近年来, 我国高速铁路发展迅猛, 给人们的出行带来了方便和舒适.同时, 铁路线穿过城镇, 给周边环境带来了严重影响.列车以250 km/h以上速度运行时, 高速铁路噪声源主要为滚动噪声、气动噪声和牵引噪声^[1].声屏障作为高速铁路噪声隔离最主要的方法之一, 能够有效地屏蔽各种噪声源的传播^[2].

自上世纪60年代开始, 国内外学者对声屏障作了大量的研究工作^[3].主要的研究工作为声屏障理论计算方法、道路声屏障结构设计和顶部装置优化等.轨道交通类型、组成、运行速度势必影响声源类型、位置及频谱, 并改变屏障降噪效果^[4].运行速度在200 km/h以下的普通铁路, 轮轨滚动噪声是主要的噪声源^[1].对于高速铁路而言, 列车运行速度较高, 车外噪声声源分布位置遍布列车的各个关键部件, 且噪声声源为宽频噪声^[5].在此前提下, 高速铁路声屏障理论模型、优化设计与道路声屏障存在差异.简化声源模型, Morgan等^[6]研究单极子/偶极子声源、列车外形、声屏障形状对声屏障插入损失的影响.研究发现, 声屏障越高, 声源类型的影响越大.改变列车外形, 声屏障平均插入损失最大能够提高7.5 dB(A).奥地利ÖAL-Richtlinie模型直接建立采用比例为15/85的单极子/偶极子声源模型, 研究高速铁路噪声^[7].日本作为较早使用声屏障的国家, 对声屏障顶部设计进行了大量研究.顶部装置主要包括Y型、T型、倒L型、干涉型、山型等.通过研究发现, 相对于2.0 m直立型声屏障, 在声屏障顶部加高或者改变形状能够增加2 dB(A)左右的附加降噪效果^[8].Murata比较并分析了多种顶部头型, 得出Y型屏障降噪效果最好^[9].Belingard等^[10]对吸声和顶部装置的附加降噪效果进行测试.结果表明, TGV以320 km/h运行时, 将声屏障上部刚性单元板改为吸声单元板, 插入损失增加4.0~5.0 dB(A).

我国学者对高速铁路声屏障作了相关研究.尹皓等^[11]基于声屏障测量规范, 对合宁、合武、和京津城际安装的声屏障进行测试.在距铁路外侧轨道中心线30 m, 高于地面1.5 m处, 当列车运行速度为250 km/h时, 3.05 m高声屏障的降噪效果为5~8 dB(A).当列车运行速度为300~350 km/h时, 声屏障的降噪效果为3~6 dB(A).另外, 马心坦等^[12-13]对声屏障插入损失预测模型及性能优化设计进行研究.

对高速铁路声屏障开展系统性研究, 需要综合考虑声源分布及特性、列车运行速度、多重反射、声场分布规律及受控区域的主要噪声频率等因素.本文根据现场测试结果, 对户外声场分布规律、标准点声压和插入损失时间历程及频谱特性进行分析, 获得影响插入损失的主要因素.将场点声压级与速度进行线性拟合, 对插入损失测试与计算结果进行比较分析, 获得IL随速度的变化规律.根据已建立的高速铁路声屏障预测模型, 采用边界元法^[2]对吸声系数、声屏障厚度、高度、倾角、面板结构等影响因素进行调查, 分析这些影响因素的降噪效果, 为进一步降低户外噪声提供指导依据.

根据ISO 3095^[14]及国内外高速列车运行噪声试验经验可知, 在列车和线路状况满足相关标准要求的前提下, 对我国某型高速列车在无砟轨道上通过无声屏障断面和有声屏障断面声场分布进行测试, 麦克风布置示意图如图 1所示.2个测试断面距离较近, 以保障测试时的周围环境和列车运行速度不变.声屏障为2.15 m插板式直立型声屏障.受测试安全的限制, 仅测试轨面以下的声场区域.传感器共4列, 分别距近道中心线7.5 m、15.0 m、25.0 m和50.0 m.相邻传感器间距为2.0 m, 靠近地面的传感器距离地面1.5 m.根据相关测试结果, 得到有、无声屏障区段声压级及插入损失分布, 如图 2所示.图中，l为横向距离，h为重向高度.

