基于三等效聲源模型的高速鐵路聲屏障降噪效果計算方法研究

劉蘭華， 孫 捷，李志強(qiáng)，李晏良

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.環(huán)境保護(hù)部 環(huán)境工程評估中心，北京 100012；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

0 引言

在鐵路沿線設(shè)置聲屏障是我國高速鐵路環(huán)境噪聲治理的主要方法，常見的聲屏障降噪效果計算方法主要有幾何和波動聲學(xué)法、經(jīng)驗及半經(jīng)驗公式法、有限元或邊界元數(shù)值計算法等，其中經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式法基于噪聲在聲屏障頂端的繞射衰減，具有計算速度快、操作簡單、準(zhǔn)確度相對較高等優(yōu)點(diǎn)，是我國《聲屏障聲學(xué)設(shè)計和測量規(guī)范》[1《]環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則聲環(huán)境》[2]指導(dǎo)使用的計算方法。

經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式法在公路聲屏障及普速鐵路聲屏障的插入損失計算中，通常將噪聲源等效為一點(diǎn)聲源或線聲源，計算結(jié)果與實測結(jié)果相差很小。但是，高速鐵路噪聲源種類多樣，產(chǎn)生機(jī)理不同，在水平及垂直方向的分布也更加復(fù)雜[3]。試驗研究發(fā)現(xiàn)，直接將該方法用于高速鐵路聲屏障降噪效果預(yù)測有較大誤差，而根據(jù)噪聲源位置劃分為多聲源模型則可減小誤差。蘇衛(wèi)青等[4-5]在探索以某1/3倍頻帶中心頻率的計算結(jié)果作為聲屏障全頻帶降噪效果時發(fā)現(xiàn)，列車運(yùn)行速度為300 km/h時將聲源位置等效于軌上3.5 m高度、中心頻率為1 250 Hz的計算結(jié)果與實測結(jié)果最接近，并進(jìn)一步提出了雙聲源模型，建議高速鐵路噪聲的下部噪聲源高度為0.6 m、上部噪聲源高度為3.3 m。李晏良[6]通過不同高度的線聲源計算結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行比較，認(rèn)為動車組列車速度為300 km/h時，對于距外軌中心線25 m的軌面高度處測點(diǎn)，單聲源等效高度在2.0 m時的計算結(jié)果與實測結(jié)果接近，并進(jìn)一步將噪聲源劃分為輪軌區(qū)域、車體區(qū)域和集電系統(tǒng)區(qū)域3部分，等效高度分別為0.5 m，2.0 m和4.5 m，得到的全頻帶降噪效果與實測結(jié)果的A計權(quán)誤差在1 dB以內(nèi)。胡文林等[7]將高速鐵路噪聲源細(xì)分為5部分，該模型考慮了橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響，在25 ～ 50 m 處預(yù)測值與實測值相差1.5 dB以內(nèi)，近場預(yù)測精度不及遠(yuǎn)場。

隨著對高速鐵路噪聲源識別研究的深化，多等效聲源模型成為提高高速鐵路噪聲預(yù)測準(zhǔn)確度的主要模型。在進(jìn)行聲屏障降噪效果預(yù)測時，等效聲源數(shù)量過少，聲屏障插入損失計算誤差偏大；等效聲源數(shù)量過多，實際操作又較為復(fù)雜，不適合工程應(yīng)用。為此，通過對高速鐵路聲屏障空間降噪效果開展試驗研究，在吸收既有多等效聲源模型優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種新的三等效聲源模型，利用該模型計算不同距離測點(diǎn)的聲屏障插入損失，與實測結(jié)果基本一致，且計算效率高，適合應(yīng)用于高速鐵路噪聲環(huán)境影響預(yù)測和聲屏障最優(yōu)高度的設(shè)計。

1 概述

1.1 聲屏障插入損失計算方法

根據(jù)我國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件技術(shù)要求及測試方法》[8]，聲屏障聲學(xué)構(gòu)件的計權(quán)隔聲量不應(yīng)小于30 dB，應(yīng)用于列車運(yùn)行速度200 km/h及以上的鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件的降噪系數(shù)不應(yīng)小于0.70。因此，在聲屏障性能滿足該要求時，認(rèn)為聲音通過透射路徑到達(dá)聲屏障背面的能量已經(jīng)非常弱小，可以忽略不計，此時傳播至聲屏障聲影區(qū)的噪聲主要通過聲屏障頂端繞射的途徑。根據(jù)聲源與聲屏障的長度關(guān)系，可以將聲屏障分為無限長聲屏障和有限長聲屏障。聲源長度遠(yuǎn)小于聲屏障長度時，可以將聲屏障等效為無限長聲屏障，對于有限長聲屏障的插入損失可在無限長聲屏障插入損失計算結(jié)果的基礎(chǔ)上根據(jù)遮蔽角百分率進(jìn)行修正[2]。

