高速铁路声屏障插入损失影响因素及规律

周 信， 肖新标， 何 宾， 韩珈琪， 温泽峰， 金学松

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031）

高速铁路声屏障插入损失影响因素及规律

周 信， 肖新标， 何 宾， 韩珈琪， 温泽峰， 金学松

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031）

为研究声屏障降噪的主要影响因素及规律，基于边界元理论，结合高速列车实测声源识别结果，建立了高速铁路声屏障降噪效果预测模型，研究了包括高速列车不同位置声源、声屏障高度、声屏障截面形状和吸声边界条件对插入损失的影响，并在此基础上提出了对现役声屏障结构的改进方案.研究结果表明，列车声源高度对声屏障插入损失有重要影响，现有2.15 m高声屏障只对车体下方噪声有降噪效果；随着声屏障高度增加，插入损失逐渐增大，声屏障高于6.15 m时，插入损失达到25 dB（A）以上；对于不同截面形式的声屏障，降噪效果从优到劣依次为Y型、倾斜型、T型、外折型、直立型和内折型，其中Y型比直立型插入损失高0.7～1.5 dB（A）；对于任一类型声屏障，吸声引起的具体降噪效果与声屏障形式有关，有吸声边界条件的降噪效果要优于“刚性光滑”边界条件，前者与后者相比，其插入损失可提高0.3～6.4 dB（A）.

高速铁路；噪声源；声屏障；插入损失；边界元方法；

声屏障技术作为降低车外噪声对环境影响的有效措施，在高速铁路中已得到广泛应用.我国高速铁路声屏障以直立型为主，分为插板式和整体式两种［1］，且多为插板式.插板式声屏障是由金属单元板和H型钢立柱组合而成，常见的高度有2.15、2.65和3.15 m.单元板内部填有多孔吸声材料，用于吸收列车辐射噪声，减小噪声在车身表面与声屏障之间的多重反射，以提高声屏障的降噪效果.尽管采用了现阶段能用的几乎全部降噪措施，昼夜等效声级仍不能满足2类区标准限值要求［2］，解决办法之一是采用结构更加复杂而有效的声屏障.

为了提高高速铁路声屏障的降噪效果，Ishizuka等调查了不同高度和头型声屏障对入射声波的衰减作用［3］.Morgan等研究了多种截面形状的声屏障对高速铁路轮轨噪声的降噪效果［4］.Belingard等对TGV线路两侧声屏障进行测试［5］，测试结果表明，对直立型声屏障采用吸声或头型结构可改进降噪效果.

部分学者对我国现有高速铁路声屏障降噪效果做了相关测试研究［6-7］，分析了相关影响因素，包括车外噪声特性、声源构成、声屏障降噪频谱特性和轨道结构类型等，提出了用于分析计算的高速铁路声屏障插入损失等效声源，并给出用于工程评估的插入损失计算经验公式.对于复杂声屏障结构，传统的解析解和经验公式已不再适用，而边界元法是相对有效的计算方法.采用边界元方法的高速铁路声屏障仿真预测模型［6］，利用高速列车声源识别结果，可对多种复杂声屏障结构的降噪效果进行准确预测.本文主要研究列车不同位置声源、声屏障高度、吸声条件和截面形状对插入损失的影响，为进一步提高声屏障插入损失提供依据.

1 高速铁路声屏障插入损失计算模型

1.1 边界元模型

实际情况中，车辆和声屏障都是有限长的，对于车辆和声屏障的中部来说，由于车辆和声屏障的高度相对于车辆和声屏障的长度较短，可以认为声屏障和车辆是无限长的.本文主要调查受声点在列车和声屏障中间位置的插入损失，这也是评价声屏障降噪性能主要关注的区域.假设声屏障和列车声源均为无限长，并且截面形状和声学特性在长度方向不发生变化，那么计算模型可定义为一个2维（x-y平面）边界元模型，如图1所示.

图1 高速铁路声屏障计算模型Fig.1 Calculation model for the noise barrier of high-speed railway

在任意点（x，y）处的声压满足方程：

式中：（xs，ys）为声源位置；（x，y）为受声点位置；Qs为声源强度；k为波数.

