高速铁路隧道壁吸声材料降噪效果仿真分析

于 越，常 亮，尹 镪

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251;2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031)

铁路高速化是当今世界各国铁路现代化发展的必然趋势。列车速度的提高，其产生的环境影响明显加剧，其中高速列车运营产生的噪声污染尤为突出，列车通过隧道时车内外声环境更加恶化。在津秦客运专线联调试验及石太、武广客运专线等线路运营过程中，当高速动车组通过隧道区段时，车厢内声级水平明显增高引起乘客舒适度降低［1-2］。

妥善处理高速列车通过隧道时所带来的环境噪声问题，事关高速铁路列车内乘客的身心健康，对于车内乘客的乘车环境的改善有着重大的意义，这也是此类高速铁路建设工程所必须要考虑的问题。因此，本文所开展的高速铁路隧道降噪措施研究是很必要的［3-4］。

我国国内在部分公路隧道中采取过隧道吸声降噪处理措施，对于降低隧道内机动车通行产生的轰鸣声相较未采取降噪措施的隧道具有明显效果。韩国、德国等均有在公路及铁路隧道中采取过吸声降噪措施的先例，但是在高速铁路应用较少［5-9］。我国尚未在高速铁路隧道内采取吸声降噪措施，而由于高速列车速度较高，须同时考虑吸声效果及构件承受列车运行脉动力等多个因素。以隧道内消声降噪措施为研究对象，针对在隧道内壁敷设吸声结构的降噪方法，采用声学软件对其进行仿真分析，并对吸声材料不同的铺设方案、面积所产生的降噪效果进行评价，以期得到更加经济有效的降噪方式。高速铁路隧道内列车声辐射示意见图1。

图1 高速铁路隧道内列车声辐射示意

1 隧道内吸声板材料特性及铺设结构形式

对于隧道内壁铺设吸声板材的降噪方法，其吸声板结构常采用颗粒或泡沫多孔材料进行制备。表示多孔吸声材料的吸声能力的参数为吸声系数和声阻抗率，一般工程应用中轨道吸声材料要求其降噪系数大于0.8［10］。本文计算中采用的某种适用于隧道内吸声降噪的无机多孔材料的吸声系数如图2所示，其降噪系数满足要求。

影响多孔材料吸声性能的主要是流阻、孔隙率和结构因数、厚度、体积密度等参数，对隧道壁面吸音板来说，还与其在隧道内的安装位置、安装面积等因素有关，针对隧道内不同安装位置、不同安装面积下的吸声材料降噪效果进行分析研究。

图2 计算中采用的吸声材料吸声系数

2 隧道-吸声材料-列车的边界元模型

2.1 边界元方法

本文中，采用边界元法对前述各方案的降噪效果进行计算。边界元法是求解结构振动向周围空间辐射噪声问题的一种数值方法，包括直接边界元和间接边界元法，它们都以 Helmholtz边界积分方程为基础［10-13］。

在简谐激励作用下结构振动外部流体介质中产生的辐射声压p(r)满足Helmholtz微分方程

式中，k为波数。在边界上，需满足速度边界条件、声压边界条件和声阻抗边界条件

对于外声场问题，在无限远处Helmholtz方程还应满足

得到Helmholtz直接和间接边界积分方程后，对边界积分方程利用边界元法进行离散，即得到边界元求解方程。

2.2 隧道-吸声结构-列车的二维边界元模型

本文根据边界元法的基本原理，建立了如图2所示的不同表面结构吸音板－轨道－车辆的二维边界元模型。通过在吸音板表面施加相同的声阻抗边界条件，比较不同表面结构形式对其降噪效果的影响，计算时声源采用点声源，声源大小按列车运行速度为350 km/h下的辐射噪声选取，列车采用CRH3型高速列车的基本截面尺寸，轨道结构采用CRTSⅡ型板式无砟轨道。为了对比分析隧道壁面铺设吸声板先后的降噪效果，计算列车表面附近场点的声压级来进行比较分析。本文建立的二维车辆－隧道的线单元边界网格如图3所示。

图3 隧道壁面全部铺设吸声材料的列车－隧道－吸声板二维边界元模型

据前述所建立的二维边界元模型，计算得到铺设与不铺设吸声材料时，隧道内的车体表面测点的声压级频谱如图4所示，500 Hz频率下隧道内壁全部铺设吸声材料前后其隧道内的噪声云图如图5所示。

