蔣 碩，何旭輝，鄒云峰，蔡陳之，翟利華，農(nóng)興中

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410075；3.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510030)

軌道交通因其能夠滿(mǎn)足大量人員快速安全流動(dòng)的城市需求得到快速發(fā)展，盡管大量線(xiàn)路穿越人口密集區(qū)給人們出行帶來(lái)了極大的便利，但也帶來(lái)了愈發(fā)關(guān)注并亟需解決的問(wèn)題—噪聲污染。與此同時(shí)，高架線(xiàn)因其相對(duì)較低的建設(shè)和運(yùn)維成本在城市軌道交通線(xiàn)路占比中不斷提高，車(chē)橋振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲使軌道交通的噪聲問(wèn)題更加突出[1-2]。

在線(xiàn)路兩側(cè)設(shè)置聲屏障是常見(jiàn)的噪聲治理手段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同形式聲屏障的降噪效果已有大量研究，通過(guò)對(duì)其長(zhǎng)度、高度、形狀、材料及設(shè)置位置等參數(shù)的設(shè)計(jì)[3-6]，可實(shí)現(xiàn)5～10 dB不等的綜合降噪效果，對(duì)頂部造型的進(jìn)一步優(yōu)化可提高1～4 dB的附加降噪量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通噪聲的防治。同時(shí)，安裝聲屏障帶來(lái)的列車(chē)脈動(dòng)風(fēng)致振動(dòng)造成的聲屏障疲勞甚至破壞現(xiàn)象也引起了廣泛關(guān)注，針對(duì)列車(chē)風(fēng)引起的氣動(dòng)荷載及其減載方法[7-10]，學(xué)者們提出了如V型、百葉型、S型等形式的減載式聲屏障，并通過(guò)數(shù)值和試驗(yàn)方法對(duì)其降噪和減載效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：當(dāng)開(kāi)孔率較大時(shí)，百葉型等具有較為流暢空氣流通通道的聲屏障對(duì)列車(chē)風(fēng)引起的氣動(dòng)力有較好減載效果，但其降噪效果隨開(kāi)孔率的升高有不同程度的削弱。然而，聲屏障所受風(fēng)荷載最終都會(huì)傳遞至橋上，由于城軌交通高架橋?qū)挾韧^小，聲屏障風(fēng)載對(duì)橋梁傾覆穩(wěn)定性的影響將更加突出；對(duì)于沿海地區(qū)等大風(fēng)頻發(fā)區(qū)域的高架線(xiàn)路，強(qiáng)橫風(fēng)對(duì)聲屏障和車(chē)橋系統(tǒng)的氣動(dòng)特性的影響遠(yuǎn)大于列車(chē)風(fēng)。目前針對(duì)橫風(fēng)下聲屏障車(chē)橋氣動(dòng)特性研究較少，已有的風(fēng)屏障研究表明[11-15]，屏障的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)車(chē)橋氣動(dòng)力影響顯著，但風(fēng)屏障與聲屏障開(kāi)孔率差異較大，其研究結(jié)果僅能提供一定參考，如何同時(shí)保障降噪效果和車(chē)橋安全性有待進(jìn)一步研究。

本文首先基于聲子晶體和赫姆霍茲共鳴器理論提出一種新型風(fēng)聲屏障，然后通過(guò)邊界元及數(shù)值方法驗(yàn)證其降噪效果，最后通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)安裝風(fēng)聲屏障時(shí)的車(chē)-橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性展開(kāi)研究，探明風(fēng)聲屏障對(duì)車(chē)橋氣動(dòng)特性的影響機(jī)理。

1 基于聲子晶體和亥姆霍茲共鳴器的新型風(fēng)聲屏障設(shè)計(jì)

1.1 基本理論及參數(shù)設(shè)計(jì)

亥姆霍茲共鳴器的基本構(gòu)造為具有細(xì)小開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的空腔體，當(dāng)聲波頻率在共鳴器的共振頻率附近時(shí)，受外聲場(chǎng)的激發(fā)，聲音的能量大部分會(huì)由于短管空氣柱的強(qiáng)烈振動(dòng)而消散，從而達(dá)到吸聲作用；利用聲子晶體對(duì)特定頻率聲波的阻斷特性，將共鳴器排布形成周期性陣列，通過(guò)改變單個(gè)單元的尺寸和結(jié)構(gòu)可調(diào)整聲子晶體的禁帶，可進(jìn)一步提高降噪效果；同時(shí)，腔體之間保留的空氣流通通道可提高屏障結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)性能。