無限長聲屏障插入損失計算公式為

式中：Abar為聲屏障插入損失值；f為聲波頻率；δ為繞射聲的聲程差；c為空氣中的聲速；t為無量綱參數(shù)。

公式 ⑴ 計算插入損失頻譜時，沒有考慮噪聲源的形式或頻譜成分及占比，只需要知道聲源、聲屏障和接收點(diǎn)的相對位置關(guān)系，但進(jìn)一步計算全頻帶的插入損失時，仍需要考慮無聲屏障時測點(diǎn)噪聲的頻譜特征。

1.2 聲屏障降噪效果空間分布

我國高速鐵路聲屏障在路基區(qū)段的典型高度為2.95 m，在橋梁區(qū)段的典型高度為2.15 m，但不同線路條件的聲屏障在軌面以上部分均為2.05 m。國內(nèi)學(xué)者對于高速鐵路聲屏障插入損失的測試，多依據(jù)《聲屏障聲學(xué)設(shè)計和測量規(guī)范》[1]《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》[9]及《鐵路工程建設(shè)通用參考圖》[10]等規(guī)定的測量方法和相關(guān)要求，將測點(diǎn)設(shè)置于距離外側(cè)軌道中心線25 m的軌面高度處[5]。受測試條件的限制，對于聲屏障插入損失的空間降噪效果，多將測點(diǎn)置于某一距離的不同高度處或置于同一高度的不同距離處[6-7，11-12]，測點(diǎn)數(shù)量較少。

為明確聲屏障降噪效果的空間分布情況，選擇我國某高速鐵路橋梁及橋梁聲屏障區(qū)段，在不同距離的軌上、軌下空間均進(jìn)行測點(diǎn)布置，獲得該段聲屏障在動車組列車速度為300 km/h時的降噪效果空間分布云圖，以及不同距離處聲屏障插入損失的頻譜特征。按照動車組在靠近聲屏障的近軌和遠(yuǎn)離聲屏障的遠(yuǎn)軌運(yùn)行時的工況，對比聲屏障的降噪效果空間分布特征。動車組列車在不同軌道上運(yùn)行時得到的聲屏障插入損失空間分布如圖1所示。

由圖1可知，聲屏障降噪效果最好的范圍為距外軌中心線水平距離15 m內(nèi)、高度為軌下3 m至軌上3 m的空間，該范圍的A計權(quán)插入損失可達(dá)10 dB以上。在距離超過25 m時，聲屏障在軌上5 m以下空間的插入損失仍較高，在軌上5 m以上空間的A計權(quán)插入損失小于4 dB，且動車組近軌運(yùn)行時的插入損失大于動車組遠(yuǎn)軌運(yùn)行時的插入損失。該測試結(jié)果說明目前我國高速鐵路聲屏障設(shè)置高度基本合理，距離鐵路較遠(yuǎn)處或位置較高處，聲屏障對在近軌運(yùn)行動車組噪聲的控制優(yōu)于對在遠(yuǎn)軌運(yùn)行動車組噪聲的控制。

對比圖1a、圖1b可知，雖然聲屏障對近軌和遠(yuǎn)軌運(yùn)行動車組噪聲的降噪效果有較多相似處，但差異也十分明顯。第一，在距離外軌中心線25 m附近的軌下范圍內(nèi)，圖1a顯示靠近地面處聲屏障插入損失值偏小，而圖1b在該區(qū)域則存在一插入損失值較大的“光帶”。對于高度低于聲屏障高度的噪聲源，位于聲影區(qū)的固定受聲點(diǎn)，聲源越靠近聲屏障時聲程差越大，對應(yīng)聲屏障插入損失值越高，以上測試結(jié)果與公式 ⑴ 得到的結(jié)果相矛盾，考慮是由聲屏障不能有效屏蔽的受電弓升弓區(qū)域噪聲導(dǎo)致。第二，圖1b中動車組遠(yuǎn)軌運(yùn)行時在水平距離60 m附近的軌下2 m及以下高度處，聲屏障插入損失明顯小于圖1a中動車組近軌運(yùn)行時相應(yīng)區(qū)域的值。這是由于動車組遠(yuǎn)軌運(yùn)行時道床遮擋了部分輪軌區(qū)域噪聲，聲屏障效果相對減弱。