采用边界元法求解无限空间的声场问题时，需要满足以下两个边界条件：

（1）在无限远处满足Sommerfield边界条件

（2）在模型边界上满足

式中：ρ0为流体密度；v（x，y）为法向振动速度；Z（x，y）为吸声材料特性阻抗.

上述声波方程和边界条件可通过边界元方法求解，得到受声点处的声压［7］.声屏障的降噪效果以插入损失SIL表示，可用式（4）计算得到：

式中：p0（r，r0）为无声屏障时受声点处声压；p（r，r0）有声屏障时受声点处声压.

高速铁路声屏障仿真预测模型中包括声源特性、线路边界、吸声边界等参数.选取我国典型高速铁路高架桥结构，桥面宽12 m，钢轨表面距离地面10.8 m，模型中考虑了线路对声辐射有影响的结构，包括防撞墙、声屏障安装基座，其中钢轨顶面比声屏障的安装基座高0.1 m.由于是高架结构，且计算的受声点与声源的距离相对较近，因此不考虑地面反射.声屏障吸声系数根据现有金属声屏障单元板实测结果选取.

1.2 高速列车等效声源

高速列车噪声源主要由轮轨滚动噪声、受电弓气动噪声、车体结构气动噪声组成［10］，这些噪声源对车外噪声形成显著贡献.轮轨滚动噪声和牵引噪声分布于列车下部位置.气动噪声源分布于受电弓、顶部基座、车间连接处、车头、转向架等位置.已有测试结果表明，随着速度增加，气动噪声源增加速率快于轮轨滚动噪声，当列车达到300 km／h时，气动噪声变得不可忽略［11］.常见的2 m高声屏障只对车体下方的轮轨区域噪声起遮蔽效果，而对于车体上方的气动噪声，设置5～6 m高的声屏障才会起显著作用.在调查高度较低声屏障的降噪效果时，因为对上方气动噪声没有遮蔽效果，可只考虑轮轨滚动噪声［6］.但不考虑车体上方的气动噪声，可能会过高估计声屏障的插入损失，不利于评估复杂声屏障结构的实际改进效果，因此本文在调查声屏障降噪效果时考虑了列车各位置的声源.

图2给出了CRH380BL高速列车在340 km／h运行速度下声强分布实测云图.

列车声源主要分布在轮轨区域、受电弓区域，另外，车间连接位置也是噪声显著区域，因此，列车在高度方向存在连续分布的较大声源.对列车表面声源识别结果进行简化和等效处理，得到预测模型中的声源［8］.在高度方向，考虑列车表面声源位置分布特性，从钢轨顶面至弓网顶部间每隔0.20 m设置一个线声源，共计29个，声源在轨面上方0～1.00 m内是轮轨区域噪声，在轨面上方1.20～3.80 m内是车体区域噪声，在轨面上方4.00～5.60 m内是弓网区域噪声.各线声源辐射声功率可表示为

图2 CRH380BL高速列车全频带声强云图（340 km／h）Fig.2 Sound intensity map of high-speed train CRH380BL at 340 km／h

式中：Ii（t）为瞬态声强；i表示声源编号；w0为参考声功率；t0为参考时间，通常取1 s；t为列车通过时间；v为列车速度.

为了降低计算引起与实际不符的声波干涉，采用窄带计算方法，在2 000 Hz以下频率，以20 Hz为计算步长，2 010～6 360 Hz频率，以30 Hz为计算步长，再通过非相干叠加法将窄带结果叠加至全频带.计算中取空气密度ρ＝1.21 kg／m3，空气中声速c＝344 m／s.

2 插入损失影响因素及规律分析

影响声屏障插入损失的因素众多，本文主要在高速列车声源位置、声屏障本身结构方面对插入损失的影响进行分析.

2.1 声屏障对不同位置声源的插入损失规律

声屏障对高速列车表面不同位置声源的遮蔽效果不同，对29个等效线声源，计算单个声源作用下2.15 m高直立吸声声屏障的插入损失.图3给出了声屏障在3个典型高度声源条件下（分别为轨面上方0.40、2.00和5.00 m）的全频带插入损失云图，声源在高度上分别位于轮轨区域中央、车体中心和受电弓顶部.图中横坐标表示距离，0 m位置为近轨侧轨道中心线，纵坐标表示高度，钢轨顶面在0.8 m高位置.

