城市轨道交通高架桥结构噪声声场分布及传播规律研究*

陆可人刘 艳张天琦冯立力李 莉

（1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海；2.上海材料研究所，200437，上海；3.宁波轨道交通集团有限公司，315101，宁波∥第一作者，硕士研究生）

城市轨道交通高架线路噪声主要有轮轨噪声、集电系统噪声、桥梁结构噪声等。其中，桥梁结构噪声由于其所具有的低频特性而易于被忽视［1］。列车在运行过程中，轮轨间的相互作用，再加上轨道几何不平顺、车轮扁瘢、轨道刚度离散周期性分布等因素，引发桥梁各板件振动，进而向外辐射结构噪声。目前，对城市轨道交通桥梁结构噪声的研究中主要通过理论分析、数值计算或仿真与实测相结合的方法，对桥梁结构声辐射特性及相关因素进行分析［2-4］，但对城市轨道交通桥梁结构噪声声场分布及其影响因素的研究相对较少。

由于城市轨道桥梁结构噪声声场分布较为复杂，且可能的影响因素较多，数值计算或软件仿真都经过简化处理，因此获得的结果与实际工况存在一定差异，尤其是对一些复杂系统，差异更为突出。而采用试验的方法，可以不必具体考虑系统内的一些复杂关系，在保证测试数据可靠的条件下，则能够得到比较准确的结果。因此，本文采用现场试验的方法，通过对城市轨道交通高架线某区段沿线进行桥梁结构噪声近场及远场测试，通过对数据结果进行分析，研究轨道交通高架桥结构噪声在空间不同高度和距离的传播、分布规律与衰减特征，并对影响声场分布的主要因素进行了具体分析，为今后对高架轨道交通周边合理噪声控制提供准确的依据。

1 研究方法

考虑到全封闭声屏障对轮轨噪声、集电系统噪声有较好的遮蔽效果，能更好地突出结构噪声，特别是桥梁顶面以下各个板件辐射的噪声，因此本文选择全封闭声屏障高架段作为测试试验研究场地。通过对车辆经过时段的桥梁底板、腹板和翼板近场噪声进行分析，得到桥梁结构噪声频谱特点；同时，在桥下不同距离与高度处布置声学传感器，对比不同场点的总声压级和倍频程声压级，研究桥梁结构噪声声场分布与传播规律。

2 试验概况

测试区段桥梁为30 m跨简支双线箱型梁，横断面尺寸如图1所示。桥梁底板距地面高度为9 m，轨道结构为道床垫浮置式整体道床，桥上安装有全封闭声屏障。测试截面位于区间中间位置，列车平均行驶速度为68.5 km/h。

图1 测试桥梁横断面

图2为声传感器的空间布局图，传感器的频率范围为6.3 Hz～20 kHz。在垂直于桥梁翼板、腹板和底板的中点约5 cm处，各布置一个传感器，编号分别为S1、S2和S3，用于测试桥梁结构近场噪声，从而获得桥梁结构噪声频谱特性；其次，沿桥梁横断面方向布置3组声传感器，分别距离近侧轨道线路中心线7.5 m、22 m和55 m，用于研究桥梁结构噪声在横向的传播与衰减规律；此外，每组声传感器沿竖向各布置4个，分别用于研究桥梁结构噪声在近地面处、梁侧附近以及梁体以上的分布与变化趋势。

图2 声传感器布置图

3 声场分布与传播规律研究

由于A计权声压级无法全面描述低频噪声［5］，所以本文采用线性声压级描述测试结果。测试的桥梁断面设置有全封闭声屏障，且声屏障两端距离测试断面不小于40 m，所以可以认为测得的噪声主要是桥梁底板、腹板和翼板的辐射噪声，轮轨噪声和桥梁顶板噪声贡献量较少，这一点也在测试得到的测点频谱曲线图中得到了验证。

