聚氨酯填充和TUP防塵膜對(duì)高速鐵路箱型金屬聲屏障性能的影響

雷一彬，尚瑞華

(太原理工大學(xué) 建筑學(xué)院，太原 030024)

高速鐵路提速極大拉近了城市與城市之間的距離，是目前最方便快捷的交通形式之一。但是，當(dāng)高速鐵路經(jīng)過生產(chǎn)、生活區(qū)域時(shí)，高速行駛的火車帶來的噪聲，不可避免地困擾著人們的生活。研究高鐵噪聲，進(jìn)行降噪處理，是提高人居環(huán)境的有效途徑。相關(guān)測(cè)試表明，當(dāng)高鐵列車速度在300 km/h時(shí)，噪聲分布區(qū)主要為輪軌區(qū)和車體下部，分別占48%和25%，占高鐵列車總噪聲的73%，對(duì)高速鐵路輻射噪聲起主導(dǎo)作用[1]。高鐵噪聲150 m范圍內(nèi)噪聲衰減小，持續(xù)時(shí)間短；列車由遠(yuǎn)及近以中高頻為主，由近及遠(yuǎn)以中低頻噪聲為主，持續(xù)時(shí)間長。我國高鐵噪聲高于國外發(fā)達(dá)國家，標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行難度大，所以高速鐵路環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)限值要高一些，目前為晝間等效聲級(jí)70 dB(A)、夜間60 dB(A)[2]。時(shí)速為300～350 km/h時(shí)，動(dòng)車組噪聲聲壓級(jí)隨著速度的提高，瞬時(shí)聲壓級(jí)變化率大，瞬時(shí)聲壓級(jí)水平遠(yuǎn)高于背景噪聲[3]。2018年對(duì)京滬高速列車在通過高架橋、普通路基和路塹3種不同線路時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)分別具有噪聲先大后小、普通衰減和等效聲壓級(jí)相似的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象均對(duì)經(jīng)過的環(huán)境造成了嚴(yán)重噪聲污染，而且影響方式特點(diǎn)各不相同[4]，低頻噪聲的控制難度很大。

在聲源與接受者之間，插入一個(gè)有足夠面密度的密實(shí)材料的板或墻，能使聲波有一個(gè)顯著的附加衰減，這樣的“障礙物”稱為聲屏障[5]。針對(duì)高速鐵路噪聲特點(diǎn)，聲屏障是降低其噪聲的有效途徑之一。在聲屏障表面添加吸聲材料，提高其吸聲系數(shù)，能夠有效提高降噪效果，尤其是在道路兩側(cè)平行設(shè)置聲屏障的時(shí)候，其吸聲作用尤為重要[6]，高鐵聲屏障的設(shè)置就符合這個(gè)顯著的特點(diǎn)。

國內(nèi)現(xiàn)在大多數(shù)已經(jīng)鋪設(shè)好的高鐵聲屏障設(shè)備，為20世紀(jì)90年代德國聲屏障設(shè)計(jì)理念，內(nèi)填吸音材料絕大多數(shù)是玻璃棉、礦棉等，一般2～3年后就會(huì)開始腐爛，隔音變差，吸聲消失，同時(shí)還造成嚴(yán)重二次粉塵污染。

從以上理論及其研究來分析，高速鐵路在聲屏障屏體空腔的材料上應(yīng)該有更多選擇。自2014年起，太原理工大學(xué)建筑學(xué)院建筑物理實(shí)驗(yàn)室與山西晉金有限公司合作，對(duì)巖棉、水泥板、擠塑板、聚氨酯(覆膜和不覆膜)等原材料和金屬聲屏障填充進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析，總結(jié)了箱型插入式金屬聲屏障填入聚氨酯材料、水泥板和TUP膜(熱塑性聚氨酯thermoplastic polyurethanes)在不同使用條件下的不同技術(shù)參數(shù)和對(duì)比數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)和結(jié)論對(duì)同類研究聲屏障的科研單位和生產(chǎn)聲屏障企業(yè)單位起到一定借鑒意義，以期從噪聲治理方面上推動(dòng)我國高速鐵路發(fā)展。

