軌道交通橋梁減振降噪2019年度研究進展

李小珍 鄭凈 宋立忠 梁林 朱艷 張迅

摘 要：列車通過高架橋梁時，振動能量通過軌道結(jié)構(gòu)傳遞到橋面及其他橋梁構(gòu)件，激發(fā)橋梁振動并向空中輻射噪聲，這被稱為“橋梁結(jié)構(gòu)噪聲”。近年來，隨著高速鐵路和城市軌道交通的迅猛發(fā)展，軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預測方法、產(chǎn)生機理及控制措施研究已成為一個熱門研究方向。另外，隨著橋上聲屏障的廣泛應用，其降噪性能、振動及二次結(jié)構(gòu)噪聲特性研究也成為一個熱門研究方向。梳理了近一年來軌道交通橋梁及橋上聲屏障的振動噪聲相關研究，總結(jié)了當前的研究熱點，展望了未來的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：軌道交通;橋梁結(jié)構(gòu)噪聲;聲屏障;減振降噪;研究進展

中圖分類號：U441.3 ? 文獻標志碼：R ? 文章編號：2096-6717（2020）05-0223-12

收稿日期：2020-04-22

基金項目：國家自然科學基金（51878565）

作者簡介：李小珍（1970- ），男，教授，博士生導師，主要從事車橋耦合動力學研究，E-mail： xzhli@swjtu.cn。

朱艷（通信作者），女，博士，E-mail： zhuyan@swjtu.cn。

Received：2020-04-22

Foundation item：National Natural Science Foundation of China （No. 51878565）

Author brief：Li Xiaozhen（1970- ）， professor， doctorial supervisor， main research interest： vehicle-bridge interactions， E-mail： xzhli@swjtu.cn.

Zhu Yan （corresponding author）， PhD， E-mail： zhuyan@swjtu.cn.

Abstract： When the train passes through a viaduct bridge， the vibration energy is transmitted to the bridge deck and other bridge components through the track structure， which gives rise to bridge vibration. The vibrating bridge radiates noise into the air， which is known as bridge-borne noise. In recent years， with the rapid development of high-speed railway and urban rail transit， the prediction methods， generation mechanisms and control measures of rail transit bridge-borne noise have become hot research topics. In addition， with the wide application of the sound barriers on bridges， the noise reduction performances， vibration and secondary structure-borne noise characteristics of sound barriers have also become hot research directions. In this paper， the research on vibration and noise of rail transit bridges and sound barriers in the past year is reviewed， the current research hotspots are summarized， and the future development trend is forecasted.

Keywords：rail transit; bridge-borne noise; sound barrier; vibration and noise reduction; research progress

列車通過高架橋梁時，振動能量通過軌道結(jié)構(gòu)傳遞到橋面及其他橋梁構(gòu)件，激發(fā)橋梁振動并向空中輻射噪聲，這被稱為“橋梁結(jié)構(gòu)噪聲”。長期以來，相關研究主要集中在輪軌噪聲方面，對橋梁結(jié)構(gòu)噪聲研究較少。近10～20年來，隨著高速鐵路和城市軌道交通的迅猛發(fā)展，高速列車運行于橋梁上引起的車輛橋梁耦合振動以及城市軌道交通高架結(jié)構(gòu)的振動與噪聲產(chǎn)生機理、減振降噪技術等問題研究，已成為高速鐵路和城市軌道交通領域的重大課題。作為一門具有交叉學科性質(zhì)的技術學科，軌道交通橋梁減振降噪的基礎理論研究和工程實踐應用都取得了巨大發(fā)展，已居于世界前列。

筆者總結(jié)了軌道交通橋梁減振降噪研究進展，簡述其研究動態(tài)及發(fā)展趨勢。圍繞混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預測與控制、鋼橋與鋼混組合橋結(jié)構(gòu)噪聲預測與控制、橋上聲屏障降噪特性，分3個方面簡要梳理和總結(jié)了2019年以來主要研究進展，具有連貫性的研究將文獻范圍拓展至2014年以后。