图3 单个等效声源作用下声屏障插入损失云图Fig.3 SIL map of noise barrier under single equivalent noise source

从图3中可以看出，对于不同区域的声源，声屏障的插入损失有较大差别，声源位置越低，声屏障的降噪效果越好.图3（a）为轮轨区域声源激励下声屏障插入损失云图，声屏障后方大部分受声点处于声影区，插入损失值达到10.0 dB（A）以上，靠近声屏障区域插入损失达到25.0 dB（A），因此，声屏障对轮轨噪声源有较好的降噪效果.图3（a）中车体的右上侧受声点插入损失值很小，甚至为负，这是因为该区域处在声源的直达声区域，同时声波在声屏障和车体间形成多重反射，造成该区域声压级增大，声屏障插入损失为负.靠近轨道的右下侧，存在插入损失较小的三角区，这是因为未安装声屏障时，高架桥上的防撞墙等构造物对该区域已有一定降噪效果.图3（b）为车体中心位置声源激励下声屏障插入损失云图，从图中可以看出，随着声源高度增加，声影区急剧减少，插入损失降低，最大插入损失出现在声屏障背面与水平面成45°的路径上.由于车体中心声源在轨面上方2.00 m，而轨面比声屏障安装基座高0.10 m，所以在高度上与2.15 m高声屏障接近，因此云图中声影区边界与地面几乎平行，声影区边界以上为声亮区，插入损失小于5.0 dB（A），声影区边界以下为声影区，插入损失在5.0～16.0 dB（A）.图3（c）为弓网位置声源激励下声屏障插入损失云图，从图中可以看出，2.15 m高声屏障后方大部分为声亮区，仅对高架桥下方距离轨道中心线10.00 m内的受声点有10.0 dB（A）以内的插入损失，2.15 m高声屏障对列车上方的声源，尤其是弓网声源几乎没有效果.

图4给出了2.15 m高声屏障在不同高度的单个等效声源作用下，距离轨道中心线30.00 m处的断面上4个受声点的插入损失，4个受声点分别为地面上方1.50 m、轨面平面内、轨面上方1.50 m、轨面上方3.50 m高.从图4中可以看出，当声源高度在轨面上方3.00 m之内，30.00 m远处的不同受声点的插入损失有明显差异，随着声源高度进一步增加，各受声点处的插入损失趋势基本一致.整个变化过程为先增大，后降低，最后趋近于0，当声源位于轨面上方0.40～0.80 m高度时，声屏障的插入损失达到最大.对于地面上方1.50 m受声点，当声源高于轨面上方3.40 m，插入损失可忽略不计，对于轨面及上方场点，当声源高于轨面上方2.40 m，声屏障降噪效果可忽略不计.从以上分析可以看出，列车的声源位置对声屏障的插入损失影响显著，2.15 m声屏障对列车车体上部声源的降噪效果有限.

图4 单个声源激励下受声点处插入损失Fig.4 SILat different field points under single equivalent noise source

2.2 声屏障高度对插入损失的影响

2.15 m高的声屏障只对车体下方声源有显著的遮蔽效果，如果要遮蔽车体上方及受电弓位置噪声，需要增加声屏障高度.本节调查了直立刚性光滑面和吸声声屏障以1.00 m的高度递增，从2.15 m增至7.15 m高插入损失的变化.为了综合评估声屏障对后方受声点的降噪效果，根据国内外测试经验，考虑声屏障对近场和远场、轨面上方和轨面下方受声点的影响，选取12个典型受声点的插入损失的算术平均值作为插入损失评价值.受声点位置如图5所示.