本文基于某沿海地區(qū)高架線(xiàn)展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)最高車(chē)速120 km/h；風(fēng)聲屏障高度參數(shù)參考常規(guī)直立式聲屏障設(shè)置為3 m，其中包括0.5 m高的弧形段增強(qiáng)降噪效果。當(dāng)時(shí)速為35～250 km/h時(shí)，列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的主要噪聲成分為輪軌接觸噪聲，其中鋼軌頻率處于500～1 600 Hz頻段，峰值位于1 000 Hz左右，而車(chē)輪噪聲則高于1 600 Hz[16]。據(jù)此考慮新型風(fēng)聲屏障構(gòu)造為：①兩列不同中心頻率的赫姆霍茲共鳴器陣列，針對(duì)鋼軌噪聲特性進(jìn)行降噪，陣列形成的周期性聲子晶體禁帶針對(duì)車(chē)輪噪聲進(jìn)行降噪；②一列百葉導(dǎo)流陣列，用以增強(qiáng)屏障氣動(dòng)性能并增強(qiáng)聲波的多重反射產(chǎn)生附加降噪量。

針對(duì)高架橋噪聲總聲壓級(jí)(鋼軌噪聲)進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)，并考慮風(fēng)聲屏障和制作材料的尺寸限制，經(jīng)試算得出其幾何參數(shù)如圖1(a)所示，根據(jù)以往百葉窗式風(fēng)障研究經(jīng)驗(yàn)[17]，將導(dǎo)流葉片傾角設(shè)置為與來(lái)流成105°角。此時(shí)兩個(gè)不同赫姆霍茲共鳴器的共振頻率分別為：1 120 Hz和900 Hz；此時(shí)，晶格常數(shù)(相鄰陣列距離)為36 mm+32 mm=68 mm，根據(jù)聲子晶體禁帶中心頻率計(jì)算公式可得其中心頻率為2 500 Hz，計(jì)算過(guò)程為[18]

圖1 風(fēng)聲屏障示意圖(mm)

(3)

式中,fr,c,S,V,l,Δl,α分別為赫姆霍茲共鳴器共振頻率、空氣中聲速、開(kāi)口截面面積、空腔體積、開(kāi)口截面長(zhǎng)度、修正系數(shù)和聲子晶體晶格常數(shù)。

1.2 新型風(fēng)聲屏障降噪效果驗(yàn)證

考慮聲波在空間的傳播，可得到聲壓的赫姆霍茲方程為

?2P(x,y,z,t)+k2P(x,y,z)=0

(4)

將列車(chē)噪聲按線(xiàn)聲源處理，布置在輪軌高度處；將共鳴陣列等效為吸聲材料，導(dǎo)流葉片按鋁制吸聲單元板處理，則計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為二維邊界元模型，本文僅對(duì)共鳴陣列消聲作用作初步驗(yàn)證，禁帶特性帶來(lái)的降噪效果暫未做考慮。邊界元法計(jì)算原理如圖2所示，其中r為接收點(diǎn)，r0為聲源；假設(shè)空間場(chǎng)為均勻介質(zhì)，用Green公式將赫姆霍茲方程變換可得聲屏障表面的邊界積分方程為[19]

圖2 邊界元法計(jì)算原理

ε(r)p(r,r0)=G(r,r0)-

(6)

式中，G(rs,r)為聲屏障時(shí)由聲源引起的受聲點(diǎn)的聲壓。在安裝屏障前后假定其他條件保持不變，受聲點(diǎn)的聲壓分別為p0，pb，則插入損失可定義為

TL=20lg(p0/pb)

(7)

考慮反射聲修正系數(shù)，采用聲學(xué)計(jì)算軟件Virtual.Lab計(jì)算聲屏障降噪效果。新型風(fēng)聲屏障噪聲測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，測(cè)點(diǎn)布置在距離軌道中心線(xiàn)25 m的立面上，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的離地高度分別為1.5 m(近地高度)和6.5 m(箱梁底部高度)。

圖3 噪聲測(cè)點(diǎn)布置(m)