3.1 桥梁结构近场噪声特性研究

图3给出了桥梁翼板、腹板和底板近场测点噪声频谱曲线（12.5～2 500 Hz）。从图3中可以看到，测点S1—S3主要频段在250 Hz以内，中高频噪声很小，符合桥梁结构噪声的频谱特性。此外，文献［6］通过相关理论分析，发现桥梁各板件近场噪声主要就是由对应的板件辐射出的噪声。因此，可以认为桥梁各板件近场噪声主要就是桥梁辐射的结构噪声。如图3所示，3个板件辐射的近场噪声均集中在50～80 Hz频段内；在5～250 Hz频段内，测点S1与测点S2的频谱曲线基本重合；S3的频谱曲线与其余两条曲线在25～80 Hz范围内有明显的差别，在剩余频段范围内，则较为接近。

图3 各个板件近场噪声频谱图

桥梁结构近场噪声由两方面因素共同作用，一方面是各板件辐射的声波通过直射或者绕射会相互产生影响，另一方面则是板件的声辐射特性。影响板件辐射噪声大小的因素较为复杂，在特定频段内，它与板的表面积、表面法向振动速度的均方值和辐射效率均有关系，而板的辐射效率又受结构振动模态波长、结构尺寸和形状等的影响［7］。因而，虽然桥梁底板辐射表面积最大，但辐射出的噪声在某些频段的声压级却往往小于其余两个测点，如图3所示。

3.2 桥下噪声分布及传播规律研究

如图4所示，各测点噪声总声压级随横向距离的增大逐渐衰减，但距离地面不同高度，测点声压级衰减速度不同，如1.2 m高度处噪声衰减速度要慢于其它高度测点噪声。这主要是由于当距离地面较近的测点与桥梁之间的距离远大于距地面高度时，如果将地面看作“镜面”，桥梁结构辐射的声波与地面反射波在该处的声程差远小于主频段声波对应的波长，二者叠加，就造成接近地面的场点噪声较大。因此，地面反射波会对近地面测点沿横向衰减速度产生一定的影响。

图5～7给出了不同高度测点沿远离桥梁方向（定义为横向）传播的频谱曲线（12.5～250 Hz），显示各测点均在50～80 Hz频段内达到峰值，与桥梁底板、腹板和翼板近场噪声频谱特性吻合。这说明桥下各测点的低频噪声主要是桥梁辐射出的结构噪声。从图5～7中可以明显看出，不同高度处各测点三分之一倍频程中心频率处噪声声压级总体上沿横向衰减，但在某些频段呈现出不一致的规律，具体表现为：①低频率的频段噪声衰减速度一般比相对高频率的频段噪声小，但在某些频段也会出现反常情况，如中心频率160 Hz所在频段的噪声衰减比125 Hz频段慢；②在距离桥梁7.5 m处，各测点噪声能量主要集中在50～80 Hz频段，随着横向距离的增大，噪声频谱曲线趋于平缓，主频段声压优势减小，并出现多个声压级相差不大的小峰值；③并非所有频段声压均随横向距离的增大而衰减，如在图6中，中心频率为20 Hz的频段声压在从22 m向55 m传播过程中，出现了增大的情况。

发生上述现象的主要原因是：桥梁各板件辐射的结构噪声频谱特性较为接近，对于特定频段的噪声，在桥梁各板件的尺寸、相对位置关系以及场点与桥梁间的距离等因素作用下，某些场点发生了干涉现象，从而在局部形成了加强点或削弱点，如图8和图9所示。

