高速铁路半、全封闭声屏障振动与降噪效果研究

高速铁路半、全封闭声屏障振动与降噪效果研究
李小珍;杨得旺;高慰;罗云柯
【摘要】半封闭、全封闭声屏障能够大幅降低高速铁路噪声,逐渐应用在降噪要求较高的路段.声屏障的振动影响着结构使用年限与运营安全,良好的降噪效果是声屏障性能最主要评价指标.以高速铁路半封闭、全封闭声屏障为研究对象,基于试验和数值仿真分析方法对声屏障振动以及降噪效果开展研究.以沪昆客专杭长段半封闭式声屏障为工程背景,分别现场测试桥梁-声屏障的振动、声屏障内外表面噪声、敞开侧和封闭侧噪声.另外,建立了轮轨动荷载、脉动风压作用下声屏障振动分析模型.针对全封闭金属吸声板、混凝土声屏障,通过数值计算分析动车组(CRH2)轮轨动荷载作用声屏障振动,基于足尺模型试验开展了全封闭声屏障降噪特性的研究.研究结果表明:声屏障的振动大于箱梁振动,且呈现宽频特性.高速铁路半封闭声屏障降噪效果约15 dB(A),全封闭金属吸声板声屏障、全封闭混凝土声屏障,距线路7.5 m处的插入损失约25 dB(A)、22 dB(A).%Semi or fully enclosed sound barriers can greatly reduce the noise of high speed railways, and it is gradually applied to the section with higher noise reduction requirements. The vibration of the noise barriers affects their own service life and operation safety. So, good performance effect of noise reduction is the most important performance index of the noise barriers. In this paper, the noise reduction effects of semi closed and fully enclosed noise barriers of high-speed railways were studied based on the experimental and numerical simulation analysis methods. With the semi closed sound barrier in Shanghai to Kunming passenger line as an engineering background, the vibration of the bridge sound barrier, the noise inside and outside the sound barrier
and the noise on the open side and the closed side were tested. In addition, the vibration analysis model of the noise barrier under the wheel-rail dynamic load and fluctuating wind pressure load was established. For the fully-enclosed metal noise barrier and the fully-enclosed concrete noise barrier, the vibration of barriers under the dynamic load of CRH2 was analyzed by the numerical analysis method. Based on full-size model test, the noise reduction characteristics of the fully-enclosed metal noise barrier were studied. The results show that the vibration of the noise barrier is larger than that of the box-shaped girder, and both vibrations have broadband characteristics; the noise reduction effect of the semi-enclosed noise barriers is about 15 dB(A). At 7.5 m distance from the track central line, the insertion losses of the fully-enclosed metal noise barrier with composite sound absorption plates and the fully-enclosed concrete noise barrier are respectively 25 dB (A) and 22 dB(A).
【期刊名称】《噪声与振动控制》
【年(卷),期】2018(038)0z1
【总页数】6页(P8-13)
【关键词】声学;半封闭声屏障;全封闭声屏障;振动;降噪效果;高速铁路
【作者】李小珍;杨得旺;高慰;罗云柯
【作者单位】西南交通大学桥梁工程系,成都 610031;西南交通大学桥梁工程系,成都 610031;西南交通大学桥梁工程系,成都 610031;西南交通大学桥梁工程系,成都 610031
【正文语种】中文
【中图分类】U270.1+6;TU112.59+4
高速铁路噪声污染严重影响沿线自然环境以及居民生活质量，当线路穿越噪声敏感区域时有必要进行噪声控制。