所有研究材料來源于山西晉金有色金屬材料有限公司；實(shí)驗(yàn)室:太原理工大學(xué)建筑學(xué)院建筑物理實(shí)驗(yàn)室混響實(shí)驗(yàn)室(容積258.36 m3)；測(cè)試儀器：瑞士NTi，Exel Acoustic Set with M2230，丹麥BK Omni Power sound source 4292，丹麥BK Power Amplifier 2716、Flight Case KE-0358，檢測(cè)依據(jù)為GB/T 20407-2006《聲學(xué)混響室吸聲測(cè)量》；實(shí)驗(yàn)室溫度：16 ℃，濕度52.5%；測(cè)試時(shí)間：2014年10月至2018年10月。

1 插入式箱型金屬聲屏障特點(diǎn)及分析

傳統(tǒng)的插入式箱型金屬聲屏障由1.5 mm厚鋁合金板組成，朝向鐵路一面為鋁合金穿孔板，內(nèi)填玻璃棉厚50 mm，水泥板9 mm，水泥板后空氣層50 mm.其構(gòu)造特征是利用水泥板和箱型屏體隔聲，利用穿孔金屬板和多孔材料進(jìn)行吸聲，同時(shí)水泥板和箱型背板之間形成的空腔提高了低頻噪聲的隔聲和吸聲能力，插入式箱型金屬聲屏障構(gòu)造如圖1所示。其中礦棉作為多孔吸聲材料是主要吸聲材料，其吸聲原理是利用多孔材料提高空氣流阻把聲能轉(zhuǎn)化為熱能。其吸聲系數(shù)主要取決于材料的孔隙率、厚度和密度。

圖1 插入式箱型金屬聲屏障構(gòu)造及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Inserted box metal noise barrier construction and test site

有關(guān)研究表明，礦棉實(shí)貼的時(shí)候，吸聲系數(shù)呈現(xiàn)中高頻吸聲系數(shù)高、低頻吸聲系數(shù)低的特點(diǎn)，這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于不斷提速的高速鐵路中最明顯的空氣低頻聲最為不利。如圖2所示為50 mm礦棉吸聲系數(shù)特征。

研究表明，我國的高速鐵路所產(chǎn)生的噪聲峰值頻率均在低頻段，并呈寬頻特性，最大聲壓級(jí)集中在125 Hz以下的低頻段，而4 000 Hz以上高頻的聲壓級(jí)快速減??；A計(jì)權(quán)的噪聲能量大多都分布在500～5 000 Hz倍頻帶，其中1 000～4 000 Hz的噪聲能量最為突出。 隨著高鐵的提速，各頻帶的聲壓級(jí)逐漸升高，高頻比低頻升高較快。相對(duì)于高頻，低頻噪聲主要來源于空氣動(dòng)力噪聲，對(duì)速度更敏感。以時(shí)速達(dá)到300 km/h為界[3]，超過這個(gè)時(shí)速后，反而以空氣動(dòng)力噪聲為主的低頻噪聲提升較快，而礦棉、玻璃棉類型的多孔吸聲材料能夠大量消耗掉1 000 Hz以上的高鐵噪聲，并且吸聲系數(shù)在0.7左右。

圖2 50 mm礦棉吸聲系數(shù)特征Fig.2 Characteristic diagram of sound absorption coefficient of 50 mm mineral wool

箱型金屬聲屏障吸聲系數(shù)特征如圖3所示。當(dāng)插入式箱型金屬聲屏障水泥板背后增加空腔后，其吸聲系數(shù)在低頻段提高明顯。中高頻吸聲系數(shù)也有一定程度的提高。尤其是250～2 000 Hz倍頻帶內(nèi)，吸聲系數(shù)有極大提高。這是由于多孔材料背后的空氣層對(duì)低頻噪聲起了很大消耗作用。礦棉背后的水泥板在極大提高屏體隔聲量的同時(shí)，又在低頻和中頻提高了屏體的吸聲系數(shù)。在針對(duì)目前常規(guī)的高速鐵路箱型金屬聲屏障進(jìn)行測(cè)試后，得出其平均吸聲系數(shù)α為0.82，降噪系數(shù)NRC為0.94，隔聲量36 dB，從指標(biāo)上來看符合高速鐵路的聲屏障要求。

