辛思遠(yuǎn),張世峰,王曉偉

(1.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308； 3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京 100081)

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，噪聲問題也愈發(fā)突出，噪聲污染已成為空氣污染之后人類公共健康的“第二大殺手”[1-2]。設(shè)置聲屏障，切斷噪聲的傳播途徑，是高速鐵路降噪最常用的措施之一[3]。目前，我國(guó)鐵路采用的聲屏障主要有直立式、折角式、半封閉、全封閉4種型式，其中，直立式、折角式聲屏障技術(shù)已相對(duì)成熟，并已廣泛應(yīng)用于各鐵路建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)減緩鐵路運(yùn)行噪聲對(duì)沿線的影響發(fā)揮著重大的作用[4-6]。但由于高速鐵路列車運(yùn)行速度高、車流密度大，同時(shí)鐵路經(jīng)過(guò)城市建成區(qū)兩側(cè)多分布高層住宅建筑，普通直立式、折角式聲屏障對(duì)較高樓層不能有效阻隔鐵路噪聲，采取直立式、折角式聲屏障后，區(qū)間高速路段無(wú)法滿足國(guó)家聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求[7-8]。目前，部分低速鐵路項(xiàng)目已考慮采取半封閉、全封閉聲屏障措施[9]。

北京至雄安新區(qū)城際鐵路(以下簡(jiǎn)稱“京雄城際”)，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，是首個(gè)引入雄安新區(qū)的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程，原國(guó)家環(huán)境保護(hù)部環(huán)評(píng)批復(fù)要求在北落店村設(shè)置全封閉聲屏障1處，長(zhǎng)約847.25 m，線路形式為橋梁，橋高約15 m。京雄城際橋梁地段全封閉聲屏障為國(guó)內(nèi)外首例時(shí)速350 km高速鐵路橋梁全封閉聲屏障。為探究其降噪效果，采用Actran軟件，建立京雄城際橋梁地段的全封閉聲屏障仿真模型，預(yù)測(cè)全封閉聲屏障的降噪效果，同時(shí)在列車提速試驗(yàn)期間研究分析其實(shí)際降噪效果，為以后工程應(yīng)用提供依據(jù)。

2 全封閉聲屏障仿真模型建立

根據(jù)噪聲源辨識(shí)測(cè)試結(jié)果顯示，高速鐵路噪聲在200～5 000 Hz范圍內(nèi)；橋梁結(jié)構(gòu)噪聲主要頻率為1 500～2 500 Hz，考慮橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)可能引起半封閉和全封閉式聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲，結(jié)構(gòu)振動(dòng)的有效計(jì)算頻率應(yīng)不小于2 500 Hz。為保證純聲學(xué)仿真，選用的軟件應(yīng)能同時(shí)滿足聲學(xué)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)的低頻計(jì)算和較高頻計(jì)算需要。Actran提供的二維仿真模型能將鐵路噪聲源視為線聲源，并假設(shè)聲源特性和鐵路線聲學(xué)特征不沿線路方向變化，其結(jié)果與三維無(wú)限長(zhǎng)模型計(jì)算結(jié)果等效，能夠滿足仿真要求[10-11]，因此，本研究選用Actran軟件建立仿真模型。

2.1 建立聲學(xué)有限元-無(wú)限元模型

全封閉式聲屏障的二維聲學(xué)有限元模型包含整個(gè)聲屏障框架結(jié)構(gòu)以及簡(jiǎn)支梁。圖1為橋梁段全封閉聲屏障二維有限元-無(wú)限元仿真模型，主要包含橋梁、軌道板、護(hù)撞墻、聲屏障等，計(jì)算聲屏障對(duì)近軌列車噪聲降噪效果，列車和橋梁結(jié)構(gòu)幾何模型參照通用圖繪制并做簡(jiǎn)化處理。因橋梁結(jié)構(gòu)噪聲不受聲屏障影響，出于簡(jiǎn)化計(jì)算模型的目的，用圖2模型單獨(dú)計(jì)算后疊加至總噪聲中。

圖1 考慮橋面以上聲源的全封閉聲屏障聲學(xué)仿真模型

圖2 只考慮橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的全封閉聲屏障聲學(xué)仿真模型

2.2 設(shè)定聲學(xué)邊界條件

聲學(xué)邊界條件可表征各種障礙物對(duì)噪聲的反射、吸收和衍射作用[12]。橋梁段聲屏障聲學(xué)仿真模型只包含1處吸聲邊界即聲屏障內(nèi)側(cè)，實(shí)際測(cè)試路段橋梁高10m，因此，模型中不考慮地面對(duì)聲場(chǎng)的影響。其余聲學(xué)邊界如列車表面、高架橋、鋼軌、軌道板、聲屏障背板等結(jié)構(gòu)表面均設(shè)為不吸聲的全反射邊界?；祉懯曳y(cè)得的通用聲屏障單元板1/3倍頻程吸聲系數(shù)如表1所示。

