铁路声屏障用吸声材料吸声性能对比分析

李 峰

（中铁电气化局集团有限公司 中铁电气工业有限公司，河北 保定 071051）

1 概述

根据铁路噪声频率特征，低速列车等效频率在125 ～ 750 Hz[1]，高速列车噪声频率集中在低频段40 ～ 80 Hz 和高频段 500 ～ 8 000 Hz[2]，不同频率有不同的吸声系数。按照ISO标准和国家标准，吸声测试报告中吸声系数的频率范围是100 ～ 5 000 Hz。一般认为平均吸声系数大于0.2的材料是吸声材料、大于0.56的材料称为高效吸声材料[3]。在工程中常用降噪系数(Noise Reduction Coef fi cient，NRC)评价吸声性能，这一数值是材料在250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz频率吸声系数的算术平均值，根据《铁路声屏障声学构件技术要求及测试方法》(TB/T 3122—2010)[4]的要求，吸声材料NRC应大于0.60。

吸声材料按照吸声机理分为共振吸声结构材料和多孔吸声材料，目前铁路声屏障用吸声材料多选用多孔材料。多孔吸声材料的结构特征是材料内部有大量互相连通的微孔或间隙，孔隙细小且在材料内部均匀分布。吸声机理是当声波射到材料表面时，一部分在材料表面反射，另一部分透入材料内部向前传播，在传播过程中引起孔隙中的空气运动，与形成孔壁的固体孔筋或孔壁发生摩擦，由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能消散掉。声波在刚性壁面反射后，经过材料回到表面时，一部分声波透射到空气中，一部分反射回材料内部，声波通过这种反复传播，使能量不断转换耗散直到平衡，由此使材料吸收部分声能[5]。工程上广泛使用的有纤维材料和灰泥材料两类，前者包括玻璃棉和岩棉或以此类材料为主要原料制成的各种吸声板材或吸声构件等；后者包括微孔砖和颗粒性矿渣吸声砖等。

在吸声理论中，用流阻、孔隙率、结构因数来确定材料的吸声特性，而在实际应用中，通常以材料厚度、容重(重量/体积)来反映其结构状态和确定其吸声特性。增加材料的厚度可以提高低频、中频吸声系数[6]，但对高频吸收的影响小。如果在吸声材料和刚性墙面之间留出空间，可以增加材料的有效厚度，提高对低频的吸声能力。根据声学理论和声屏障声学材料实际情况，对多孔吸声材料进行对比分析。

2 多孔吸声材料吸声性能对比分析

以声屏障工程中常用的吸声材料为样品，采用《声学 混响室吸声测量》(GB/T 20247—2006)[7]的方法进行测试，对比不同多孔吸声材料的吸声性能。

2.1 纤维类吸声材料

纤维类吸声材料选用声屏障工程常用的离心玻璃棉板和岩棉板，根据声屏障实际使用情况，通常厚度为50 ～ 100 mm，考虑使用中最不利情况，厚度选用50 mm。

选择的吸声材料如下：离心玻璃棉板选用2号纤维平均直径玻璃棉，憎水率不小于98%，使用热固性树脂为粘接剂，容重为48 kg/m³，厚度50 mm，质量符合《绝热用玻璃棉及其制品》(GB/T 13350—2017)[8]。岩棉选用TR15岩棉板，尺寸稳定性不大于1.0%，憎水率不小于98%，容重100 kg/m3，厚度50 mm，质量符合《建筑外墙外保温用岩棉制品》(GB/T 25975—2010)[9]。

2.2 矿物微孔颗粒类吸声材料

矿物微孔颗粒类吸声材料在声屏障工程实际应用较少，为了对比研究，在此列入新型矿物微孔颗粒类吸声材料：陶粒板和火山岩板，这2种材料还未有相应的国家或行业标准。此类吸声材料较纤维类吸声材料孔隙率小，为满足《铁路声屏障声学构件技术要求及测试方法》(TB/T 3122—2010)对降噪吸声的要求(降噪系数不小于0.6)，将矿物微孔颗粒类吸声材料厚度设置为70 mm。材料具体指标如下。

