无砟轨道降噪用泡沫铝吸声板研究

刘海涛，王继军，刘伟斌，杜香刚

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

轨道交通以其方便、快捷、高效等原因成为人们出行主要交通形式之一。城市轨道和高速铁路主要采用无砟轨道。无砟轨道噪声约高于有砟轨道3 dB(A)[1-2]，铺设轨道吸声板是降低无砟轨道噪声的有效方式。20世纪90年代以来德国、奥地利、荷兰等国家已试验并在多段应用了无砟轨道吸声板，降低噪声约2～3 dB(A)。国内2007年铁科院研发了适用于无砟轨道的水泥基珍珠岩吸声板，现场测试表明可降低噪声1.9 dB(A)[3]；铁二院在成灌铁路上铺设泡沫混凝土轨道吸声板，该产品混响室降噪系数>0.6，实车试验表明可降低噪声2.8 dB(A)；铁三院于大西综合试验线上铺设了无砟轨道吸声板，该吸声板最高测试速度为300 km/h，降低噪声约1～3 dB(A)。目前无砟轨道吸声板采用水泥基珍珠岩、陶粒等吸声材料制作而成，取得了较好的效果[4-5]，但由于吸声材料本身为多孔结构，也存在材料本身强度不高、环境长期作用下颗粒容易剥离、吸声效果有待进一步提高等问题[6]。

泡沫铝在本世纪初作为吸声材料经过不断优化和改进，吸声性能得到较大提升，同时其具有高比强度、耐腐蚀、耐高温、超轻、耐撞击等优点。本文首次采用泡沫铝材料，研发一种无砟轨道吸声板，通过材料优化和结构设计，使泡沫铝吸声板吸声性能极大提高，较好满足无砟轨道使用条件。

1 泡沫铝吸声板结构及部件设计

图1 泡沫铝吸声板

无砟轨道用泡沫铝吸声板主要由泡沫铝、混凝土、格栅网、扣压件、内模板等组成，如图1(a)所示。双层泡沫铝搭配双层空腔增强了吸声效果，靠近轮轨区侧面采用泡沫铝板，增加了吸声面积。吸声板采用矩形箱体，放置于钢轨中间区域。为增大吸声面积钢轨外侧两承轨台间采用凸向钢轨设计，即钢轨外侧吸声板呈锯齿状。吸声板在无砟轨道表面试铺设，如图1(b)所示。图1(c)为实物产品。

1)结构尺寸

根据规范[7]要求，轨道结构限界应不高于钢轨顶面25 mm，泡沫铝吸声板实际设计高度不高于钢轨顶面，通常情况下钢轨间吸声板高度为180 mm，钢轨两侧吸声板高度为200 mm。吸声板长度为3个扣件间距。为便于搬运，两钢轨间吸声板沿横向分为2块。吸声板宽度方向距钢轨的距离不小于50 mm，沿无砟轨道表面铺设。

2)吸声原理

泡沫铝为多孔结构，铝本身具有较好的导热性能，因此泡沫铝吸声板具有多孔吸声功能。泡沫铝与空腔组合形成亥姆霍兹空腔，起到空腔共振吸声作用。声波在双层泡沫铝间传播时，不同相位声波相互抵消形成衍射吸声效果。泡沫铝吸声板综合采用了微孔吸声、共振吸声和衍射吸声三种降噪方法[8]。泡沫铝作为一种降噪材料目前应用于公路声屏障[9]、地铁矮屏障、船舶舱室噪声控制[10]、电机噪声隔离等领域，取得了较好的降噪效果。

3)生产工艺

将泡沫铝和模板首先组合成内模，其中顶面、靠近钢轨侧及内部第二层采用泡沫铝材料，其他面采用木板；同时为增强结构抗冲击性能在内模顶部覆盖一层格栅网；然后将内模及扣压件放入混凝土模板中，在内模采用木板一侧、吸声板底部和两端部浇筑混凝土，使泡沫铝、混凝土成为一体，并通过预埋在混凝土中的扣压件增强结构的整体性。

2 无砟轨道吸声板降噪效果研究

吸声板吸声能力大小采用吸声系数表达。室内测量吸声系数通常采用阻抗管法[11]。无砟轨道吸声板吸声效果受泡沫铝层数、各层泡沫铝材料特性、空腔搭配等因素影响。以下采用阻抗管法研究各影响因素的规律并确定关键参数。

2.1 泡沫铝试件及参数

采用7种材料，每种材料分别制作直径约100 mm和30 mm的试件各3组。泡沫铝试件参数见表1。阻抗管内分层泡沫铝结构布置如图2所示，该结构由2层泡沫铝以及空腔组合而成，L1,L2为两空腔的深度。数据处理时频率400 Hz以下用直径100 mm数据，频率 1 600 Hz 以上用直径30 mm数据，两频率之间取平均值。其中9C为厚9 mm采用机械穿孔且穿孔率为0.8%的泡沫铝。

