声强测量在高铁声屏障检测中的应用研究

2020-11-19马爱英汪臻

铁道科学与工程学报 2020年10期

马爱英，汪臻

声强测量在高铁声屏障检测中的应用研究

马爱英1，汪臻2

(1. 中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所，北京 100081；2. 中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

将声强法应用于3种不同类型的高速铁路声屏障的隔声测量中，并与声压法的隔声测量结果进行对比分析，讨论声强法在高速铁路声屏障隔声测量中的优势。研究结果表明：声强法能直观的检测出声屏障存在的漏声点；能为高速铁路声屏障的精细设计提供支撑；为高速铁路异型声屏障测量、现场隔声测量提供依据，并为高速铁路声屏障相关设计标准的修订提供数据支撑。研究成果对高速铁路声屏障隔声测量具有一定的指导意义，能为现场隔声测量提供可行方法。

声屏障；声强法；空气声隔声；高速铁路

声强测量技术始于20世纪70年代末，80年代开始应用于建筑隔声测量，90年代出现了便携式声强测量系统，近期在测量技术和应用方面开始有了较快的发展[1−3]。声强法在隔声测量中应用广泛[4−11]，引起了国内外学者的关注。蔡阳生等[12−13]对声压法与声强法隔声测量的不确定度行了对比，并对声强法测量建筑和建筑构件空气声隔声技术进行了研究；扈西枝等[14]利用混响室−消声室对飞机舱壁板结构隔声也进行了测试研究，2种研究实验室不同，计算公式不同，修正方法有差异，但声压法和声强法2种方法隔声量测量结果吻合度较高。SHEN等[15]基于声学测量和数值模拟，提出了一种确定大型挤压板对壳体内声压级的噪声贡献的实用方法；Mcgary等[16]将声强技术运用于飞机机身隔声量的测量；连小珉等[17]将声强法声场分析运用于大型客车的噪声控制。近年来，国内外已将近场声强法应用于机车、飞机、电机等领域中的噪声源识别方面。在轨道交通领域中声强法已用于高铁沿线线路噪声源识别，但在高铁声屏障方面却是空白。与其他构件相比声屏障构件有其特殊性——表面有吸声性能，本文对声强法应用于高速铁路声屏障隔声测量进行探讨，并与传统声压法的隔声测量结果进行对比分析，为高速铁路声屏障相关标准的制定提供数据支撑。将声强法应用于高铁声屏障的日常检测中，对高铁声屏障质量控制具有重要的意义。

1 实验室应用声强法对高速铁路声屏障空气声隔声量测试

1.1 隔声测量的依据

本文依照GB/T31004.1-2014/EN ISO15186—1:2 000声学建筑和建筑构件隔声声强法测量第1部分：实验室测量。采用如下公式对声屏障的隔声量进行测试[18]：

其中：I为声强隔声量；p1为声源室平均声压级；In为接受室中测量面平均法向声强级；为试验中被测试件的面积；m是各测量子面的面积之和。由于声屏障构件安装在隔墙中，测量面即是构件面积，因此可将式(1)简化为：

1.2 检测设备

1.2.1 检测实验室

隔声实验室由声源室(89.8 m3) 和接收室(80.8 m3) 构成；声源室与接收室之间有声屏障的测试洞口；接收室墙壁悬挂吸声体，100～5 000 Hz频率范围内混响时间全部在1～2 s，符合GB/T19889.1—2005声学建筑和建筑构件隔声测量第1部分：侧向传声受抑制的实验室测试设施要求。实验室做过内部质量控制声压法实验，结果[19]符合GB/T19889.2—2005声学建筑和建筑构件隔声测量第2部分：数据精密度的确定、验证和应用[20]。

1.2.2 检测仪器

采用十二面体声源Brüel & Kjær(B & K)4292- L，建筑声学分析仪B & K2270，声压测量采用4189传感器，声强测量探头采用 B & K3654型套件，传声器是直径为1/2英寸4197传感器对，定距柱为12 mm或50 mm。声压校准器采用B & K4231，声强校准器采用B & K4297。

