京雄城际铁路全封闭声屏障降噪效果研究

辛思远,张世峰,王晓伟

(1.中国铁路经济规划研究院有限公司,北京 100038； 2.中国铁路设计集团有限公司,天津 300308； 3.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)

1 概述

随着我国经济的发展，噪声问题也愈发突出，噪声污染已成为空气污染之后人类公共健康的“第二大杀手”[1-2]。设置声屏障，切断噪声的传播途径，是高速铁路降噪最常用的措施之一[3]。目前，我国铁路采用的声屏障主要有直立式、折角式、半封闭、全封闭4种型式，其中，直立式、折角式声屏障技术已相对成熟，并已广泛应用于各铁路建设项目，对减缓铁路运行噪声对沿线的影响发挥着重大的作用[4-6]。但由于高速铁路列车运行速度高、车流密度大，同时铁路经过城市建成区两侧多分布高层住宅建筑，普通直立式、折角式声屏障对较高楼层不能有效阻隔铁路噪声，采取直立式、折角式声屏障后，区间高速路段无法满足国家声环境质量标准要求[7-8]。目前，部分低速铁路项目已考虑采取半封闭、全封闭声屏障措施[9]。

北京至雄安新区城际铁路(以下简称“京雄城际”)，设计时速350 km，是首个引入雄安新区的重大交通基础设施建设工程，原国家环境保护部环评批复要求在北落店村设置全封闭声屏障1处，长约847.25 m，线路形式为桥梁，桥高约15 m。京雄城际桥梁地段全封闭声屏障为国内外首例时速350 km高速铁路桥梁全封闭声屏障。为探究其降噪效果，采用Actran软件，建立京雄城际桥梁地段的全封闭声屏障仿真模型，预测全封闭声屏障的降噪效果，同时在列车提速试验期间研究分析其实际降噪效果，为以后工程应用提供依据。

2 全封闭声屏障仿真模型建立

根据噪声源辨识测试结果显示，高速铁路噪声在200～5 000 Hz范围内；桥梁结构噪声主要频率为1 500～2 500 Hz，考虑桥梁结构振动可能引起半封闭和全封闭式声屏障二次结构噪声，结构振动的有效计算频率应不小于2 500 Hz。为保证纯声学仿真，选用的软件应能同时满足声学与结构振动的低频计算和较高频计算需要。Actran提供的二维仿真模型能将铁路噪声源视为线声源，并假设声源特性和铁路线声学特征不沿线路方向变化，其结果与三维无限长模型计算结果等效，能够满足仿真要求[10-11]，因此，本研究选用Actran软件建立仿真模型。

2.1 建立声学有限元-无限元模型

全封闭式声屏障的二维声学有限元模型包含整个声屏障框架结构以及简支梁。图1为桥梁段全封闭声屏障二维有限元-无限元仿真模型，主要包含桥梁、轨道板、护撞墙、声屏障等，计算声屏障对近轨列车噪声降噪效果，列车和桥梁结构几何模型参照通用图绘制并做简化处理。因桥梁结构噪声不受声屏障影响，出于简化计算模型的目的，用图2模型单独计算后叠加至总噪声中。

图1 考虑桥面以上声源的全封闭声屏障声学仿真模型

图2 只考虑桥梁结构噪声的全封闭声屏障声学仿真模型

2.2 设定声学边界条件

声学边界条件可表征各种障碍物对噪声的反射、吸收和衍射作用[12]。桥梁段声屏障声学仿真模型只包含1处吸声边界即声屏障内侧，实际测试路段桥梁高10m，因此，模型中不考虑地面对声场的影响。其余声学边界如列车表面、高架桥、钢轨、轨道板、声屏障背板等结构表面均设为不吸声的全反射边界。混响室法测得的通用声屏障单元板1/3倍频程吸声系数如表1所示。

表1 混响室法测得的金属声屏障面板吸声系数

2.3 设立全封闭声屏障等效声源

仿真时采用的声源应与环境噪声评价量相对应，环境噪声评价量均为规定时间内均声压平方的平均值或叠加值，即列车远场辐射噪声的综合效果而辐射噪声的瞬态量[13]。因此，可对高速铁路噪声源辨识所得到列车表面噪声源进行简化和等效，获得仿真预测模型中的线声源，以线声源等效替代列车表面实际声源。转向架、受电弓、车头等部位噪声源并非线声源，其远场辐射噪声LAeq，Tp与等效线声源的远场LAeq，Tp相同，因此也可以用等效线声源表示。

