声屏障顶端降噪器研究进展

尹皓，朴泰善，曾凤柳，白晓军，步青松，李龙煜，姜召福

(1.中国铁道科学研究院 节能环保劳卫研究所，北京 100081; 2.青岛佰世坤科技有限公司，山东 青岛 266109)

声屏障顶端降噪器是指置于声屏障顶端，通过其特有的声学结构，降低绕射声影响的一种装置。声屏障顶端降噪器不能单独使用，须与下部直立式声屏障结合使用，是直立式声屏障重要而必要的补充。

本文就国内外声屏障顶端降噪器的降噪原理及研究进展做一简单介绍。

1 降噪原理分析

当噪声源发出的声波遇到直立式声屏障时，它将沿着三条路径传播(如图1):一部分越过声屏障顶端绕射到达受声点;一部分穿透声屏障到达受声点;一部分在声屏障表面上产生反射。声屏障的插入损失主要取决于声源发出的声波沿这三条路径传播的声能分配。

图2是直立式声屏障周边的声场在某一瞬间的波面情况。可以看出，声屏障背后的波面是以声屏障顶端为中心的同心圆状。从接收点位置看，相当于声屏障顶端都有一个虚拟声源在起作用。如果能降低这个虚拟声源的功率，就可以减少声屏障背后的噪声。

图1 声波传播路径

图2 直立式声屏障声场

根据J.B.Keller声绕射理论，在声屏障的顶端为声能集中的部位。在这一部位，除来自声源的直达声外，绕射声也将由此传播至声屏障的另一侧。同时根据菲涅耳衍射理论，对于无限长屏障来说，只有靠近屏障上边缘的入射声场对绕射声场有明显贡献，这种贡献可以等价地看成是由屏上端边缘处虚线声源产生的。如果能减小隔声屏障顶端的虚拟声源强度，就可以减弱声屏障背后的声压，提高声屏障的总体降噪效果。声屏障顶端降噪器正是基于此目的而研究和开发设计。

2 国外研究现状

国外对声屏障顶端降噪器的研究始于上世纪60年代，至上世纪70年代中后期，研究开发了具有不同声学结构的声屏障顶端降噪器。至上世纪90年代中后期，日本和少数发达国家对声屏障顶端降噪器的研发和工程应用进行了大量研究。直到本世纪初，已有四大类20多种产品问世，应用于公路、铁路和轻轨等交通领域。

目前，日本、韩国等已得到工程实际应用的声屏障顶端降噪器按其声学原理大致可分类为吸声型、干涉型、共振型以及混合型四种。另外，还有主动噪声控制的 ANC 装 置(ActiveNoise Control)［1～3］。

2.1 吸声型声屏障顶端降噪器

吸声型声屏障顶端降噪器运用吸声屏障的声学原理，因通过吸声材料把绕射声能变成热能、只改变其外观形状以适应声屏障顶端的安装而得名。这是研发最早、原理最简明、应用最广泛的声屏障顶端降噪器。它的声学特性是可宽频降噪，但低频效果较差。主要问题是由于吸声结构及吸声材料环境适应性差，附加降噪效果不高，尤其是对于低于500 Hz的低频噪声降噪效果差。图3展示了其基本结构图。

图3 吸声型声屏障顶端降噪器

2.2 干涉型声屏障顶端降噪器

干涉型声屏障顶端降噪器是利用装置特定腔室结构产生干涉声波来降低声屏障顶端附近声压的原理开发的。此类顶端降噪器声学设计独特，可根据目标声源的频谱特性及中心频率，针对性设计腔室结构。将宽频降噪和选频重点降噪有机统一，声学效果优异。其单频降噪效果可达20 dB。主要问题是其受外形尺寸的限制，对低于125 Hz的低频噪声效果较差。图4展示了其基本结构图。

图4 干涉型声屏障顶端降噪器

2.3 共振型声屏障顶端降噪器

共振型声屏障顶端降噪器是利用赫姆霍兹原理，针对声源的主要频谱特性进行结构设计而成。此类装置的特点是声学原理简明，频率针对性很强。主要问题是因单个腔室大而顶端幅宽有限，不能设多个腔室，无法宽频降噪。另外，因其封闭腔室开口向上，在多雪地区降雪量超过限值时，因积雪和冰冻而增加季节性荷载。图5展示了其基本结构图。

图5 共振型声屏障顶端降噪器

2.4 ANC装置

积极噪声控制技术(Active Noise Control)与噪声源反射后再进行二次处理不同，采取直接降低噪声源的措施，如排气管降噪、汽车内部发动机降噪，用耳塞保护听力等都已经采取了此项技术。很久以前就有专家提出将此项技术应用于声屏障的绕射声上，近期已实现实际应用。图6展示了其基本构造。

图6 ANC装置基本构造图

日本新干线为适应列车提速的需要，于上世纪90年代中期开始采用了多种声屏障顶端降噪技术和产品，有效地提高了声屏障的插入损失。

3 国内研究现状

我国从九十年代逐步开始了声屏障结构形式的研究。声屏障顶端降噪器的研究始于2001年，2008年底声屏障顶端降噪器在铁路声屏障工程中首次得到实际应用。现已开发出A型、C型两种声屏障顶端降噪器产品，并已在多处声屏障工程中使用。

根据现场应用测试结果:A型声屏障顶端降噪器在距离铁路外轨中心线15 m、距地面不同高度(距地面3～9 m高)取得了1.3～2.4 dB(A)的附加降噪效果;在距离铁路外轨中心线55 m的6层楼窗外1m处，取得了1.7 dB(A)的附加降噪效果。C型顶端降噪器在距离铁路外轨中心线12.5 m和25 m、距地面不同高度处，取得了2.3～2.9 dB(A)的附加降噪效果。

4 结语

在国内外均已得到工程实际应用的声屏障顶端降噪器，其原理明确、机理清晰、降噪效果较好、性价比高、工程适用性强，是声屏障技术的新发展，是现行直立型声屏障的重要补充，可作为直立式声屏障的重要补强措施，以提高声屏障的总体降噪效果［4～8］。

［1］ 大久保 朝直 .顶端改良型声屏障［J］.噪声制御，2004，28(5)，317－322.

［2］ 大久保 朝直 ，山本 贡平 .关于顶端改良型声屏障性能评价法的实验研究［R］.日本声学学会噪声振动研究会资料，2004:1－15.

［3］ Tomonao Okubo，Toshio Matsumoto，Kohei Yamamoto，Osamu Funahashi and Kunio Nakasaki.Efficiency of edge-modified noise barriers:Intrinsic efficiency determination of practical products and prediction of the diffracted sound field［J］.Acoust Sci＆Tech，2010，31(1):56－61.

［4］ 尹皓.干涉型声屏障工程试验和产品化研究报告［R］.中国铁道科学研究院，2009.

［5］ 尹皓.干涉型声屏障结构的研究［J］.铁道劳动安全卫生与环保，2007，34(5):205－208.

［6］ Hao Yin.The Structure Study of the Interference Sound Barrier［C］//Proceedings of Inter Noise’2008.

［7］ 尹皓.干涉降噪器在铁路声屏障工程中的应用［C］//中国铁道科学研究院60周年学术论文集.北京:中国铁道出版社，2010:668－670.

［8］ 尹皓.C型声屏障顶端降噪器研制报告［R］.中国铁道科学研究院，2012.