高速铁路声屏障降噪研究现状及发展趋势分析

汪红霞，孙文娟

(安徽新华学院 信息工程学院, 合肥 230088)



高速铁路声屏障降噪研究现状及发展趋势分析

汪红霞，孙文娟

(安徽新华学院 信息工程学院, 合肥 230088)

声屏障技术是降低高速铁路车外辐射噪声最有效的措施之一。为了降低噪声带来的严重影响，本文综合分析了声屏障的插入损失原理、结构和研究方法，并分析了将声屏障技术应用在高速铁路上的研究现状，从而从根本上降低了噪声。

声屏障；高速铁路；降噪

高速铁路运输的蓬勃发展给人们的出行带来了极大的便利，促进了经济的繁荣发展，但与此同时也带来了不可避免的影响。高速列车运行时产生的噪声已经成为环境污染的主要污染源，世界卫生组织指出环境噪音污染是仅次于空气污染的威胁公民健康的一大隐患。

为了给人们创造更加方便快捷的出行条件，越来越多的高速铁路在规划修建选择线路时不可避免地选择了穿越城市的路线，造成的后果是高铁经过人口密集的居民区，高铁经过时产生的噪声严重干扰着周围居民正常的生活和工作。科学研究表明，噪声暴露可引起听力减退、烦躁、睡眠障碍，还可使人们降低工作效率，严重时甚至会导致高血压和缺血性心脏病[1]。当人们长期生活在噪声的环境中，特别是在睡眠期间，会引起内分泌系统失调和免疫应激反应。因此，控制和降低噪声不仅是社会发展过程中必须要解决的问题，同时也是发展高速铁路的难题。

1 国内外研究现状和发展趋势分析

1.1 声屏障研究现状及发展趋势分析

1.1.1 声屏障插入损失

为了降低噪声，在噪声源和受声点之间通常设计一种声学障板，这种技术叫作声屏障。采用声屏障是在噪声的传播途径中进行控制的一种降噪方式，它通常用于为某一特定声源和保护区域设计的。直立型声屏障的截面图如图1所示，图中左边的S是噪声源，中间的B表示声屏障，右边的R是受保护的区域，也称为受声点，E表示地面。

图1 直立型声屏障的截面示意图

噪声源S在传播途中遇到声屏障B时，经过了四条传播路径，如图2所示，有的声波发生反射，有的声波穿透声屏障到达受声点，有的声波在经过声屏障顶端时又发生衍射到达受声点，还有的声波在声屏障上方继续沿直线传播。噪声源沿着这四条路径传播声能量的方式是声屏障达到降噪的主要原因。

图2 声源传播路径

声屏障的作用可以分为以下几种情况：一、用来阻止声波直接传播到受声点；二、用来减少透射声；三、使衍射生能量尽快地衰弱，目的是在声屏障后面形成声影区(如图3中阴影部分)，声影区内的声波较噪声源有显著地衰减从而达到降低噪声对受声区影响的目的。

图3 声衍射路径

插入损失(Insertion Loss of noise barriers，简称为IL)一般作为衡量声屏障降噪效果，可用式(1)计算得到。

(1)

式(1)中，p0(r,r0)为无声屏障时受声点的声压值，p(r,r0)为有声屏障时受声点的声压值。

1.1.2 声屏障研究现状及发展趋势分析

声屏障最早应用于道路交通的噪声控制。日、美、法等国早在上世纪70年代就己经开展了针对声屏障的理论研究[2]，并实施了大量具体的工程。随着声屏障在世界范围内的应用，大量学者和研究人员开展了相关研究工作。

(1)声屏障的结构研究

通常采用直立性声屏障作为对比对象，它是声屏障结构最简单的一种类型，其他类型声屏障声学性能通常用它来进行评估。声屏障的几何尺寸、几何形状、所用材料、声屏障与声源之间的距离以及声屏障与受声点之间的距离等参数都是影响声屏障插入损失大小重要因素。此外，插入损失的大小也受到地面条件和气候条件的影响[3]。有研究指出，刚性直立型声屏障的最大插入损失理论上可以达到24dB[3]，但实际使用中却很难实现。中华人民共和国声环境质量标准(GB3096-2008)指出，高3-6米的声屏障实际的插入损失通常在5-12dB之间。

为了进一步提高声屏障的降噪效果，研究人员开展了大量的研究工作，提出了各种声屏障的形式。众多研究表明，改进声屏障表面材料的吸声性和声屏障的几何形状是目前提高其插入损失的两种主要途径。为了减少噪声源在声屏障顶端的衍射传播，采用声屏障的顶端结构形状优化方法，这是在不改变声屏障表面材料的基础上通过改变几何形状来提高插入损失的关键。Okubo研究了顶端为水车轮式的声屏障，得到不同的直径、开口角度和槽深对声屏障插入损失的影响规律[4]。Murata.K通过测试新干线Y型声屏障的插入损失，研究了几种不同Y型的声屏障在不同部位处设置吸声材料时的降噪效果[5]。在直立型声屏障顶端安装水平结构就形成了T型声屏障，Oldham采用数值模拟的方法研宄了T型声屏障降噪性能的影响因素[6]。周强等为了评价V型声屏障的降噪效果，通过试验及预测相结合的方法对低载荷V型声屏障进行研究，结果表明，V型声屏障针对实测高速列车车外噪声降噪效果显著[7]。Ishizuka系统地对比了顶端具有不同形状和材料的声屏障的降噪性能[8]。Inan Ekici较为全面地总结了声屏障的多种形式[3]。

