伍向陽

(中國鐵道科學(xué)研究院,北京 100081)

截至2018年底，我國高速鐵路運(yùn)營總里程超過2.9萬km，聲屏障是我國高速鐵路應(yīng)用最為廣泛的噪聲控制手段，目前已實(shí)施聲屏障總長度超過4 000 km[1-2]，且以直立式聲屏障為主，直立式聲屏障一般僅在聲影區(qū)有較好的降噪效果[3-4]。由于運(yùn)營安全、維護(hù)檢修等方面的限制，全封閉聲屏障、半封閉聲屏障等進(jìn)一步降低噪聲的聲屏障類型雖已在道路交通[5-6]、城市軌道交通[7-9]廣泛應(yīng)用，但在鐵路應(yīng)用案例極少，半封閉聲屏障僅應(yīng)用于我國滬杭客專城區(qū)段[10-11]，全封閉聲屏障尚未應(yīng)用于國內(nèi)外鐵路。

新建深茂鐵路設(shè)計(jì)速度200 km/h，距景區(qū)“小鳥天堂”鳥類棲息地水平距離800 m，為了降低鐵路運(yùn)行噪聲對(duì)鳥類棲息環(huán)境的影響，建設(shè)單位研究設(shè)置了長約2 km的全封閉聲屏障，這也是我國第一次在高速鐵路線路上安裝全封閉聲屏障[12]。本文以該區(qū)段全封閉聲屏障為試驗(yàn)對(duì)象，研究分析其實(shí)際應(yīng)用效果，為全封閉聲屏障應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 工程及試驗(yàn)概況

深茂鐵路全封閉聲屏障設(shè)置在南坦海特大橋上，線路為有砟軌道，橋梁采用32 m簡支箱梁，聲屏障為拱形結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由橫梁、縱聯(lián)、蓋板、壓條四部分組成。其中橫梁、縱聯(lián)采用鋼結(jié)構(gòu)，形成受力骨架。測試區(qū)段聲屏障蓋板采用高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料ECC，寬2 m，頂部采用1塊1.2 m寬的透明隔聲板，ECC蓋板厚5 cm，通過鋼板壓條扣緊在骨架上。

試驗(yàn)動(dòng)車組型號(hào)為CRH2C-2068，由于全封閉聲屏障區(qū)段距離江門站僅為2.7 km，且從江門站往聲屏障區(qū)段運(yùn)行時(shí)連續(xù)通過半徑為600 m和半徑為1 200 m的兩段曲線，因此全封閉聲屏障所在區(qū)段設(shè)計(jì)運(yùn)營速度低于120 km/h，本次試驗(yàn)速度不高于132 km/h。

2 測量方法

全封閉聲屏障降噪效果測試方法參照HJ/T90-2004《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測量規(guī)范》[13]，分別測量聲屏障安裝前后，相同參考位置和受聲點(diǎn)位置的聲壓級(jí)。測量時(shí)因聲屏障已安裝，無法移除，因此本文采用間接法測量分析聲屏障降噪效果。聲屏障安裝前的測量選擇與其等效的測點(diǎn)進(jìn)行。為了保障兩個(gè)測點(diǎn)的等效性，測點(diǎn)選擇時(shí)充分考慮了聲源特性、地形、地貌、周圍建筑物反射、地面和氣象條件的相似性。

分別測量動(dòng)車組通過聲屏障斷面與對(duì)照斷面時(shí)的等效連續(xù)A聲級(jí)，并進(jìn)行頻譜分析。

采用HJ/T 90-2004《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測量規(guī)范》第5.2.6.2條款“聲屏障插入損失的計(jì)算”，公式如下

IL=(Lref，a-Lref，b)-(Lr，a-Lr，b)

(1)

式中Lref，b——對(duì)照斷面參考點(diǎn)處A聲級(jí)，dB(A)；

Lr，b——對(duì)照斷面受聲點(diǎn)處A聲級(jí)，dB(A)；

Lref，a——聲屏障斷面參考點(diǎn)A聲級(jí)，dB(A)；

Lr，a——聲屏障斷面受聲點(diǎn)A聲級(jí)，dB(A)。

采用多通道噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄測點(diǎn)處每列動(dòng)車組通過時(shí)段內(nèi)的噪聲時(shí)域信號(hào)。

