尹皓，劉蘭華，李晏良，辜小安

(中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

噪聲控制可分為聲源控制、傳播途徑控制和受聲點(diǎn)保護(hù)三類，高速鐵路噪聲控制同樣可從聲源控制—低噪聲高速列車、傳播途徑控制—高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施噪聲控制技術(shù)和受聲點(diǎn)保護(hù)—隔聲窗等三方面采取措施降低高速鐵路噪聲的影響。目前，國內(nèi)外高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施噪聲控制技術(shù)最常用的是聲屏障工程控制措施。聲屏障控制技術(shù)措施的最基本出發(fā)點(diǎn)是阻斷聲源至受聲點(diǎn)間的傳播途徑，從而達(dá)到控制鐵路噪聲影響的目的。德國、法國、英國等歐盟國家，以及日本、美國等國研究人員，分別從聲屏障降噪理論、聲屏障結(jié)構(gòu)形式等方面對聲屏障開展研究，以期不斷改善和提高聲屏障的實(shí)際降噪效果。

1 聲屏障降噪理論研究現(xiàn)狀

聲屏障降噪理論的發(fā)展是伴隨著聲屏障技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展的，從其發(fā)展歷程和基本特點(diǎn)來看，聲屏障降噪理論的研究可分為三種，即幾何與波動聲學(xué)理論、試驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)法以及邊界元法。幾何與波動聲學(xué)理論對于求解橫斷面簡單變化的聲屏障是可行的，對于聲屏障為復(fù)雜斷面時，求解就異常復(fù)雜了;此外該理論只適用于聲屏障中高頻段插入損失的計算。試驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)法采用單一無量綱量菲涅耳數(shù)，計算非常簡單，但該方法僅能對剛性垂直薄屏障進(jìn)行插入損失計算。應(yīng)用邊界元法求解聲屏障的插入損失，可以很方便地考慮聲屏障的幾何形狀、聲源的指向性及地面和聲屏障的表面吸聲條件，但目前在聲屏障領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用較少。但無論哪種聲屏障降噪理論都避免不了的問題就是聲源的定義問題，即主要噪聲源的源強(qiáng)、位置、頻譜特性等，這是目前聲屏障降噪效果計算的關(guān)鍵;也就是說高速鐵路聲源識別研究結(jié)果是深化聲屏障降噪理論研究的基礎(chǔ)［1～6］。

1976年P(guān)awlins提出“附在剛性障板的邊緣上的‘聲學(xué)軟表面’能阻礙聲屏障頂部繞射聲的傳播”;根據(jù)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(dá)聲外，繞射聲也將由此傳播至聲屏障的另一側(cè);根據(jù)菲涅耳衍射理論，這種貢獻(xiàn)可以等價地看成是由屏障上端邊緣處虛擬聲源產(chǎn)生的。如果能減小隔聲屏障頂端的虛擬聲源強(qiáng)度，就可以減弱隔聲屏障背后的聲壓。因此，通過改良聲屏障頂端以減小頂端周圍的聲壓，就能提高聲屏障的總體降噪效果。“軟表面”結(jié)構(gòu)屏障一個共同的特征是，在原聲屏障上邊緣附著一層或一個帶管狀“聲學(xué)軟表面”的結(jié)構(gòu)［7～9］。

2 聲屏障技術(shù)措施應(yīng)用現(xiàn)狀

聲屏障在一些發(fā)達(dá)國家率先實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，設(shè)置于高速公路、城市軌道、鐵路等交通干線兩側(cè)，已逐漸發(fā)展成為最普遍采用的噪聲控制措施(見圖1)。國外從20世紀(jì)六七十年代就已開始了聲屏障結(jié)構(gòu)形式的研究，除直立式聲屏障外，鐵路已采用的聲屏障結(jié)構(gòu)形式主要有寬頂式聲屏障、頂部帶有裝置的直立式聲屏障、半封閉式和全封閉式聲屏障等［7-13］。

日本新干線聲屏障主要有三類:一是在鐵路橋梁區(qū)段設(shè)置全混凝土2 m高屏障;二是在有噪聲敏感點(diǎn)的路段，在2 m高屏障上加裝隔聲屏障;三是在噪聲敏感點(diǎn)路段設(shè)置插板式吸聲屏障;H型鋼立柱采用HW150，底部現(xiàn)澆混凝土一起施工，型式有直立式和折角式兩種，采用珍珠巖混凝土吸聲板、金屬單元板內(nèi)附玻璃棉吸聲或安裝頂部降噪裝置增加降噪效果。此外，為進(jìn)一步提高降噪效果，日本還廣泛的采用了Y型、倒L型等寬頂式聲屏障，以及頂部降噪裝置等聲屏障結(jié)構(gòu)形式。

圖1 國內(nèi)外部分聲屏障應(yīng)用實(shí)例

韓國聲屏障的主要型式為直立插板式，板體由鋁合金穿孔面板、吸聲材料、鋼背板組合而成，透明材料采用10 mm厚PC板。為進(jìn)一步提高降噪效果，韓國鐵路也較大量地應(yīng)用了聲屏障頂部降噪裝置。

德國高速鐵路聲屏障橋梁區(qū)段聲屏障材料以鋁合金、亞克力透明材料為主，路堤區(qū)段聲屏障材料以非金屬材料、鋁合金、亞克力透明材料為主，結(jié)構(gòu)形式為H鋼直立插板式，聲屏障距外軌中心線不小于3．8 m。