图5 声屏障插入损失评价点（单位：m）Fig.5 Points selected for the assessment of SILof noise barrier（unit：m）

图6给出了插入损失计算结果.从图6中可以看出，随着声屏障高度增加，声屏障插入损失增大，吸声平面的声屏障和刚性光滑平面的声屏障整体趋势相同.在分析两种声屏障相同高度范围内，吸声屏障的降噪效果比刚性屏障高，其插入损失提高0.7～6.4 dB（A），且高度越高，吸声效果差异越明显.对于两种边界条件的声屏障，高度从2.15 m增加至5.15 m，每增加1.00 m，声屏障的插入损失增大2.8～5.2 dB（A）.高度从5.15 m增加至6.15 m，插入损失增加11.2～14.2 dB（A）以上.从6.15 m增加至7.15 m，插入损失增量回落至2.4～5.1 dB（A）.这与声屏障和声源的位置相符，模型中施加在车体上方的气动噪声最高距离轨面5.60 m，当声屏障高度在5.15 m以下时，受声点处既有直达声贡献，也有绕射声贡献，且受直达声主导，因此，高度增加时插入损失增量较低.声屏障高度从5.15 m增至6.15 m时，声屏障能够遮蔽所有直达声源，受声点只受到绕射声的影响，插入损失快速增大.6.15 m以上，声屏障插入损失增加趋于平缓，此时声屏障增高只降低绕射声能量，但插入损失达到25.0 dB（A）以上.

图6 高度对声屏障插入损失的影响Fig.6 Effects of noise barrier height on SIL

2.3 声屏障截面形状对插入损失的影响

除了直立型声屏障外，计算了其他5种截面形状的声屏障结构在2.15和3.15 m、刚性和吸声条件下的插入损失.5种截面形状分别为内折型、外折型、Y型、T型和倾斜型，如图7（a）～（d）所示.其中倾斜型是向轨道外侧倾斜，用于将声波反射至轨道和车辆上方，降低多重反射效应.文献［12］认为倾斜角在10°时效果最好，本文考虑到工程实际，则对10°之内倾斜角的刚性声屏障做了计算，发现同样是10°倾斜角的效果最好，因此计算中选择该倾斜角.吸声条件均施加在声屏障面向车体的直立屏体部分.

图7 不同声屏障形式截面图（单位：m）Fig.7 Different sections of sound barriers（unit：m）

图8给出了5种截面形状的声屏障分别在4种边界条件下，对12个受声点平均插入损失的影响.为了仅评估声屏障截面变化对平均插入损失的影响，图中纵坐标设为附加插入损失，该附加插入损失由不同截面声屏障的插入损失值与参考值做差值得到，图中4条曲线的参考值分别以2.15 m直立刚性、3.15 m直立刚性、2.15 m直立吸声、3.15 m直立吸声的插入损失作为参考值.从图中可以看出，除了内折型结构，其他头型均可提高声屏障插入损失，效果从优到劣依次为Y型、倾斜型、T型、外折型，这与文献［13］中给出的比例模型试验结果基本一致.内折型的附加插入损失为－0.4～0.0 dB（A），这是因为内折型声屏障是向轨道侧弯折，更多车体声源能够沿着折臂直达受声点，造成平均插入损失降低.外折型附加插入损失为0.0～0.7 dB（A），由于折臂与内折型相反，更多车体声源能够被折臂遮挡，因此插入损失增大.Y型声屏障具有多重绕射边界，又具有外折型声屏障的特点，附加插入损失为0.7～1.5 dB（A），具有较好的降噪效果.值得指出的是，倾斜型声屏障通过将声波扩散至空中，获得0.5～1.6 dB（A）的附加插入损失，接近Y型的效.T型附加插入损失为0.6～0.8 dB（A），受其他边界条件影响较小.

图8 截面对声屏障附加插入损失的影响Fig.8 Effects of different sections of noise barrier on SIL

当声屏障高度相同时，在刚性声屏障的基础上增设头型，比在吸声条件下增设头型可获得更好的降噪效果.同为吸声或者刚性条件时，在3.15 m直立声屏障的基础上采用Y型、T型及倾斜型截面更加有效.

3 插入损失计算结果讨论

表1给出了在现役2.15 m直立吸声声屏障的基础上，通过设置高度、吸声条件和头型的办法获得的平均插入损失和插入损失增加量，插入损失增加量为各种声屏障平均插入损失与2.15 m直立吸声声屏障平均插入损失的差值.

