鐵路全封閉聲屏障降噪效果試驗研究

伍向陽

(中國鐵道科學研究院,北京 100081)

截至2018年底，我國高速鐵路運營總里程超過2.9萬km，聲屏障是我國高速鐵路應用最為廣泛的噪聲控制手段，目前已實施聲屏障總長度超過4 000 km[1-2]，且以直立式聲屏障為主，直立式聲屏障一般僅在聲影區(qū)有較好的降噪效果[3-4]。由于運營安全、維護檢修等方面的限制，全封閉聲屏障、半封閉聲屏障等進一步降低噪聲的聲屏障類型雖已在道路交通[5-6]、城市軌道交通[7-9]廣泛應用，但在鐵路應用案例極少，半封閉聲屏障僅應用于我國滬杭客專城區(qū)段[10-11]，全封閉聲屏障尚未應用于國內外鐵路。

新建深茂鐵路設計速度200 km/h，距景區(qū)“小鳥天堂”鳥類棲息地水平距離800 m，為了降低鐵路運行噪聲對鳥類棲息環(huán)境的影響，建設單位研究設置了長約2 km的全封閉聲屏障，這也是我國第一次在高速鐵路線路上安裝全封閉聲屏障[12]。本文以該區(qū)段全封閉聲屏障為試驗對象，研究分析其實際應用效果，為全封閉聲屏障應用提供基礎數(shù)據(jù)。

1 工程及試驗概況

深茂鐵路全封閉聲屏障設置在南坦海特大橋上，線路為有砟軌道，橋梁采用32 m簡支箱梁，聲屏障為拱形結構，主體結構由橫梁、縱聯(lián)、蓋板、壓條四部分組成。其中橫梁、縱聯(lián)采用鋼結構，形成受力骨架。測試區(qū)段聲屏障蓋板采用高韌性纖維增強水泥基復合材料ECC，寬2 m，頂部采用1塊1.2 m寬的透明隔聲板，ECC蓋板厚5 cm，通過鋼板壓條扣緊在骨架上。

試驗動車組型號為CRH2C-2068，由于全封閉聲屏障區(qū)段距離江門站僅為2.7 km，且從江門站往聲屏障區(qū)段運行時連續(xù)通過半徑為600 m和半徑為1 200 m的兩段曲線，因此全封閉聲屏障所在區(qū)段設計運營速度低于120 km/h，本次試驗速度不高于132 km/h。

2 測量方法

全封閉聲屏障降噪效果測試方法參照HJ/T90-2004《聲屏障聲學設計和測量規(guī)范》[13]，分別測量聲屏障安裝前后，相同參考位置和受聲點位置的聲壓級。測量時因聲屏障已安裝，無法移除，因此本文采用間接法測量分析聲屏障降噪效果。聲屏障安裝前的測量選擇與其等效的測點進行。為了保障兩個測點的等效性，測點選擇時充分考慮了聲源特性、地形、地貌、周圍建筑物反射、地面和氣象條件的相似性。

分別測量動車組通過聲屏障斷面與對照斷面時的等效連續(xù)A聲級，并進行頻譜分析。

采用HJ/T 90-2004《聲屏障聲學設計和測量規(guī)范》第5.2.6.2條款“聲屏障插入損失的計算”，公式如下

IL=(Lref，a-Lref，b)-(Lr，a-Lr，b)

(1)

式中Lref，b——對照斷面參考點處A聲級，dB(A)；

Lr，b——對照斷面受聲點處A聲級，dB(A)；

Lref，a——聲屏障斷面參考點A聲級，dB(A)；

Lr，a——聲屏障斷面受聲點A聲級，dB(A)。

采用多通道噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄測點處每列動車組通過時段內的噪聲時域信號。

為避免由于聲源不穩(wěn)定所引起的測量誤差，降噪效果對應數(shù)據(jù)應為同次列車通過兩測試斷面的結果。動車組運行噪聲等效連續(xù)A聲級以及1/3倍頻程各頻帶聲級均應高于背景噪聲10 dB。

3 測點布置

為了保障降噪效果分析的準確性，本次試驗全封閉聲屏障斷面測點位于K134+500，對照斷面位于K134+900，兩測點距離相近，均位于高架線路箱梁直線區(qū)段，列車運行速度相同，聲源特性一致，周圍環(huán)境較為開闊，對照斷面100 m以外為現(xiàn)狀公路，背景噪聲高于聲屏障斷面，試驗過程中需充分分析背景噪聲的影響。

全封閉聲屏障斷面測試點和對照斷面測試點均位于深茂鐵路下行線側，兩個測試斷面測點位置完全相同，如表1及圖1～圖4所示。

表1 全封閉聲屏障降噪效果測試測點布置

圖1 全封閉聲屏障降噪效果測試現(xiàn)場

圖2 全封閉聲屏障降噪效果測點布置(單位：mm)

圖3 對照斷面測點測試現(xiàn)場

圖4 對照斷面測點布置(單位：mm)

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 動車組運行噪聲頻率特性

全封閉聲屏障阻隔了聲源與受聲點之間的直接傳播，其降噪效果主要取決于聲屏障的隔聲性能，由于聲源頻率特征差異，不同厚度、不同材質隔聲材料降噪效果不同。本文通過現(xiàn)場測試距線路中心線7.5 m處、軌面以上0.3 m處，動車組以130 km/h通過橋梁對照斷面時的噪聲頻譜特征(圖5)，以分析全封閉聲屏障主要降噪頻率。

圖5 動車組通過未安裝聲屏障的對照斷面噪聲頻譜特性(距線路中心線7.5 m，軌頂面以上0.3 m)