膨胀珍珠岩板选用防潮FB板，吸湿率小于5%，断裂荷载大于175 kPa，颗粒体积密度小于500 kg/m³，厚度70 mm，质量符合《膨胀珍珠岩装饰吸声板》(JC/T 430—2012)[10]。陶粒板选用颗粒粒径小于5 mm，容重小于800 kg/m³，抗压强度大于3 MPa，厚度70 mm。火山岩板选用颗粒粒径小于5 mm，密度小于800 kg/m³，抗压强度3 MPa，厚度70 mm。

2.3 吸声材料吸声系数对比分析

不同吸声材料样品面积均为10 m2，试验按照1/3倍频程进行，其中心频率按照《声学测量中的常用频率》(GB/T 3240—1982)[11]标准执行。吸声系数数据如表1所示。

表1 吸声系数对比表

由表1可以看出，多孔类吸声材料在250 ～ 4 000 Hz频率范围内有较高的吸声系数。其中，纤维类吸声材料吸声系数普遍较矿物颗粒类高。降噪系数NRC由高到低分别为岩棉板、离心玻璃棉板、膨胀珍珠岩板、火山岩板和陶粒板，仅有陶粒板小于0.7。

3 纤维类吸声材料 (岩棉) 面板开孔率对吸声系数的影响

纤维类吸声材料(如岩棉板、离心玻璃棉板)因强度和刚度不足，不能单独承受压力。因此，声屏障工程中，常用外壳将吸声材料包覆起来，面向声源一侧外壳作开孔处理，使吸声材料发挥吸声效果的同时，降低室外露天环境对吸声材料性能的影响。目前，声屏障工程中常用非金属材料(如混凝土)及金属材料(如铝合金材料)作为外壳。

岩棉因其成本较低，具有良好的降噪功能，耐腐蚀、防火、无毒等特点，在声屏障实际应用中较为广泛，结合工程实际应用情况，目前主要有非金属吸声板孔径Φ15 mm孔(开孔率11%)，孔径Φ30 mm孔(开孔率20%)，长条孔(开孔率31%)；铝合金吸声板，开孔率40%。岩棉板材料选用与前述条件一致。不同开孔率下岩棉板吸声系数如表2所示。

表2 不同面板开孔率下吸声系数对比表

表2数据可以看出，吸声材料面板开孔率对吸声系数有一定影响，特别是频率大于1 000 Hz时对吸声系数的影响较大，当面板开孔率为11%，频率大于1 000 Hz时，吸声系数降低显著，当面板开孔率由11%增加到40%时，吸声系数呈增长趋势，当面板开孔率为40%时，4 000 Hz以下吸声系数与无面板基本一致，说明面板开孔率为40%时，面板开孔率对吸声系数无影响。

4 矿物颗粒类 (火山岩板) 吸声材料吸水后对吸声效果的影响

目前矿物颗粒类材料作为声屏障声学构件的吸声材料应用较少，对其相关的研究较少，并存在不同的看法，一是认为矿物颗粒类吸声材料吸水后因水堵塞其内部空隙，将降低吸声效果；另一种认为因矿物颗粒类吸声材料内部贯通，只要吸水不饱和，矿物颗粒类吸声材料将形成新的空隙，并不会影响其吸声性能。火山岩板内部空隙率高、吸水性强，选择火山岩板进行干燥和吸水状况下的吸声效果对比试验。为了更好地对比吸水前后数据，选用面积10 m2、厚度100 mm的火山岩板(厚度增加至100 mm可以提高低频吸声系数)，状态为干燥和吸水10 L分别进行吸声系数测试，试验数据如表3所示。

表3 火山岩板吸水后吸声系数对比表

由表3可以看出，吸水前后吸声系数变化很小，说明在非饱和吸水情况下，火山岩板类吸声材料吸水后并不影响其吸声效果。

5 结束语

多孔类吸声材料在250 ～ 4 000 Hz频率范围内有较高的吸声系数。其中，纤维类吸声材料吸声系数普遍较矿物颗粒类高。降噪系数NRC由高到低分别为岩棉板、离心玻璃棉板、膨胀珍珠岩板、火山岩板和陶粒板。吸声材料开孔率对吸声材料的吸声系数有一定影响，特别是频率大于1 000 Hz时对吸声系数的影响较大，随着开孔率的增加，吸声系数呈增长趋势，当面板开孔率为11%时，高频吸声系数下降显著，当开孔率为40%时，开孔率对吸声材料的吸声系数无影响。火山岩板吸声材料吸水前后其吸声效果变化不大。