线声源等效方法是在线路方向求每个高度下所有点声源强度的平均声强，再按式(1)计算每条线声源单位长度的辐射声功率。在高度方向，分别计算桥面以上等效声源和桥梁结构声源。桥面以上声源考虑列车表面声源位置分布特性，从轨面以下0.4 m至轨面以上5.6 m，每隔0.2 m设置一个线声源，共计31条；桥梁结构从轨面以下2.8 m至轨面以下0.8 m，每隔0.2 m设置一个线声源，共计11条。由于列车长度超过200 m，因此在线路方向上，声源模型假设为无限长线声源，且频谱特性在线路方向不发生变化。

(1)

式中，A为声源幅值；ρ为曲率半径；ω为角速度；W为辐射声功率。

根据津秦高铁声源识别计算结果，确定各部分等效声源的声功率，进而确定声学仿真模型中噪声源的大小。350 km/h速度下CRH380动车组噪声辨识噪声源分布云图如图3所示。

图3 350 km/h下CRH380动车组噪声源分布云图

各区域辐射声功率的1/3倍频程A计权频谱如图4所示。A计权频谱中的低频噪声不再具有优势。桥梁结构噪声主要出现在1 500～2 500 Hz；轮轨区噪声在500～4 000 Hz范围内均较强，在500～2 000 Hz范围以下尤为突出；车体下部噪声在500～1 600 Hz之间较强，且在500 Hz以上随频率升高而下降。

图4 350 km/h速度下CRH380动车组按高度划分的噪声源1/3倍频程谱

各区域噪声对噪声总能量贡献的比例，A计权条件如图5所示，轮轨区噪声和车体下部噪声所占比例明显上升，分别达到48%和25%，桥梁结构噪声所占比例下降到18%，车体上部噪声所占比例下降到6%，集电系统噪声所占比例提升至4%。

图5 350 km/h速度下CRH380动车组按高度划分的噪声源能量贡献百分比

通过声源辨识测试，得到车体各部位的声源辐射功率，通过计算可得Actran软件计算所用的噪声源幅值。

3 全封闭声屏障降噪效果预测

3.1 全封闭声屏障降噪效果

根据建立的模型及声学边界条件、等效声源，在不考虑桥梁结构噪声、声屏障二次结构噪声时，计算分别得到无、有声屏障条件下单车及会车时通过桥梁时的噪声辐射云图，在距线路外轨中心线25 m处，距轨面3.5 m高处布置噪声测点，读取得出受轨面以上声源影响的受声点处通过噪声1/3倍频程频谱，如表2所示。

表2 受声点处1/3倍频声压级

无声屏障情况下，单车通过时总A计权声级为105.8 dB(A)，会车时总A计权声级为107.1 dB(A)，有声屏障情况下，单车通过时总A计权声级为85.6 dB(A)，会车时总A计权声级为86.6 dB(A)，设置声屏障倍频程频谱声压级变化如图6、图7所示。实施全封闭声屏障后，其插入损失值为20.2～20.5 dB(A)，相对于低频噪声而言，设置全封闭声屏障后对高频噪声的降噪效果更加明显。

图6 单列车通过时设置与不设置声屏障时受声点处1/3倍频声压级

图7 会车时设置与不设置声屏障时受声点处1/3倍频声压级

3.2 吸声材料对全封闭声屏障降噪效果影响

吸声材料是影响铁路声屏障降噪效果的重要因素之一[14]，为研究全封闭声屏障吸声材料设置对全封闭声屏障插入损失的影响，利用计算模型，考虑采用吸声材料后声屏障隔声性能不变条件下，比较全封闭声屏障内壁设吸声材料对其插入损失的影响，在全封闭声屏障壁表面设置声阻抗的边界条件，用以模拟铺设的吸声材料。其值可采用Delany-Bazley经验公式得到

(2)

式中，Zn为吸声材料阻抗；c为空气中声速；ρ0为空气密度；f为频率；σ为材料流阻。选取无机硅酸盐作为吸声材料，材料表面流阻取5 000 N/m3，在模型中节点上施加声阻抗的边界条件。该材料的相对声阻抗率如表3所示。