1 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預測與控制

軌道交通混凝土橋以簡支梁為主，包括箱梁、U型梁等不同的截面形式?；炷翗蛄航Y(jié)構(gòu)噪聲主要集中于低頻段（20～200 Hz），盡管幅值較小，但卻容易使人感到煩擾和不適，并且隨距離的衰減較慢。A聲級常被用作噪聲評價的指標，但其對1 000 Hz以下的低頻成分有較大程度的衰減，因此，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲一般采用線性聲壓級進行評價?；炷翗蛄航Y(jié)構(gòu)噪聲研究主要以簡支箱梁和U型梁的結(jié)構(gòu)噪聲研究為主。近年來，隨著連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)等梁型在軌道交通中應用的增多，這些梁型的結(jié)構(gòu)噪聲問題也逐漸引起相關學者的關注。

1.1 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預測理論與模型研究

在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預測方面，主流預測采用的是傳統(tǒng)聲學邊界元法。李克冰[1]首先采用基于全過程迭代法的車橋耦合振動分析求解列車荷載作用下橋梁的動力響應，并以此作為聲學邊界條件，采用基于Helmholtz方程的間接邊界元法預測了高速鐵路32 m混凝土槽型梁的結(jié)構(gòu)噪聲，然后以現(xiàn)場測試結(jié)果驗證了數(shù)值模型。張小安[2]首先基于顯式隱式混合積分法進行車線橋耦合振動分析，得到橋梁動力響應，然后，基于邊界元法求解了高速鐵路32 m混凝土箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲，并與李小珍等[3]的現(xiàn)場測試結(jié)果對比，驗證了其數(shù)值模型。劉林芽等[4]對比了采用有限元邊界元法進行橋梁結(jié)構(gòu)預測時考慮單跨或多跨橋梁對噪聲預測精度的影響，結(jié)果表明，考慮多跨橋梁時的遠場噪聲預測結(jié)果與實測結(jié)果更吻合。

盡管采用聲學邊界元法進行混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預測的計算精度尚可，但計算效率卻會隨著預測頻率的提高和模型規(guī)模的增大而急劇降低。為此，宋立忠[5]和Song等[6]基于波導有限元法和二維邊界元法，創(chuàng)新性提出軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的快速預測方法：首先，采用移動軌道不平順模型求解輪軌力，然后，基于波導有限元模型（圖1（a））求解輪軌力作用下的橋梁動力響應，結(jié)合二維邊界元模型（圖1（b））開展橋梁結(jié)構(gòu)噪聲快速預測，以廣州地鐵混凝土簡支梁[5]和連續(xù)剛構(gòu)[6]的現(xiàn)場測試結(jié)果驗證了該預測方法。雖然該預測方法的計算效率大大提高，但相較于三維聲學邊界元法，其計算精度卻有所降低。

除了聲學邊界元法，還有一些學者采用統(tǒng)計能量分析、聲學有限元、聲學無限元、逆邊界元、混合方法、模型試驗反演等方法預測橋梁結(jié)構(gòu)噪聲輻射。羅文俊等[7]為了提高橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的預測效率，采用FE-SEA混合法，即在低頻段采用FE分析法，保證低頻計算精度;在高頻段采用SEA建模，保證高頻段計算效率;在中頻段則采用FE-SEA混合法建模，兼顧計算精度和計算效率，首先，采用多體動力學分析軟件SIMPACK開展車輛軌道耦合動力分析，得到輪軌力，然后，將其施加到采用VA One建立的橋梁FE-SEA混合模型上，求解高速鐵路32 m混凝土箱梁振動噪聲。Song等[8]首先基于模態(tài)疊加法開展車線橋耦合振動分析，然后基于2.5維聲學有限元/無限元法計算聲模態(tài)傳遞向量（MATVs），預測了軌道交通25 m混凝土簡支U型梁的結(jié)構(gòu)噪聲。Song等[9]以逆邊界元法為理論基礎，提出通過少量測點聲壓結(jié)果重構(gòu)橋梁周圍聲場分布的方法并進行了數(shù)值驗證，但其可靠性有待現(xiàn)場測試的進一步驗證。雷曉燕等[10]和歐開寬等[11]以高速鐵路32 m混凝土簡支箱梁為原型，在聲學實驗室內(nèi)制作了1∶10的縮尺箱梁模型，通過模態(tài)試驗和面板聲學貢獻分析驗證了箱梁模型與原型的相似關系，為縮尺模型試驗結(jié)構(gòu)噪聲反演至箱梁原型奠定了基礎。