為避免由于聲源不穩(wěn)定所引起的測量誤差，降噪效果對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)應(yīng)為同次列車通過兩測試斷面的結(jié)果。動(dòng)車組運(yùn)行噪聲等效連續(xù)A聲級(jí)以及1/3倍頻程各頻帶聲級(jí)均應(yīng)高于背景噪聲10 dB。

3 測點(diǎn)布置

為了保障降噪效果分析的準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)全封閉聲屏障斷面測點(diǎn)位于K134+500，對(duì)照斷面位于K134+900，兩測點(diǎn)距離相近，均位于高架線路箱梁直線區(qū)段，列車運(yùn)行速度相同，聲源特性一致，周圍環(huán)境較為開闊，對(duì)照斷面100 m以外為現(xiàn)狀公路，背景噪聲高于聲屏障斷面，試驗(yàn)過程中需充分分析背景噪聲的影響。

全封閉聲屏障斷面測試點(diǎn)和對(duì)照斷面測試點(diǎn)均位于深茂鐵路下行線側(cè)，兩個(gè)測試斷面測點(diǎn)位置完全相同，如表1及圖1～圖4所示。

表1 全封閉聲屏障降噪效果測試測點(diǎn)布置

圖1 全封閉聲屏障降噪效果測試現(xiàn)場

圖2 全封閉聲屏障降噪效果測點(diǎn)布置(單位：mm)

圖3 對(duì)照斷面測點(diǎn)測試現(xiàn)場

圖4 對(duì)照斷面測點(diǎn)布置(單位：mm)

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 動(dòng)車組運(yùn)行噪聲頻率特性

全封閉聲屏障阻隔了聲源與受聲點(diǎn)之間的直接傳播，其降噪效果主要取決于聲屏障的隔聲性能，由于聲源頻率特征差異，不同厚度、不同材質(zhì)隔聲材料降噪效果不同。本文通過現(xiàn)場測試距線路中心線7.5 m處、軌面以上0.3 m處，動(dòng)車組以130 km/h通過橋梁對(duì)照斷面時(shí)的噪聲頻譜特征(圖5)，以分析全封閉聲屏障主要降噪頻率。

圖5 動(dòng)車組通過未安裝聲屏障的對(duì)照斷面噪聲頻譜特性(距線路中心線7.5 m，軌頂面以上0.3 m)

頻譜分析表明：在本次試驗(yàn)條件下，動(dòng)車組以130 km/h運(yùn)行時(shí)， 噪聲主要頻率集中在20～4 000 Hz，呈現(xiàn)寬頻特征，峰值頻率集中在50 Hz和1 000 Hz附近，因此，聲屏障需要呈現(xiàn)寬頻降噪性能方可滿足高速鐵路降噪需求。

4.2 全封閉聲屏障降噪效果時(shí)域特征

通過對(duì)比同次動(dòng)車組通過橋梁對(duì)照斷面和全封閉聲屏障區(qū)段聲級(jí)隨時(shí)間的變化，如圖6～圖8所示，直觀展現(xiàn)列車通過時(shí)段聲屏障降噪效果。

圖6 動(dòng)車組以130 km/h通過時(shí)對(duì)照斷面和全封閉聲屏障噪聲隨時(shí)間變化(距線路中心線7.5 m，軌頂面以上0.3 m)

圖7 動(dòng)車組以130 km/h通過時(shí)對(duì)照斷面和全封閉聲屏障噪聲隨時(shí)間變化(距線路中心線25 m，軌頂面以上3.5 m)

圖8 動(dòng)車組以130 km/h通過時(shí)對(duì)照斷面和全封閉聲屏障噪聲隨時(shí)間變化(距線路中心線45 m，軌頂面以上3.5 m)

由圖6～圖8可得如下結(jié)論。

(1) 距線路中心線25 m以內(nèi)，雖然對(duì)照斷面背景噪聲較高，但列車通過聲級(jí)高于背景噪聲15 dB(A)以上，因此可忽略背景噪聲影響；距離線路中心線45 m時(shí)，對(duì)照斷面背景噪聲降低，與聲屏障斷面背景噪聲聲級(jí)水平相近，該測點(diǎn)處列車通過聲級(jí)高于背景噪聲約20 dB以上。

(2)與對(duì)照斷面相比，全封閉聲屏障斷面背景噪聲較低，列車通過聲級(jí)也較低，低于對(duì)照斷面約16～18 dB，聲級(jí)變化率更為平緩。距線路中心線7.5 m處，列車通過聲級(jí)高于背景噪聲15 dB以上；距線路中心線25 m處，列車通過聲級(jí)高于背景噪聲10 dB以上；距線路中心線45 m處，列車通過聲級(jí)高于背景噪聲8～10 dB以上，列車通過噪聲已經(jīng)受到背景噪聲的輕微影響，但對(duì)于降噪效果分析影響不大，約在1 dB以內(nèi)。