图 1

图 1 户外空间声场测试测点布置示意图 Fig. 1 Measuring point schematic diagram of sound fieldtest

图 2

图 2 270 km/h时高速铁路户外声场分布 Fig. 2 Sound field distribution of high-speed railway (270 km/h)

列车运行速度对声场分布规律的影响较小.图 2仅给出列车运行速度为270 km/h时的声场分布结果.该结果是根据同一速度多次测试结果作平均得到的.图中, 横、纵坐标零刻度分别表示近轨中心线和钢轨顶面.在无声屏障断面, 靠近轨道中心线区域的场点声压级最大.声压级随着垂向和横向距离的增加而减小.由声传播理论可知, 该分布规律符合自由场声衰减规律.由于声屏障的屏蔽作用, 声屏障后方靠近声屏障的场点声压级较小, 如图 2(b)所示.声压级随垂向距离的增加而减小.在同一水平高度, 声压级随横向距离的增加而增大, 声屏障的降噪效果随横向距离的增加而变差.根据声屏障降噪原理和高速列车声源分布规律^[5]可知, 随着垂向距离的增加, 受声点分别位于高频截止区(2 500 Hz以上)、中频截止区(1 250~2 500 Hz)、低频截止区(1 250Hz以下)和声影区.在同一水平高度, 随着横向距离的增加, 受声点分别位于声影区、低频截止区和中频截止区, 且更容易受到高速列车中上部声源的影响.

如图 2(c)所示为根据有、无声屏障时声场分布计算得到的插入损失.可知, 插入损失等高线呈“高斯分布”曲线组, 即在一定的垂向高度, 插入损失最大, 然后上、下两侧的插入损失逐步下降.上侧, 随着垂向距离的减小, 受声点向更高频率截止区域移动, 易受到高速列车中上部声源和高频噪声的影响；下侧, 随着垂向距离的增大, 该区域声压级逐渐以低频噪声为主, 由衍射原理可知, 频率越低, 声屏障降噪效果越差.以横向距离为15 m时为例, 当垂向高度为轨面以下2 m时, 插入损失最大, 为7.3 dB(A).在轨面以下0 m和5 m时, 插入损失为5.2 dB(A).

为了进一步掌握插入损失分布及变化规律, 选取ISO 3095规定的3个标准场点, 对场点声压级时间历程及频谱特性进行分析.图 3~5分别给出高速列车以270 km/h运行时, 有、无声屏障断面场点声压级L_p及插入损失I_L的时间历程.图中, M₁、M₂和M₃代表的场点位置分别为(7.5 m, 1.2 m)、(7.5 m, 3.5 m)和(25 m, 3.5 m).括号内第一个数字表示距离近轨中心线的水平距离, 第二个数字表示距离钢轨顶面的垂向高度.

图 3

图 3 无声屏障断面标准点声压级时间历程(270 km/h) Fig. 3 Time history of sound pressure level for standard points at 270 km/h (without barrier)

图 4

图 4 有声屏障断面标准点声压级时间历程(270 km/h) Fig. 4 Time history of sound pressure level for standard points at 270 km/h (with barrier)

图 5

图 5 插入损失时间历程(270 km/h) Fig. 5 Time history of insertion loss for standard points at 270 km/h

无声屏障时, 列车驶入场点断面, 声压级迅速增大；驶出场点断面, 则声压级急剧减小.近场场点M₁、M₂瞬时声压级与列车行进位置密切相关.声压级时间历程曲线共9个峰值, 分别对应车头及附近转向架、中间7个车间连接区域及附近转向架、车尾及附近转向架.受声源类型及声辐射指向性的影响, M₂声压级比M₁大2.6 dB(A)左右.在该速度下, 头车转向架和受电弓通过引起的声压峰值均不显著, 户外噪声以轮轨噪声为主.随着运行速度的提高, 头车及转向架引起的气动噪声逐步增大, 导致对应区域经过场点断面引起的瞬时声压级超过其他转向架及车间的连接区域.

有声屏障时, 3个场点瞬时声压级与列车行进位置密切相关.从图 4可知, M₁、M₂和M₃最大A声压级L_pAmax分别为85.1、88.8和79.3 dB(A), 对应升起的受电弓位置.该幅值比其他受影响较小的峰值分别大4.0、1.5和2.1 dB(A)左右, 比3个场点在通过时间内的等效连续A声压级L_{pAeq, Tp}大5.6、2.9和2.7 dB(A).受电弓位于车顶上方, 大部分受声点处于该声源的直达区或高频截止区.现有的2.15 m直立型声屏障对该声源无屏蔽效果.从人的主观感受来讲, 该瞬时声压导致人耳听到的声音较大, 影响人们对声屏障实际降噪效果的主观评价.

