高速铁路声屏障设计研究

张学坤

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 声屏障研究内容

目前我国对于声屏障研究的内容主要包括：如果高速铁路运行过程中不设置声屏障或声屏障设置达不到预期标准时，降低噪音的程度，同时要对声屏障设置后，对周边居民造成的视觉冲击和景观影响进行考虑。根据声屏障的降噪原理与插入损失计算概述，实现对声屏障降噪基本理论，声屏障插入损失计算理论与特性，高速铁路噪音源特性，编制声屏障插入损失模型预测系统等方面的研究开展。

2 声屏障基本知识

任何一个声学系统都是由声源传播途径受声体三部分组成，缺一不可，所以在进行噪音控制时，要从三个环节的控制难易度进行考虑，选择合适的控制端口。目前的研究工作比较广泛，对于如何从声源上对噪音产生进行根治，如何在噪音的传播途径上采取相应的措施，降低噪音影响，以及如何在接收点对受伤者进行保护，三种方向进行同时研究，希望能够找出一个最具可行性的降噪方案。其中在声源对噪音产生进行控制，虽然是最理想的噪音控制方向，但是实现难度最大。以现有技术想要实现第一种解决办法，对于施工技术性和经济投入要求非常高，所以目前切实可行的降低噪音污染的方法，是在传播途径中设置足够数量的声屏障，来阻断噪音的传播，利用声屏障对于声源附近敏感点进行保护，是目前技术能力条件下一种有效的控制噪音的办法。

3 声屏障降低噪音的原理

声屏障对噪音进行控制的原理是基于惠更斯-菲涅斯的波动理论。该理论指出，如果能够在声音发声处与受声点之间设置一个密度较高的物体。声音在传播这个物体后，需要通过绕射的形式，才能够传到原先的接收点。在这一过程中声音传播的路径被明显地拉伸，而由于在声波传播过程中随着传播距离的增加，会产生一个非常明显的衰减过程，这种障碍物的存在就能够有效地降低噪声传到周边居民生活区域时的音量。当声波遭遇声屏障是将有三条路径进行传播，第一条路径是越过声屏障的顶端绕射到受声点，另一部分是穿透声屏障到达受声点，还有一种路径是通过声屏障避免进行反射。而声屏障的插入损失，主要是源于声源发声的声波沿三条路径传播时的声能分配。声源辐射的声波在屏障背后形成声影区，而声影区的大小，则与声屏障的设置高度有关。

3.1 绕射

当声音在传播过程中，越过声屏障顶端绕射到受声点时，此时的声能将明显低于直达时得能量。两种不同声级之间的差别被称之为绕射衰减。这个数值与声波的绕射角度有关，角度越大，声音衰竭的频率越大，达成的降噪效果最好。

3.2 透射

声波在穿越声屏障传播到受声点的过程被称之为透射，在这一过程中，声屏障对于噪音的控制，主要是取决于声屏障表面的密度设置以及入射角和声波自身的频率。在此过程中声屏障材料的隔音能力，用传声损失这一概念来进行评价，也可以称之为隔声量。能够透过的声能越少，就表示声屏障材料的隔声效果更好。这里需要注意的是，声屏障对于声音的阻隔效果，取决于其表面材料的密度和自身体积的大小，一般来说体积越大，隔声效果越好，对于噪声的隔绝能力越强，但是如果声屏障材料表面出现少许空隙或空洞，就会对声屏障的整体隔声效果造成严重的破坏，由于声能可以通过空隙直接传播至受声体，在这一过程中，会大大减少经过声屏障所需损失的声能，造成声屏障的隔声效果得到大幅度降低。具体原因是声屏障出现孔洞，当声波传播至孔洞时，可以透过小孔位置穿过，在小孔中心形成新的球面波中心。直观来说，就是能够在声屏障里面二次形成声源，而由于这个声源所传播出的声音没有声屏障的阻隔，所以，噪声的能量会不受损失，直接传递给受声体。

4 声屏障结构设计

为了使铁路声屏障建成之后，能够减少各种荷载所造成的破坏作用，需要对声屏障，结合实际的使用环境和功能进行专门的结构设计，关于声屏障的结构数据主要从两个方向来思考。第一个方向是声屏障承重结构的设计与计算，另一个方向是声屏障结构在声学所满足的设计需求。

4.1 声屏障的主要荷载来源

在声屏障使用过程中，造成其出现荷载的主要来源包括自重，地震引起的荷载，风荷载在北方地区，还需要考虑到冰雪积压所造成的荷载。

4.2 针对荷载所采取的承重结构设计

声屏障单体构件的强度和刚度，除了与构筑物进行整体浇筑的部分外，一般声屏障构建中还有一部分体量是单独制成的，需要对其进行安装，在对于这些部分进行设计时需要对其刚度和强度进行考虑，确定其符合声屏障的使用需求，并且在运输和安装过程中，要确保所有的操作符合规范，保证其刚度和强度不会受到损失，在安装完成之后，单体强度和刚度的主要荷载来源是水平风压力导致的变形量和挠曲强度。在运输过程中，其受到的荷载主要是由于构建自身的重量而导致的弯曲和变形情况，同时也与吊运的位置有关。

声屏障结构的主要组成部分包括立柱，障板与立柱的联系部分，柱与基础连接区域和基础本身，每一部分都要进行单独的计算。

（1）由于在使用过程中，立柱部分需要承受所有的横向风压所导致的荷载，立柱一般为单悬臂梁，因其受力最危险的部分处于根部，所以在根部承受的水平力，弯曲自重产生的垂直力是整个立柱是否能够承受荷载的关键。对其进行设计时，如果发现无法满足现有的使用需求，就需要对尺寸或者刚度进行修改。同时还需要对立柱的稳定性进行验算，顶端为量不得超过1：300。

（2）障板与立柱连接处的计算，要与单件计算统一，如果两者存在锚固部分，还需要计算其剪力强度。

（3）对于立柱与基础连接部的计算，当声屏障设置在高架结构时，基础与立柱之间往往以法兰盘相连。

（4）基础部分的计算，立柱分为浅基础和桩基础两大类，分别按照其运算规范进行相应工作，如果声屏障设置在桥梁或挡土墙上，为保证上部结构不受影响基础需要另外设计，采取的方法多为，外移挡墙，加固桥梁翼梁，预埋钢构件。

4.3 声屏障构造设计

在对承重部分进行计算完成后，并不意味着声屏障的构造设计工作完成，除了需要保证其具有一定的强度和稳定性之外，还要求其与声学要求相匹配。为了保证声音的不漏时需要确保板与板或板与柱之间足够紧密的贴合。为了达成这样的要求就需要通过结构断面的组合来达成。

5 结语

高速铁路的发展和运行，对于我国经济社会发展起到了非常重要的推动作用，同时也是我国铁路行业未来发展的标志，在高速铁路发展过程中，虽然具备很多传统铁路所没有的特性，但是由于高速铁路运行过程中产生的污染，也成为周边居民诟病的原因。在高速铁路发展过程中，为了提高可持续性，就一定要解决在高速铁路运行过程中的噪音问题，声屏障设置是目前技术条件下最有效的一种对于运行噪音进行控制的办法，并且经过了长时间的实践，证明了其的有效性，虽然目前我国对于声屏障的研究和研发工作尚处初级阶段，但我国在未来发展过程中有大量的市场空间，所以该技术一定会在我国有更加广泛的应用和发展。