京沈客运专线框架式声屏障降噪效果研究

常 亮

（中国铁路设计集团有限公司 机械动力与环境工程设计研究院，天津 300308）

0 引言

目前，我国铁路采用的声屏障主要包括直立式、折角式、全封闭、半封闭4 种型式，直立式、折角式声屏障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积极作用。高速铁路由于其列车运行速度高、车流密度大，采取直立式声屏障后，区间高速路段声影区外仍难以充分满足国家声环境质量标准要求，而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、折角式声屏障对于较高楼层不能有效阻隔铁路噪声[1-3]。目前，部分铁路项目临近线路建有高层建筑的区段已考虑采取半封闭、全封闭声屏障措施。因此，开展高速铁路框架式全封闭、半封闭声屏障降噪效果及声屏障结构的插入损失等方面的研究十分必要。以北京至沈阳铁路客运专线(以下简称“京沈客专”)为例，分析框架式声屏障降噪效果。

京沈客专是国家《中长期铁路网规划(2008 年调整)》中“四纵四横”高速铁路的重要组成部分，是铁路“十二五”发展规划中重点建设项目，也是适应北京市城市化建设、提高城际客运服务水平、带动北京市卫星城建设的需要。该项目于北京星火站至五环路段采用框架式声屏障，根据线路平面布局初步确定为4种形式，分别为32 m跨6线框架式声屏障、28 m跨3线和4线框架式声屏障、20 m跨3线框架式声屏障、12.6 m 跨2 线框架式声屏障，框架式声屏障两侧基础设于跨越的外侧股道路基上，距外侧股道的中心线约4.5 m。

该区段在北京市城市建成区内，并且靠近北京星火站，平均通过车速为80 km/h，通过列车均为8～16辆编组高速动车组列车。80～100km/h 速度下高速铁路动车组声源测试结果如图1所示。

图1 80km/h动车组列车通过时辐射噪声的1/3倍频程谱线现场测试结果

1 框架式声屏障降噪效果计算方法

1.1 框架式声屏障插入损失确定方法

对声屏障插入损失，国家现行标准《声屏障声学设计和测量规范》(HJ/T 90—2004)、《环境影响评价技术导则声环境》(HJ 2.4—2009)中均推荐采用声程差的计算方法，此种方法仅适用于一般直立式及折角式声屏障，而对于框架式声屏障，因理论上对声源完全遮蔽，无法采用声程差计算方法确定插入损失。

鉴于此种结构形式的声屏障在铁路上尚无应用实例，现行国标中推荐的声程差计算方法也无法计算其插入损失，声屏障降噪效果的研究采用边界元法、能量叠加法等数值计算方法，利用SYSNOISE、VAone等噪声预测软件通过建模的方式取得理论降噪效果，并结合国内铁路现有直立式、倒L式及轨道交通实际应用的框架式结构声屏障降噪效果通过类比加以验证分析。

1.2 边界元法计算

边界元法主要分为直接边界元法和间接边界元法[4]。由声传播理论得到的理想气体运动方程、连续方程和物态方程，分别为

式中：P为声压；vx，vy和vz为振动速度；ρ′为空气密度变化；ρ0为空气密度常量；c为空气中声速；k为波数，k=ω/c，ω为激励角频率；v为质点振动速度。经转化可得Helmholtz方程为

式中：∇2为拉普拉斯算子，|X-Y|为结构表面上一点X到声场中任意点Y的距离(见图2)。

图2 边界元求解模型

在边界上，需满足速度边界条件、声压边界条件和声阻抗边界条件如下。

式中：Ω为边界区。

对于外声场问题，在无限远处Helmholtz 方程还应满足：

采用边界元软件SYSNOISE来支撑计算过程。为了评价框架式声屏障的降噪效果，建立了理论分析计算模型如图3 所示。该类型声屏障无敏感点侧镂空，其余部分均由声屏障单元板所覆盖，以达到良好的降噪效果。

在仿真计算中，声屏障内侧设置吸声边界条件。另外，考虑可能导致框架式声屏障降噪效果下降的因素，即列车通过时引起框架式声屏障产生自身振动，以及列车运行时所产生的结构声通过框架式声屏障等结构物向外传播，从而导致其结构本身辐射噪声的增加，使其降噪效果减弱。为了准确反映该因素的影响，在框架式声屏障边界元模型的外侧表面节点上施加振动速度的边界条件来对其修正。

图3 边界元法建立的框架式声屏障降噪效果评价模型

根据前述边界元理论计算方法及模型，得到不同频率下安装及不安装框架式声屏障的降噪效果，如图4所示。

图4 框架式声屏障的降噪效果云图（1 000 Hz）

从得到的计算结果可以看出，框架式声屏障能够有效遮挡高速列车运行时所辐射的噪声，具有较直立式声屏障更为显著的吸声降噪效果。

根据边界元法计算得到的距离线路30 m 处、1.5 m 高受声点声压级频谱如图5 所示。安装及不安装框架式声屏障的A 声级分别为58.0 dB(A)及78.1 dB(A)(对应列车沿中间股道单线运行，线路形式为5线并行线路)。

图5 受声点位置处安装框架式声屏障前后声压级频谱图

从得到的计算结果可以看出，框架式声屏障具有明显的降噪效果，并且其在阻隔轨道车辆系统产生的高频段噪声时更为明显，综合各频段计算可得设置框架式声屏障前后的降噪量为20.1 dB(A)。