根据声屏障插入损失的定义可知, 插入损失为列车通过无声屏障、有声屏障断面时, 通过时间内的等效连续A声级之差.该值表示声屏障的平均降噪效果.图 5给出列车运行过程中的瞬时插入损失时间历程.M₁、M₂和M₃平均插入损失分别为13.9、10.2和5.6 dB(A).在列车车头驶入和车尾驶出时, 声屏障的隔声效果最好.当受电弓经过测点时, 声屏障隔声效果最差, 仅为8.4、7.3和3.0 dB(A).采取相关措施降低受电弓的影响可以进一步提高声屏障插入损失.假设不考虑受电弓区域声压级, 可以分别提高3个场点插入损失1.0、0.2和0.7 dB(A), 且主观感受更好.受电弓声源较高, 要完全屏蔽受电弓的影响不现实.轮轨噪声位置较低, 从时间历程曲线可知, 提高声屏障该噪声的屏蔽效果, 能够进一步提高声屏障的插入损失.

提高既有声屏障的插入损失, 首先需要了解声屏障后方场点的声压频谱特性.如图 6所示为270 km/h时声屏障后方3个场点的声压频谱特性.图中，f为1/3倍频程中心频率.M₁、M₂和M₃场点声压最大的频率分别为800、1 000和1 000 Hz.以10 dB为限, 3个场点声压主要频率为250~3 150 Hz、315~5 000 Hz和200~2 500 Hz、4 000 Hz.在进一步提高声屏障降噪效果时, 需要优先考虑以上主要频率.

图 6

图 6 有声屏障断面标准点频谱特性 Fig. 6 Frequency characteristic for standard points at 270 km/h (with barrier)

影响声屏障插入损失的因素不仅包括声源分布、声屏障结构特性等, 还包括列车运行速度.随着速度的提高, 场点插入损失降低.

对同一列车以280~385 km/h的速度运行时, 场点在无声屏障和有声屏障断面进行声压级测试, 并进行线性拟合得到如图 7所示的结果.场点声压级与lg v的线性拟合公式分别如下.

图 7

图 7 场点声压级线性拟合 Fig. 7 Linear fit of standard points

无声屏障时,

对应的拟合度R²为：0.992 9、0.964 1、0.994 7.式中：v为列车通过时速, L_{pAeq, Tp}为列车通过时间内的等效连续A声级.

有声屏障时,

对应的拟合度R²为：0.983 2、0.975 5、0.985 3.

3个场点的拟合度R²均接近于1, 图 7所示的线性拟合曲线能够较好地反映场点声压随速度的变化关系.无声屏障时, M₁、M₂和M₃拟合曲线斜率分别为29.7、25.3和36.3.有声屏障时, 对应的斜率分别为53.7、44.4和45.5.Melleta等^[15]的研究表明, 当拟合曲线斜率为30时, 场点噪声以轮轨噪声为主；当曲线斜率为60时, 噪声以气动噪声为主.由此可见, 无声屏障时, 图 7所示的3个标准场点声压贡献主要来自轮轨噪声.声屏障能够有效地屏蔽轮轨噪声, 对车体中上部的气动噪声屏蔽效果较差.此时, 场点声压贡献同时来自轮轨噪声与气动噪声.根据拟合关系, 预测得到不同速度下的声屏障插入损失I_L, 如表 1所示.

表 1

表 1 插入损失预测与测试结果对比 Table 1 Prediction results of insertion loss compared with test results dB(A) v/(km·h-1) M1 M2 M3 测试 预测 测试 预测 测试 预测 270 13.9 14.3 10.1 10.9 5.6 5.9 310 13.2 12.9 10.0 9.7 6.0 5.4 330 12.6 12.3 9.5 9.2 5.5 5.1 340 11.9 11.9 8.9 8.9 4.7 5.0 350 11.8 11.6 9.1 8.7 4.8 4.9 360 11.1 11.3 8.9 8.5 4.8 4.8 370 11.0 11.1 7.8 8.2 4.7 4.7 380 10.7 10.8 7.4 8.0 4.3 4.6 385 10.5 10.6 7.5 7.9 4.9 4.5

