多种吸声型声屏障降噪效果比较*

罗文俊 李恒斌 陈 靖 袁 钎

(1.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,330013,南昌; 2.广州地铁集团有限公司运营事业总部,510310,广州∥第一作者,副教授)



多种吸声型声屏障降噪效果比较*

罗文俊1李恒斌2陈 靖1袁 钎2

(1.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,330013,南昌; 2.广州地铁集团有限公司运营事业总部,510310,广州∥第一作者,副教授)

高速铁路所辐射噪声对周围环境的危害通常采用吸声型声屏障来降低。吸声型声屏障降噪效果与吸声材料特性有关。为此选取了3种不同的声屏障吸声材料,利用绕射声衰减的理论计算方法和统计能量法,对比分析不同吸声型声屏障的降噪效果。研究结果表明:不同吸声材料的加入对于声屏障降噪的效果均有一定的影响,相互之间的差值约为5～6 dB。

高速铁路; 吸声型声屏障; 降噪效果; 统计能量法(SEA)

First-author′s address State Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise,East China Jiaotong University,330013,Nanchang,China

在工程上,为了减小声屏障对反射声波的影响,往往会把反射式声屏障替换成吸声型声屏障。加入吸声材料的声屏障是进一步降低路旁辐射噪声的有效方式。卢洋等[1]用边界元的方法分析比较了吸声型声屏障与全反射声屏障的插入损失。张新华等[2]用RAYNOISE软件仿真分析以探究声屏障在不同区域的降噪效果与装设吸声材料位置的关系。从上述研究来看,对吸声型声屏障降噪研究采用的仿真方法较为单一,不能很好地解决高频问题,同时对声屏障吸声特性方面也缺少相关的研究。

边界元方法在高频段求解大尺寸模型时并不经济。统计能量法则是把研究对象划分成子系统,忽略具体细节参数,不考虑各子系统在某个位置的响应,只关心各个子系统的平均响应值,计算速度比其他模态分析法快[3]。目前统计能量方法已广泛应用于导弹、卫星、船舰、汽车以及其他动力设备及建筑等工程上,但在铁道方面应用甚少。本文将采用统计能量法,结合理论计算公式,对这方面进行应用研究,为今后的声屏障降噪研究提供参考。

1 吸声材料的吸声系数

声屏障吸声材料通常采用多孔吸声材料制作。其中吸声系数是作为表征吸声材料吸声能力大小的参数。本文计算采用超细玻璃棉、阻抗复合板、微穿孔板的吸声系数,如图1所示。

图1 吸声材料的吸声系数

2 吸声型声屏障降噪效果计算方法

2.1 吸声屏障绕射声衰减量的理论计算公式

在工程上,当线声源长度大于三分之一线声源至受声点的距离时,认为是无限长线声源,对长度L远远大于高度H的声屏障(一般取L>20H),认为是无限长声屏障[4]。在我国,一般认为列车噪声源是无限长线声源,铁路声屏障为无限长声屏障。 无限长线声源无限长吸声屏障的绕射声衰减计算公式为[5]:

(1)

式中:

ΔLp——声压级衰减量，dB;

Δdbt——吸声降噪量，dB;

f——各频程中心频率，Hz;

δ0——声程差，m，且δ0=(A+B-C);

A+B——设置声屏障后声波最短的绕射距离，m;

C——原来声源到受声点直接传播距离,声源与受声点在同一水平线,可通过简单的三角几何关系求得，m;

c——空气中的声速,c=340 m/s。

吸声降噪量Δdbt计算公式为:

(2)

式中:

αi——各个频段下的吸声系数;

Li——各个频段吸声前的声压级,dB;

Lt——吸声前的总声压级,dB。

Di=100.1(Li-Lt)

(3)

通过计算可得:

(4)

由式(4)的推导结果可知,Di的累加和为1。

本文用式(1)计算比较不同吸声材料的声屏障降噪效果,选取列车速度在250 km/h时的轮轨噪声谱进行计算。观测点距轨道中心4.2 m。

2.2 吸声型声屏障的统计能量分析模型

统计能量分析法中子系统之间的能量流动关系如图2所示。

图2 子系统之间的统计能量分析模型图

图2中,各个子系统的能量E可以用振动速度和声压来表示:

E=M〈v2〉

(5)

式中:

M——子系统质量;

〈v2〉——速度均方值。

通过公式(5)可以计算得到各子系统的能量。本文根据统计能量分析(SEA)的基本原理,建立声空间-吸声型声屏障统计能量模型[6],如图3所示。式(6)为功率流平衡方程,声屏障计算长度为200 m。

图3 铁路吸声型声屏障噪声预测SEA模型

(6)

代入各参数,有:

式中:

η1——声空间的内损耗因子;

η2——吸声型声屏障的内损耗因子;

η12——声空间对吸声型声屏障的耦合损耗因子;

η21——吸声型声屏障对声空间的耦合损耗因子;

ρa——空气的密度，kg/m3;

Ca——空气中的声速,m/s;

ρ——声屏障的密度，kg/m3;

ω——圆频率,rad/s;

E1——子系统1(声空间)的能量,J;

E2——子系统2(吸声型声屏障)的能量,J;

P1,in——声空间的输入功率,J;

P2,rad——吸声型声屏障的辐射功率,J;

P1,diss——声空间的损耗功率,J;

