尹皓，樸泰善，曾鳳柳，白曉軍，步青松，李龍煜，姜召福

(1.中國鐵道科學研究院 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081; 2.青島佰世坤科技有限公司，山東 青島 266109)

聲屏障頂端降噪器是指置于聲屏障頂端，通過其特有的聲學結(jié)構(gòu)，降低繞射聲影響的一種裝置。聲屏障頂端降噪器不能單獨使用，須與下部直立式聲屏障結(jié)合使用，是直立式聲屏障重要而必要的補充。

本文就國內(nèi)外聲屏障頂端降噪器的降噪原理及研究進展做一簡單介紹。

1 降噪原理分析

當噪聲源發(fā)出的聲波遇到直立式聲屏障時，它將沿著三條路徑傳播(如圖1):一部分越過聲屏障頂端繞射到達受聲點;一部分穿透聲屏障到達受聲點;一部分在聲屏障表面上產(chǎn)生反射。聲屏障的插入損失主要取決于聲源發(fā)出的聲波沿這三條路徑傳播的聲能分配。

圖2是直立式聲屏障周邊的聲場在某一瞬間的波面情況?？梢钥闯?，聲屏障背后的波面是以聲屏障頂端為中心的同心圓狀。從接收點位置看，相當于聲屏障頂端都有一個虛擬聲源在起作用。如果能降低這個虛擬聲源的功率，就可以減少聲屏障背后的噪聲。

圖1 聲波傳播路徑

圖2 直立式聲屏障聲場

根據(jù)J.B.Keller聲繞射理論，在聲屏障的頂端為聲能集中的部位。在這一部位，除來自聲源的直達聲外，繞射聲也將由此傳播至聲屏障的另一側(cè)。同時根據(jù)菲涅耳衍射理論，對于無限長屏障來說，只有靠近屏障上邊緣的入射聲場對繞射聲場有明顯貢獻，這種貢獻可以等價地看成是由屏上端邊緣處虛線聲源產(chǎn)生的。如果能減小隔聲屏障頂端的虛擬聲源強度，就可以減弱聲屏障背后的聲壓，提高聲屏障的總體降噪效果。聲屏障頂端降噪器正是基于此目的而研究和開發(fā)設計。

2 國外研究現(xiàn)狀

國外對聲屏障頂端降噪器的研究始于上世紀60年代，至上世紀70年代中后期，研究開發(fā)了具有不同聲學結(jié)構(gòu)的聲屏障頂端降噪器。至上世紀90年代中后期，日本和少數(shù)發(fā)達國家對聲屏障頂端降噪器的研發(fā)和工程應用進行了大量研究。直到本世紀初，已有四大類20多種產(chǎn)品問世，應用于公路、鐵路和輕軌等交通領(lǐng)域。

目前，日本、韓國等已得到工程實際應用的聲屏障頂端降噪器按其聲學原理大致可分類為吸聲型、干涉型、共振型以及混合型四種。另外，還有主動噪聲控制的 ANC 裝 置(ActiveNoise Control)［1～3］。

2.1 吸聲型聲屏障頂端降噪器

吸聲型聲屏障頂端降噪器運用吸聲屏障的聲學原理，因通過吸聲材料把繞射聲能變成熱能、只改變其外觀形狀以適應聲屏障頂端的安裝而得名。這是研發(fā)最早、原理最簡明、應用最廣泛的聲屏障頂端降噪器。它的聲學特性是可寬頻降噪，但低頻效果較差。主要問題是由于吸聲結(jié)構(gòu)及吸聲材料環(huán)境適應性差，附加降噪效果不高，尤其是對于低于500 Hz的低頻噪聲降噪效果差。圖3展示了其基本結(jié)構(gòu)圖。

圖3 吸聲型聲屏障頂端降噪器

2.2 干涉型聲屏障頂端降噪器

干涉型聲屏障頂端降噪器是利用裝置特定腔室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉聲波來降低聲屏障頂端附近聲壓的原理開發(fā)的。此類頂端降噪器聲學設計獨特，可根據(jù)目標聲源的頻譜特性及中心頻率，針對性設計腔室結(jié)構(gòu)。將寬頻降噪和選頻重點降噪有機統(tǒng)一，聲學效果優(yōu)異。其單頻降噪效果可達20 dB。主要問題是其受外形尺寸的限制，對低于125 Hz的低頻噪聲效果較差。圖4展示了其基本結(jié)構(gòu)圖。

