龔 輝， 邱賢鋒， 王巧燕， 李曉東

（上海船舶運輸科學(xué)研究所 環(huán)境分所，上海200135）

0 引 言

為改善城市交通，全國各大中型城市均加快了城市軌道交通的建設(shè)。軌道交通主要分為地下線、地面線和高架線3種型式，其中高架線路具有投資少，建設(shè)快，運管維護方便且費用低等優(yōu)點，在各城市特別是近郊廣泛采用。但是高架軌道交通具有噪聲源強大，輻射面廣的特點，給沿線居民帶來的噪聲影響突出，引發(fā)居民投訴，制約了高架城市軌道交通的推廣。

聲屏障是控制高架軌道交通噪聲最主要的措施之一，現(xiàn)已被廣泛采用，然而很多現(xiàn)有軌道交通聲屏障降噪效果并不理想。通過調(diào)研分析現(xiàn)有軌道交通聲屏障在聲學(xué)設(shè)計方面存在的不足，結(jié)合軌道交通噪聲特性，研究開發(fā)了新型軌道交通聲屏障。實驗室檢測和實際應(yīng)用結(jié)果顯示，該新型聲屏障吸聲性能優(yōu)良，降噪效果顯著。

1 城市高架軌道交通噪聲特性

城市高架軌道交通輻射的噪聲分為空氣聲和結(jié)構(gòu)聲［1］。

空氣聲是指列車運行中直接產(chǎn)生并以空氣為媒介傳播的噪聲，主要包括輪軌、列車設(shè)備、氣流等產(chǎn)生的噪聲，噪聲產(chǎn)生后直接輻射至敏感建筑。據(jù)調(diào)查，我國城市軌道交通列車運行速度一般為50～80 k m／h，空氣聲以輪軌噪聲為主［2］，聲能量集中在250 Hz以上的寬頻帶［3］，通常在500～1 250 Hz之間出現(xiàn)寬頻峰值［4］。

結(jié)構(gòu)聲主要由高架橋振動引起，列車通過高架橋梁時，由車輪和軌道的相互作用產(chǎn)生的振動通過扣件、枕木、道砟傳遞到橋梁，激發(fā)高架橋的橋面、防撞墻、橋墩等各個構(gòu)件以及聲屏障的振動，產(chǎn)生2次結(jié)構(gòu)噪聲向敏感目標(biāo)輻射。結(jié)構(gòu)聲的聲能量集中在250 Hz以下頻段，通常在40～125 Hz有1個峰值聲壓［5］。

與地面線路相比，城市高架軌道交通輻射的噪聲相對較大，其大小與高架橋結(jié)構(gòu)、高度、輪軌特性以及列車的行駛速度有關(guān)。相關(guān)測試顯示，列車經(jīng)過時，城市高架軌道交通輻射的聲壓級很高，在距離外軌中心線10 m處A聲級可達(dá)80～95 d B（A）。

2 現(xiàn)有高架軌道交通聲屏障的不足

經(jīng)過對北京、上海、廣州等城市現(xiàn)有軌道交通聲屏障的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其存在吸聲性能不足，隔聲量偏低，屏體共振引發(fā)二次結(jié)構(gòu)聲等問題，并導(dǎo)致總體降噪效果不理想。

2.1 吸聲性能不足

城市高架軌道交通噪聲低頻聲占比較高，且列車車體寬大，反射作用明顯，因此要求軌道交通聲屏障具有比道路聲屏障更好的吸聲性能，才能有效減少反射、繞射作用對屏障降噪效果的影響。實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有軌道交通聲屏障大都采用穿孔板包裹吸聲棉形式，很多還設(shè)置大面積透明非吸聲屏體，吸聲性能不足，在低頻段的吸聲性能較差。