(2)声屏障的研究方法

目前，声屏障声学性能的研究方法主要可以归纳为三种类型：解析法、经验法和数值模拟法。

1896年，Sommerfeld首次提出了半无限刚性声屏障对平面入射波声场的解析解[9]。Macdonald求解了半无限刚性薄板对点声源和柱声源的衍射，并对该方法进行了拓展[10]。解析法对声屏障的计算与实际测试结果能够很好的吻合，但是公式复杂计算量大。

声屏障的降噪效果可以采用基于几何声学理论和试验方法的经验法来计算，刚性薄壁声屏障的插入损失可以用单一参量菲涅尔数N来预测。Meakawa利用脉冲测试法测试了刚性声屏障的衍射，并得到以菲涅尔数N为参量的经验计算公式[11]。Kurze在多种理论和试验数据的基础上得到了计算刚性声屏障插入损失的经验公式[12]。

刚性声屏障的结构不同采用的方法也不同，对于结构简单的声屏障可以采用解析法和经验法，而对于复杂结构的声屏障，需要采用数值模拟法。数值模拟法目前得到了飞速的发展与应用。有限元法(Finite Element Method，简称FEM)非常适用于求解低频的结构声振耦合问题。Morgan等在FEM的基础上，研究了声屏障的地面反射和几何形状对声屏障降噪性能的影响[13]。但是，有限元法常用于计算封闭空间的声场问题，不适于求解半无限和无限域问题。边界元法(Boundary Element Method，简称BEM)是继FEM之后的一种非常有效且精确的工程数值分析方法，在处理无限域或者半无限域声场问题具有比FEM更高的精确度，BEM在求解声屏障的问题上得到了广泛的应用。Seznec开创性的研究了边界元法计算声屏障插入损失[14]；Hothersall利用边界元法分析了二维声屏障的衍射问题[15]；朱晓天等利用边界元分析法计算不同界面形状的二维声屏障的衍射声场，例如T型、L型、弧形、橄揽型等截面形状[16]。胡薇运用声学软件LMS Virtual. Lab Acoustics对城市交通噪声声屏障进行了结构、材料和模态分析[17]。

传统BEM具有高内存占有量和高计算量的固有缺点，需要大量的计算时间，限制了其在实际工程中的应用。为了充分发挥BEM在大规模工程分析中的作用，多种快速算法先后被提出。快速多极边界元法(Fast Multipole Boundary Element Method, 简称FMBEM)是快速多极算法在快速边界元法领域应用中形成的，它可以大幅度提高BEM的求解效率并显著降低内存占有量。中国科学技术大学的郑昌军利用FMBEM对比分析了不同频率点源声场的衰减受不同尺寸的直立型声屏障的作用，并总结了声屏障降噪性能的多重因素[18]。

(3)声屏障的发展趋势分析

通过上述国内外声屏障的研究发展现状，总结分析声屏障的发展趋势如下：

①注重声屏障结构形式的有效性

为了用简单而有效的声屏障结构实现最理想降噪效果，其如何根据频率特性和噪声源所处的位置设计合理的声屏障结构就成了重点。

②提高算法的精确性和计算效率

如何同时提高算法的精确性和计算效率成为国内外学者和研究人员研究的热点。

③有源降噪技术在声屏障中旳应用研究

Ise等首次证明了将有源降噪技术应用于声屏障可以有效提高声屏障的降噪效果，特别是可以提高低频段噪声的降噪效果，随后很多学者展开了对声屏障有源降噪技术的研究[19]。

④新型太阳能声屏障

在声屏障上安装光伏系统，既能达到降低噪声的目的，又可以利用噪声能量来发电，也降低了光伏系统的发电成本。新型太阳能声屏障具有节能环保的优点，是未来声屏障发展的方向。

2.1 高速铁路噪声

高速铁路产生的辐射噪声除了与其他轨道交通的辐射噪声具有相似性外，但由于自身运行速度快导致其辐射的噪声又具备不同的特征和规律。

高速铁路外部产生的噪声可以归纳为三种：轮轨噪声、气动噪声和牵引噪声。轮轨噪声主要是车轮滚动时由于表面粗糙而产生的滚动噪声及钢轨波纹磨损产生的噪声等；气动噪声包括气流流经受电弓、车辆连接处、车顶百叶窗、转向架等表面产生的气动噪声，以及车身表面、车头和车尾湍流流动产生的气动噪声；牵引噪声指牵引马达、冷却风扇、齿轮和辅助设备产生的噪声。高速铁路的外部噪声源如图4所示。