當(dāng)車(chē)速為120 km/h時(shí)測(cè)點(diǎn)1及測(cè)點(diǎn)2 1/3倍程中心頻率的頻譜特性及插入損失差值，如圖4所示。其中圖中曲線(xiàn)部分代表不同中心頻率時(shí)的聲壓級(jí)，對(duì)應(yīng)圖中左軸；柱狀圖表示安裝兩種屏障時(shí)的聲壓級(jí)差值，對(duì)應(yīng)圖中右軸，所有聲壓級(jí)均采用A計(jì)權(quán)。由圖4(a)可以看出，安裝兩種屏障時(shí)，聲壓級(jí)都低于70 dB，符合《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》4類(lèi)規(guī)定要求；安裝新型風(fēng)聲屏障時(shí)在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)近地高度聲壓級(jí)都低于安裝直立式聲屏障，兩者插入損失差值達(dá)4～14 dB不等，在兩個(gè)消聲陣列共振頻率附近插入損失差值最大，說(shuō)明新型風(fēng)聲屏障降噪效果優(yōu)于傳統(tǒng)直立聲屏障，且針對(duì)鋼軌噪聲特定設(shè)計(jì)起到了較好的作用。測(cè)點(diǎn)2高度對(duì)應(yīng)梁底高度，此時(shí)各中心頻率聲壓級(jí)都明顯大于近地高度聲壓，這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)2聲程差更近，聲波更容易越過(guò)聲屏障達(dá)到受聲點(diǎn)。值得注意的是，安裝新型風(fēng)聲屏障時(shí)，百葉導(dǎo)流葉片可分別在測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2增加3.5 dB和1.7 dB的附加降噪量。

圖4 1/3倍程中心頻率風(fēng)聲屏障頻譜特性

2 新型風(fēng)聲屏障風(fēng)洞試驗(yàn)概況

2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)工程背景為某高架簡(jiǎn)支箱梁橋，橋?qū)?0 m、高2 m，兩側(cè)設(shè)有1 m高防撞墻；車(chē)輛為地鐵B型車(chē)，由鄒云峰等研究中頭車(chē)與中車(chē)的對(duì)比試驗(yàn)可知二者測(cè)壓結(jié)果基本一致，故本試驗(yàn)僅選取中車(chē)為測(cè)試對(duì)象。考慮阻塞率要求及風(fēng)洞尺寸，選取節(jié)段模型縮尺比為1∶15；基于條帶假定和長(zhǎng)寬比限制，確定主梁節(jié)段和列車(chē)節(jié)段長(zhǎng)度均為1.5 m，此時(shí)模型阻塞率為2.8%，滿(mǎn)足風(fēng)洞試驗(yàn)阻塞率要求，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀纬叽缛鐖D5所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺時(shí)僅考慮了車(chē)橋氣動(dòng)外形，忽略了防撞墻以外的橋梁附屬設(shè)施和車(chē)輛轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)等的影響。模型采用優(yōu)質(zhì)木材、ABS板和有機(jī)玻璃制作且布有多道橫向肋，保證模型具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在測(cè)壓試驗(yàn)中模型不發(fā)生變形且不出現(xiàn)明顯的振動(dòng)現(xiàn)象以保證壓力測(cè)量的精度。列車(chē)采用測(cè)壓法，共布置5個(gè)測(cè)試斷面170個(gè)測(cè)點(diǎn)，橋梁共布置3個(gè)斷面153個(gè)測(cè)點(diǎn)；橋梁和風(fēng)屏障安裝了動(dòng)態(tài)天平進(jìn)行測(cè)力。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)點(diǎn)布置(模型尺寸)

2.2 試驗(yàn)工況及數(shù)據(jù)處理

本文主要對(duì)車(chē)橋系統(tǒng)較為不利的橫風(fēng)狀況進(jìn)行研究，因此風(fēng)向角取90°，風(fēng)攻角取0°，試驗(yàn)風(fēng)速取結(jié)果較為穩(wěn)定的12 m/s，試驗(yàn)在中南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的高速試驗(yàn)段均勻流場(chǎng)中進(jìn)行；風(fēng)聲屏障縮尺后高度為0.2 m(實(shí)際高度3 m)，其中包括0.5 m的弧形段；試驗(yàn)中主要針對(duì)安裝新型風(fēng)聲屏障和直立式聲屏障時(shí)的車(chē)橋氣動(dòng)特性展開(kāi)測(cè)試，同時(shí)測(cè)試無(wú)屏障工況作為對(duì)比；車(chē)橋組合取單車(chē)上游、單車(chē)下游和無(wú)車(chē)三種狀態(tài)；具體試驗(yàn)工況參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況

橋梁及氣動(dòng)力可由六分量動(dòng)態(tài)天平獲得；PSI電子壓力掃描閥系統(tǒng)可獲得車(chē)橋周圈瞬時(shí)風(fēng)壓，轉(zhuǎn)換所得風(fēng)壓系數(shù)積分后可得車(chē)橋體軸三分力，其計(jì)算公式為

(8)

CH(t)=CPi(t)Licosαi/H

(9)

CV(t)=CPi(t)Lisinαi/B

(10)