1.2 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲特性及機理研究

在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲特性研究方面，主要以現(xiàn)場測試和數(shù)值仿真為主。李克冰[1]實測了高速鐵路32 m簡支槽型梁的結(jié)構(gòu)噪聲，測試結(jié)果表明：列車以300、350 km/h的速度通過時，槽型梁結(jié)構(gòu)噪聲的優(yōu)勢頻段均在25～80 Hz之間，聲壓級峰值出現(xiàn)在40 Hz，與梁體振動加速度峰值相對應。宋立忠[5]實測了城市軌道交通30 m混凝土簡支箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲，結(jié)果表明：列車以70 km/h的速度通過時，箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的優(yōu)勢頻段在63～100 Hz，聲壓級峰值出現(xiàn)在80或100 Hz。羅文俊等[7]通過數(shù)值仿真分析了高速鐵路32 m簡支箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲特性，結(jié)果表明：列車以140 km/h的速度通過時，箱梁振動和結(jié)構(gòu)噪聲峰值均出現(xiàn)在50 Hz。學者針對中小跨度橋梁（如簡支箱梁、簡支U型梁等）的結(jié)構(gòu)噪聲特性開展了很多研究，但對于大跨度橋梁（如連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)等）的結(jié)構(gòu)噪聲特性還有待于進一步研究。

一些學者通過聲模態(tài)貢獻量、聲輻射貢獻量、導波特性分析，從不同角度研究了混凝土橋梁結(jié)構(gòu)振動聲輻射機理。劉林芽等[12]基于聲模態(tài)貢獻量分析，研究了引起高速鐵路32 m混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲峰值的振動模態(tài)，結(jié)果表明，箱梁的第16階模態(tài)（翼緣板局部振動）和第62階模態(tài)（頂板局部振動）分別是引起31.5、80 Hz箱梁結(jié)構(gòu)噪聲峰值的原因。張小安[2]通過數(shù)值仿真分析了軌道交通箱梁不同板件的聲輻射貢獻量，結(jié)果表明，頂板輻射噪聲是箱梁聲輻射的主要聲源，故應將頂板作為減振降噪設計的主要對象。宋立忠[5]從導波傳播特性的角度，研究了城市軌道交通簡支箱梁振動聲輻射峰值的產(chǎn)生機理，結(jié)果表明，導波E（圖2（a））和導波G（圖2（b））的傳播引起了箱梁頂板和底板較大的彎曲振動，進而導致了聲輻射峰值的產(chǎn)生。雖然有關學者從不同角度、采用不同方法開展了一些研究，但仍未就橋梁結(jié)構(gòu)振動聲輻射機理達成共識，還有待于進一步研究。