图4 高速铁路的外部噪声源

Bin HE等的实验测试分析结果显示，高速列车车外噪声源主要分布在轮轨区域、受电弓和车间连接区域[20]，如图5所示。

图5 高速列车车外主要噪声源

随着高速列车运行速度的变化，高速铁路外部产生的噪声也随之发生了很大的变化，噪声的大小和成分都发生了显著改变，图6显示了列车辐射噪声的声压级随列车速度的变化关系。图中Vt1和Vt2称为声学转变速度(两个相邻区段转变时的速度)，列车的运行速度分为三个区段，当列车速度小于Vt1时的区段I由牵引噪声主导，区段II为轮轨滚动噪声主导，到了列车速度大于Vt2时的区段III，气动噪声显著增大，占据主导作用。减振降噪措施、列车和轨道的状态直接影响列车的声学转变速度。当轮轨滚动噪声控制在一定范围时，临界转换速度Vt1将会变高而Vt2将会变低。

图6 不同噪声成份随列车运行速度变化的关系

2.2 高速铁路声屏障研究现状分析

高速铁路声屏障与城市道路声屏障和普通铁路声屏障既有联系又有区别。普通铁路由于运行速度比较慢，利用声屏障可以得到较好降噪效果。而高速列车运行速度快，产生的车外辐射噪声机理相对复杂，并分布在列车各处，且声波会在车体和声屏障之间形成多重反射。因此，将传统的声屏障应用于高速铁路，其噪声控制效果需要重新预测和评估。

美国的高速铁路噪声预测模型和欧洲国家的铁路噪声预测模型，均采用较少的等效铁路声源位置，主要是采用基于声程差的经验公式来计算声屏障的降噪特性。Hothersall等利用1:20的试验装置，釆用单极子和偶极子声源组合的方法将列车声源的指向性考虑进来，通过实验测试了声屏障对TGV高速列车的降噪效果[21]。为了提高高速铁路声屏障的降噪效果，MORGAN等针对高速铁路的轮轨噪声，研究了多种截面形状的声屏障对其不同的降噪效果[22]；ISHIZUKA等研究了不同高度和顶端形状声屏障对噪声源的衰减效果[23]；Belingard等对TGV高速铁路线路两侧的声屏障进行测试，结果表明，采用吸声或头型结构可改进直立型声屏障的降噪效果[24]。T. Kitagawa等对新干线铁路使用的典型声屏障进行了研究，通过模型分析了不同类型和形状的声屏障的降噪特性，结果表明，Y型结构的声屏障降噪效果最好[25]。

我国的高速铁路声屏障主要以插板式结构为主以整体式结构为辅。尹皓等采用我国现行声屏障测量规范，对合武、合宁和京津城际铁路上安装的声屏障进行了测试[26]。TW Wu分析了高速铁路声屏障插入损失的影响因素，给出了用于分析计算的高速铁路声屏障插入损失等效声源[27]。苏卫青等在京津城际和京沪高速铁路列车声源识别结果的基础上，提出了包括等效频率和等效高度在内的用于计算高速铁路声屏障插入损失的等效声源，并进一步给出了用于工程评估的插入损失计算公式[28]。

通过以上分析可知，数值模拟法主要用于结构复杂的声屏障的研究。相关研究显示，边界元法是一种非常有效且精确的求解声屏障问题的方法。在对高速铁路声屏障的降噪效果进行预测和分析时，国内外众多学者也纷纷选择了边界元法。B. He等通过数值模拟研究了减载式高速列车声屏障的声学性能，分析了声屏障顶端的声波衍射现象[29]。

3 结语

本文首先分析了声屏障降低噪声的原理、结构和国内外声屏障相关研究的方法及发展趋势；其次分析研究了高速铁路声屏障降噪需要采用的新技术新方法。

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责任编辑：程艳艳

Research Status and Development Trend of Sound Barrier Technology for Reduction of Noise on High-speed Railway

WANG Hongxia, SUN Wenjuan

(Institute of Information Engineering, Anhui Xinhua University, Hefei 230088, China)

The sound barrier technology is one of the most effective measures to reduce the radiated noise outside the carriage on high-speed railway. In order to reduce the serious effects that noise brings, this paper comprehensively analyzes the insertion loss principle, structure and method of sound barrier, discusses the research status of applying sound barrier technology in high-speed railway, thus to reduce the noise fundamentally.

sound barrier; high-speed railway; de-noising

2016-07-12

安徽省教育厅自然科学研究重点项目(KJ2015A306)

汪红霞(1979-)，女，安徽宣州人，讲师，硕士，主要从事嵌入式系统方面研究。

TP13

A

1009-3907(2016)10-0006-05