表1 混響室法測(cè)得的金屬聲屏障面板吸聲系數(shù)

2.3 設(shè)立全封閉聲屏障等效聲源

仿真時(shí)采用的聲源應(yīng)與環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)量相對(duì)應(yīng)，環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)量均為規(guī)定時(shí)間內(nèi)均聲壓平方的平均值或疊加值，即列車遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲的綜合效果而輻射噪聲的瞬態(tài)量[13]。因此，可對(duì)高速鐵路噪聲源辨識(shí)所得到列車表面噪聲源進(jìn)行簡(jiǎn)化和等效，獲得仿真預(yù)測(cè)模型中的線聲源，以線聲源等效替代列車表面實(shí)際聲源。轉(zhuǎn)向架、受電弓、車頭等部位噪聲源并非線聲源，其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲LAeq，Tp與等效線聲源的遠(yuǎn)場(chǎng)LAeq，Tp相同，因此也可以用等效線聲源表示。

線聲源等效方法是在線路方向求每個(gè)高度下所有點(diǎn)聲源強(qiáng)度的平均聲強(qiáng)，再按式(1)計(jì)算每條線聲源單位長(zhǎng)度的輻射聲功率。在高度方向，分別計(jì)算橋面以上等效聲源和橋梁結(jié)構(gòu)聲源。橋面以上聲源考慮列車表面聲源位置分布特性，從軌面以下0.4 m至軌面以上5.6 m，每隔0.2 m設(shè)置一個(gè)線聲源，共計(jì)31條；橋梁結(jié)構(gòu)從軌面以下2.8 m至軌面以下0.8 m，每隔0.2 m設(shè)置一個(gè)線聲源，共計(jì)11條。由于列車長(zhǎng)度超過(guò)200 m，因此在線路方向上，聲源模型假設(shè)為無(wú)限長(zhǎng)線聲源，且頻譜特性在線路方向不發(fā)生變化。

(1)

式中，A為聲源幅值；ρ為曲率半徑；ω為角速度；W為輻射聲功率。

根據(jù)津秦高鐵聲源識(shí)別計(jì)算結(jié)果，確定各部分等效聲源的聲功率，進(jìn)而確定聲學(xué)仿真模型中噪聲源的大小。350 km/h速度下CRH380動(dòng)車組噪聲辨識(shí)噪聲源分布云圖如圖3所示。

圖3 350 km/h下CRH380動(dòng)車組噪聲源分布云圖

各區(qū)域輻射聲功率的1/3倍頻程A計(jì)權(quán)頻譜如圖4所示。A計(jì)權(quán)頻譜中的低頻噪聲不再具有優(yōu)勢(shì)。橋梁結(jié)構(gòu)噪聲主要出現(xiàn)在1 500～2 500 Hz；輪軌區(qū)噪聲在500～4 000 Hz范圍內(nèi)均較強(qiáng)，在500～2 000 Hz范圍以下尤為突出；車體下部噪聲在500～1 600 Hz之間較強(qiáng)，且在500 Hz以上隨頻率升高而下降。

圖4 350 km/h速度下CRH380動(dòng)車組按高度劃分的噪聲源1/3倍頻程譜

各區(qū)域噪聲對(duì)噪聲總能量貢獻(xiàn)的比例，A計(jì)權(quán)條件如圖5所示，輪軌區(qū)噪聲和車體下部噪聲所占比例明顯上升，分別達(dá)到48%和25%，橋梁結(jié)構(gòu)噪聲所占比例下降到18%，車體上部噪聲所占比例下降到6%，集電系統(tǒng)噪聲所占比例提升至4%。

圖5 350 km/h速度下CRH380動(dòng)車組按高度劃分的噪聲源能量貢獻(xiàn)百分比

通過(guò)聲源辨識(shí)測(cè)試，得到車體各部位的聲源輻射功率，通過(guò)計(jì)算可得Actran軟件計(jì)算所用的噪聲源幅值。

3 全封閉聲屏障降噪效果預(yù)測(cè)