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表1 泡沫铝试件参数

图2 阻抗管内分层泡沫铝结构布置

2.2 泡沫铝层数对吸声效果的影响

无砟轨道泡沫铝吸声板主要吸声结构为泡沫铝材料与空腔的组合。采用阻抗管试验研究泡沫铝分别为单层、双层和三层时吸声系数的变化。采用单层泡沫铝时，材料选用15T1，腔深L1为80 mm；采用双层泡沫铝时，表面材料选用15T1，内部材料选用10B1，表层、内层空腔深度L1，L2分别为30，50 mm；采用三层泡沫铝时，表面和内部2层厚度均为10 mm，表面材料选用10T2，内部2层材料分别选用10T2，10B1，腔深L1，L2，L3分别为30，24，26 mm。试验结果见图3。其中三层泡沫铝作为对比工况仅取直径100 mm试件做试验(该工况下计算降噪系数时采用 1 600 Hz 下吸声系数代替 2 000 Hz时吸声系数)。

图3 不同泡沫铝层数时吸声系数随频率变化曲线

分析图3可知：单层、双层和三层结构时，降噪系数分别为0.72，0.78和0.88，泡沫铝降噪系数随层数的增加而增加。综合考虑结构难易程度和成本控制，选择双层泡沫铝方案。

2.3 泡沫铝材料对吸声板降噪效果的影响

2.3.1 表层材料

采用双层结构，空腔L1，L2分别为30，50 mm。内层材料为10B1，表层材料分别采用15T1，15T2，10T1和10T2时，吸声板降噪系数NRC见表2，吸声板的吸声系数随频率变化曲线见图4。

表2 表层为不同材料时吸声板降噪系数

图4 表层为不同材料时吸声系数随频率变化曲线

由表2和图4可见：4组样品的吸声系数均呈双峰状，且峰值所对应的频率较为接近，因此表层材料影响的主要是各频率下吸声系数的绝对值，对吸声系数在各频率下的分布影响不大；15T1和10T2降噪系数较大，更适合作为表层材料。表层材料要承受一定荷载，厚度大时强度较高，这里选择15T1作为表层材料。

2.3.2 内层材料

表层材料为15T1，内层材料分别采用10B1,10T2，9B和9C时，吸声板降噪系数NRC见表3，吸声板的吸声系数随频率变化曲线见图5。

表3 内层为不同材料时吸声板降噪系数

图5 内层为不同材料时吸声系数随频率变化曲线

2.4 吸声板结构对吸声效果的影响

采用双层结构，表层材料为15T1，内层材料为10B1，研究吸声板空腔深度L1和L2对降噪效果的影响。

2.4.1 表层空腔深度L1

L2取50 mm，L1分别取15，30，50 mm时，吸声板降噪系数NRC见表4，吸声板的吸声系数随频率变化曲线见图6。

表4 不同表层空腔深度时吸声板降噪系数

图6 不同表层空腔深度时吸声板吸声系数随频率变化曲线

由表4和图6可见：3组样品第2个峰值所对应的频率明显不同，随着L1的减小，第2个峰值所对应的噪声频率逐渐向高频移动；当双峰频带变宽时，中间频值降低；当L1为30 mm时降噪系数最大。故选择L1为30 mm。

2.4.2 内层空腔深度L2

L1取30 mm，L2分别取30，50,80 mm时，吸声板降噪系数NRC见表5，吸声板的吸声系数随频率变化曲线见图7。

从表5和图7可见：3组样品的吸声系数曲线均呈双峰状，在高频处(1 kHz以上)重合，差别主要集中

表5 不同内层空腔深度时吸声板降噪系数

图7 不同内层空腔深度时吸声板吸声系数随频率变化曲线

在低频区；随L2的增大，曲线峰值变小呈现出宽而矮的形状；随着L2的增大，第1个峰值所对应的噪声频率逐渐向低频移动，L2较大时有利于低频吸声；L2为30时降噪系数较低,L2为50和80时降噪系数较高，均为0.78。这里选择L2为80 mm。

2.5 泡沫铝吸声板混响室试验

采用混响室试验测试吸声系数，声波能从各个方向以相同的概率入射到吸声材料上，更接近实际情况。依据以上阻抗管试验确定的参数，采用双层泡沫铝结构，制作投影面积10 m2试件。在国家铁路产品质量监督检验中心进行混响室试验。试验现场见图8，吸声系数随频率变化曲线见图9。

图8 混响室试验现场

图9 双层泡沫铝结构吸声系数随频率变化曲线

由图9可见，试件在250 Hz之后吸声系数均较高。混响室降噪系数为1.0，吸声效果较好。

3 结论

研发了一种基于泡沫铝材料的新型无砟轨道吸声板。该泡沫铝吸声板采用双层泡沫铝及空腔组合，四周浇筑混凝土形成整体，表面覆盖格栅网增加抗冲击性能，综合利用微孔吸声、共振吸声和衍射吸声原理实现降噪效果。

采用室内阻抗管试验，对比不同频率下的吸声系数和降噪系数，随泡沫铝层数增加吸声效果较好，表层和内层泡沫铝材料影响结构吸声效果，表层空腔深度的增大使吸声系数第2峰值向高频移动，内层空腔深度的增大使吸声系数第1峰值向低频移动。综合吸声板总高度、吸声效果、制造难易程度、经济性等，确定采用表层和内层均为泡沫铝材料的双层结构，表层、内层空腔深度分别取30,80 mm。经混响室试验测试，该产品降噪系数为1.0，且在250 Hz之后吸声系数均较高，达到了较好的吸声效果。

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[3]仲新华，谢永江，汪佳薇，等.铁路无砟轨道水泥基吸声板的研制[J].噪声与振动控制，2008(6):105-107.

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[11]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 18696.1—2004 声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量[S].北京：中国标准出版社,2004.