1.3 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制研究

在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制方面，目前最常用的方法是采用減振軌道。宋曉東等[8]通過數(shù)值仿真分析研究了高彈性扣件和梯形軌枕對軌道交通25 m簡支U型梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響，結(jié)果表明，高彈性扣件能有效降低橋梁結(jié)構(gòu)振動和噪聲;梯形軌枕能顯著降低橋梁結(jié)構(gòu)振動和噪聲，但軌枕自身振動較大，可能取代橋梁成為另一噪聲源。宋瑞等[13]通過數(shù)值仿真分析對比了鋪設常規(guī)型和減振型CRTS-Ⅲ型板式無砟軌道的高速鐵路32 m混凝土簡支箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲，結(jié)果表明，鋪設減振型軌道的箱梁結(jié)構(gòu)噪聲在近場點和遠場點分別降低了8.15、8.36 dB。Li等[14]系統(tǒng)分析了鋼彈簧浮置板對城市軌道交通30 m簡支箱梁振動和噪聲的影響，結(jié)果表明，地鐵列車以70 km/h通過時，與鋪設普通板式軌道的箱梁相比，鋪設鋼彈簧浮置板的箱梁底板振動加速度級減小34.7 dB，底板附近噪聲降低25 dB，如圖3所示。

除了采用減振軌道，通過優(yōu)化箱梁結(jié)構(gòu)、截面形式、邊界條件以及安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）等方法也可以起到降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的作用。劉林芽等[12]針對引起高速鐵路32 m混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲峰值的振動模態(tài)，開展了結(jié)構(gòu)聲學優(yōu)化設計，在相應位置設置了加勁肋，結(jié)果表明，加勁肋的設置使得梁下和梁側(cè)結(jié)構(gòu)噪聲顯著降低。韓江龍等[15]基于模態(tài)疊加法和模態(tài)聲傳遞向量（MATVs），對比了三跨簡支和連續(xù)槽型梁的結(jié)構(gòu)噪聲特性，結(jié)果表明，與總長和跨徑相同的簡支梁相比，相同截面形式的連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)噪聲無明顯改善。劉興龍等[16]通過現(xiàn)場測試對比了廣州地鐵4號線30 m混凝土簡支箱梁在安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器前后梁下1.5 m處的噪聲值，10次過車試驗的平均降噪效果為2.1 dB（A）。

目前，采用常見的減振軌道或通過優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)等措施對橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的降噪效果已很難得到進一步提升，因此，一些學者開始嘗試基于聲學超材料、聲子晶體理論開展橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制研究。

2 鋼橋與鋼混組合橋結(jié)構(gòu)噪聲預測及控制

近年來，鋼橋及鋼混組合橋（圖4）在鐵路、城市軌道交通中得到應用。列車經(jīng)過鋼橋和鋼混組合橋梁時引起的結(jié)構(gòu)聲輻射問題相比混凝土橋更為突出[17]，鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲主要集中于中頻段（200～800 Hz），而鋼混組合橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的主頻范圍更寬，約為63～800 Hz，對沿線居民造成的影響更大。因此，對鐵路鋼橋及鋼混組合橋的結(jié)構(gòu)噪聲進行預測及控制研究具有重要理論意義和工程價值。

2.1 鋼橋及鋼混組合橋噪聲預測理論與模型研究

考慮到鋼橋及鋼混組合橋梁結(jié)構(gòu)噪聲輻射頻率范圍寬，可高達上百甚至上千Hz，因此，混凝土橋噪聲預測常用的邊界元法不再適用，不僅計算效率低且對中高頻噪聲預測精度也不高。統(tǒng)計能量分析方法基于功率流的思想，從統(tǒng)計意義上將復雜系統(tǒng)劃分成若干便于分析的獨立子系統(tǒng)，能夠有效針對模態(tài)密集的系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)動力分析，模態(tài)密度越大，分析精度越高，而鋼橋結(jié)構(gòu)的模態(tài)在頻域內(nèi)較為密集，因此，基于統(tǒng)計能量法（SEA）對鋼橋及鋼混組合橋梁結(jié)構(gòu)噪聲進行預測更為準確高效。從近5年研究現(xiàn)狀看，鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲預測通常結(jié)合SEA分析方法，具體過程包含兩步：第1步是獲取車致橋梁振動響應，第2步是基于橋梁振動響應計算聲輻射[18]。