3.1 全封閉聲屏障降噪效果

根據(jù)建立的模型及聲學(xué)邊界條件、等效聲源，在不考慮橋梁結(jié)構(gòu)噪聲、聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲時(shí)，計(jì)算分別得到無(wú)、有聲屏障條件下單車及會(huì)車時(shí)通過(guò)橋梁時(shí)的噪聲輻射云圖，在距線路外軌中心線25 m處，距軌面3.5 m高處布置噪聲測(cè)點(diǎn)，讀取得出受軌面以上聲源影響的受聲點(diǎn)處通過(guò)噪聲1/3倍頻程頻譜，如表2所示。

表2 受聲點(diǎn)處1/3倍頻聲壓級(jí)

無(wú)聲屏障情況下，單車通過(guò)時(shí)總A計(jì)權(quán)聲級(jí)為105.8 dB(A)，會(huì)車時(shí)總A計(jì)權(quán)聲級(jí)為107.1 dB(A)，有聲屏障情況下，單車通過(guò)時(shí)總A計(jì)權(quán)聲級(jí)為85.6 dB(A)，會(huì)車時(shí)總A計(jì)權(quán)聲級(jí)為86.6 dB(A)，設(shè)置聲屏障倍頻程頻譜聲壓級(jí)變化如圖6、圖7所示。實(shí)施全封閉聲屏障后，其插入損失值為20.2～20.5 dB(A)，相對(duì)于低頻噪聲而言，設(shè)置全封閉聲屏障后對(duì)高頻噪聲的降噪效果更加明顯。

圖6 單列車通過(guò)時(shí)設(shè)置與不設(shè)置聲屏障時(shí)受聲點(diǎn)處1/3倍頻聲壓級(jí)

圖7 會(huì)車時(shí)設(shè)置與不設(shè)置聲屏障時(shí)受聲點(diǎn)處1/3倍頻聲壓級(jí)

3.2 吸聲材料對(duì)全封閉聲屏障降噪效果影響

吸聲材料是影響鐵路聲屏障降噪效果的重要因素之一[14]，為研究全封閉聲屏障吸聲材料設(shè)置對(duì)全封閉聲屏障插入損失的影響，利用計(jì)算模型，考慮采用吸聲材料后聲屏障隔聲性能不變條件下，比較全封閉聲屏障內(nèi)壁設(shè)吸聲材料對(duì)其插入損失的影響，在全封閉聲屏障壁表面設(shè)置聲阻抗的邊界條件，用以模擬鋪設(shè)的吸聲材料。其值可采用Delany-Bazley經(jīng)驗(yàn)公式得到

(2)

式中，Zn為吸聲材料阻抗；c為空氣中聲速；ρ0為空氣密度；f為頻率；σ為材料流阻。選取無(wú)機(jī)硅酸鹽作為吸聲材料，材料表面流阻取5 000 N/m3，在模型中節(jié)點(diǎn)上施加聲阻抗的邊界條件。該材料的相對(duì)聲阻抗率如表3所示。

表3 材料的相對(duì)聲阻抗率

從表3可以看出，框架式聲屏障安裝吸聲板后，其吸聲降噪效果明顯改善，特別是全封閉聲屏障內(nèi)輻射噪聲的高頻成分明顯降低，如圖8所示。聲屏障內(nèi)側(cè)設(shè)置或不設(shè)置吸聲材料的情況下，全封閉聲屏障內(nèi)部混響場(chǎng)總噪聲級(jí)差值為8.3 dB(A)，設(shè)置吸聲材料在高頻段有較為顯著的降噪效果。結(jié)合全封閉聲屏障透射聲、聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲、橋梁噪聲，距線路外軌中心線25 m、距軌面3.5 m處噪聲測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)如表4所示。

圖8 吸聲材料降噪效果計(jì)算結(jié)果

表4 距線路外軌中心線2 m、距軌面3.5 m處噪聲測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí) dB(A)

列車通過(guò)全封閉聲屏障時(shí)，輻射噪聲在屏障內(nèi)部短時(shí)間多次反射疊加，形成混響，屏障內(nèi)部噪聲能量密度和幅值普遍明顯高于明線路段同一位置的噪聲。此時(shí)，應(yīng)將混響聲場(chǎng)視為對(duì)環(huán)境噪聲有實(shí)際影響的聲源，混響聲場(chǎng)平均能量密度決定了噪聲幅值。在聲屏障隔聲量一定的條件下，須在全封閉聲屏障內(nèi)側(cè)安裝吸聲材料，降低混響聲場(chǎng)，否則混響引起的噪聲提高一定程度上抵消了隔聲產(chǎn)生的降噪效果[15-16]。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析