表 1 插入损失预测与测试结果对比 Table 1 Prediction results of insertion loss compared with test results

从表 1可以得到, 插入损失预测与测试结果误差分别在0.4、0.8和0.6 dB(A)以内, 两者能够较好地吻合.根据场点声压拟合公式可以较好地预测不同速度时的插入损失.不同场点的I_L随速度的衰减规律有一定的差异.当速度从270 km/h增加到385 km/h时, M₁、M₂和M₃插入损失分别降低3.7、3.0和1.4 dB(A).随着速度的增大, 列车中上部的气动噪声凸显, 导致声屏障后方近场场点中的高频噪声增加.远场点以中低频噪声为主, 声源变化对插入损失的影响较小.

提速是我国高速铁路发展的方向, 在此前提下对影响声屏障插入损失的相关因素进行调查, 分析降噪机理.根据前述研究可知, 采取相关措施进一步降低轮轨区域噪声或屏蔽受电弓噪声, 均可以提高声屏障的插入损失.暂不考虑声屏障顶部装置, 对吸声材料、声屏障厚度、高度、倾角和面板结构形式等影响因素进行分析.计算中, 分别考虑以上因素对声场分布、场点幅值及频谱特性的影响.计算所采用的边界元法及仿真模型如文献[2]所述.为了更全面地评价不同影响因素对降噪效果的影响, 根据HJ/T90标准^[16], 增加M₄(30 m, -8.5 m)和M₅(30 m, 1.5 m)两个场点.由于钢轨顶面距地面10 m, M₄代表距地面1.5 m高的场点.

根据场点噪声频谱特征, 采用高性能吸声材料能够改善声屏障对列车中下部噪声的屏蔽效果, 提高插入损失.根据吸声系数与声阻抗的关系, 直接定义声阻抗实部和虚部, 调查吸声系数对降噪效果的影响.

对于入射角为θ的平面波, 吸声系数^[17]定义为

式中：θ为平面波入射角, Z为材料声阻抗率, ρ₀为空气密度, c为声速, ρ₀c为空气特性阻抗.当θ=0时, 式(7) 为正入射吸声系数(驻波管吸声系数), 是本节仿真分析所采用的吸声系数.

将吸声材料敷设在声屏障靠近声源一侧, 设置所有频率下的吸声系数从0变化至1.0, 增量为0.1.如图 8所示为相对无吸声措施下, 吸声系数为1.0时的附加降噪效果声场分布.可见, 吸声系数对高频截止区声场的影响最大, 其次降噪效果向两侧的直达区与中频截止区衰减.采用吸声材料能够进一步提高声屏障的降噪量.理论上, 场点插入损失最大能够提高12.0 dB(A), 位于高频截止区.最小为1.6 dB(A)以内, 位于中频截止区的远场区域.低频截止区和声影区有4.2~6.8 dB(A)的降噪效果.

图 8

图 8 吸声系数对声场分布的影响(α=1.0) Fig. 8 Influence of absorption coefficient on sound field (α=1.0)

图 9给出M₁~M₅场点声压随吸声系数的变化规律.总的来说, 随着吸声系数的增大, 场点声压级降低.两个近场场点M₁和M₂声压级衰减最大.当吸声系数从0变为1.0时, 5个场点声压级最大能够降低6.1、8.0、2.3、4.1和2.0 dB(A).相同增量下, 吸声系数从0变为0.1, 声压级降低最大, 分别达到1.3、2.0、0.8、1.0和0.7 dB(A).该变化规律与场点位置和声压频谱特性有关.图 10给出M₃和M₄场点频谱特性的变化规律.对于户外噪声而言, M₃和M₄是ISO 3095和HJ/T90规定的重要评价点, 分别代表高架桥中远场上部噪声和下部噪声.

图 9

图 9 场点声压级与吸声系数的关系 Fig. 9 Relationship between sound pressure level of field points and absorption coefficients

图 10

图 10 吸声系数场点频谱特性的影响 Fig. 10 Influence of absorption coefficient on frequency characteristic of field points

由图 10可知, 随着吸声系数的增大, 各频率声压级均有不同程度的降低.对于高架桥上方场点M₃而言(图 10(a)), 吸声系数能够降低630 Hz以上噪声, 特别是2 500~5 000 Hz.630~1 000 Hz处的吸声系数最大降噪量为1.2~3.6 dB.2 500~5 000 Hz处的最大降噪量为7.7~13.4 dB.对于M₄而言(图 10(b)), 声压主要频率为2 500 Hz以下.吸声系数能够降低315~4 000 Hz下的噪声, 特别是400~2 000 Hz.在该频段内, 最大降噪量为5.3~7.0 dB.