對結(jié)構(gòu)形式較簡單的鋼板梁或鋼混組合梁橋，可先計算橋梁時域振動響應，經(jīng)FFT得到頻域結(jié)果，然后導入SEA分析模塊，獲取橋梁各子系統(tǒng)振動能量分布，最后通過振動聲輻射原理，得到橋梁結(jié)構(gòu)噪聲分布規(guī)律[19-21]。唐康文[22]基于聲固耦合理論，結(jié)合FE-SEA法建立了連續(xù)板梁鋼混結(jié)合梁橋結(jié)構(gòu)噪聲預測模型，計算分析了不同參數(shù)對鋼混結(jié)合梁橋振動及噪聲的影響規(guī)律。Li等[23]和Liu等[24]通過車線橋耦合理論、FEM及SEA法建立了鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)噪聲預測模型并得到現(xiàn)場實測結(jié)果驗證。對結(jié)構(gòu)較復雜的大跨度鋼橋結(jié)構(gòu)，在車線橋耦合模型中建立時域橋梁FEM模型難以實現(xiàn)，上述方法不再適用。Liang等[25]針對大跨度鋼桁梁斜拉橋，直接在頻域內(nèi)建立車輛軌道橋梁耦合作用模型，獲得頻域內(nèi)輪軌動態(tài)作用力及傳遞到橋梁結(jié)構(gòu)的荷載，基于FEM及SEA法分別建立大跨度鋼桁梁斜拉橋精細化振動預測模型（如圖5）及噪聲預測模型，對大跨度鋼桁梁斜拉橋的聲輻射機理及噪聲分布規(guī)律進行了研究。

2.2 鋼橋及鋼混組合橋聲振特性研究

與混凝土橋結(jié)構(gòu)噪聲特性研究一致，對鋼橋及鋼混組合橋梁結(jié)構(gòu)噪聲分布規(guī)律及輻射機理的研究，也主要以現(xiàn)場實測和數(shù)值仿真兩種途經(jīng)來開展。劉全民等[19]和Li等[23]對一座32 m+40 m+32 m三跨連續(xù)鋼混結(jié)合梁橋開展了現(xiàn)場振動噪聲測試并進行理論預測發(fā)現(xiàn)：預測值與實測值吻合較好，鋼混結(jié)合梁橋結(jié)構(gòu)噪聲優(yōu)勢頻段在20～1 000 Hz，鋼梁翼緣板對總聲級的貢獻很小，315 Hz以上對總聲級貢獻起主導作用的主要為鋼梁腹板，315 Hz以下由混凝土橋面板及鋼梁腹板共同決定，且混凝土橋面板的聲輻射優(yōu)勢頻段在80～160 Hz。

Liang等[25]首次開展了針對既有軌道交通大跨鋼桁梁斜拉橋現(xiàn)場振動及噪聲測試發(fā)現(xiàn)：在軌道交通車輛作用下，鋼橋振動呈現(xiàn)寬頻特性，結(jié)構(gòu)板件在中頻段及高頻段均有振動極值出現(xiàn)，輸入功率主要分布在橋面板、縱梁腹板和橫梁腹板上（如圖6），各板件振動峰值均出現(xiàn)在63～125 Hz;不同板件在分析頻段內(nèi)的振動特性相似，橫梁腹板振動水平最高，橋面板振動次之，翼緣振動最小;由于板件的厚度、尺寸和約束條件差異，使得各板件局部振動特性不同。橋面板中心在630 Hz仍有較高振動水平;橫梁翼緣與腹板振動優(yōu)勢頻段在40～160 Hz;縱梁腹板面外振動優(yōu)勢頻段為40～250 Hz，且在3 150～4 000 Hz之間也有明顯峰值;鋼橋車致振動結(jié)構(gòu)噪聲非常顯著，橫梁翼緣附近實測結(jié)構(gòu)噪聲接近100 dB。