2.2 隔聲性能不足

列車經(jīng)過時，城市高架軌道交通輻射的聲壓級很高，因此軌道交通聲屏障必須具備更高的隔聲量才能有效降低軌道交通噪聲對兩側(cè)區(qū)域的影響?，F(xiàn)有很多聲屏障按照平均降噪量5 d B，隔聲量15～20 d B的要求設(shè)計，但在實際情況中，平均降噪量5 d B往往包含了無列車經(jīng)過時間，要求列車經(jīng)過時的降噪量遠(yuǎn)高于5 d B，隔聲量應(yīng)按照列車經(jīng)過時的降噪效果設(shè)計。

除了隔聲材料的選擇導(dǎo)致的屏體隔聲性能不足外，上下屏體之間、屏體和立柱的縫隙是導(dǎo)致屏體隔聲量不足的另1個重要原因，尤其是當(dāng)屏體受列車通過產(chǎn)生的震動影響時，縫隙漏聲更為明顯?，F(xiàn)有軌交屏障對此大都沒有妥善處理。

2.3 屏體結(jié)構(gòu)共振二次噪聲

在列車經(jīng)過時，由于受到高架橋梁振動的影響，屏體也會隨之振動。現(xiàn)有的屏障未能消除防止屏體振動帶來的2次結(jié)構(gòu)噪聲。頻譜分析顯示，在屏體共振2次結(jié)構(gòu)聲的影響下，很多軌道聲屏障的聲影區(qū)內(nèi)，低頻噪聲不但沒有被降低，反而出現(xiàn)噪聲增加的現(xiàn)象［3］。

3 新型聲屏障的研制

軌道交通噪聲具有頻率低、繞射能力強，能量大、輻射聲級高，車體反射影響明顯等特點，因此新型聲屏障設(shè)計重點在低頻段的吸聲、隔聲、減少繞射以及屏體減振方面予以考慮和革新。

據(jù)此提出屏體總體為直立屏＋頂部帶吸聲圓筒的結(jié)構(gòu)形式，該新型聲屏障的總體設(shè)計示意圖見圖1。

3.1 吸聲性能優(yōu)化

新型聲屏障將復(fù)合通孔鋁板制作成尖劈形式的吸聲面板，內(nèi)填50 mm厚的聚酯纖維吸聲材料，并利用三元乙丙彈性密封條替代傳統(tǒng)的鋼彈簧對屏體進(jìn)行固定，增加了屏體空腔厚度。該屏障聯(lián)合應(yīng)用了尖劈、微穿孔、吸聲纖維及加大屏體空腔的措施，結(jié)合相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，大幅提高了屏體的吸聲系數(shù)，同時改善了低頻段的吸聲性能。

圖1 新型聲屏障設(shè)計示意圖

實施中，新型聲屏障采用的復(fù)合通孔鋁板制作由2層不同孔徑的微孔組成，穿孔直徑為0.5～0.8 mm，穿孔率為5%～10%，擴大了吸聲頻帶寬度。復(fù)合通孔鋁板被制作成斷面形狀呈等腰梯形的平頂尖劈，取消尖劈結(jié)構(gòu)中對降噪效果影響較小的尖部，以達(dá)到大幅減小屏體總厚度的目的。等腰梯形的下底寬為100 mm，上底寬為40 mm，高為80 mm，尖部取消了40%的高度。

新型聲屏障在空腔內(nèi)填充了50 mm厚的聚酯纖維吸聲材料，使得入射聲波經(jīng)過復(fù)合通孔鋁板，部分經(jīng)過共振衰減，其余部分繼續(xù)向前傳播。吸聲材料進(jìn)一步提高聲阻率，提高聲屏障的吸聲效果。

3.2 隔聲性能優(yōu)化

新型聲屏障采用1.4 mm的鋼板作為背部鋼板，根據(jù)平均隔聲量的經(jīng)驗公式計算得出鋼板的平均隔聲量為28 d B。同時在鋼板采用一定間隔的加筋處理，提高了板的剛度，從而提高了低頻段的隔聲效果。此外，通過在鋼板表面噴涂阻尼材料，增大鋼板的阻尼，可以提升高頻吻合區(qū)的隔聲量。

