高速铁路声屏障研究现状及发展趋势

2015-01-01尹皓刘兰华李晏良辜小安

铁路节能环保与安全卫生 2015年4期

尹皓，刘兰华，李晏良，辜小安

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

噪声控制可分为声源控制、传播途径控制和受声点保护三类，高速铁路噪声控制同样可从声源控制—低噪声高速列车、传播途径控制—高速铁路基础设施噪声控制技术和受声点保护—隔声窗等三方面采取措施降低高速铁路噪声的影响。目前，国内外高速铁路基础设施噪声控制技术最常用的是声屏障工程控制措施。声屏障控制技术措施的最基本出发点是阻断声源至受声点间的传播途径，从而达到控制铁路噪声影响的目的。德国、法国、英国等欧盟国家，以及日本、美国等国研究人员，分别从声屏障降噪理论、声屏障结构形式等方面对声屏障开展研究，以期不断改善和提高声屏障的实际降噪效果。

1 声屏障降噪理论研究现状

声屏障降噪理论的发展是伴随着声屏障技术的应用而发展的，从其发展历程和基本特点来看，声屏障降噪理论的研究可分为三种，即几何与波动声学理论、试验与半经验法以及边界元法。几何与波动声学理论对于求解横断面简单变化的声屏障是可行的，对于声屏障为复杂断面时，求解就异常复杂了;此外该理论只适用于声屏障中高频段插入损失的计算。试验与半经验法采用单一无量纲量菲涅耳数，计算非常简单，但该方法仅能对刚性垂直薄屏障进行插入损失计算。应用边界元法求解声屏障的插入损失，可以很方便地考虑声屏障的几何形状、声源的指向性及地面和声屏障的表面吸声条件，但目前在声屏障领域的实际应用较少。但无论哪种声屏障降噪理论都避免不了的问题就是声源的定义问题，即主要噪声源的源强、位置、频谱特性等，这是目前声屏障降噪效果计算的关键;也就是说高速铁路声源识别研究结果是深化声屏障降噪理论研究的基础［1～6］。

1976年Pawlins提出“附在刚性障板的边缘上的‘声学软表面’能阻碍声屏障顶部绕射声的传播”;根据声绕射理论，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;根据菲涅耳衍射理论，这种贡献可以等价地看成是由屏障上端边缘处虚拟声源产生的。如果能减小隔声屏障顶端的虚拟声源强度，就可以减弱隔声屏障背后的声压。因此，通过改良声屏障顶端以减小顶端周围的声压，就能提高声屏障的总体降噪效果。“软表面”结构屏障一个共同的特征是，在原声屏障上边缘附着一层或一个带管状“声学软表面”的结构［7～9］。

2 声屏障技术措施应用现状

声屏障在一些发达国家率先实现了工程应用，设置于高速公路、城市轨道、铁路等交通干线两侧，已逐渐发展成为最普遍采用的噪声控制措施(见图1)。国外从20世纪六七十年代就已开始了声屏障结构形式的研究，除直立式声屏障外，铁路已采用的声屏障结构形式主要有宽顶式声屏障、顶部带有装置的直立式声屏障、半封闭式和全封闭式声屏障等［7-13］。

日本新干线声屏障主要有三类:一是在铁路桥梁区段设置全混凝土2 m高屏障;二是在有噪声敏感点的路段，在2 m高屏障上加装隔声屏障;三是在噪声敏感点路段设置插板式吸声屏障;H型钢立柱采用HW150，底部现浇混凝土一起施工，型式有直立式和折角式两种，采用珍珠岩混凝土吸声板、金属单元板内附玻璃棉吸声或安装顶部降噪装置增加降噪效果。此外，为进一步提高降噪效果，日本还广泛的采用了Y型、倒L型等宽顶式声屏障，以及顶部降噪装置等声屏障结构形式。

图1 国内外部分声屏障应用实例

韩国声屏障的主要型式为直立插板式，板体由铝合金穿孔面板、吸声材料、钢背板组合而成，透明材料采用10 mm厚PC板。为进一步提高降噪效果，韩国铁路也较大量地应用了声屏障顶部降噪装置。

德国高速铁路声屏障桥梁区段声屏障材料以铝合金、亚克力透明材料为主，路堤区段声屏障材料以非金属材料、铝合金、亚克力透明材料为主，结构形式为H钢直立插板式，声屏障距外轨中心线不小于3．8 m。