表1 不同声屏障形式对插入损失的影响Tab.1 Effects of different forms of noise barrier on SILdB（A）

从表1中可以看出，增加高度比增加吸声条件或改变头型更为有效，这与道路声屏障相比存在较大差别［14］.对于所有声屏障形式，吸声屏障总是具有更高插入损失，相比于刚性屏障可提高0.3～6.4 dB（A）.当声屏障高度超过列车最高声源时，降噪效果显著，如6.15 m高直立吸声屏障可获得附加插入损失26.4 dB（A），远高于现有声屏障的降噪性能.需要指出的是，增加高度可能会带来较为严重的气动影响［15］，因此需要综合考虑安全因素.对于线路应用的直立吸声屏障，如果不增加高度，仅通过改变形状来增加插入损失，建议采用倾斜型声屏障，只需改变部分结构即可获得接近Y型声屏障的效果.

4 结 论

本文通过建立高速铁路声屏障降噪效果预测模型，对声屏障降噪效果影响因素进行了讨论分析，包括高速列车声源位置、声屏障高度、声屏障截面形状和吸声边界条件对插入损失的影响，得到以下结论：

（1）对列车单个等效声源计算，随着声源高度增加，2.15 m高直立吸声声屏障的插入损失先增大后减小，最后趋近于0，其主要对列车下方声源有降噪效果；

（2）随着声屏障高度增加，插入损失逐渐增大，声屏障高于6.15 m时，插入损失达到25.0 dB（A）以上.

（3）对于不同截面形式的声屏障，降噪效果从优到劣依次为Y型、倾斜型、T型、外折型、直立型和内折型，其中Y型比直立型插入损失高0.7～1.5 dB（A）.

（4）对于任一声屏障类型，施加吸声条件的降噪效果要优于刚性光滑表面声屏障的降噪效果，但吸声引起的具体降噪效果与声屏障形式有关.

（5）如在现有声屏障基础上提高插入损失，最有效的方法是增加声屏障高度，其次可采用结构较为简单的倾斜型声屏障.

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（中文编辑：唐 晴 英文编辑：周 尧）

Influential Factors and Rules for Insertion Loss of High-Speed Railway Noise Barriers

ZHOU Xin， XIAO Xinbiao， HE Bin， HAN Jiaqi， WEN Zefeng， JIN Xuesong
（State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Based on the boundary element method and the train noise sources identified by a beamforming noise source system，a numerical prediction model was established to study the factors and rules relevant to the insertion loss of high-speed railway noise barriers.The effects of noise source locations，noise barrier heights，shapes，and absorbing boundary conditions were investigated.The improvement strategies based on the current structure of noise barriers were proposed.The numerical results show that the noise source height has a significant effect on the sound barrier performance.The sound barrier of 2.15 m height can only reduce noise coming from the lower part of the train.The insertion loss increases with the noise barrier height.When the height exceeds 6.15 m，the insertion loss reaches over 25 dB（A）.The sound barriers with different cross sections are listed，according to their noise attenuation effect，i.e.，Y-shaped barrier，tilted barrier，T-shaped barrier，inward folded barrier，vertical barrier and outward folded barrier.The Y-shaped barrier produces the highest performance with an increase of 0.7～1.5 dB（A）in insertion loss compared with the vertical barrier.Despite the shape of noise barriers，the absorbing boundary overall lead to more noise reduction than the smooth rigid boundary，but the noise reduction amount relates to the forms of sound barriers ranging from 0.3 to 6.4 dB（A）.

high-speed railway；noise sources；sound barrier；insertion losses；boundary element method

U448.27

：A

0258-2724（2014）06-1024-08

10.3969／j.issn.0258-2724.2014.06.014

2014-01-17

国家科技支撑计划资助项目（2009BAG12A01-B06）；国家863计划资助项目（2011AA11A103-4-2）；教育部创新团队项目（IRT1178，SWJTU12ZT01）；四川省科技支撑计划资助项目（2010GZ0226）

周信（1988－），男，博士研究生，研究方向为铁路振动噪声，E-mail：wszhouxin＠hotmail.com

金学松（1956－），男，教授，博士生导师，研究方向为轮轨关系，E-mail：xsjin＠home.swjtu.edu.cn

周信，肖新标，何宾，等.高速铁路声屏障插入损失影响因素及规律［J］.西南交通大学学报，2014，49（6）：1024-1031.