CM(t)=(CPi(t)LicosαiYi+CPi(t)LisinαiXi)/B2

(11)

式中：CPi(t)為測(cè)壓點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程，以背離模型為正；Pi(t),P0為風(fēng)壓時(shí)程和無(wú)窮遠(yuǎn)處?kù)o壓;ρ為空氣密度;UH為試驗(yàn)風(fēng)速；CH,CV,CM體軸阻力系數(shù)、升力系數(shù)以及傾覆力矩系數(shù)，其中傾覆力矩起距點(diǎn)為模型形心；H,B分別為模型的高度和寬度。

3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 風(fēng)聲屏障對(duì)列車(chē)氣動(dòng)性能影響

由于列車(chē)外形近似帶弧角的矩形，故將列車(chē)分解為背風(fēng)側(cè)、車(chē)頂、迎風(fēng)側(cè)、車(chē)底4個(gè)面，各工況下列車(chē)各面的氣動(dòng)力，如圖6和圖7所示。由圖6可知，列車(chē)的阻力系數(shù)主要由迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)風(fēng)壓決定，車(chē)頂和車(chē)底對(duì)阻力系數(shù)貢獻(xiàn)很小，而升力系數(shù)則主要受車(chē)頂和車(chē)底影響。單車(chē)上游工況時(shí)，安裝新型風(fēng)聲屏障和直立式聲屏障時(shí)列車(chē)背風(fēng)側(cè)阻力系數(shù)和升力系數(shù)均較為接近，安裝屏障后列車(chē)迎風(fēng)側(cè)阻力系數(shù)由正轉(zhuǎn)負(fù)，車(chē)頂與車(chē)底升力系數(shù)絕對(duì)值亦有較大幅度減小。其中升力變化規(guī)律與鄒云峰等研究中的規(guī)律不一致，這可能是由于鄒云峰等研究中車(chē)橋組合狀態(tài)為雙車(chē)交匯狀態(tài)，下游車(chē)的存在改變了上游車(chē)尾流流場(chǎng)導(dǎo)致。列車(chē)位于來(lái)流下游方向時(shí)，安裝風(fēng)聲屏障和直立式聲屏障時(shí)列車(chē)氣動(dòng)力同樣較為接近，不安裝屏障時(shí)列車(chē)背風(fēng)側(cè)阻力系數(shù)相較上游車(chē)時(shí)增大了18%，安裝屏障后這一現(xiàn)象得到有效改善，列車(chē)各面氣動(dòng)力系數(shù)亦有不同程度減小，但同時(shí)列車(chē)車(chē)頂升力上升40%，這可能導(dǎo)致列車(chē)輪重減載率和脫軌系數(shù)的上升，影響行車(chē)安全和舒適。

圖6 單車(chē)上游時(shí)屏障類(lèi)型對(duì)列車(chē)各面氣動(dòng)力的影響

圖7 單車(chē)下游時(shí)屏障類(lèi)型對(duì)列車(chē)各面氣動(dòng)力的影響

為了進(jìn)一步解釋列車(chē)氣動(dòng)力變化機(jī)理，不同車(chē)橋組合工況條件下，安裝各類(lèi)型屏障時(shí)的列車(chē)測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)，如圖8所示。由圖8可知，不安裝屏障時(shí)，列車(chē)周圈風(fēng)壓受橫風(fēng)影響出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，列車(chē)僅迎風(fēng)側(cè)部分區(qū)域出現(xiàn)正壓，其他區(qū)域均為負(fù)壓，兩個(gè)負(fù)壓峰值出現(xiàn)在列車(chē)迎風(fēng)側(cè)與車(chē)頂和車(chē)底的交接弧形區(qū)域；與單車(chē)上游車(chē)橋組合相比，單車(chē)下游時(shí)，列車(chē)受尾流渦脫效應(yīng)影響，列車(chē)背風(fēng)側(cè)亦出現(xiàn)較大負(fù)壓。安裝風(fēng)聲屏障后列車(chē)風(fēng)壓分布總體較為平穩(wěn)，且尾流旋渦被有效抑制，與安裝直立式聲障工況相比，受百葉導(dǎo)流作用影響風(fēng)聲屏障表現(xiàn)出對(duì)列車(chē)風(fēng)壓較為敏感的轉(zhuǎn)角區(qū)域有一定調(diào)節(jié)作用，這表明風(fēng)聲屏障在保留空氣流通通道的前提下依然可以達(dá)到與安裝直立式聲屏障相似列車(chē)防風(fēng)效果，并且通過(guò)調(diào)整風(fēng)聲屏障導(dǎo)流葉片的參數(shù)設(shè)計(jì)可能會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化列車(chē)周圈風(fēng)壓，筆者將在后續(xù)研究中繼續(xù)探索這一問(wèn)題。