2.3 鋼橋及鋼混組合橋噪聲控制理論與措施研究

實際上，對車致鋼橋噪聲的控制是一個與綜合控制措施[26]相匹配的研究過程，對于時速較低的城市軌道交通橋梁，從控制對象來看主要分輪軌噪聲及鋼梁結(jié)構(gòu)噪聲兩大體系，針對輪軌噪聲控制，目前常用方法包括：鋼軌打磨[27-28]及車輪鏇輪、采用阻尼鋼軌[29-30]、安裝吸振器、在聲源附近鋪設吸隔音板[31]以及在傳播路徑上增設聲屏障等。針對鋼梁結(jié)構(gòu)噪聲控制主要包括：橋梁結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化、增大橋梁阻尼、鋪設減振軌道系統(tǒng)以及在鋼梁表面敷設阻尼材料[32]等。

Liang等[25， 32]基于動柔度法及線性疊加原理建立了頻域內(nèi)車輛減振軌道橋梁三大系統(tǒng)的耦合作用模型，探究了減振墊浮置板軌道結(jié)構(gòu)用于大跨度鋼桁梁斜拉橋的減振降噪機理及效果。研究發(fā)現(xiàn)：減振軌道主要通過抑制振動能量向下傳遞來對橋梁結(jié)構(gòu)振動噪聲進行控制，輪軌動態(tài)相互作用力及減振軌道力傳遞率共同決定輸入到橋梁的激勵力，相比普通軌道結(jié)構(gòu)，減振墊浮置板軌道能使鋼橋中、高頻段振動加速度級以及輻射聲壓級分別降低14～18 dB和10～13 dB（A）。可見，減振軌道能有效降低鋼橋結(jié)構(gòu)振動及噪聲水平。Li等[23]和Liu等[33-34]基于現(xiàn)場實測、模態(tài)應變能法及統(tǒng)計能量法等對約束阻尼層（CLD）用于鋼混結(jié)合橋梁的減振降噪機理及效果做了研究，研究發(fā)現(xiàn)：約束阻尼層（CLD）可在較寬的頻帶內(nèi)對鋼混結(jié)合梁橋的振動及噪聲進行抑制，可使縱梁和橫梁的振動速度級降低10.5 dB和6.1 dB，噪聲降低4.3 dB，如圖7所示。阻尼材料用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的減振降噪不僅操作簡單、便捷且效果顯著，隨著聲子晶體及聲學超材料的發(fā)展，周期性阻尼材料不僅能起到抑振抑噪的效果，還能在特定頻帶（阻帶）內(nèi)阻振阻噪。因此，周期性阻尼材料將成為鋼橋減振降噪領域研究的熱點。

3 橋上聲屏障振動噪聲特性

3.1 聲屏障選型及降噪特性研究

對聲屏障的研究主要集中在聲屏障的聲學性能方面。傳統(tǒng)鐵路橋梁2～3 m高度的直立聲屏障主要作用可以降低列車通過時的輪軌噪聲。輪軌噪聲是以輪、軌的動力響應為輸入條件結(jié)合聲振耦合進行研究，其頻譜特性以中高頻分布為主，其峰值頻率集中在630～1 250 Hz、2 000～3 150 Hz[35-37]。陸維姍[38]通過現(xiàn)場實測測得鐵路橋上2.15 m高直立聲屏障降噪量為6～14 dB，列車車速在250 km/h時，降噪量可達10 dB，隨列車車速提高降噪量呈遞減趨勢。周紅梅[39]采用聲學邊界元法分析了城市軌道交通近軌矮墻式聲屏障對軌道交通噪聲的降噪性能。張?zhí)扃萚40]分析了地面隔聲墻式屏障對車速為60 km/h的列車通過城市軌道交通高架橋梁產(chǎn)生的低頻結(jié)構(gòu)噪聲的隔聲效果。以上研究表明：傳統(tǒng)直立式聲屏障的降噪效果有限。近年來，新結(jié)構(gòu)形式聲屏障逐漸應用于軌道兩側(cè)，伍向陽[41]實測了高鐵列車以132 km/h的速度通過橋梁時，全封閉聲屏障實際降噪效果達到了16～18 dB，并且不同于直立聲屏障僅在聲影區(qū)降噪較好，全封閉聲屏障可大幅降低鐵路噪聲且不存在聲亮區(qū)。Li等[42]通過縮尺模型聲學測試和2.5維邊界元法研究了頂部開口的近似全封閉聲屏障的降噪效果，表明其近場降噪達15 dB，遠場降噪達10 dB。李小珍等[43-44]、楊得旺[45]先后分別對高鐵橋梁半封閉、圓弧形全封閉聲屏障開展現(xiàn)場測試及聲學足尺測試，如圖8所示，其中，現(xiàn)場測試了高鐵時速300 km/h以下時半封閉聲屏障內(nèi)外表面噪聲、敞開側(cè)和封閉側(cè)噪聲。模型測試將實測線路噪聲作為聲源，分別對全封閉金屬吸聲板、混凝土全封閉聲屏障進行聲學測試，并建立了全封閉聲屏障降噪統(tǒng)計能量分析預測模型，研究發(fā)現(xiàn)，半封閉聲屏障降噪效果約15 dB（A），全封閉聲屏障降噪效果超過20 dB（A）。