4.3 全封閉聲屏障降噪效果頻域特征

為了進(jìn)一步驗(yàn)證全封閉聲屏障的降噪效果，對(duì)同次動(dòng)車組通過對(duì)照斷面和全封閉聲屏障區(qū)段時(shí)的噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，如圖9、圖10所示。

圖9 動(dòng)車組以130 km/h通過時(shí)對(duì)照斷面時(shí)頻域特征(距線路中心線7.5 m，軌頂面以上0.3 m)

圖10 動(dòng)車組以130 km/h通過時(shí)全封閉聲屏障斷面時(shí)頻域特征(距線路中心線7.5 m，軌頂面以上0.3 m)

分析可知：全封閉聲屏障降噪性能呈寬頻特征，采用全封閉聲屏障后，噪聲頻率集中在2 000 Hz以下，且幅值低于對(duì)照斷面。

圖11 動(dòng)車組以不同速度通過時(shí)全封閉聲屏障降噪效果頻域特征(距線路中心線7.5 m，軌頂面以上0.3 m)

動(dòng)車組以108～130 km/h速度運(yùn)行時(shí)，全封閉聲屏障降噪特性基本一致，如圖11所示。降噪效果隨頻率提高呈增加趨勢，2 000 Hz以上降噪效果基本高于20 dB，400 Hz以上基本在15 dB左右，100 Hz以上基本在5 dB左右，100 Hz以下無效果。

動(dòng)車組以相同速度運(yùn)行時(shí)，全封閉聲屏障對(duì)于不同高度測點(diǎn)的降噪特性也基本一致，如圖12～圖13所示。降噪效果隨頻率提高呈增加趨勢，但距離45 m處，5 000 Hz以上降噪效果明顯下降，主要是由于距線路較遠(yuǎn)，高頻噪聲在空氣中長距離傳播已經(jīng)大幅衰減?？傮w而言，630 Hz以上頻率降噪效果基本在15 dB以上，315～500 Hz降噪效果也可達(dá)10～12 dB，但100 Hz以下低頻無效果。

圖12 動(dòng)車組以122 km/h通過全封閉聲屏障時(shí)，距線路中心線25 m處不同高度降噪效果頻域特征

圖13 動(dòng)車組以131 km/h通過全封閉聲屏障時(shí)，距線路中心線45 m處不同高度降噪效果頻域特征

4.4 全封閉聲屏障降噪效果

在上述分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)全封閉聲屏障不同距離、不同高度、不同運(yùn)行速度降噪效果進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 全封閉聲屏障降噪效果

如表2所示：動(dòng)車組以107～132 km/h速度運(yùn)行時(shí)，全封閉聲屏障對(duì)于距線路不同距離、不同高度的降噪效果可達(dá)16～18 dB(A)。

5 結(jié)論與建議

深茂鐵路是我國首條應(yīng)用全封閉聲屏障的高速鐵路，通過采用間接測量法對(duì)全封閉聲屏障降噪效果進(jìn)行試驗(yàn)分析，主要結(jié)論如下。

(1)全封閉聲屏障可大幅降低列車通過噪聲，且不存在聲亮區(qū)，對(duì)于不同高度受聲點(diǎn)，降噪效果均有保障。

(2)全封閉聲屏障呈現(xiàn)寬頻降噪性能，對(duì)于400 Hz以上的噪聲，降噪量高達(dá)10 dB以上；630 Hz以上降噪效果高達(dá)15 dB以上。

(3)本次試驗(yàn)條件下，距線路不同距離、不同高度，全封閉降噪效果可達(dá)16～18 dB。

由于本次試驗(yàn)全封閉聲屏障區(qū)段運(yùn)行速度較低，最高僅為132 km/h，與高速鐵路正常運(yùn)行速度差異較大，因此，本文研究成果可用于分析全封閉聲屏障時(shí)頻域降噪特性，指導(dǎo)全封閉聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)，但不能代表全封閉聲屏障應(yīng)用于高速運(yùn)行區(qū)段實(shí)際效果，建議后續(xù)有條件對(duì)于全封閉聲屏障在更高速度的實(shí)際應(yīng)用及效果進(jìn)行研究論證。