1.3 统计能量法计算

统计能量法是基于能量的观点来求解振动系统的声辐射问题，在计算复杂结构体高频振动时，有很快的运算速度。常用的统计能量法软件为VAone 等[5-6]。基于统计能量方法的2个子系统的模型如图6所示。

图6 两个子系统的统计能量法原理图

在统计能量法中，根据子系统相互关系列出能量平衡方程为

式中：P1、P2为输入功率；Pdiss1和Pdiss2为损耗功率；P12、P21为子系统间的传递功率。

式中：E1和E2分别为第1、第2 个子系统中储存的能量，η1和η2为阻尼损失因子。

根据耦合损耗因子和模态密度之间的关系

则传递功率P12和P21变为

则公式(7)、公式(8)变为

写成矩阵形式为

在求出E后，利用公式可求出子系统空间振速的均方值和声压。

统计能量法计算得到的是空间某一区域内噪声水平的平均值，因而计算得到的列车周边环境噪声结果为距轨道中心线某一距离平面上的平均值。根据统计能量法建立的设置框架式声屏障及不设置框架式声屏障的模型图如图7所示。

图7 框架式声屏障降噪效果评价的统计能量模型

模型中，由框架式声屏障及轨道结构所围成的声腔划分为统计能量模型的内部声腔，在声屏障镂空侧，划分多个声腔以便更准确反映声场的分布状态，最外侧声腔与半无限流体模型连接，用以模拟外部无限大空间。声屏障内壁面设置吸声材料，吸声系数如图8所示。声源选取100 km/h列车运行时的辐射源强。统计能量法模型的阻尼损耗因子、耦合损耗因子、输入功率及模态密度等参数根据高速动车组列车车体参数及空气基本参数选取。

根据统计能量法的基本原理计算得到距离线路30 m处受声点框架式声屏障的降噪效果频谱如图9 所示，安装及不安装框架式声屏障的A声级分别为56.1 dB(A)及76.5 dB(A)(对应列车沿中间股道单线运行，线路形式为5线并行线路)。根据该计算结果可得，采用统计能量法计算得到的框架式声屏障的降噪量为20.4 dB(A)。

图8 框架式声屏障内壁吸声材料吸声系数

图9 统计能量法得到的框架式声屏障降噪效果

可见，采用2 种模型模拟计算的框架式结构声屏障的插入损失分别为20.1 dB(A)和20.4 dB(A)。

1.4 半封闭式声屏障有效防护高度

京沈客专计算段噪声敏感的高层建筑分布于距线路外侧轨道中心线60～90 m 范围内，楼房高度为20～30 层，根据模型计算的60 m 处声屏障插入损失随距轨面高度变化的关系如表1所示。

由结果可以得出，在距线路60～90 m 范围内，当距轨面高度为90 m处时(约30层楼房高度)，声屏障插入损失仍不小于15.4 dB(A)，满足敏感高层建筑的防护高度要求。声屏障插入损失值的选取可以依据高度变化的影响并结合距离增加导致的声传播衰减综合考虑。

表1 距轨道中心线60 m处不同高度下声屏障插入损失

2 铁路现有声屏障降噪效果测试数据

目前，高速铁路框架式声屏障投入运营的实际项目较少，监测结果不多，主要选取沪杭高速铁路部分路段、上海城市轨道交通6 号线的测试结果进行对比。

（1）李小珍等[7]通过对沪杭高速铁路桥梁框架式单侧封闭式声屏障降噪效果实测，针对位于声屏障中部、距离线路外轨中心30 m、地面以上1.5 m 处测点的测试结果表明，该线路单侧封闭式声屏障(桥上声屏障、直立部分约8 m、顶部单元板宽度约5 m、CRH2 动车组8 辆或16 辆、运行速度约180 km/h)，距封闭侧线路中心7.5 m 处，高位测点比低位测点声压级大，而其他位置不同高度测点在垂向的指向性不明显。半封闭式声屏障的隔声量随频率增加而增大，在1 000 Hz 处最大约26 dB(A)；距轨道中心线7.5 m 和25 m 处的插入损失均值为16.5 dB(A)和15.5 dB(A)。

（2）城市轨道交通全封闭声屏障实测降噪效果。根据上海轨道交通6 号线声屏障研制及工程设计优化[8]对框架式全封闭声屏障实际降噪效果进行了测试(声屏障长度约246 m、轨道交通A型车、运行速度最大80 km/h)，结果表明对于距轨道中心45 m处，全封闭声屏障平均降噪约20 dB(A)，最高可降23 dB(A)。

3 结论

综合以上测试及模拟计算结果，不考虑全封闭声屏障的二次结构噪声影响，京沈客专框架式结构声屏障的插入损失计算值为20 dB(A)左右，根据某铁路现有客运专线单侧封闭式声屏障实测效果，在封闭式声屏障有效防护距离范围内，其插入损失预测值可保守选取为16 dB(A)。目前，框架式结构声屏障在铁路的应用尚处于起步阶段，结构本身的二次结构噪声影响研究较少，实际投入运营的线路不多，运营条件不尽一致，实测数据较少。本项目框架式声屏障结构较为特殊，为组合式半封闭框架式声屏障，存在直达和绕射声波，并且保护的敏感点又多为分布距离不等的高层建筑，对于复杂情况须进行大量的现场测试工作。