除了采用新型結(jié)構(gòu)聲屏障，陳磊磊等[46]、何賓[47]、吳小萍等[48]等均對鐵路橋梁聲屏障結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了研究。雷一彬等[49]通過隔聲板內(nèi)填充聚氨酯、外覆TUP防塵膜，提高了聲屏障隔聲板的吸聲系數(shù)，進而提高了聲屏障的降噪性能。Lee等[50]在混響室內(nèi)測試了不同材質(zhì)隔聲板的吸聲特性以及樣本尺寸對聲屏障聲學特性的影響。這些研究均是針對聲屏障中某隔聲板材或某個構(gòu)件進行的聲學性能測試，與聲屏障整體結(jié)構(gòu)的降噪性能存在一定差異。

近年來，聲學超材料、聲子晶體、主動噪聲控制技術均因可實現(xiàn)對預設的頻帶范圍內(nèi)的噪聲實現(xiàn)有效控制而被運用于聲屏障的研究中。林遠鵬等[51]提出一種超材料通風隔聲屏障設計，利用類Fano共振耦合實現(xiàn)了隔離特定頻帶內(nèi)的聲波。易強等[52]分別研究了直立式與全封閉周期型聲屏障對輪軌噪聲的控制效果。Lee等[53]總結(jié)了主動噪聲控制（ANC）聲屏障的研究現(xiàn)狀和運用的局限性。目前，主動噪聲控制作為被動噪聲控制的補充手段，在復雜的環(huán)境條件下（如風速、溫度變化），其降噪性還需進一步研究。

3.2 聲屏障車致振動與風致振動研究

除了聲屏障的降噪特性，一些研究還關注了列車運營時聲屏障的動力特性，如聲屏障的車致振動、風致振動等。

一些學者針對聲屏障車致振動特性開展了現(xiàn)場測試或數(shù)值模擬。謝偉平等[54]通過振動試驗研究了地鐵列車低速通過時城市軌道高架橋上半封閉式聲屏障的振動響應及傳播規(guī)律，測試結(jié)果表明，地鐵列車低速過橋時具有“移動軸重激勵”的荷載特性;聲屏障的振動相對于橋面軌道板有顯著的放大，聲屏障立柱頂端振動較大，且縱向振動稍大，聲屏障隔聲板的橫向振動明顯大于立柱的振動。羅云柯等[55]實測了高速列車通過時軌道結(jié)構(gòu)、箱梁和梁上半封閉聲屏障的振動，如圖9所示，研究表明高鐵橋上半封閉聲屏障振動峰值出現(xiàn)在40、125 Hz，頂部橫梁振動較大，通過提高剛度或在箱梁翼板底部增設斜撐均可減小聲屏障的振動。