圖3 箱型金屬聲屏障吸聲系數(shù)特征Fig.3 Characteristic diagram of sound absorption coefficient of box-type metal sound barrier

多孔材料填充物如礦棉、巖棉和玻璃棉都存在耐候性差的問題，而由于鐵路沿線很長、施工量大、更換不方便等原因也對(duì)大量大范圍采用這些吸聲材料提出了質(zhì)疑?；谝陨显?，尋找一種能夠替代礦棉等耐候性差的多孔材料，同時(shí)又能夠達(dá)到吸聲系數(shù)的要求，質(zhì)量輕、價(jià)格合理的多孔吸聲材料，是解決目前問題的有效方法之一。經(jīng)過對(duì)多種材料廣泛篩選，反復(fù)測(cè)試，最終課題組把改良材料定位為阻燃聚氨酯吸聲泡沫塑料。

2 聚氨酯與礦棉吸聲系數(shù)特征對(duì)比

阻燃聚氨酯吸聲泡沫塑料是一種輕質(zhì)材料。泡沫型的材料主要由其泡孔的構(gòu)造來區(qū)分形式，一種泡孔的內(nèi)壁之間互相封閉，互不連通，屬于閉孔式泡沫材料，其主要特點(diǎn)是具有很好的熱阻，屬于保溫隔熱材料；另一種泡孔的內(nèi)壁之間存在很多孔隙和裂縫，互相聯(lián)通，屬于開孔型泡沫，其特點(diǎn)是入射到材料表面的聲波通過泡孔傳至材料內(nèi)，并因摩擦作用消耗聲能，屬于典型的多孔吸聲材料。多孔吸聲材料密度小、耐水性好、材質(zhì)輕、彈性好、柔軟成型容易、方便加工、施工方便、環(huán)保。研究表明，其表觀密度為26 kg/m3，拉伸力為117 kPa，延伸率為150%，撕裂強(qiáng)度為3.88 N/cm，自燃性為7 min，材料為25 mm厚時(shí)降噪系數(shù)(NRC)為0.75，材料為50 mm厚時(shí)降噪系數(shù)(NRC)為0.95[7].

針對(duì)50 mm厚的礦棉和聚氨酯吸聲材料進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看，在同等實(shí)貼的條件下，從500 Hz開始，聚氨酯礦棉的吸聲系數(shù)在1/3倍頻帶基本吻合，屬于同等吸聲能力的吸聲系數(shù)；從材料結(jié)構(gòu)類型來看，低頻吸聲系數(shù)低，中高頻吸聲系數(shù)高，這是所有多孔吸聲材料的共同特點(diǎn)。值得注意的是在100～500 Hz的低頻段內(nèi)聚氨酯的吸聲系數(shù)普遍要高于礦棉，這是由于聚氨酯本身泡孔的材料結(jié)構(gòu)特征造成的，也恰恰是這個(gè)特點(diǎn)，非常適合高速鐵路提速超過300 km/h后，低頻空氣噪聲更為突出的分布特點(diǎn)和鐵路沿線聲屏障產(chǎn)品選擇。

圖4 50 mm厚礦棉和聚氨酯吸聲系數(shù)對(duì)比Fig.4 Contrast diagram of sound absorption coefficient of 50 mm mineral wool and polyurethane

3 插入式箱型金屬聲屏障填充物替代測(cè)試分析

從多次吸聲系數(shù)對(duì)比測(cè)試結(jié)果可以總結(jié)聚氨酯吸聲材料吸聲特點(diǎn)是：中高頻吸聲系數(shù)很高，低頻吸聲系數(shù)很低。從材料吸聲性能指標(biāo)上來看與礦棉很接近，甚至于要優(yōu)于礦棉。課題組把同等厚度的礦棉填充物和聚氨酯填充物分別填入金屬聲屏障箱體，在同樣條件下進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。表明厚50 mm礦棉和聚氨酯材料實(shí)貼后，它們吸聲系數(shù)的對(duì)比特征在填入箱型屏體后依然有效。