4.1 測(cè)試布點(diǎn)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3095-2013對(duì)于高速列車噪聲型式試驗(yàn)所要求的環(huán)境條件、軌道狀態(tài)、測(cè)量點(diǎn)位(標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)、附加測(cè)點(diǎn))、測(cè)量量、試驗(yàn)程序、數(shù)據(jù)處理等方面有詳細(xì)規(guī)定[17-18]。根據(jù)ISO 3095-2013要求，當(dāng)測(cè)試列車速度≥200 km/h時(shí)，輻射噪聲的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)通常布置在水平向距軌道中心線25 m、垂向距軌面3.5 m處，鐵路邊界噪聲測(cè)試各斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖9、圖10所示。

圖9 全封閉聲屏障斷面聲屏障噪效果測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

圖10 全封閉聲屏障區(qū)段聲屏障測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)

4.2 測(cè)試方法

本研究參照GB 12525—1990《鐵路邊界噪聲限值及其測(cè)量方法》等規(guī)定的方法[19]。噪聲測(cè)試?yán)枚嗤ǖ罃?shù)據(jù)采集儀，測(cè)試動(dòng)車組以不同速度通過(guò)聲屏障插入損失變化情況，評(píng)價(jià)鐵路環(huán)境噪聲及聲屏障降噪效果是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求。為此，在2020年9月21日至10月9日，CRH380AJ—0201綜合檢測(cè)列車提速試驗(yàn)期間，搭載開展了噪聲測(cè)試，檢測(cè)線路為上行線，共測(cè)試了48組有效數(shù)據(jù)，列車每個(gè)速度噪聲均測(cè)試2次以上，最高速度385 km/h。本次噪聲檢測(cè)中測(cè)試斷面分布及邊界條件匯總?cè)绫?所示。

表5 測(cè)試斷面分布及邊界條件

4.3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，其結(jié)果如表6所示。當(dāng)綜合檢測(cè)列車以180～385 km/h速度通過(guò)全封閉聲屏障時(shí)，距軌道中心線25 m、垂向距軌面3.5 m處，實(shí)測(cè)插入損失值為17.0～20.6 dB(A)；當(dāng)綜合檢測(cè)列車以350 km/h速度通過(guò)全封閉聲屏障時(shí)，插入損失值為19.8～20.1 dB(A)，滿足設(shè)計(jì)降噪效果要求和國(guó)家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20]。

表6 全封閉聲屏障插入損失值

5 結(jié)論

京雄城際鐵路橋梁地段全封閉聲屏障為國(guó)內(nèi)外首例時(shí)速350 km高速鐵路橋梁全封閉聲屏障，通過(guò)仿真模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)京雄城際鐵路北落店村段全封閉聲屏障降噪效果進(jìn)行深入研究，得出如下結(jié)論。

(1)通過(guò)仿真模擬發(fā)現(xiàn)，設(shè)置全封閉聲屏障后，噪聲插入損失值在20.2～20.5 dB(A)之間，而聲屏障內(nèi)側(cè)設(shè)置吸聲材料，與不設(shè)置總噪聲級(jí)差值為8.3 dB(A)，頂部開口與否對(duì)聲屏障降噪效果影響僅有0.4 dB(A)。

(2)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)綜合檢測(cè)列車以180～385 km/h速度通過(guò)全封閉聲屏障時(shí)，距軌道中心線25 m、垂向距軌面3.5 m處，實(shí)測(cè)插入損失值為17.0～20.6 dB(A)，滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

該成果目前已成功運(yùn)用于京雄城際全封閉聲屏障的設(shè)計(jì)和施工，在京雄城際聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，經(jīng)檢測(cè)其降噪效果顯著、各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)異，整體系統(tǒng)協(xié)調(diào)，已成為京雄城際上一大技術(shù)亮點(diǎn),全封閉聲屏障已成為該工程一道靚麗風(fēng)景。

該成果在京雄城際鐵路上的成功應(yīng)用，建立了高速鐵路全封閉聲屏障降噪設(shè)計(jì)技術(shù)體系，對(duì)于推動(dòng)高速鐵路噪聲防治技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，提高高鐵沿線居民聲環(huán)境質(zhì)量具有十分重要的意義，對(duì)于今后類似聲屏障設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，為高鐵“近城靜音”提供了有益借鑒，研究成果具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。