還有一些學者針對聲屏障風致振動開展研究。劉功玉等[56]、楊夢琦等[57]分別研究了鐵路直立式、折臂式聲屏障在自然風、列車脈動風聯(lián)合激勵下的振動特性。韓旭等[58]通過風洞試驗和數(shù)值模擬研究了橫風作用下全封閉聲屏障的氣動特性。羅云柯等[59]根據(jù)高速列車脈動風的頻譜特性，將半封閉聲屏障振動測試信號通過低頻濾波得到了脈動風壓作用下聲屏障的振動響應，通過參數(shù)分析研究了半封閉聲屏障頂部隔聲板覆蓋寬度對脈動風壓和振動分布規(guī)律的影響，如圖10所示。由圖10可知，除3 Hz以下移動列車軸載的準靜態(tài)作用及數(shù)值模型中未包含所有中間車，聲屏障列車脈動風致振動數(shù)值分析與實測規(guī)律一致。

3.3 聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲研究

近年來，一些學者以聲屏障振動為基礎，結(jié)合振動聲輻射原理，開展了聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲研究。張小安等[60]結(jié)合車致振動響應，以聲學邊界元方法研究了直立式聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲輻射特性，發(fā)現(xiàn)聲屏障的二次結(jié)構(gòu)噪聲主要集中在120 Hz以下的低頻段。張迅等[58]采用統(tǒng)計能量分析研究了高鐵橋上半封閉聲屏障的結(jié)構(gòu)輻射噪聲，并評估了聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲對其降噪效果的影響。楊得旺[45]研究了不同材料全封閉聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲，如圖11所示，分析結(jié)果表明，考慮結(jié)構(gòu)噪聲會使全封閉金屬吸聲板聲屏障、全封閉混凝土聲屏障降噪量分別降低7～9 dB、3～5 dB。可見，在聲屏障降噪性能研究時，已綜合考慮結(jié)構(gòu)輻射噪聲的影響。

4 結(jié)論與展望

通過梳理2019年軌道交通橋梁及橋上聲屏障振動噪聲的研究進展，總結(jié)了當前研究的熱點和下一階段研究的重點：

1）橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預測的高效算法。隨著橋梁建造技術的進步，軌道交通橋梁跨度越來越大，混凝土連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)以及大跨度鋼橋在軌道交通高架中的應用也越來越多，這為橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預測提出了新的挑戰(zhàn)。在保證預測精度的情況下提高預測效率，是當前軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲研究中的一個熱點問題。

2）基于聲學超材料、聲子晶體理論的橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制研究。隨著人們環(huán)保意識的逐漸提高，軌道交通沿線居民對噪聲問題的投訴日益增多。如何有效地降低軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲對沿線居民生活的影響仍將是軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲研究的一個熱點問題。以軌道減振和橋梁結(jié)構(gòu)聲學優(yōu)化研究為主，基于聲學超材料、聲子晶體理論開展軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制是未來的發(fā)展方向。

3）約束阻尼材料用于鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲控制研究。阻尼材料用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的減振降噪操作簡單、便捷且效果顯著，隨著聲子晶體及聲學超材料的發(fā)展，周期性阻尼材料不僅能起到抑振抑噪的效果，還能在特定頻帶（阻帶）內(nèi)阻振阻噪。因此，周期性阻尼材料將成為鋼橋減振降噪領域研究的熱點。

4）新型減載式聲屏障的研發(fā)與運用。傳統(tǒng)直立式聲屏障、封閉式聲屏障在中高頻降噪性能良好，但隨著列車速度提高，聲屏障自身振動與二次噪聲問題越來越嚴重。有必要基于聲學超材料、噪聲主動控制等技術，改善聲屏障的低頻降噪性能，研發(fā)新型減載式聲屏障，并應用于高速鐵路或軌道交通橋梁。參考文獻：

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（編輯 王秀玲）