由此可以得到, 场点位置不同, 吸声系数影响的频谱范围及大小不一致, 导致降噪效果差异比较明显.对于高频截止区场点(如M₃), 吸声系数的降噪效果比较明显, 能够显著降低2 500~5 000 Hz处的噪声.对于低频截止区场点(如M₄), 能够显著降低400~2 000 Hz处的噪声.受吸声材料流阻、孔隙率等因素限制, 中低频吸声系数较小, 因此通过选取较好的吸声材料, 显著提高中低频截止区场点降噪量比较困难.如M₄, 吸声材料的实际附加降噪量会低于4.1 dB(A).

目前, 我国高速铁路声屏障厚度均为0.14 m, 增加声屏障的厚度会对场点声压级造成影响.不改变声屏障高度, 图 11给出声屏障厚度分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 m这5种调查工况.

图 11

图 11 5类声屏障厚度 Fig. 11 5 Types of barrier thickness

相对于无厚度的声屏障, 图 12给出声屏障厚度为1.0 m时的附加降噪量分布云图.可知, 声屏障厚度的附加影响量呈“扇形”区域分布.对于高频截止区, 声屏障厚度有负效果.随着“扇形”区域往下, 附加降噪效果越明显.1.0 m厚度的声屏障能最大有8.7 dB(A)的附加降噪量.声屏障的厚度可以理解为水平放置的绕射障板.增加声屏障厚度可以有效降低低频噪声向高架桥以下区域衍射的能力, 通过绕射障板会将部分声源向上反射, 尤其是高频噪声.

图 12

图 12 声屏障厚度对场点声压级的影响 Fig. 12 Influence of barrier thickness on sound field

M₁~M₅场点声压随厚度D的变化规律如图 13所示.除近场点M₁以外, 高架桥上方的M₂、M₃和M₅场点声压随厚度的变化很小.屏障厚度从0 m增加到1.0 m, M₂和M₃声压级增大0.3和0.1 dB(A), M₅声压级减小0.3 dB(A), M₁和M₄声压级分别降低2.5和2.8 dB(A).当屏障厚度从0变为0.2 m时, 附加降噪量变化最大, 分别为1.1、-0.1、0.1、1.1、0.2 dB(A).M₃和M₄频谱随屏障厚度的变化规律如图 13所示.

图 13

图 13 场点声压级与声屏障厚度的关系 Fig. 13 Relationship between sound pressure level of field points and barrier thickness

从图 14可知, 随着声屏障厚度的增加, M₃不同频率的声压级几乎不变, M₄频率声压级随厚度的增加有不同程度的降低.从图 14(a)可知, 声屏障厚度仅使M₃在3 150~4 000 Hz的声压级增加0.5~0.6 dB.M₄声压级频谱特性随厚度变化明显(右图), 声屏障厚度主要增加400~2 000 Hz和3 150~4 000Hz的附加降噪量, 分别为1.8~6.7 dB和4.5~4.6 dB.M₄声压级在500和800Hz最大, 声屏障厚度为1.0 m时, 能降低声压级4.4和3.8 dB.

图 14

图 14 声屏障厚度对场点频谱特性的影响 Fig. 14 Influence of barrier thickness on frequency characteristic of field points

受高架桥宽度和声屏障安装的限制, 声屏障厚度往往限制在0.2 m以内.从分析结果可知, 声屏障厚度增加, 对降噪量起主导作用的是声屏障顶部宽度.在实际应用时, 在不改变屏障厚度的前提下, 在屏障顶部或后方增加多重绕射障板, 可以进一步提高屏障对高架桥下方区域的降噪效果.该方法易行且效果明显.比如说, 声屏障厚度从0到1.0 m, 每增加0.2 m, M₄场点声压级分别降低1.1、0.4、0.5、0.5和0.4 dB(A).