圖5 50mm厚礦棉和聚氨酯填充聲屏障吸聲系數(shù)對(duì)比圖Fig.5 Contrast diagram of sound absorption coefficient of 50 mm mineral wool and polyurethane filled sound barrier

從圖5中可以判斷：按照1/3倍頻帶，400～2 500 Hz以內(nèi)的聚氨酯和礦棉的吸聲系數(shù)幾乎吻合，但是在100～400 Hz的低頻和2 500～5 000 Hz的高頻段，聚氨酯做為升級(jí)替代填充物，具有巨大優(yōu)勢(shì)。尤其是低頻段的優(yōu)勢(shì)明顯。以上特征表明，聚氨酯除了符合高鐵時(shí)速超過300 km/h后低頻噪聲提高明顯的特征外，更符合低頻噪聲的隔聲規(guī)律。聲學(xué)研究中，聲音的頻率越低，其波長越大，繞射作用明顯，很難控制和消除。做為高速鐵路沿線的聲屏障，其長度較長，但是高度一般不超過4 m，對(duì)于低頻噪聲的消除，由于屏體材料的限制也存在一定難度。聚氨酯作為填充物代替礦棉，能夠在低頻上提高吸聲系數(shù)，說明它做為礦棉、玻璃棉的替代產(chǎn)品不但可行，而且還有巨大優(yōu)勢(shì)。

4 不同厚度聚氨酯吸聲材料填充后屏體吸聲系數(shù)有效性分析

相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，聚氨酯吸聲材料吸聲系數(shù)與其厚度具有很大的關(guān)系，對(duì)實(shí)貼結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行測(cè)試分析表明，厚度為10～25 mm階段，中頻吸聲系數(shù)提高明顯；厚度為25～50 mm的階段，中低頻吸聲系數(shù)提高明顯[7]；超過50 mm，對(duì)箱型金屬聲屏障的屏體厚度就有更高要求，不符合目前屏體尺寸的通用厚度，因此，課題組選取了超過25 mm的厚度(即30 mm)進(jìn)行測(cè)試，用30 mm和50 mm厚度的聚氨酯吸聲泡沫塑料分別代替礦棉測(cè)試，并在靠穿孔板一側(cè)附熱塑性聚氨酯膜(TPU防塵膜)，TPU防塵膜緊貼在聚氨酯面上，能夠有效防止戶外風(fēng)沙和灰塵對(duì)聚氨酯空隙率的影響。其測(cè)試數(shù)據(jù)如表1，表2所示。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

表1 30 mm厚聚氨酯填充物箱型金屬聲屏障吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)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屬聲屏障吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 2 Test table for sound absorption coefficient of 50 mm polyurethane filler box-type metal sound barrier

從表1和表2數(shù)據(jù)來看，30 mm和50 mm聚氨酯填充，均符合插入式箱型金屬聲屏障吸聲指標(biāo)要求。從圖6可以看出，30 mm厚聚氨酯和50 mm厚聚氨酯填充在箱型屏體內(nèi)后，50 mm厚聲屏障在低頻依然有一定優(yōu)勢(shì)，但不是很明顯，中高頻吸聲系數(shù)比較接近。從材料有效性方面考慮，選擇30 mm聚氨酯填充物節(jié)省材料，比較經(jīng)濟(jì)有效。

圖6 30，50 mm厚聚氨酯填充聲屏障吸聲系數(shù)對(duì)比圖Fig.6 Contrast diagram of sound absorption coefficient of 30，50 mm polyurethane filled sound barrier

由于高速鐵路箱型金屬聲屏障屏體內(nèi)空腔約為75 mm左右，實(shí)際來看，空腔厚度越大，屏體對(duì)低頻吸聲系數(shù)提升作用越大，對(duì)中高頻下的吸聲系數(shù)提升變化不大；從經(jīng)驗(yàn)來看，超過200 mm時(shí)提升作用不大，所以，金屬屏體總厚度不要超過265 mm.

