高性能地铁轨道吸音板的优化及现场实测分析

朱万旭，酆磊，周红梅，秦亦偲，栾皓翔

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西 柳州 545006；2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004；3.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004）

高性能地铁轨道吸音板的优化及现场实测分析

朱万旭1，2，3，酆磊1，周红梅1，秦亦偲1，栾皓翔1

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西 柳州 545006；2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004；3.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004）

以陶粒作为主要骨料，水泥为胶凝材料，并添加适量的外加剂和纤维制备的高性能地铁轨道吸音板非常适合地铁环境下的吸声降噪。试验分别对厚度，“门”型空腔，表面形态等吸声降噪方面进行优化。结果表明，厚度130 mm的吸音板在100～1800 Hz频段的降噪效果较好；在吸音板底部设置“十字”型空腔对低频的吸声性能有很大的提高；表面开槽对声波具有更充分的吸收。经过现场实测分析，吸音板降噪效果可达3～4 dB（A）。

陶粒；吸音板；降噪；优化；实测

0 前言

随着城市化进程的提高，中国近十几年城市轨道交通得到迅猛发展：高速公路、铁路和城市高架桥，特别是城市地铁建设，正以迅雷不及掩耳之势快速设计与建设[1]。地铁作为大运量的轨道交通运输方式，是解决当今世界各国大城市客运交通十分重要的运输工具，然而随着地铁建设量的逐年增大，地铁轨道内的噪声和地铁车站内的噪声已经成为制约地铁走可持续发展道路的关键。防治和降低噪声污染已成为环境保护的重要内容[2]。

在地下铁路或隧道中，行车引起的噪声和振动是两大严重污染源，这种污染源在隧道中反复回响难以消失，对旅客以及附近的建筑物和居民都有很大干扰[3]。为了降低列车在运行中轮轨接触以及撞击而产生的剧烈振动，国内外很多科研机构都在轨道结构和材料等方面进行了研究[4]。以陶粒、水泥为主要原材料，添加聚丙烯纤维和外加剂等，通过混合、搅拌、压制、养护等工艺制备的高性能地铁轨道吸音板是地铁工程重要的降噪方法和手段，通过内部大量结构细密、相互连通的微小空隙和孔洞，利用空气的粘滞特性，使声波在穿过孔结构过程中振动能量（声能）不断转化为热能而被消耗掉，从而实现降噪效果。目前，国内地铁轨道吸音板的生产工艺研究还处于起步阶段，因此，对高性能地铁轨道吸音板降噪性能进行优化和现场实测分析具有重要意义。

1 高性能地铁轨道吸音板的制备工艺

原材料：陶粒、42.5级普通硅酸盐水泥、聚丙烯纤维、水、外加剂。各原材料配合比见表1。

陶粒属于吸水率较高的轻骨料，搅拌之前首先对陶粒进行预湿处理，可以减少陶粒在搅拌过程中的吸水作用。另外因为水灰比较小，所以得到的半干料较松散，倒入模具之后需要进行压制，施加一定压力使其黏聚在一起。

按材料配合比将外加剂和纤维加入水中，用玻璃棒搅拌均匀。原材料准备好以后，先将湿润的陶粒和水泥进行预拌，然后加入外加剂和纤维混合的水溶液，搅拌3～4 min，得到半干松散的混合料，倒入模具中压制、成型即可，制得的高性能地铁轨道吸音板如图1所示。

图1 高性能地铁轨道吸音板

2 吸声性能测试

2.1 吸声原理

高性能地铁轨道吸音板属于多孔性吸音材料，其吸声降噪过程如图2所示，声音在传播过程中遇到多孔材料，一部分声波（图中的声能E1）经材料表面反射后产生振动形成噪声，另一部分被多孔材料吸收进入材料内部（图2中的声能E2、E3）。在多孔材料内部，声波引起的振动带动空气质点运动，而紧靠孔壁和纤维表面的空气受孔壁影响不易动起来，造成空气质点与孔壁的摩擦。因摩擦和粘滞力作用，有相当部分声能转化为热能（图2中的声能E2），从而使声波衰减，反射声减弱，达到吸声的目的。另一方面，声波遇到刚性壁面反射后，一部分声波透射到空气中，一部分又反射回材料内部。声波通过如此反复传播，声能不断转化成热能而耗费，反复多次后会实现新的平衡，最后多孔材料吸收足够声能，实现降噪效果[5-7]。

图2 吸声材料吸声原理示意

材料吸声性能主要用吸声系数来表示，即入射总声能E0和被反射声能E1的差值与入射总声能E0之比。吸声系数是评定吸声作用的主要指标，一般情况下0＜α＜1，α越大，吸声性能越好。吸声系数α按式（1）计算：