高速铁路与道路交通噪声最大的区别在于高铁噪声声源分布在列车所有高度且噪声频谱范围较宽.提高屏障高度不仅能够进一步提高对列车下部噪声(如轮轨噪声)的降噪量, 还能够有效屏蔽列车中上部声源.图 15给出不同高度的声屏障结构示意图.将声屏障高度从2.15 m提高到4.15 m, 每次增加0.2 m, 调查屏障高度对高速铁路户外噪声的影响.

图 15

图 15 不同屏障高度 Fig. 15 Different barrier height

相对于直立2.15 m声屏障, 4.15 m声屏障对声场的附加降噪量如图 16所示.从图 16可知, 屏障高度影响区域分布特性.附加降噪量在声屏障后方靠近屏障区域最大, 屏障增高2.0 m, 最大附加降噪量达到19.1 dB(A).对于中远场噪声, 高度影响最大的区域为高频截止区, 最大附加降噪量为8.8 dB(A).以该区域为中心, 附加降噪量向两侧减小.对于地面附近场点, 附加降噪量为3.0~4.2 dB(A).

图 16

图 16 声屏障高度对场点声压级的影响 Fig. 16 Influence of barrier height on sound field

对于所选取的5个场点而言, 声压级随高度的变化规律如图 17所示.图中，h_b为声屏障高度.场点声压级均随高度增加线性减小.屏障高度从2.15 m增加至4.15 m, 场点声压分别降低7.0、12.2、6.8、3.1和6.1 dB(A), 即声屏障高度每增加1.0 m, 5个场点声压级降低3.5、6.1、3.4、1.6和3.0 dB(A).可见, 屏障高度对不同场点的附加降噪效果差异很大, 主要由场点位置和频谱特性决定.

图 17

图 17 场点声压级与声屏障高度的关系 Fig. 17 Relationship between sound pressure level of field points and barrier height

图 18分别给出M₃和M₄频谱特性随高度的变化规律.随着声屏障高度的增加, 声屏障与车体之间的多重反射加剧, 改变声波的传播规律和传播路线, 造成部分频率在一定高度时, 声压级有一定的增加.就整体规律而言, 场点声压级随着声屏障高度的增加在所有频率均有不同程度的降低.

图 18

图 18 声屏障高度对场点频谱特性的影响 Fig. 18 Influence of barrier height on frequency characteristic of field points

在计算的频率范围内, 声屏障高度对M₃的降噪效果整体表现如下.在630 Hz以上, 随着频率的升高, 附加降噪量增大, 最大值为16.0 dB；在630 Hz以下, 随着频率的降低, 附加降噪量增大, 最大值为11.6 dB；630 Hz处的附加降噪量最小, 为4.4 dB.高度对M₄附加降噪量的影响有类似的频率分布规律.该现象可以解释为：既有的2.15 m直立屏障对630 Hz噪声有较大的降噪效果, 增加高度对该频率的附加降噪量影响较小, 甚至不变(如M₄).对630 Hz以下频率的噪声, 声波较长, 声屏障屏蔽效果较差, 增加屏障高度能够显著提高附加降噪量.

为了验证这种想法, 图 19给出M₃在270 km/h时的插入损失频谱特性.可知, 插入损失在630 Hz处有一个局部最大值, 两侧插入损失降低.在2 500~3 150 Hz处, 插入损失达到最大值.相对于其他高频下的声压降低量, 如图 18所示, M₃和M₄在对应频率的声压级降低量出现了局部小值.可见, 图 18所示的M₃声压级频率变化规律与图 19所示的2.15 m声屏障插入损失频率的测试结果呈相反趋势.

图 19

图 19 2.15 m声屏障在M3的插入损失(速度：270 km/h) Fig. 19 Insertion loss of 2.15 m barrier on M3 (v: 270 km/h)

声屏障倾斜会改变列车与屏障之间的多重反射, 并影响声场分布.图 20给出相对直立型声屏障, 4种倾角的声屏障对应倾角分别为30°、15°、-15°和-30°, “-”代表内倾.相对于直立型声屏障, 不同倾角β在M₁~M₅处的附加降噪量如表 2所示.