1.3 检测过程

先用传统声压法依据GB/T 19889.3—2005规定步骤对3类代表性高铁声屏障构件(金属声屏障、非金属声屏障及亚克力透明板)进行隔声量和声源室平均声压级测量，记录结果。

再用声强法按照标准：GB/T31004.1—2014进行空气声隔声量检测，检测过程如下。

1.3.1 校准

将B & K 3654型声强探头放置在 B & K4297声强校准器的耦合腔并密闭好后,在校准菜单内选择正弦按钮进行声压校准,待状态栏变绿，点“stop”键退出，再选择残余P-I指数校准，待频谱稳定，点“stop”键退出，校准结果自动存储。

1.3.2 测量面选择

因为被检声屏障与测试洞口形成龛室，龛室深度28 cm，因此直接取龛室开口平面作为测量面，测量距离28 cm。

1.3.3 测量路径

接受室的平均声强级通过扫描法测量得到，声强探头一定要垂直试件表面，在测量面扫描时保持速度均匀，约0.2 m/s，操作人员站位应注意身体不会阻挡声源的声辐射。先用定距柱为12 mm声强探头按如图1所示路径扫描，测量2次，记录数据，2次测量的结果在每一个频带内差值均不大于1 dB时，测量才有效。两次结果平均值作为最后结果，同时记下表面声压−声强指示值pIn；2次扫描测量的数据在每一个频带内差值如果大于1 dB，则测量无效，需要重新再测，直到要求满足。同样的方法用定距柱为 50 mm声强探头再扫描测量，记录结果。

图1 2种扫描路径

1.3.4 测量面合格性检验

根据表面声压−声强指示值pIn(图2)，可以看出对于金属和非金属声屏障箱体(表面带孔或格栅式，内填岩棉等吸声材料)，所有频带均小于6 dB (0.5～5.9之间)；对于透明板(属于反射型构件)，所有频带均小于10 dB(4.2～8.5之间)；接受室背景噪声最大值是30.5 dB，比声压级与声强级小10 dB以上，测量面选择符合标准要求。如果测量面选择不合格，则检测无效。

1.3.5 结果计算

将记录的声强结果根据式(2)计算声强隔声量，并与声压隔声量进行比较，结果如图2。

2种方法得到计权隔声量结果如表1。

(a) 金属声屏障2种测量方法结果；(b) 非金属声屏障2种测量方法结果；(c) 透明板声屏障2种方法测量结果

表1 3种构件声压计权隔声量和声强计权隔声量

1.4 结果讨论

1) 频谱分析：3种声屏障构件在100～5 000 Hz频率范围的声压法及声强法的隔声量结果如图2所示，2种方法得到的隔声量总体吻合度较好。

实验室在100～630 Hz选用50 mm定距柱，在800～5 000 Hz选用12 mm定距柱，2种方法得到的隔声量吻合度更高，100 Hz声压法与声强法差异较大(Waterhouse 修正后还相差2～4 dB)；低频部分需要Waterhouse 修正，中高频部分2种方法吻合度很高，不用Waterhouse 修正。

2) 计权隔声量：从表1看出声强法与声压法的计权隔声量测量结果基本吻合，但随着隔声量的增加，声压法的测量结果相对偏小，这跟声压法测量时传声器与构件相对较远，向接受室辐射了一定的声功率有关，声压法对实验室要求较高，从定义和测量过程看声强法结果更接近真实值。

3) 目前传统声压法测量空气声隔声量成熟、方便，设备先进，软件配套齐全，但是声压法对实验室要求高(大小、声场、侧向传声、信噪比等都有较高要求)；声强法由于是近场测量对实验室要求相对较低，通过测量声强级，采用计算机计算结果，如果配套软件系统开发成功，使用起来会更方便、快捷、准确，使声强法测量隔声量快速走向实用化。