2.2 测试方法

根据GBJ 47—1983《混响室法吸声系数测量规范》进行测试。图3为混响室法吸声系数测试示意。

图3 混响室法吸声系数测试示意

3 高性能地铁轨道吸音板的优化分析

3.1 降噪厚度优化

选用同种配方制成厚度分别为80、100与130 mm的高性能地铁轨道吸音板，试验结果如图4所示。

由图4可以看出，当材料厚度增加时，从低频开始吸声系数逐渐提高，其中130 mm厚的试块在100 Hz吸声系数达到0.52，并且最低峰值也达到0.45。80、100 mm厚的试块吸声系数曲线大致相似，低频时吸声系数较低，在100 Hz分别只有0.12和0.18。随着频率的增大，100 mm厚的试块在500 Hz出现第一个峰值，其吸声系数为0.95，远大于80 mm、130 mm厚的试块最大峰值。80 mm厚的试块在630 Hz达到其最大吸声系数0.78。由于80、100 mm厚的试块低频吸声系数较低，导致其整体吸声降噪效果不好，而随着厚度的增加，吸声频谱峰值向低频方向移动，曲线谷值吸声系数也不是太低，从而使整体吸声性能得到有效改善[8]。

图4 不同厚度吸音板的吸声系数曲线

上述现象是因为随着厚度的增加，声波进入吸声材料后，发生的非弹性碰撞大大延长，经过多次的折射和反射后，与孔壁的有效摩擦增加，声波得到了充分的摩擦，能量损失较多，低频吸声性能得到显著提高，对整个频段都有较好的吸声效果。

3.2 “门”型空腔优化

高性能地铁轨道吸音板铺设于两轨枕之间，轨枕中间原先存在一条排水通道，供地铁内雨水与污水从轨道内排出，如果将整块吸音板铺设到轨枕排水槽内，吸音板将会阻碍水排出。在吸音板底部设置平行于线路方向的空腔，对吸收低频的吸声性能有很大提高，类似于增大了多孔材料的厚度，使降噪的经济费用有所降低。吸音板呈“门”型，“门”型一方面保证排水有足够空间，同时底部空腔可有效提高吸音效果。吸声系数曲线如图5所示。

图5 不同空腔吸音板的吸声系数曲线

由图5可以看出：同一种材料，背后增加了空气层，低频范围内的吸声降噪特性有较大提高，且在1250～2000 Hz范围内，随着空气层增加，吸声系数也逐渐变大。

为提高降噪效果、便于施工，我们将吸音板的“门”型改变为“十字”型，如图6所示。“十字”型的设计不仅提高了吸音板的降噪效果，而且在施工时十分方便。工人将铁钩钩在“十字”两端，两手提起吸音板，然后将吸音板放在轨道槽内，有效地避免了工人在放置吸音板时手被夹住的危险，提高了工程的安全系数。

图6 “十字”型空腔

3.3 降噪表面优化

在实际工作中，地铁轨道吸音板表面结构大致有4类：表面平面、表面开孔、表面斜面、表面开槽。根据统计能量法建立模型，进行计算分析可知（如图7所示）：不同表面结构形式的吸音板均有显著的降噪效果，在计算中所采用相同结构尺寸下，表面开槽结构的吸音板降噪效果最佳，这种降噪效果在中低频段较明显；在高频段，各种吸音板的降噪效果差别不明显。

图7 不同表面降噪量对比

槽型结构与其它结构相比较，表面开槽增加了有效吸声表面面积，使材料暴露于声场中的面积增大，对声波具有更加充分的吸收。因此，在实际工程中，考虑将吸音板表面优化成开槽模式，来提高吸声系数。表面开槽如图8所示。

图8 吸音板表面开槽

3.4 玻璃纤维筋的应用

为了提高吸音板的承载力与延性，考虑在吸音板内部增添钢筋。但是，在地铁复杂的环境内，不可避免的问题就是钢筋腐蚀。钢筋埋设在吸音板内部，吸音板由陶粒与水泥组成，板内部空隙很多，且透水性强，极易受到腐蚀，其稳定性受到一定影响。和普通钢筋相比，玻璃纤维筋具有许多优点如：强度高、自重轻、耐腐蚀性好等[9]。它可以用于结构加固，提高结构的力学性能，达到结构补强的效果。由于GFRP筋的线膨胀系数与混凝土的十分相近，将GFRP筋取代普通钢筋用于混凝土结构中，可以达到很好的协同工作性。在吸音板内部铺设一层玻璃纤维筋网格，如图9所示。图10为未添加与添加玻璃纤维筋吸音板的吸声系数曲线。

图9 玻璃纤维筋网格

图10 未添加与添加玻璃纤维筋吸音板的吸声系数曲线

由图10可以看出，2种情况下吸声系数曲线相差甚微。添加玻璃纤维筋的吸音板吸声系数在100～315 Hz频率段时分别为0.29、0.44、0.67，比未添加玻璃纤维筋的试块分别略低0.02、0.04、0.05；在400～800 Hz频率段时分别为0.93、0.87、0.64、0.50，比未添加玻璃纤维筋的试块分别略高0.01、0.08、0.07、0.02；在1000～2000 Hz频段时两种情况相差分别为0.03、0、0.05、0.04。说明增加玻璃纤维筋不会对吸音板的吸声性能有较大影响。