图4 不同高度测点总声压级横向衰减图

图5 距地面1.2 m测点噪声横向衰减图

图6 距地面11.3 m测点噪声横向衰减图

图7 距地面12.8 m测点噪声横向衰减图

图8 20 Hz频段声压级云图

图9 160 Hz频段声压级云图

不同横向距离处测点噪声总声压级沿高度方向变化如图10所示。从图10中可以看出，在离近侧轨道中心线同一距离不同高度处各测点声压级变化有如下趋势：距离地面12.8 m处声压级最大，距地面1.2 m处声压级次之，距梁体较近的两处声压级值较小。同时，距离近侧轨道中心线相同距离处每组测点噪声各频段声压级（12.5～250 Hz频段内）在高度方向总体上也有相同的变化规律，如图11～13；但某些频段噪声（特别是近地面测点）则呈现出不同的变化规律，如：横向距离22 m处，50 Hz频段噪声声压级在距地面1.2 m处最大，而125 Hz频段声压在此测点却较小。这主要是因为桥梁结构噪声声场受到地面反射的影响，距离地面越近，地面反射波影响往往越大。以125 Hz频段噪声为例，如图14所示，在距离桥梁22 m处，由于地面反射的作用，入射波与反射波在距离地面1.2 m处的声程差与该频段半波长大小相近，二者干涉减弱，导致该测点的频段声压级均小于同一横向距离处的其他测点。对比图11～13，发现随着距离增大，在横向距离相同的测点中，距地面1.2 m处测点有更多的频段声压成为各测点相应频段的最大值。随着横向距离增大，一方面，声波入射角增大，且地面声阻抗远远大于空气声阻抗，声波更易发生全反射［8］；另一方面，入射波与反射波的声程差在逐渐减小，当远小于低频声波波长时，入射波与反射波相互叠加，增大场点声压。因此，地面反射波对噪声远场近地面处的影响较大。

图10 各测点总声压级沿高度变化趋势图

图11 距轨道中心线7.5 m处各测点声压频谱

图12 距轨道中心线22 m各测点声压频谱图

图13 距轨道中心线55 m各测点声压频谱图

4 结论

本文通过对城市轨道交通全封闭声屏障高架桥梁结构噪声近场及远场的现场测试，分析了结构噪声的声场分布及传播规律，得到如下结论：

（1）桥梁各板件近场噪声频谱变化趋势基本一致，主频段均为50～80 Hz。其中，翼板与腹板的近场噪声频谱曲线几乎重合，底板近场噪声与前二者略有差别。

（2）本次实测研究中，中心频率为20 Hz的频段声压在从22 m向55 m传播过程中，出现了增大的情况。这说明在桥梁各板件辐射的结构噪声频谱特性较为接近时，对于特定频段的噪声，在桥梁各板件的尺寸、相对位置关系以及场点与桥梁间的距离等因素作用下，某些场点会发生干涉现象，从而在局部形成了加强点或削弱点。

（3）桥梁结构噪声声场受到地面反射的影响，距离地面越近，地面反射波影响往往越大。在地面反射作用下，反射波与入射波叠加，造成近地面噪声反而大于部分距离梁体更近的场点的噪声。但地面反射并非对每个频段的噪声均有加强，对于特定频段的噪声，如在125 Hz噪声频段，当其入射波与反射波的声程差为声波半波长的奇数倍时，频段声压由于干涉削弱反而减小。

（4）通过分析研究发现，在距地面1.2 m处测点有更多的频段声压成为各测点相应频段的最大值，即随着横向距离增大，对于近地面场点来说，地面反射的影响反而相对增大。因为，随着声波入射角增大，声波更易发生全反射，且入射波与地面反射波的声程差相对于波长较小，入射波与反射波容易形成干涉加强。

（5）由于低频噪声衰减速度一般比相对高频小，且现有各类减振降噪措施能较为有效地降低中高频噪声等因素，总的而言，在噪声传播过程中随着横向距离的增大，环境噪声中的低频声能越为凸显。

［1］ 李小珍，尹航，吴金峰，等.成灌快铁高架桥梁区段噪声测试［J］.噪声与振动控制，2013，33（2）：183.

［2］ 刘林芽，付奇川，邵文杰，等.箱型桥梁结构的面板声学贡献分析［J］.铁道科学与工程学报，2015，12（4）：743.

［3］ 李晶.城市轨道交通高架桥梁振动与结构噪声研究［D］.北京：北京交通大学，2012.

［4］ 高飞，夏禾，曹艳梅，等.用边界元-有限元法研究高架结构辐射噪声［J］.土木建筑与环境工程，2012，34（1）：42.

［5］ 张迅.轨道交通桥梁结构噪声预测与控制研究［D］成都：西南交通大学，2012.

［6］ 李小珍，刘孝寒，张迅，等.基于相干分析的高铁简支箱梁结构噪声源识别方法研究［J］.工程力学，2014，31（1）：129.

［7］ DAVID T.铁路噪声与振动［M］.田静，译.北京：科学出版社，2013：353.

［8］ 陈聃.风场和温度场影响下空气中声波的传播特性研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2009.