change cavity”. Environmental Pollution & Control 2008 30(7) 55-61

[5]   焦风雷，刘克，丁辉 “关于微穿孔板吸声体频带宽度极限的讨论”应用声学2001 20(6) 36-40

Jiao Fenglei, Liu Ke, Ding Hui. “Discussions on the   utmost frequency band of a m icroperforatedpanel absorber” APPLIED ACOUSTICS 2001 20(6) 36-40

引自：《声学技术》 2010年第6期p2 270-271