4 高性能地铁轨道吸音板的现场实测分析

为检验吸音板的实际降噪性能，对已经铺设高性能地铁轨道吸音板的北京地铁8号线试验段进行现场测试。本次现场测试方案按照GB 14892—2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》要求进行测试。

4.1 现场测试准备

本次现场噪声测试采用AWA6291实时信号分析仪与B&K4230声较准器（如图11所示），实时信号分析仪与声级校准器性能都符合GB/T 15173—2010《电声学声校准器》的规定。测试时，各客车室内门、窗紧闭，车厢内2人负责采集数据，传声器置于客室纵轴中部，距地板高度1.2 m的位置，方向朝上。该试验验段处于地下环境，在实际营运路线上进行，试验路段路况较好。列车为SFM12型，编组为6节，制造厂商为南车四方机车车俩公司，车行驶速度为70～72 km/h。

图11 AWA6291实时信号分析仪和B&K4230声较准器

4.2 现场测试结果

对铺设高性能地铁轨道吸音板的3个试验段进行现场测试。测试第一区域（知育路站至平西府站）的轨道铺设吸音板的长度为1500 m，按照列车行驶速度计算，列车通过时间大约为76 s，可以进行2次测试；第二区域（西小口站至永泰庄站）铺设的路线长度约为380 m，列车通过时间为19 s左右，可以进行1次测试；第三区域（永泰庄站至林萃桥站）铺设的路线长度约为430 m，列车通过时间为21 s左右，可以进行1次测试；测试时间为早上05：00至06：30，测试分2次进行；每测试1次的时间约为30 min。2次测试结果如表2和表3所示。

表2 05：00～05：30测试结果

表3 06：00～06：30测试结果

由表2、表3可知，平西府站至知育路站区域内的降噪性能比永泰庄站至西小口站区域的降噪效果好，降噪可以达到2～3 dB（A），其中永泰庄站至西小口站区域铺设了少量吸音板，平西府站至知育路站区域内铺设的高性能地铁轨道吸音板较多，通过两者对比分析可知，永泰庄站至西小口站区域的声压级最高为82 dB（A），而平西府站至知育路站区域内的声压级最小值为79 dB（A）。根据GB 14892—2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》可知，地铁轨道交通地下线客车内噪声的限值为83 dB（A），此次测试结果均在测试限值以下，符合标准要求。另外，吸音板在地铁轨道内铺设的长度越长其降噪效果越好，降噪效果可以达到3～4 dB（A）。

5 结论

（1）吸音板厚度增加，低频吸声性能得到显著提高，厚度130 mm在100～1800 Hz吸声频段的整体降噪效果较好。

（2）“十字槽”型的设计不仅提高了吸音板的降噪效果，而且在施工时十分方便。吸音板表面优化成开槽模式，可有效提高降噪系数。

（3）玻璃纤维筋在增加吸音板承载力与延性的情况下，不会对吸声性能有较大影响。高性能地铁轨道吸音板在地铁轨道内铺设的长度越长其降噪效果越好，降噪效果可以达到3～ 4 dB（A）。

[1]陶洪敏，宋雷鸣.轨道结构的减振降噪技术[J].噪声与振动控制，2005（4）：43-44.

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[7]马大猷.现代声学理论基础[M].北京：科学出版社，2002.

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Optimization and field actual measurement analysis of high performance metro rail sound-absorbing panels

ZHU Wanxu1，2，3，FENG Lei1，ZHOU Hongmei1，QIN Yicai1，LUAN Haoxiang1
（1.College of Civil and Architecture Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；
2.Guangxi Key Laboratory for Geotechnics，Guilin 541004，China；3.College of Civil and Architecture Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China）

With ceramsite as main aggregates，cement as cementitious material，adding moderate additive and fiber to produce high performance metro rail sound-absorbing panel is very suitable for the subway environment under the sound absorption and noise reduction.Experiments were carried out to optimize the thickness，"door"type cavity，surface morphology and other noise reduction aspects.The study found that 130 mm of thickness in 100～1800 Hz noise reduction effect better；set the"cross"cavity at the bottom of the sound-absorbing panels，on the low frequency sound absorption performance have greatly improved；Slotted surface absorbed more fully on acoustic.Through the field observation，the noise reduction effect of sound absorption board can reduce the 3～4 dB（A）.

ceramsite，acoustic panel，noise reduction，optimization，actual measurement

TU552

A

1001-702X（2016）12-0107-05

2016-06-20

朱万旭，男，1972年生，广西玉林人，教授，长期从事建筑新材料研发与预应力技术及相关研究开发。