頻譜分析表明：在本次試驗條件下，動車組以130 km/h運行時， 噪聲主要頻率集中在20～4 000 Hz，呈現(xiàn)寬頻特征，峰值頻率集中在50 Hz和1 000 Hz附近，因此，聲屏障需要呈現(xiàn)寬頻降噪性能方可滿足高速鐵路降噪需求。

4.2 全封閉聲屏障降噪效果時域特征

通過對比同次動車組通過橋梁對照斷面和全封閉聲屏障區(qū)段聲級隨時間的變化，如圖6～圖8所示，直觀展現(xiàn)列車通過時段聲屏障降噪效果。

圖6 動車組以130 km/h通過時對照斷面和全封閉聲屏障噪聲隨時間變化(距線路中心線7.5 m，軌頂面以上0.3 m)

圖7 動車組以130 km/h通過時對照斷面和全封閉聲屏障噪聲隨時間變化(距線路中心線25 m，軌頂面以上3.5 m)

圖8 動車組以130 km/h通過時對照斷面和全封閉聲屏障噪聲隨時間變化(距線路中心線45 m，軌頂面以上3.5 m)

由圖6～圖8可得如下結論。

(1) 距線路中心線25 m以內，雖然對照斷面背景噪聲較高，但列車通過聲級高于背景噪聲15 dB(A)以上，因此可忽略背景噪聲影響；距離線路中心線45 m時，對照斷面背景噪聲降低，與聲屏障斷面背景噪聲聲級水平相近，該測點處列車通過聲級高于背景噪聲約20 dB以上。

(2)與對照斷面相比，全封閉聲屏障斷面背景噪聲較低，列車通過聲級也較低，低于對照斷面約16～18 dB，聲級變化率更為平緩。距線路中心線7.5 m處，列車通過聲級高于背景噪聲15 dB以上；距線路中心線25 m處，列車通過聲級高于背景噪聲10 dB以上；距線路中心線45 m處，列車通過聲級高于背景噪聲8～10 dB以上，列車通過噪聲已經(jīng)受到背景噪聲的輕微影響，但對于降噪效果分析影響不大，約在1 dB以內。

4.3 全封閉聲屏障降噪效果頻域特征

為了進一步驗證全封閉聲屏障的降噪效果，對同次動車組通過對照斷面和全封閉聲屏障區(qū)段時的噪聲信號進行頻譜分析，如圖9、圖10所示。

圖9 動車組以130 km/h通過時對照斷面時頻域特征(距線路中心線7.5 m，軌頂面以上0.3 m)

圖10 動車組以130 km/h通過時全封閉聲屏障斷面時頻域特征(距線路中心線7.5 m，軌頂面以上0.3 m)

分析可知：全封閉聲屏障降噪性能呈寬頻特征，采用全封閉聲屏障后，噪聲頻率集中在2 000 Hz以下，且幅值低于對照斷面。

圖11 動車組以不同速度通過時全封閉聲屏障降噪效果頻域特征(距線路中心線7.5 m，軌頂面以上0.3 m)

動車組以108～130 km/h速度運行時，全封閉聲屏障降噪特性基本一致，如圖11所示。降噪效果隨頻率提高呈增加趨勢，2 000 Hz以上降噪效果基本高于20 dB，400 Hz以上基本在15 dB左右，100 Hz以上基本在5 dB左右，100 Hz以下無效果。

動車組以相同速度運行時，全封閉聲屏障對于不同高度測點的降噪特性也基本一致，如圖12～圖13所示。降噪效果隨頻率提高呈增加趨勢，但距離45 m處，5 000 Hz以上降噪效果明顯下降，主要是由于距線路較遠，高頻噪聲在空氣中長距離傳播已經(jīng)大幅衰減?？傮w而言，630 Hz以上頻率降噪效果基本在15 dB以上，315～500 Hz降噪效果也可達10～12 dB，但100 Hz以下低頻無效果。

圖12 動車組以122 km/h通過全封閉聲屏障時，距線路中心線25 m處不同高度降噪效果頻域特征

圖13 動車組以131 km/h通過全封閉聲屏障時，距線路中心線45 m處不同高度降噪效果頻域特征

4.4 全封閉聲屏障降噪效果

在上述分析基礎上，進一步對全封閉聲屏障不同距離、不同高度、不同運行速度降噪效果進行分析，如表2所示。

表2 全封閉聲屏障降噪效果

如表2所示：動車組以107～132 km/h速度運行時，全封閉聲屏障對于距線路不同距離、不同高度的降噪效果可達16～18 dB(A)。

5 結論與建議

深茂鐵路是我國首條應用全封閉聲屏障的高速鐵路，通過采用間接測量法對全封閉聲屏障降噪效果進行試驗分析，主要結論如下。

(1)全封閉聲屏障可大幅降低列車通過噪聲，且不存在聲亮區(qū)，對于不同高度受聲點，降噪效果均有保障。

(2)全封閉聲屏障呈現(xiàn)寬頻降噪性能，對于400 Hz以上的噪聲，降噪量高達10 dB以上；630 Hz以上降噪效果高達15 dB以上。

(3)本次試驗條件下，距線路不同距離、不同高度，全封閉降噪效果可達16～18 dB。

由于本次試驗全封閉聲屏障區(qū)段運行速度較低，最高僅為132 km/h，與高速鐵路正常運行速度差異較大，因此，本文研究成果可用于分析全封閉聲屏障時頻域降噪特性，指導全封閉聲屏障優(yōu)化設計，但不能代表全封閉聲屏障應用于高速運行區(qū)段實際效果，建議后續(xù)有條件對于全封閉聲屏障在更高速度的實際應用及效果進行研究論證。