声屏障可有效屏蔽各种噪声源的传播，是控制交通噪声的重要措施（1）。

国内外对声屏障的振动与降噪效果进行大量的研究。

龙丽平基于流体计算软件CFX探究了列车经过声屏障时的空气脉动力分布规律[2]。

韩珈琪利用Fluent动态铺层技术，模拟了作用在声屏障上的脉动风压特性，并讨论了不同形式声屏障的气动特性[3]。

Tokunaga等结合现场试验与数值模型，从避免共振的角度，研究了高耸直立式声屏障在脉动风压作用下的动力响应，并提出了简化计算方法[4]。

通过改进直立声屏障顶部结构（如T型、Y型、多重边缘顶部结构等）以及加装顶部降噪装置，可增大降噪效果1 dB(A)～4 dB(A)[5–8]。

费广海、吴小萍等针对我国高速铁路直立式声屏障，采用数值模拟研究了声屏障高度对其降噪效果的影响，得出了路基区段和桥梁区段声屏障的合适高度[9–10]。

由于直立声屏障高度受限，降噪效果有限。

对于降噪要求高的路段，有时会采用半封闭、全封闭声屏障。

通过现场试验研究了半封闭声屏障振动与降噪效果，并分别建立了轮轨动荷载和脉动风压作用下声屏障振动分析模型。

对于全封闭声屏障，基于足尺模型试验研究了其降噪效果，并通过数值分析了高架桥上全封闭声屏障在动车组（CRH2）轮轨动荷载作用下的振动响应。

1 半封闭声屏障
半封闭声屏障封闭一侧以及顶部的部分或全部，可大大降低铁路噪声对高层建筑的影响。

半封闭声屏障在城市轨道交通的得到了广泛的应用，例如上海、武汉、宁波
等城市。

在高速铁路上，上海至杭州铁路客运专线（沪杭高铁，设计速度350
km/h）经过上海市区林水美地苑小区路段、杭州至长沙铁路客运专线（杭长高铁）经过金华市区部分路段、北京至张家口城际铁路（京张城际，设计速度250 km/h）经过北京市区智学苑小区路段等噪声敏感区域设置了半封闭声屏障。

本文基于现场试验以及数值仿真分析对杭长高铁金华段桥上半封闭声屏障进行振动与降噪效果分析。

该区段为多跨32 m混凝土简支箱梁组成的高架桥，线间距为5 m。

轨面距地面的高度为5 m。

声屏障全高8.15 m，全宽11.7 m，采用金属插板式构造。

声屏障立柱在顺桥向的间距为2 m。

金属单元板采用铝合金复合吸声板，厚度为0.14 m，宽度约0.5 m。

沿高度方向共有13块单元板，其中，第5、6块单元板之间设有1.1 m高的通透隔声板。

在声屏障框架的顶部，沿横桥向设有7
块通透隔声板，总宽度为7.23 m。

1.1 半封闭声屏障振动
1.1.1 现场试验
在图1(a)中，测点V1布置在相邻两个扣件之间的中部，测试钢轨轨底的垂向振动加速度；测点V2布置在轨道板的中部；测点V3布置在底座板边缘；V4布置在
箱梁顶板中心。

声屏障立柱振动测点布置在敞开侧，如图1(b)所示。

其中：V5、V6和V7分别布置在与第13、10和7号单元板等高处（起算位置为声屏障底部），至立柱底部的高度分别为7.3 m、5.8 m和4.45 m。

图2给出了测点V1－V4的振动加速度级频谱曲线。

可以看出：随着频率增加，
钢轨（V1）、轨道板（V2）和底座板（V3）的振动加速度级逐渐增大；箱梁顶板（V4）的振动加速度级主要处于小于315 Hz的频带内，优势频段范围为40 Hz～63 Hz；从钢轨到轨道板、再到底座板和箱梁顶板，振动加速度级分别衰减了29 dB、8 dB和7 dB。

图1 振动传感器布置
图3给出了测点V5－V7的振动加速度级频谱曲线，实测声屏障振动响应来源于列车脉动风和轮轨力激励。

可看出：在极低频段范围内（2 Hz～5 Hz），各测点振动响应出现一个局部峰值，这主要来源于列车脉动风激励；而在轮轨力激励下，3个测点的振动优势频段为20Hz～63 Hz和100Hz～500 Hz，峰值频率分别为40 Hz和125 Hz，这与轮轨力的频谱特性和立柱的自振特性有关。

对轮轨激励优势频率范围内的振动响应进行叠加，得到3个测点的综合振动加速度级分别为109 dB、106 dB和110 dB，三者比较接近，而中部测点V7的振动略大一些。

图2 轨道结构、箱梁的实测振动加速度级频谱图
图3 声屏障的实测振动加速度级频谱图
1.1.2 数值仿真分析
（1）轮轨力作用下振动
如图4所示，假设声屏障柱脚与箱梁翼缘板的连接为刚性固结，采用有限元法建立箱梁-声屏障耦合振动分析模型。

在该模型中，箱梁和声屏障主体刚架均采用板单元建模，以获得结构的高频振动响应，纵向连接系采用梁单元建模。

分析频率20 Hz～1 000 Hz。

图4 桥梁-声屏障有限元模型
图5给出了跨中各考察点H1－H9振动加速度级以及H2点处振动加速度级频谱图。

可以看出：横梁的振动要大于立柱，这是由于轮轨动力荷载以垂直方向为主；对于跨中横截面的声屏障刚架，敞开侧立柱的振动要稍大于封闭侧立柱，这是由于高速列车在敞开侧行车造成的偏载效应。