造成屏障隔聲性能不足的另1個問題是漏聲，包括屏體和立柱之間以及屏體和屏體之間的漏聲。傳統(tǒng)的聲屏障在固定屏體和H型立柱時，采用30 mm厚的安裝彈簧，相當(dāng)于點固定，新型聲屏障采用單管三元乙丙彈性密封條替代鋼彈簧，相當(dāng)于線固定，消除了屏體和H型鋼之間的縫隙。同時，新型聲屏障屏體之間及屏體和底板之間采用自粘發(fā)泡三元乙丙密封條防止漏聲。

3.3 防止二次結(jié)構(gòu)噪聲的優(yōu)化

傳統(tǒng)的聲屏障在安裝過程中，由于屏體與屏體之間、屏體與基礎(chǔ)之間均采用剛性連接，使列車經(jīng)過時引起的高架橋梁振動容易引起聲屏障的振動，產(chǎn)生二次噪聲。新型聲屏障在屏體與立柱之間均采用三元乙丙彈性密封條進(jìn)行固定和密封，在屏體和屏體之間及屏體和底板之間采用自粘發(fā)泡三元乙丙密封條實現(xiàn)了軟性連接，防止了聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲的產(chǎn)生。

4 新型聲屏障吸聲性能和降噪效果實測

為驗證新型聲屏障效果，開展了吸聲性能實驗室測試和降噪效果現(xiàn)場實測。

4.1 吸聲性能測試

新型軌道交通聲屏障在同濟大學(xué)聲學(xué)所進(jìn)行了混響室吸聲系數(shù)對比測試（見表1）。測試工況4為所研究的新型聲屏障；測試工況1、2、3作為比對。表1中平均吸聲系數(shù)為100～5 000 Hz的1／3倍頻程吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值。圖2為1／3倍頻程吸聲系數(shù)測試結(jié)果。

由表1和圖2可知，新型聲屏障在250～2 000 Hz的低中頻段的吸聲系數(shù)均在0.7以上，吸聲性能較其他屏體有了很大的提升，降噪系數(shù)（Noise Reduction Coefficient，NRC）為0.95，平均吸聲系數(shù)為0.86，吸聲性能優(yōu)良。

圖2 4種測試工況的吸聲系數(shù)對比

表1 新型軌道交通聲屏障吸聲性能測試工況及測試結(jié)果

4.2 降噪效果實測

4.2.1 測試方案

新型聲屏障應(yīng)用在上海軌道交通5號線，課題組對該新型聲屏障的降噪效果進(jìn)行了實測，監(jiān)測斷面見圖3。測點N1高于軌面1.2 m，測點N2高于地面1.2 m。測點距離軌道中心線為30 m，軌面距離地面高度為8 m。

4.2.2 聲屏障總體降噪效果分析

當(dāng)列車從近側(cè)軌道通過時，無屏障斷面N2點的等效A聲級為75.8 d B（A），有屏障斷面為68.4 d B（A），聲屏障的降噪效果為7.4 d B（A）；當(dāng)列車從遠(yuǎn)側(cè)軌道通過時，無屏障斷面N1點的等效A聲級為74.8 d B（A），有屏障斷面為68.3 d B（A），聲屏障的降噪效果為6.5 d B（A）；列車通過時段聲屏障的平均降噪效果為6.9 d B（A）。因此安裝聲屏障使N1點的最大A聲級平均降低了7.1 d B（A）。

以上分析可知，通過在高架軌道兩側(cè)安裝新型聲屏障，能夠有效減少軌道交通噪聲對兩側(cè)區(qū)域的噪聲影響，降噪效果顯著。

圖3 聲屏障監(jiān)測斷面示意圖

5 結(jié) 語

針對現(xiàn)有軌道交通聲屏障吸聲、隔聲性能不足以及屏體二次結(jié)構(gòu)聲等問題，通過屏體結(jié)構(gòu)和材料的創(chuàng)新運用，研制了高架軌道交通新型聲屏障。該新型聲屏障吸聲、隔聲性能優(yōu)良，有效地消除了屏體漏聲和振動，綜合降噪效果顯著，非常適用于高架軌道交通。

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