因此完善中低频检测方法及结果修正，声强法可以用于高铁声屏障隔声量检测，且具备更多优点。

2 声强法辅助声屏障精细化设计

2.1 声强法对声屏障漏声点的精确定位

声强测量是直接在接收室侧的构件表面测量透射声功率，每个点的声强级结果可以非常实时直观地反应隔声量，声强级大表示透射功率强，也即说明隔声量较低，漏声较多，直接定位漏声点，为声屏障的设计与研发很快提供数据上的支撑。

对同一批声屏障样品在实验室环境分别以声压法和声强法进行了检测。声压法检测时隔声量结果达不到标准要求，但无法准确定位漏声点。但通过测量声强级，发现声屏障构件之间及两端端点与洞口连接处声强级大3～5 dB左右，发现了漏声点，原因是声屏障连接处有5 cm金属外框，框架里面没有任何填充物。产品经过厂家改进后，隔声效果显著提升。

2.2 声强法辅助声屏障的精细化设计

高速铁路沿线不同地段，噪声特点不同。进出车站时，重点关注中低频部分声屏障隔声性能；在线路区间，列车高速行驶时重点关注高频部分隔声性能。利用离散点法进行声强测量，结合不同段频的声强等高线图或曲线图进行综合分析，可以有针对性地提出声屏障的改进意见，改善高铁声屏障的隔声性能，有助于高铁声屏障的精细化设计。

3 声强法适用性

声强是矢量，它不仅能给出测点部位的声流量值，而且能揭示声流方向，同时还具有区分声场中的有功分量和无功分量，故声强法适用于近场、自由场、远场及扩散场[21]，容易满足测量环境条件要求。鉴于以上优点，声强法具有普遍的现场适用性。1) 声压法难以实现的异型声屏障(比如干涉型声屏障)隔声量检测，可以用声强法检测；2) 声强法是高铁沿线声源识别先进实用可靠的方法；3) 声强法已经纳入了国家规范，高铁声屏障隔声量的声强检测法有国家标准(GB/T31004.2—2014)。因此，声强法对于声屏障效果检测和产品质量控制有重要实践意义。

4 结论

1) 声压法和声强法测量高铁声屏障隔声量结果基本吻合。

2) 声压法测量成熟方便，是隔声量检测的可选方法，但声压法相对粗放。

3) 声强法对环境要求相对较低，测量结果更接近真实值；并且，声强测量能实时直观地定位漏声点，可以准确发现声屏障的设计缺陷，也能成功地应用在声源识别、声屏障现场检测、异型声屏障的隔声效果检测。

4) 声强检测正迅速改变着传统的噪声测试分析方法，实用价值较大，应该较快地积累数据、设计修订相关标准，进行应用和推广。

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Application of sound intensity measurement in the detection of high-speed railway sound barriers

MA Aiying1, WANG Zhen2

(1. Energy Saving and Environmental Protection and Occupational Safety and Health Research Insitute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China; 2. Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd, Beijing 100055, China)

The sound intensity method was introduced in the measurement of sound insulation of three different types of high-speed railway (HSR) sound barriers. The comparison was made between the sound pressure and sound intensity methods, and the advantages of sound intensity method in the sound insulation measurements of HSR sound barriers were discussed. The application results of the three different types of HSR sound barriers show that the sound intensity method can detect the leakage points of sound barriers more intuitively than the sound pressure method. The findings could provide technical basis and reference for the fine-tuned design of HSR sound barriers, the measurement of irregularly shaped HSR sound barriers, and the measurement of field sound insulation. It also provides measurement data to support the revision of relevant design standards of HSR sound barriers. This study can provide significant guidance for the sound insulation measurement of the HSR sound barrier and provide feasible methods for the measurement of field sound insulation.

sound barrier; sound intensity method; airborne sound insulation; high-speed railway