图 20

图 20 不同屏障倾角 Fig. 20 Different barrier angle

表 2

表 2 不同倾角附加降噪量 Table 2 Additional noise reduction of different barrier angles β/(°) IL/(dB(A)) M1 M2 M3 M4 M5 30 4.8 4.3 1.9 4.6 1.7 15 4.4 5.5 1.9 3.7 1.7 -15 0.1 0.6 0.2 -0.1 0 -30 0.5 3.3 0.7 -0.2 0.5

表 2 不同倾角附加降噪量 Table 2 Additional noise reduction of different barrier angles

由表 2可知, 内倾30°在M₂的附加降噪量为3.3 dB(A), 其余场点效果较差, 在M₄出现负效果.内倾15°在M₂的附加降噪量为0.6 dB(A), 在M₄出现负效果.声屏障外倾在所有场点的附加效果均优于内倾.外倾15°的最大附加降噪效果为5.5 dB(A), M₄附加降噪效果为3.7 dB(A).外倾30°的最大附加降噪效果为4.8 dB(A), M₄附加效果为4.6 dB(A).声屏障向内倾斜能够增加对轮轨噪声的隔声量, 但内倾加剧屏障与车体之间的多重反射, 削弱部分降噪效果, 并使后方部分场点处于声源直达区.声屏障向外倾斜, 能够削弱多重反射并有效屏蔽中上部部分声源.总的来说, 声屏障向外倾斜的附加降噪效果更好.

图 21给出声屏障外倾30°对声屏障后方声场的影响.可知, 高频截止区附加降噪效果最好, 插入损失能够增大8.3 dB(A), 其次为声影区, 插入损失增大6.5 dB(A).低频截止区的附加降噪效果较差, 为0.9 dB(A)左右.

图 21

图 21 声屏障倾角对场点声压级的影响(外倾30°) Fig. 21 Influence of barrier angle on sound field (outward 30°)

不同倾角对M₃和M₄频谱特性的影响如图 22所示.声屏障内倾时, 声压频谱的变化趋势一致.倾角仅影响区变化幅值.声屏障外倾有类似的变化规律.声屏障内倾30°能够降低M₃在630~2 000 Hz处的噪声.声屏障内倾15°能够降低M₃在630~1 600 Hz处的噪声.在其余频率范围内, 声屏障向内倾斜无效果, 甚至造成声压变高, 主要是由多重反射及中上部声源引起的.声屏障向外倾斜不同角度对M₃频谱特性的影响基本一致.在630 Hz以上, 向外倾斜能够明显降低场点声压, 并随着频率的增大, 降噪效果越好.

图 22

图 22 声屏障倾角对场点频谱特性的影响 Fig. 22 Influence of barrier angle on frequency characteristic of field points

声屏障向内倾斜能够降低M₄在800 Hz以内的噪声, 但2 500 Hz以上的噪声明显增加, 导致总声压级升高.向外倾斜能够降低所计算的全频段噪声.在500~1 250 Hz处, 向外倾斜15°的降噪效果更好；1 600~4 000 Hz处, 向外倾斜30°的降噪效果更好.

减小声屏障与列车之间的多重反射并削弱声源一侧干扰能够降低声场场点声压级.图 23给出3种声屏障面板结构形式及尺寸.该类面板能够增加声散射, 降低多重反射.3类散射结构分别为W型、Z型和鼻型.

图 23

图 23 不同屏障结构 Fig. 23 Different barrier structure

采用以上散射结果对5个场点的附加降噪量如表 3所示.高速列车声源分布广且频谱宽, 采用不同的散射结构能够有效地降低声源对场点的影响.3种不同结构均在M₂的附加降噪效果最好, 其次为M₁、M₄、M₅和M₃.其中, W型、Z型和鼻型在M₃的附加降噪效果分别为0.7、0.6和1.1 dB(A), 在M₄分别为1.1、1.3和1.4 dB(A).在各个场点的鼻型降噪效果最好, 可见, 椭圆弧能够有效削弱多重反射并降低户外噪声, 对声场的影响如图 24所示.

表 3

表 3 不同声屏障面板形式的附加降噪量 Table 3 Additional noise reduction of different barrier structures dB(A) 面板形式 IL M1 M2 M3 M4 M5 W型 1.4 2.0 0.7 1.1 0.7 Z型 1.8 3.2 0.6 1.3 0.9 鼻型 2.1 3.3 1.1 1.4 1.4

表 3 不同声屏障面板形式的附加降噪量 Table 3 Additional noise reduction of different barrier structures

图 24

图 24 声屏障结构对场点声压级的影响(鼻型) Fig. 24 Influence of barrier structure on sound field (nose-shaped)

从图 24可以得到, 声屏障上方附加区域的噪声增大1.7 dB(A)左右, 声屏障后方区域的噪声均有不同程度的降低.该散射结构能够进一步地降低大部分场点的声压级, 仅会增大部分声源直达区场点声压级.鼻型屏障能够进一步降低高频截止区噪声, 最大达4.2 dB(A), 对地面区域场点有0.6~1.3 dB(A)的附加降噪效果.