（2）脉动风压作用下振动
基于RANS方法，采用动态铺层技术模拟列车与声屏障的相对运动，以此计算列车运行时产生的脉动风压。

半封闭声屏障与高速列车模型如图6所示。

将半封闭
式声屏障的表面进行平滑处理，仅建立桥面板以及声屏障板。

采用3车编组进行
脉动风荷载的数值模拟以节约计算时间。

为保证列车在高速运行时，空气的外流场边界不会对计算结果造成影响，其流场区域的长、宽、高分别为367.5 m、168.1 m、87.7 m。

列车初始位置距离测量段50 m远，车速取350 km/h。

使用ABAQUS建立半封闭式声屏障有限元模型，以计算在脉动风作用下的振动响应。

脉动风荷载时程通过表面压力的形式施加到对应位置的隔声板上。

图7为频域内的仿真值与实测值对比，图中分别给出了封闭侧（V8、V9）与敞开侧（V5、V7）的分析结果。

图5 声屏障各位置处的振动加速度级（280 km/h）
图6 半封闭声屏障与高速列车模型
分析可知：在1 Hz～10 Hz，不管是封闭侧还是敞开侧，仿真计算与实测的频谱
曲线规律一致，峰值频率均位于4 Hz附近；实测值略大于仿真值，这是由于实测数据中依然包含有少量的轮轨激励作用；在10 Hz～20 Hz，仿真值与实测值存在一定的差异，这是由于在该频段范围内，脉动风作用迅速衰减，轮轨激励的影响逐渐增加。

1.2 半封闭声屏障降噪效果
分别在封闭侧声屏障内外表面距轨面0.5 m、2.3 m、4.5 m处各布置3个噪声传感器，以测试声屏障内外声级差。

在敞开侧、封闭侧距线路中心线7.5m、25m处布置距轨面0 m、1.5 m、3 m、4.5布置噪声传感器，将敞开侧与封闭侧声级差
视为声屏障插入损失。

现场测试多组列车驶过各测点噪声数据，同时记录列车车速。

车速270～300 km/h记为“300 km/h”速度级工况，车速140～160 km/h记
为“150 km/h”速度级工况。

图8给出了声屏障内外声压级差值。

两种工况下内外表面声压级差值约25
dB(A)～27 dB(A)；“150 km/h”工况整体略大于“300 km/h”工况，特别是在
低频段内外声压级差值更大。

图9给出了敞开侧与封闭侧声压级差值（插入损失）。

可以看出：（1）插入损失随着频率增加而增大，在800 Hz以后的变化范围较小；总体上，封闭侧与敞开侧噪声插入损失约为15 dB(A)；（2）相对于“300 km/h”工况，“150 km/h”工况插入损失低约3～4 dB(A)，即随着车速增大插入损失有增加的趋势。

2 全封闭声屏障
图7 频域内的仿真值与实测值对比
图8 内外表面声压级差值
图9 7.5 m、25 m处插入损失
全封闭声屏障的噪声全部封闭在内部，只有很少量的透射声溢出，以及少量结构噪声辐射，因此全封闭声屏障的降噪效果最佳，对线路两侧的近距离防护都比较好，但会造成内部噪声加大，影响乘车舒适性。