圖8 不同工況時(shí)車(chē)輛周圈風(fēng)壓分布

3.2 風(fēng)聲屏障對(duì)高架橋氣動(dòng)性能影響

不同車(chē)橋組合工況時(shí)的橋梁風(fēng)壓分布，如圖9所示，來(lái)流方向?yàn)閳D9中由右至左。由圖9可知，車(chē)輛的有無(wú)及位置的變化顯著改變了橋面繞流場(chǎng)，有車(chē)時(shí)與無(wú)車(chē)狀態(tài)相比橋面及橋梁迎風(fēng)側(cè)風(fēng)壓變化劇烈，具體表現(xiàn)為：車(chē)輛位于上游時(shí)，列車(chē)背風(fēng)側(cè)附近橋面受列車(chē)尾流影響出現(xiàn)較大負(fù)壓，同時(shí)由于車(chē)輛存在時(shí)車(chē)-橋系統(tǒng)阻風(fēng)效應(yīng)增強(qiáng)，箱梁迎風(fēng)側(cè)負(fù)壓亦增大；車(chē)輛位于下游時(shí)橋面受尾流影響區(qū)域向下游遷移，箱梁迎風(fēng)側(cè)與梁底交界處極值風(fēng)壓增大。安裝屏障后，車(chē)輛有無(wú)及位置的改變對(duì)橋梁風(fēng)壓分布影響明顯減小，這主要是因?yàn)檐?chē)輛處在屏障分離氣流之內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)繞流場(chǎng)干擾較小。安裝兩種屏障時(shí)，橋梁風(fēng)壓分布基本一致，安裝不同屏障時(shí)橋梁自身氣動(dòng)力變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全影響較小。

圖9 不同車(chē)橋組合時(shí)橋梁風(fēng)壓分布

由上文可知安裝屏障后不同車(chē)橋組合工況下橋梁風(fēng)壓分布較為一致且波動(dòng)較小，就橋梁自身氣動(dòng)力而言對(duì)橋梁有利，而真實(shí)條件下，屏障氣動(dòng)力亦將傳遞至橋梁，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。不同車(chē)橋組合時(shí)的橋梁及屏障自身氣動(dòng)力系數(shù)，如表2所示，其中橋梁氣動(dòng)力包含屏障傳遞至橋梁部分。由表2可知,安裝屏障后橋梁自身阻力系數(shù)減小，但屏障-橋梁系統(tǒng)阻力系數(shù)增加接近1倍，屏障自身的氣動(dòng)力變化是影響橋梁氣動(dòng)特性的決定因素；由于新型風(fēng)聲屏障具有空氣流通通道，相比與直立式聲屏障，各車(chē)橋組合工況下風(fēng)聲屏障均有不同程度的減載，其中在車(chē)輛位于迎風(fēng)側(cè)時(shí)屏障阻力小數(shù)減小達(dá)9%，這將更有利于橋梁結(jié)構(gòu)及屏障自身結(jié)構(gòu)安全。

表2 不同車(chē)橋組合時(shí)橋梁(含屏障)及屏障氣動(dòng)力系數(shù)

4 結(jié) 論

本文以城軌高架箱梁橋和地鐵B型車(chē)為工程背景，基于聲子晶體和赫姆霍茲共鳴器理論提出了一種新型風(fēng)聲屏障，并采用測(cè)壓法和車(chē)橋分離測(cè)力技術(shù)研究了新型風(fēng)聲屏障對(duì)車(chē)、橋的氣動(dòng)特性影響，得到主要結(jié)論如下：

(1)新型風(fēng)聲屏障較直立式聲屏障在整個(gè)頻譜內(nèi)都有良好的降噪效果，導(dǎo)流葉片可在兩個(gè)測(cè)點(diǎn)增加1.7～3.5 dB的附加降噪量。

(2)安裝新型風(fēng)聲屏障可達(dá)到與安裝直立式聲屏障相似防風(fēng)效果，且新型風(fēng)聲屏障的百葉導(dǎo)流葉片可引導(dǎo)列車(chē)上下表面風(fēng)壓變化，進(jìn)而起到一定調(diào)節(jié)升力的作用。

(3)安裝聲屏障后橋梁自身氣動(dòng)力變化較小，屏障傳遞至橋梁的氣動(dòng)力將決定橋梁氣動(dòng)性能；新型風(fēng)聲屏障具有良好的減載作用，更有利于橋梁和屏障結(jié)構(gòu)安全。