因此，聲屏障對不同軌道上運(yùn)行的動車組降噪效果空間分布上的差異及實測結(jié)果與計算規(guī)律的差別，主要是由高速鐵路噪聲源、聲屏障及測點(diǎn)的相對位置導(dǎo)致，在進(jìn)行聲屏障降噪效果計算時有必要考慮高速鐵路噪聲源、聲屏障及測點(diǎn)的相對位置關(guān)系。

1.3 聲屏障降噪效果頻譜特征

根據(jù)不同距離測點(diǎn)的插入損失頻譜可知，隨著距離增加，聲屏障的插入損失基本呈減小的趨勢。不同距離的軌面高度處聲屏障插入損失頻譜特征如圖2所示。出現(xiàn)負(fù)值，測得高速鐵路金屬聲屏障的固有頻率為24.9 ～ 33.3 Hz[12]，因而插入損失出現(xiàn)負(fù)值的原因可能為聲屏障在高速動車組通過時的氣動力影響下產(chǎn)生二次結(jié)構(gòu)噪聲。②在200 ～ 800 Hz頻段，高速鐵路金屬聲屏障隔聲量、吸聲系數(shù)均快速提高，聲屏障對該頻段噪聲的吸收和阻隔能力增強(qiáng)，噪聲由透射和二次反射傳播至聲影區(qū)的能力隨頻率升高而降低，聲屏障插入損失也隨頻率升高而快速增大。③在超過800 Hz的更高頻段，噪聲只能由聲屏障頂端繞射傳播，聲屏障插入損失隨頻率變化的趨勢也趨于平緩。

圖1 動車組列車在不同軌道上運(yùn)行時得到的聲屏障插入損失空間分布Fig.1 Spatial distribution of barriers’ insertion loss when the EMUs run on different tracks

圖2 不同距離的軌面高度處聲屏障插入損失頻譜特征Fig.2 Spectra of noise barriers insertion loss at the height of railheads from different distances

利用公式⑴進(jìn)行單等效聲源模型的高速鐵路聲屏障插入損失計算時，不同學(xué)者得出的等效聲源高度有較大差異。對等效聲源高度為0.5 m，1.0 m和2.0 m時，水平距離為7.5 m，15.0 m，30.0 m，60.0 m的軌面高度處插入損失的單等效聲源模型計算與實測對比如圖3所示。結(jié)果顯示，在不同距離的測點(diǎn)處，與實測結(jié)果接近的動車組單等效聲源的高度不統(tǒng)一，實測與計算的插入損失隨頻率的變化規(guī)律不一致，且實測的插入損失值與計算結(jié)果也有較大差別。

圖3 單等效聲源模型計算與實測對比Fig.3 Single Noise-Source-Model calculation compared with the actual measurement

2 三等效聲源模型研究

受動車組高速運(yùn)動產(chǎn)生的空氣動力噪聲影響，高速鐵路與普速鐵路在噪聲源分布方面有較大的區(qū)別。按噪聲產(chǎn)生機(jī)理，高速動車組的噪聲源主要有設(shè)備噪聲、輪軌噪聲、空氣動力噪聲和集電系統(tǒng)噪聲等[3,13]，根據(jù)噪聲源識別結(jié)果，各噪聲源在垂直方向上有明顯的分層分布特征。因此，對于高速鐵路聲屏障插入損失的計算不宜再采用單等效聲源模型，而應(yīng)該根據(jù)噪聲源的垂向分布特征和噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行多個聲源的劃分。根據(jù)噪聲源、聲屏障、測點(diǎn)三者的相對位置關(guān)系及噪聲產(chǎn)生機(jī)理將高速動車組的噪聲源劃分為3個等效聲源，提出一種新的計算高速鐵路聲屏障降噪效果的三等效聲源模型。

動車組噪聲源在垂直方向上可以劃分為下部輪軌區(qū)域、中部車體區(qū)域和上部受電弓區(qū)域。一般高速鐵路聲屏障軌上高度2.05 m，動車組車輪直徑在1.0 m以內(nèi)，因而下部輪軌區(qū)域噪聲源對大部分測點(diǎn)均受聲屏障的屏蔽；動車組車體高度一般在1.0 m至4.0 m左右，車體區(qū)域噪聲源一部分高于聲屏障高度，一部分低于聲屏障高度；受電弓區(qū)域噪聲源在4.0 m以上，均高于聲屏障。高速鐵路噪聲源、聲屏障、測點(diǎn)相對位置關(guān)系如圖4所示。以測點(diǎn)和聲屏障頂點(diǎn)確定一條直線，該直線與動車組車體區(qū)域相交，交點(diǎn)將車體區(qū)域噪聲源劃分為2部分，如圖4中B，C所示區(qū)域。對于車體區(qū)域B部分，測點(diǎn)位于聲屏障聲影區(qū)，對于車體區(qū)域C部分，測點(diǎn)位于聲屏障聲亮區(qū)。