表3 材料的相对声阻抗率

从表3可以看出，框架式声屏障安装吸声板后，其吸声降噪效果明显改善，特别是全封闭声屏障内辐射噪声的高频成分明显降低，如图8所示。声屏障内侧设置或不设置吸声材料的情况下，全封闭声屏障内部混响场总噪声级差值为8.3 dB(A)，设置吸声材料在高频段有较为显著的降噪效果。结合全封闭声屏障透射声、声屏障二次结构噪声、桥梁噪声，距线路外轨中心线25 m、距轨面3.5 m处噪声测点声压级如表4所示。

图8 吸声材料降噪效果计算结果

表4 距线路外轨中心线2 m、距轨面3.5 m处噪声测点声压级 dB(A)

列车通过全封闭声屏障时，辐射噪声在屏障内部短时间多次反射叠加，形成混响，屏障内部噪声能量密度和幅值普遍明显高于明线路段同一位置的噪声。此时，应将混响声场视为对环境噪声有实际影响的声源，混响声场平均能量密度决定了噪声幅值。在声屏障隔声量一定的条件下，须在全封闭声屏障内侧安装吸声材料，降低混响声场，否则混响引起的噪声提高一定程度上抵消了隔声产生的降噪效果[15-16]。

4 现场测试及分析

4.1 测试布点

国际标准ISO 3095-2013对于高速列车噪声型式试验所要求的环境条件、轨道状态、测量点位(标准测点、附加测点)、测量量、试验程序、数据处理等方面有详细规定[17-18]。根据ISO 3095-2013要求，当测试列车速度≥200 km/h时，辐射噪声的标准测点通常布置在水平向距轨道中心线25 m、垂向距轨面3.5 m处，铁路边界噪声测试各断面测点布置如图9、图10所示。

图9 全封闭声屏障断面声屏障噪效果测点布置(单位：m)

图10 全封闭声屏障区段声屏障测点现场

4.2 测试方法

本研究参照GB 12525—1990《铁路边界噪声限值及其测量方法》等规定的方法[19]。噪声测试利用多通道数据采集仪，测试动车组以不同速度通过声屏障插入损失变化情况，评价铁路环境噪声及声屏障降噪效果是否满足相关标准及设计要求。为此，在2020年9月21日至10月9日，CRH380AJ—0201综合检测列车提速试验期间，搭载开展了噪声测试，检测线路为上行线，共测试了48组有效数据，列车每个速度噪声均测试2次以上，最高速度385 km/h。本次噪声检测中测试断面分布及边界条件汇总如表5所示。

表5 测试断面分布及边界条件

4.3 数据分析

通过对现场测试数据分析，其结果如表6所示。当综合检测列车以180～385 km/h速度通过全封闭声屏障时，距轨道中心线25 m、垂向距轨面3.5 m处，实测插入损失值为17.0～20.6 dB(A)；当综合检测列车以350 km/h速度通过全封闭声屏障时，插入损失值为19.8～20.1 dB(A)，满足设计降噪效果要求和国家、行业相关标准[20]。

表6 全封闭声屏障插入损失值

5 结论

京雄城际铁路桥梁地段全封闭声屏障为国内外首例时速350 km高速铁路桥梁全封闭声屏障，通过仿真模拟和现场测试，对京雄城际铁路北落店村段全封闭声屏障降噪效果进行深入研究，得出如下结论。

(1)通过仿真模拟发现，设置全封闭声屏障后，噪声插入损失值在20.2～20.5 dB(A)之间，而声屏障内侧设置吸声材料，与不设置总噪声级差值为8.3 dB(A)，顶部开口与否对声屏障降噪效果影响仅有0.4 dB(A)。

(2)在现场测试中，发现当综合检测列车以180～385 km/h速度通过全封闭声屏障时，距轨道中心线25 m、垂向距轨面3.5 m处，实测插入损失值为17.0～20.6 dB(A)，满足国家相关标准要求。

该成果目前已成功运用于京雄城际全封闭声屏障的设计和施工，在京雄城际联调联试阶段，经检测其降噪效果显著、各项指标优异，整体系统协调，已成为京雄城际上一大技术亮点,全封闭声屏障已成为该工程一道靓丽风景。

该成果在京雄城际铁路上的成功应用，建立了高速铁路全封闭声屏障降噪设计技术体系，对于推动高速铁路噪声防治技术的进步和发展，提高高铁沿线居民声环境质量具有十分重要的意义，对于今后类似声屏障设计具有指导意义，为高铁“近城静音”提供了有益借鉴，研究成果具有较强的经济、环境和社会效益。