法国铁路声屏障的主要结构形式为直立拼装式，路基声屏障距外轨中心线不小于4．5 m，材料为混凝土、铝合金。通过对声屏障顶部声绕射影响问题开展理论和应用研究，改进声屏障顶部结构，法国TULIPE声屏障有效地提高了声屏障措施的降噪效果。

总体看，国外高速铁路声屏障目前主要采用的结构形式为插板式，采用立柱通过螺栓与基础连接或不采用螺栓、直接插入与底部遮板混凝土浇筑在一起，立柱间安装插板。采用的材料主要有金属板、混凝土板、透明板等，立柱一般采用H型钢或钢筋混凝土立柱。总之，直立插板式声屏障作为一种适合于高速铁路噪声防治的有效措施在国外取得了广泛应用，倒L型、折角型声屏障在工程实际中也有较多应用，日本和韩国铁路还大量应用了声屏障顶部降噪装置以进一步提升降噪效果，声屏障的设计形式趋于多样化。

我国目前已实施的高速铁路声屏障总长度超过4 000 km。按照运行速度可分为250 km/h客运专线和350 km/h客运专线声屏障，按照线路形式可分为路基段声屏障和桥梁段声屏障，按照声屏障的材质可分为金属类和非金属类声屏障。已实施的声屏障主要为金属及混凝土两种材质的直立型声屏障，桥梁段以金属声屏障为主，路基段有金属和非金属两种材质的声屏障。声屏障高度主要为轨面以上2．05 m 和3．05 m，其中 3．05 m 屏障是在2．05 m屏障基础上加装1 m高通透隔声板。对部分有特殊要求的低速路段设置了5～8 m直立式声屏障或折角式、半封闭声屏障。为降低声屏障顶部声绕射，进一步提升降噪效果，部分铁路如京九线广安门路段、沪昆客专上海段应用了声屏障顶部降噪装置。最新研发并进行上道试用的声屏障有减载式声屏障和超高强度混凝土声屏障等。

3 高速铁路声屏障存在的主要问题及发展趋势

3．1 深化声屏障降噪理论和应用研究

声源定义问题是声屏障降噪效果计算以及新型声屏障研发的关键技术问题之一。因此，需在高速铁路噪声源特性、传播途径、关键影响参数及机理研究的基础上，加强高速铁路声屏障对不同噪声源的屏蔽特性，降噪效果的空间分布规律;列车类型、速度、线路类型对声屏障降噪特性的影响等开展理论和应用研究工作。为新型声屏障结构和材料的研发提供技术支持，为声屏障插入损失的预测模型计算方法改进提供理论上的支撑。

3．2 加强声屏障顶部声绕射影响理论和应用研究

国外研究结果表明，声屏障顶部声绕射是影响声屏障降噪效果的重要因素之一，但我国对此研究相对较少，因此，需从声传播、声绕射等理论出发，通过声学试验室模型试验和仿真计算等，开展声屏障顶部声绕射影响问题研究，通过改进声屏障顶部结构形状，有效降低声屏障顶端声绕射影响，提高声屏障的整体降噪效果。根据相关资料，声屏障顶部结构的改进，可提高降噪效果2dB(A)左右。

3．3 加强新型声屏障结构和材料的研发

根据相关资料，国外高速铁路声屏障措施一般可降低列车运行噪声6～10 dB(A)。根据我国高速铁路现场测试结果，2．05 m直立式声屏障对距外轨中心线30 m不同高度敏感点的降噪效果一般在3～8 dB之间，半封闭式声屏障降噪效果超过10 dB;直立吸声式声屏障对500 Hz以上的中高频噪声具有较好的降噪效果，但对250 Hz以下的中低频噪声效果不大［14-15］。根据试验室测试结果，我国声屏障大多在400 Hz以上具有较好的隔声性能、250 Hz～800 Hz范围内具有较好的吸声性能，低频隔、吸声性能较差(见图2)。从近年来采用纤维类吸声材料的经验教训来看，由于长期处于大流量列车振动和交变风压的影响，纤维材料的脆性断裂和粉尘化使原来的均质结构不复存在，不能有效起到吸声降噪作用。