图4 两种对比工况的计算结果

图5 500 Hz频率下铺设吸声材料前后隧道内的降噪效果

计算结果可以看出，隧道壁面安装吸音板后，其吸声降噪效果明显改善，特别是隧道内辐射噪声的高频成分明显降低。在隧道表面全部铺设吸声材料后，其A声级可降低约14.3 dB，因此，采用此种降噪方式降低隧道内的声辐射水平是可行的。

3 高速铁路隧道吸声材料降噪效果分析

根据吸声结构的整体降噪效果及安装、维护和安全等因素，设计如图6所示4种吸声材料的安装方案，并根据这4种降噪方案，采用数值计算方法分析计算不同安装方式下的降噪效果。计算中，边界元法模型建立的不同计算截面如图7所示。

图6 隧道内吸声材料的铺设方案(单位:m)

图7 根据不同设计方案建立的边界元法计算截面

图中，方案1为整体安装，即沿列车运行方向隧道内壁全部铺设吸声材料;方案2为整体安装及隧道内部上部、下部部分安装的组合方式，即按列车线路方向吸声材料的铺设方式发生变化;方案3为整体安装及隧道内壁下部安装的组合，吸声材料的铺设面积较方案2有所减少;方案4为隧道内壁上部、下部的安装方式，此种铺设方式进一步减少了吸声材料的铺设面积。

根据边界元法，前述4种设计方案中4个基本计算截面的计算结果如图8所示。

在计算上述4种方案的吸声降噪效果时，由于模型采用二维边界元模型，而设计方案在线路纵向其吸声材料的安装情况有变化，截面的边界条件改变，因此，可以根据不同截面的吸声降噪效果进行叠加对其近似。在计算中，方案1、方案4沿线路纵向截面边界条件不变，可根据相应截面边界条件进行降噪效果的计算;对于方案2，可看作图7中截面3和截面4的组合，需综合考虑两者的降噪效果，其降噪效果取两者平均值;对于方案3，可看作图7中截面2和截面4的组合，其降噪效果取两者平均值。1 000 Hz下不同铺设位置、面积时隧道内的噪声云图如图9所示。图6给出的不同设计方案的综合降噪效果如表1所示。从计算结果可以看出，随着吸声材料覆盖率的增加，其吸声降噪效果也越明显。

图8 隧道内壁吸声材料铺设面积不同时的降噪效果(对应图7中的截面号)

图9 隧道内壁吸声材料不同铺设面积时的1 000 Hz时降噪效果(对应图7中的截面号)

表1 边界元法计算的隧道内吸声降噪效果汇总

理论计算结果表明，在隧道壁面安装吸声结构最多可使隧道内噪声降低13～14 dB，且随着吸声材料覆盖率的增加，降噪效果就更加显著。对于所列4种方案，方案1其吸声降噪效果最佳，但其安装面积也越大，花费成本高。对比方案2，方案1安装面积增大近10 000 m2后，其降噪效果仅增加3～4 dB，因此其经济性较方案2较差。对于安装面积最少的方案4，其降噪效果较方案1、方案2、方案3差，对于噪声水平要求较高的情况，往往难以满足要求。

4 结论

本文计算分析了隧道内壁吸声材料不同铺设方案的降噪效果。计算中采用SYSNOISE软件建立了350 km/h速度下高速列车通过时隧道内吸音板降噪效果的二维边界元模型，考虑了车辆表面及轨道结构对声音的反射吸收效果，并在隧道内壁吸音板结构表面施加声阻抗边界条件来进行吸音板降噪效果的比较。在本文计算条件下，通过对不同铺设方案隧道内声压级的变化进行比较，得到的主要结论如下。

(1)在隧道内壁铺设吸声材料对于降低隧道内的噪声水平有着显著的效果，对于隧道内部壁面全部铺设吸声材料的降噪方案，其隧道内声压级的降低量约为14.3 dBA，但实际工程应用中，需考虑隧道结构条件、行车安全性及工程经济性等因素。

(2)随着隧道内壁吸声板铺设面积的增大，其吸声降噪效果越好，底部铺设、底部和中部铺设、全部铺设的二维边界元计算截面模型得到的降噪量分别为14.3、8.0、5.2 dBA。

(3)考虑到工程经济性等因素，不同铺设方案下，隧道内的降噪效果不同。其中隧道壁面整体安装吸声材料降噪效果最优，隧道内声压级降低量为14.3 dBA，隧道壁面仅底部安装吸声材料降噪效果最差，约为5.2 dBA;实际工程应用时应综合考虑，合理选取降噪方案。

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