P2,diss——吸声型声屏障的损耗功率,J;

P12——声空间对吸声型声屏障的耦合损耗功率,J。

模型中将声空间近似为闭合空间,能量全部参与声屏障耦合,在进行SEA参数估计时,把声空间处理成一维声场,并且将声屏障辐射作为一个能量流出途径来处理[6],内损耗因子通过稳定能量流试验求得,其他SEA参数通过文献[3]的公式求得。在声场计算时,不考虑各种地形和气候等环境影响。在计算中,通过施加不同吸声材料,来比较吸声材料对声屏障的吸声特性的影响。声源选取现有的250 km/h行车速度下的轮轨噪声谱作为输入,未考虑其他噪声源的影响,计算得到距轨道中心4.2 m处超细玻璃棉吸声屏障的降噪效果,并与式(1)计算得到的降噪效果进行对比,如图4所示。

从图4可以看出,两种方法计算得到的结果基本吻合,其误差不超过2 dB。故可将此模型作为吸声型声屏障的铁路噪声预测模型。

3 计算结果分析

3.1 吸声屏障绕射声衰减量的计算结果分析

通过式(1),计算得到不同吸声型声屏障与全反射声屏障情况下距轨道中心线4.2 m处的声压级差值,如图5所示。

从图5可以看出,不同吸声材料的声屏障均有明显的降噪效果。阻抗复合板与微穿孔板在中低频段降噪效果较为明显;在高频段,超细玻璃棉降噪效果较明显。本文以轮轨噪声源频谱值为参数利用公式(3)作出的贡献分布图,如图6所示。

图4 两种方法计算得到的降噪效果对比图

图5 不同吸声型声屏障的声压级结果

图6 Di贡献分布图

由图6可以看出,低频段(125～500 Hz)在贡献图中所占比例较大，所以在低频段提高吸声系数能够显著提高降噪量。而从图5可知，在低频段(125～500 Hz)，阻抗复合板、微穿孔板相比超细玻璃棉声压级结果更大，即降噪效果更好。

3.2 统计能量分析计算结果分析

根据统计能量分析法计算得到相关SEA参数,再在频段范围内,计算得到不同吸声材料声屏障与全反射声屏障情况下距轨道中心线4.2 m处的声压级差值,如图7所示。

从统计能量分析法的计算结果可以看出,各类吸声型声屏障相比全反射声屏障都有较为明显的降噪效果,且相对于理论计算公式来说,得到的结果为某一点的计算值,而统计能量分析法所得到的结果则是某一空间范围内声压级的平均值,两者略有不同,但吸声型声屏障降噪规律基本接近。总体来说,吸声材料对声屏障降噪效果有一定的影响,声压级差值结果比全反射声屏障大9～10 dB。

4 结论

本文利用理论计算公式和统计能量分析两种方法,评价了不同吸声型声屏障的降噪效果,得到如下结论:

(1) 在吸声型声屏障降噪措施中,吸声材料的加入对声屏障的降噪效果均有一定的影响,相互之间的差值在5～6 dB左右。

(2) 在250 km/h行车速度下,提高低频段吸声系数能够显著地提高降噪量,阻抗复合板、微穿孔板相比超细玻璃棉而言低频吸声性能更好,故降噪效果比超细玻璃棉要好。

(3) 采用统计能量分析法进行降噪预测,其误差不超过2 dB。可将此模型作为吸声型声屏障的铁路噪声预测模型。

[1] 卢洋,蒋中锐.屏体吸声性能对道路声屏障插入损失的影响[J].环境影响评价,2015,37(1):92-96.

[2] 张新华,王典雍,宋雷鸣.声屏障装设吸声材料位置与降噪效果之间关系数值仿真分析[C]∥中国铁道学会环保委员会振动噪声学组年会学术交流会论文集.青岛：中国铁道学会环保委员会,2008:65-72.

[3] 姚德源,王其政.统计能量分析原理及其应用[M].北京:北京理工大学出版社,1995.

[4] 高莉萍,刘达德.铁路声屏障插入损失的研究[J].噪声与振动控制,1998(4):28-31.

[5] 张英,周敬宣,夏锴.声屏障吸声作用对绕射降噪量贡献的分析[J].噪声与振动控制,2007(3):100-102.

[6] 王绍笳,高淑英.统计能量法预测铁路声屏障的降噪效果[J].噪声与振动控制,2001(6):645-647.

Comparative Study of Noise Reduction Effects of Different Sound Absorption Barriers

LUO Wenjun, LI Hengbin, CHEN Jing, YUAN Qian

The radiation noise of high-speed railway is a harm to surrounding areas, which is often reduced by sound absorption barriers, and the reduction effect of noise barrier is related to the characteristics of sound absorption materials. In this paper, three different sound absorption barriers are selected, their noise reduction effects are compared and analyzed by using diffraction attenuation theory calculation method and statistical energy analysis method. The results show that the adding component of different sound absorption materials will directly influence the noise reduction effects of sound barriers, the difference between them is about 5～6 dB.

high-speed railway; sound absorption barrier; noise reduction effect; statistical energy analysis(SEA)

*国家自然科学基金项目(51468021);江西省杰出青年人才计划(20162BCB23048);江西省自然科学基金项目(20161BAB206160)

TU 112.59∶U 238

10.16037/j.1007-869x.2017.05.022

2015-12-08)