3种结构对M₃和M₄频谱特性的影响如图 25所示.W型屏障会增大M₃在630 Hz和2 000 Hz处的噪声.在1 000 Hz以上(2 000 Hz除外), 附加降噪效果随频率的增大而提高.Z型屏障增大M₃在400 Hz和800 Hz处的噪声.鼻型增大M₃在400 Hz处的噪声.在1 000 Hz以上, Z型和鼻型附加降噪效果均随频率的增大而提高, 尤其以鼻型在高频下的降噪效果最好.

图 25

图 25 声屏障结构对场点频谱特性的影响 Fig. 25 Influence of barrier structure on frequency characteristic of field points

3种结构均能够有效地降低M₄在500~4 000 Hz下的噪声(W型在2 000 Hz除外), 其中500~1 600 Hz频率范围噪声是该场点的主要噪声频率.总的来说, 鼻型屏障对主要噪声频率的降噪效果最好, 其次为Z型, W型.W型、Z型和鼻型屏障分别降低800 Hz的噪声1.5、2.2和2.0 dB(A).由此可见, 散射结构对不同场地影响的频率范围是不一致的.散射结构能够有效地降低高频噪声的多重反射, 削弱声源一侧的高频噪声, 从而降低高频截止区场点(M₃)高频噪声.散射结构会改变中、低频噪声的传播规律和方向, 降低低频截止区和声影区的中、低频噪声.

(1) 无声屏障时, 场点声压级随垂向和横向距离的增加而减小；有声屏障时, 声压级随垂向距离的增加而减小, 声压级在同一水平面随横向距离的增加而增大；插入损失呈“高斯分布”曲线组分布, 在一定垂向高度的插入损失最大, 上、下两侧的插入损失逐步降低.根据测试所得的拟合曲线能够较好地求出插入损失随速度的变化规律.速度每增加50 km/h, (7.5, 1.2)、(7.5, 3.5) 和(25, 3.5)3个场点处的声压级降低1.6、1.3和0.6 dB(A).

(2) 测试结果表明, 在运行速度下, 无声屏障时, 场点声压以轮轨噪声为主.有声屏障时, 在(7.5, 1.2)、(7.5, 3.5) 和(25, 3.5) 三个点, 受电弓经过产生的噪声最大, 幅值比通过时间内的等效连续A声压级大5.6、2.9和2.7 dB(A).不考虑受电弓的影响, 3个场点插入损失能够降低1.0、0.2和0.7 dB.在采取相关措施进一步提高声屏障插入损失时, 需要针对不同场点, 降低不同频率的噪声.

(3) 吸声系数、声屏障高度、倾角和面板结构形式对声场的影响规律类似, 高频截止区的附加降噪效果最好, 上、下两侧的附加降噪效果降低, 并在声影区有较好的降噪效果.声屏障厚度对声场的影响呈“扇形”区域分布, 对高频截止区的声屏障厚度有负效果, 随着“扇形”区域往下, 附加降噪效果越好.

(4) 场点声压级随着吸声系数和声屏障高度提高而增大.采用吸声材料, 理论上, M₃(25, 3.5) 和M₄(30, -8.5) 的插入损失最大能够提高2.3和4.1 dB(A).声屏障增高1.0 m, 上述2个场点插入损失分别提高3.4和1.6 dB(A).声屏障内倾加剧声源一侧多重反射, 对提高插入损失的效果不明显.向外倾斜的效果最好, 当向外倾斜30°时, M₃、M₄插入损失提高1.9和4.6 dB(A).面向声源一侧的声屏障, 面板采用散射结构能够有效地提高不同场点的插入损失, 鼻型面板结构的效果最好, M₃、M₄插入损失分别提高1.1和1.4 dB(A).

(5) 采取相关措施进一步提高声屏障的插入损失受场点位置影响.不同影响因素的降噪频率有较大差异.在选取控制措施时, 根据受控场点位置和噪声主要频率, 有针对性地采取控制措施.