对于降噪要求极高的路段，常会采用全封闭声屏障。

上海、宁波、杭州等城市轨道交通部分路段采用了全封闭声屏障。

深茂铁路江门段拟在靠近小鸟天堂景区的区段设置桥上全封闭声屏障[11]。

对于高速铁路全封闭声屏障降噪特性，当前国内外的研究有限。

本节以金属吸声板、混凝土两种全封闭声屏障为研究对象，金属复合吸声板长2 m，宽0.45 m，面板为穿孔铝板，背板为1.5 mm厚铝合金板，内部填充玻璃棉毡。

高韧性混凝土盖板的厚度为5 cm，盖板弧长为2.3 m～2.6 m，宽2 m。

通过数值分析研究了高架桥上全封闭声屏障在动车组（CRH2）轮轨动荷载作用下的振动响应。

另外，基于足尺模型试验，研究了高速铁路全封闭金属复合吸声板声屏障、全封闭混凝土声屏障降噪特性。

2.1 轮轨动荷载作用下的振动
利用ANSYS建立全封闭声屏障-箱梁耦合有限元模型，见图10。

图10 全封闭声屏障-箱梁耦合有限元模型
钢拱架和纵向连接系采用2节点空间梁单元，混凝土箱梁采用4节点板单元，钢
拱架柱脚节点与箱梁翼缘节点采用共节点处理。

桥梁二期恒载取165 kN/m，以
面荷载的形式均匀施加到箱梁顶板上。

声屏障面板荷载施加在H型钢拱架上。

声
屏障振动响应输出点如图11所示。

图11 声屏障振动响应输出点示意图
图12 两种全封闭声屏障方案的振动加速度
本文仅考虑两种全封闭声屏障的钢拱架（H型钢）以及桥梁跨中的动力响应。

车型采用CRH2型动车组，速度取150 km/h～250 km/h，轨道不平顺采用ISO 3095:2013制订的轨道谱[12]。

图12给出了动车组CRH2轮轨动荷载作用下，不同列车速度下两种声屏障方案各考察点处的竖向、横向振动加速度峰值对比图。

可看出：
（1）当动车组列车运行速度超过200 km/h时，金属吸声板声屏障竖向、横向振动加速度最大接近5 m/s2；混凝土屏障竖向、横向振动加速度最大约4 m/s2。

（2）两种声屏障方案下各考察点处的竖向与横向振动加速度最大值均出现在1/2
拱附近，且竖向与横向振动加速度基本相等。

（3）对于桥梁而言，金属吸声板方案，跨中竖向振动加速度小于1.5 m/s2；混凝土方案，跨中竖向振动加速度小于0.3 m/s2；桥梁跨中横向振动加速度几乎为零。

2.2 全封闭声屏障足尺模型试验研究
金属复合吸声板声屏障足尺试验模型的纵向长度约为14 m，混凝土声屏障足尺试验模型的纵向长度约为9 m。

模型两端由0.4 mm厚彩钢板内敷5 cm厚、密度
80 kg/m3的玻璃棉板封堵，以免绕射声对测试结果的影响。

分别对自由场地、金属复合吸声板声屏障、混凝土声屏障3种情况进行测试，由
试验结果对比分析两种声屏障降噪特性的差异。

声源及测点布置如图13所示。

声源采用3排等间距布置的扬声器（S1－S3）播放实测列车声源以及粉红噪声实现。

噪声测点布置在声屏障内部以及外部距线路中心线7.5 m处。

图13 声源及测点布置（单位：m）
图14给出了距线路7.5 m处插入损失频谱图和总声压级柱状图。

可看出：列车声源工况下，对于全封闭金属吸声板声屏障，距线路7.5 m处的插入损失约25
dB(A)；对于全封闭混凝土声屏障，距线路7.5 m处的插入损失约22 dB(A)。

即，全封闭声屏障降噪效果可达20 dB(A)以上。

混凝土声屏障内部声场混响效果更显著，一定程度上削弱了其降噪效果。

图14 7.5 m处声屏障插入损失
3 结语
本文以高速铁路半封闭、全封闭声屏障为研究对象，基于试验和数值仿真分析方法对声屏障振动以及降噪效果开展了研究。

主要结论如下：
（1）由高速列车以速度280 km/h通过时，实测钢轨、轨道板、底座板、箱梁顶板和声屏障立柱的综合振动加速度级分别为164 dB、135 dB、127 dB、120 dB 和110 dB。

实测声屏障立柱的振动优势频段为20 Hz～63 Hz和100 Hz～500 Hz，峰值频率分别为40 Hz和125 Hz。

（2）轮轨动荷载所引起的半封闭声屏障振动频率主要在20 Hz以上，而脉动风压缩引起的半封闭声屏障的振动频率在10 Hz以内。

（3）半封闭声屏障内外表面声压级差值约25 dB(A)～27 dB(A)，封闭侧与敞开
侧噪声插入损失约15 dB(A)，且随着车速增大插入损失有增加的趋势。

（4）动车组（CRH2）轮轨动荷载作用下全封闭金属吸声板声屏障振动加速度最
大可达5 m/s2；全封闭混凝土声屏障振动加速度最大约4 m/s2。

（5）列车声源激励下，全封闭金属吸声板声屏障、全封闭混凝土声屏障，距线路7.5 m处的插入损失约25 dB(A)、22 dB(A)。

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