5 不同厚度TPU膜后的吸聲系數(shù)分析

TPU薄膜(熱塑性聚氨酯)是把TPU顆粒進(jìn)行特殊加工而形成一種很薄的膜，在耐高溫耐低溫、高彈性、耐老化、低變形率和耐磨特性等方面具有很好的物理特性[8]。TPU膜為無孔致密結(jié)構(gòu)膜，呈微相分離結(jié)構(gòu)，由硬鏈段和軟鏈段組成[9]，其厚度僅0.01 mm，但具有高拉力、高張力和耐老化能力，是一種成熟的環(huán)保材料。由于其防水透氣的特性，附著在聚氨酯外表面上后，可以極大地防止灰塵進(jìn)入吸聲材料孔隙后降低吸聲系數(shù)，其良好的防水功能能夠防止雨水進(jìn)入后降低吸聲作用。課題組依然選用50 mm聚氨酯吸聲材料，在覆膜和不覆膜兩種情況下進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。表3結(jié)果表明：TPU膜對(duì)聚氨酯材料的影響在100～250 Hz低頻時(shí)比無膜的時(shí)候吸聲系數(shù)高，這也表明覆膜對(duì)于高速鐵路的降低低頻噪聲特征是有效的。

表3 50 mm厚無膜和有膜聚氨酯填充物箱型金屬聲屏障吸聲系數(shù)表Table 3 Sound absorption coefficient table of 50 mm non-film and film polyurethane filler box-type metal sound barrier

分別對(duì)10，15，25，30 mm厚度聚氨酯吸聲材料進(jìn)行無膜、厚0.012 mm膜、厚0.015 mm膜進(jìn)行測(cè)試比較，并針對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)作出如圖7-10的曲線分析對(duì)比圖.根據(jù)對(duì)比分析，不同厚度下的聚氨酯吸聲材料，覆膜比無膜在低頻段的吸聲系數(shù)要高，說明TPU膜對(duì)在高鐵時(shí)速快的時(shí)候具備一定針對(duì)性消除低頻噪聲的作用；但是在超過2 000 Hz左右的時(shí)候，無膜的吸聲系數(shù)反而更高，說明低速鐵路還是選用無膜的較為合理；TPU膜的厚度細(xì)微差異對(duì)吸聲系數(shù)的影響未見明顯差別，因此僅需要參考其他物理性能指標(biāo)的數(shù)據(jù)來選擇膜的厚度，如延展性、耐候性、防塵效果等。

圖7 厚10 mm聚氨酯不同厚度膜吸聲對(duì)比Fig.7 Sound absorption comparison of 10 mm polyurethane films with different thicknesses

圖8 厚15 mm聚氨酯不同厚度膜吸聲對(duì)比Fig.8 Sound absorption comparison of 15 mm polyurethane films with different thicknesses

圖9 厚25 mm聚氨酯不同厚度膜吸聲對(duì)比Fig.9 Sound absorption comparison of 25 mm polyurethane films with different thicknesses

圖10 厚30 mm聚氨酯不同厚度膜吸聲對(duì)比Fig.10 Sound absorption comparison of 30 mm polyurethane films with different thicknesses

6 結(jié)束語

高速鐵路在我國發(fā)展很快，在發(fā)展高鐵事業(yè)的同時(shí)，消除一些對(duì)高鐵發(fā)展不利的技術(shù)因素，是科研工作者的責(zé)任和義務(wù)。通過以上高鐵噪聲分析、聲屏障特點(diǎn)介紹、填充材料替換分析和多種厚度下覆膜的對(duì)比，充分說明用阻燃聚氨酯泡沫吸聲材料代替玻璃棉、礦棉等材料后，吸聲系數(shù)最低0.87，降噪系數(shù)最低0.86，對(duì)2 000 Hz以下為主的高鐵噪聲排放覆膜有效，對(duì)2 000 Hz以上為主的高鐵噪聲排放無膜有效。該項(xiàng)研究能夠給研究高鐵聲屏障的科技工作者和設(shè)備廠家提供一定理論和技術(shù)參考。