圖4 高速鐵路噪聲源、聲屏障、測點(diǎn)相對位置關(guān)系示意圖Fig.4 Relative position of noise sources, noise barrier and measurement point

根據(jù)高速鐵路噪聲隨速度的變化規(guī)律[13]及噪聲源識別結(jié)果[14]，既有運(yùn)營速度的高速鐵路車外噪聲，輪軌區(qū)域噪聲較為集中且占比最大，將該區(qū)域噪聲源等效為聲源1；按照車體區(qū)域B部分高度范圍及占總車體區(qū)域的比例，將車體區(qū)域B部分噪聲源等效為聲源2；車體區(qū)域C部分的噪聲源和受電弓區(qū)域噪聲源均以空氣動力噪聲為主，且相對于測點(diǎn)其噪聲均不受聲屏障屏蔽，兩部分合并等效為聲源3。選擇水平距離為7.5 m，15.0 m，30.0 m，60.0 m等軌面高度處測點(diǎn)，根據(jù)軌道、車體、聲屏障、各測點(diǎn)的相對位置關(guān)系，以及對典型動車組300 km/h運(yùn)行時聲源識別情況，各等效聲源的等效高度及噪聲占比如表1所示。

表1 各等效聲源的等效高度及噪聲占比Tab.1 Equivalent height and sound power proportion of each noise source

三效聲源模型計算與實測對比如圖5所示。由圖5可知，三等效聲源模型計算的聲屏障插入損失，不僅隨頻率的變化趨勢與實測結(jié)果基本一致，數(shù)值也更加接近。距離較近的7.5 m處測點(diǎn)的差異相對較大，這是由于距離較近時，將各噪聲源等效為線聲源本身存在較大誤差。距離超過15 m的各測點(diǎn)，誤差主要集中在400 Hz以下的低頻段。這主要是由于聲屏障對低頻噪聲的吸收能力較弱、低頻噪聲的透聲能力更強(qiáng)及橋梁和聲屏障的結(jié)構(gòu)振動噪聲等導(dǎo)致。距離超過15 m時三等效聲源模型計算的A計權(quán)全頻段插入損失值與實測值相差不超過0.6 dB，與單等效聲源模型相比更加準(zhǔn)確。全頻帶插入損失實測值與不同模型的計算結(jié)果對比結(jié)果如表2所示。

圖5 三等效聲源模型計算與實測對比Fig.5 Comparison between the 3 equivalent noise source model calculation and the actual measurement

表2 全頻帶插入損失實測值與不同模型的計算結(jié)果對比結(jié)果Tab.2 Comparison between the measured and calculated results of all-band insertion loss

三等效聲源模型對高速鐵路聲屏障在不同距離測點(diǎn)的插入損失計算值與實測值相差不大，隨頻率變化的趨勢也基本一致，均表現(xiàn)為低頻段和高頻段隨頻率變化較為緩慢，中頻段隨頻率變大而迅速變大。因而三等效聲源模型與單等效聲源模型相比，有非常大的進(jìn)步。利用該模型可以更準(zhǔn)確地預(yù)測聲屏障對不同敏感點(diǎn)的防護(hù)效果，并可以用于計算特定敏感點(diǎn)需要的最優(yōu)聲屏障高度。

3 結(jié)束語

在聲屏障降噪效果空間分布特征及聲屏障插入損失頻譜特征研究基礎(chǔ)上提出的三等效聲源模型，與單等效聲源模型相比，計算聲屏障插入損失準(zhǔn)確度更高，而且計算量沒有增加太多，適合用于聲屏障插入損失計算與評估、高速鐵路建設(shè)項目環(huán)境影響評價及鐵路施工中聲屏障最優(yōu)高度設(shè)計等方面。單等效聲源模型與三等效聲源模型在低頻段的插入損失計算值均大于實測值，初步考慮是由于聲屏障對低頻噪聲的吸聲和隔聲能力較弱、聲屏障和橋梁的結(jié)構(gòu)振動噪聲等有關(guān)，應(yīng)進(jìn)一步研究低頻段實測插入損失值低的原因，并提出修正建議。高速鐵路聲屏障降噪效果空間分布的測試研究，以及基于噪聲源識別結(jié)果和噪聲源、聲屏障、測點(diǎn)相對位置關(guān)系提出的三等效聲源模型，對掌握聲屏障對高速鐵路車外噪聲源的作用效果具有重要意義，對指導(dǎo)高速鐵路沿線噪聲敏感點(diǎn)采取合理的降噪措施具有參考價值。