圖4 干涉型聲屏障頂端降噪器

2.3 共振型聲屏障頂端降噪器

共振型聲屏障頂端降噪器是利用赫姆霍茲原理，針對聲源的主要頻譜特性進行結(jié)構(gòu)設計而成。此類裝置的特點是聲學原理簡明，頻率針對性很強。主要問題是因單個腔室大而頂端幅寬有限，不能設多個腔室，無法寬頻降噪。另外，因其封閉腔室開口向上，在多雪地區(qū)降雪量超過限值時，因積雪和冰凍而增加季節(jié)性荷載。圖5展示了其基本結(jié)構(gòu)圖。

圖5 共振型聲屏障頂端降噪器

2.4 ANC裝置

積極噪聲控制技術(shù)(Active Noise Control)與噪聲源反射后再進行二次處理不同，采取直接降低噪聲源的措施，如排氣管降噪、汽車內(nèi)部發(fā)動機降噪，用耳塞保護聽力等都已經(jīng)采取了此項技術(shù)。很久以前就有專家提出將此項技術(shù)應用于聲屏障的繞射聲上，近期已實現(xiàn)實際應用。圖6展示了其基本構(gòu)造。

圖6 ANC裝置基本構(gòu)造圖

日本新干線為適應列車提速的需要，于上世紀90年代中期開始采用了多種聲屏障頂端降噪技術(shù)和產(chǎn)品，有效地提高了聲屏障的插入損失。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國從九十年代逐步開始了聲屏障結(jié)構(gòu)形式的研究。聲屏障頂端降噪器的研究始于2001年，2008年底聲屏障頂端降噪器在鐵路聲屏障工程中首次得到實際應用?，F(xiàn)已開發(fā)出A型、C型兩種聲屏障頂端降噪器產(chǎn)品，并已在多處聲屏障工程中使用。

根據(jù)現(xiàn)場應用測試結(jié)果:A型聲屏障頂端降噪器在距離鐵路外軌中心線15 m、距地面不同高度(距地面3～9 m高)取得了1.3～2.4 dB(A)的附加降噪效果;在距離鐵路外軌中心線55 m的6層樓窗外1m處，取得了1.7 dB(A)的附加降噪效果。C型頂端降噪器在距離鐵路外軌中心線12.5 m和25 m、距地面不同高度處，取得了2.3～2.9 dB(A)的附加降噪效果。

4 結(jié)語

在國內(nèi)外均已得到工程實際應用的聲屏障頂端降噪器，其原理明確、機理清晰、降噪效果較好、性價比高、工程適用性強，是聲屏障技術(shù)的新發(fā)展，是現(xiàn)行直立型聲屏障的重要補充，可作為直立式聲屏障的重要補強措施，以提高聲屏障的總體降噪效果［4～8］。

［1］ 大久保 朝直 .頂端改良型聲屏障［J］.噪聲制御，2004，28(5)，317－322.

［2］ 大久保 朝直 ，山本 貢平 .關(guān)于頂端改良型聲屏障性能評價法的實驗研究［R］.日本聲學學會噪聲振動研究會資料，2004:1－15.

［3］ Tomonao Okubo，Toshio Matsumoto，Kohei Yamamoto，Osamu Funahashi and Kunio Nakasaki.Efficiency of edge-modified noise barriers:Intrinsic efficiency determination of practical products and prediction of the diffracted sound field［J］.Acoust Sci＆Tech，2010，31(1):56－61.

［4］ 尹皓.干涉型聲屏障工程試驗和產(chǎn)品化研究報告［R］.中國鐵道科學研究院，2009.

［5］ 尹皓.干涉型聲屏障結(jié)構(gòu)的研究［J］.鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2007，34(5):205－208.

［6］ Hao Yin.The Structure Study of the Interference Sound Barrier［C］//Proceedings of Inter Noise’2008.

［7］ 尹皓.干涉降噪器在鐵路聲屏障工程中的應用［C］//中國鐵道科學研究院60周年學術(shù)論文集.北京:中國鐵道出版社，2010:668－670.

［8］ 尹皓.C型聲屏障頂端降噪器研制報告［R］.中國鐵道科學研究院，2012.