法國鐵路聲屏障的主要結(jié)構(gòu)形式為直立拼裝式，路基聲屏障距外軌中心線不小于4．5 m，材料為混凝土、鋁合金。通過對聲屏障頂部聲繞射影響問題開展理論和應(yīng)用研究，改進(jìn)聲屏障頂部結(jié)構(gòu)，法國TULIPE聲屏障有效地提高了聲屏障措施的降噪效果。

總體看，國外高速鐵路聲屏障目前主要采用的結(jié)構(gòu)形式為插板式，采用立柱通過螺栓與基礎(chǔ)連接或不采用螺栓、直接插入與底部遮板混凝土澆筑在一起，立柱間安裝插板。采用的材料主要有金屬板、混凝土板、透明板等，立柱一般采用H型鋼或鋼筋混凝土立柱。總之，直立插板式聲屏障作為一種適合于高速鐵路噪聲防治的有效措施在國外取得了廣泛應(yīng)用，倒L型、折角型聲屏障在工程實(shí)際中也有較多應(yīng)用，日本和韓國鐵路還大量應(yīng)用了聲屏障頂部降噪裝置以進(jìn)一步提升降噪效果，聲屏障的設(shè)計形式趨于多樣化。

我國目前已實(shí)施的高速鐵路聲屏障總長度超過4 000 km。按照運(yùn)行速度可分為250 km/h客運(yùn)專線和350 km/h客運(yùn)專線聲屏障，按照線路形式可分為路基段聲屏障和橋梁段聲屏障，按照聲屏障的材質(zhì)可分為金屬類和非金屬類聲屏障。已實(shí)施的聲屏障主要為金屬及混凝土兩種材質(zhì)的直立型聲屏障，橋梁段以金屬聲屏障為主，路基段有金屬和非金屬兩種材質(zhì)的聲屏障。聲屏障高度主要為軌面以上2．05 m 和3．05 m，其中 3．05 m 屏障是在2．05 m屏障基礎(chǔ)上加裝1 m高通透隔聲板。對部分有特殊要求的低速路段設(shè)置了5～8 m直立式聲屏障或折角式、半封閉聲屏障。為降低聲屏障頂部聲繞射，進(jìn)一步提升降噪效果，部分鐵路如京九線廣安門路段、滬昆客專上海段應(yīng)用了聲屏障頂部降噪裝置。最新研發(fā)并進(jìn)行上道試用的聲屏障有減載式聲屏障和超高強(qiáng)度混凝土聲屏障等。

3 高速鐵路聲屏障存在的主要問題及發(fā)展趨勢

3．1 深化聲屏障降噪理論和應(yīng)用研究

聲源定義問題是聲屏障降噪效果計算以及新型聲屏障研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。因此，需在高速鐵路噪聲源特性、傳播途徑、關(guān)鍵影響參數(shù)及機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)高速鐵路聲屏障對不同噪聲源的屏蔽特性，降噪效果的空間分布規(guī)律;列車類型、速度、線路類型對聲屏障降噪特性的影響等開展理論和應(yīng)用研究工作。為新型聲屏障結(jié)構(gòu)和材料的研發(fā)提供技術(shù)支持，為聲屏障插入損失的預(yù)測模型計算方法改進(jìn)提供理論上的支撐。

3．2 加強(qiáng)聲屏障頂部聲繞射影響理論和應(yīng)用研究

國外研究結(jié)果表明，聲屏障頂部聲繞射是影響聲屏障降噪效果的重要因素之一，但我國對此研究相對較少，因此，需從聲傳播、聲繞射等理論出發(fā)，通過聲學(xué)試驗(yàn)室模型試驗(yàn)和仿真計算等，開展聲屏障頂部聲繞射影響問題研究，通過改進(jìn)聲屏障頂部結(jié)構(gòu)形狀，有效降低聲屏障頂端聲繞射影響，提高聲屏障的整體降噪效果。根據(jù)相關(guān)資料，聲屏障頂部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可提高降噪效果2dB(A)左右。

3．3 加強(qiáng)新型聲屏障結(jié)構(gòu)和材料的研發(fā)

根據(jù)相關(guān)資料，國外高速鐵路聲屏障措施一般可降低列車運(yùn)行噪聲6～10 dB(A)。根據(jù)我國高速鐵路現(xiàn)場測試結(jié)果，2．05 m直立式聲屏障對距外軌中心線30 m不同高度敏感點(diǎn)的降噪效果一般在3～8 dB之間，半封閉式聲屏障降噪效果超過10 dB;直立吸聲式聲屏障對500 Hz以上的中高頻噪聲具有較好的降噪效果，但對250 Hz以下的中低頻噪聲效果不大［14-15］。根據(jù)試驗(yàn)室測試結(jié)果，我國聲屏障大多在400 Hz以上具有較好的隔聲性能、250 Hz～800 Hz范圍內(nèi)具有較好的吸聲性能，低頻隔、吸聲性能較差(見圖2)。從近年來采用纖維類吸聲材料的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)來看，由于長期處于大流量列車振動和交變風(fēng)壓的影響，纖維材料的脆性斷裂和粉塵化使原來的均質(zhì)結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，不能有效起到吸聲降噪作用。

圖2 聲屏障單元板隔聲、吸聲性能試驗(yàn)室測試結(jié)果

總體來看，我國高速鐵路聲屏障存在聲屏障結(jié)構(gòu)形式及材料較為單一，對鐵路低頻噪聲降噪效果有限及聲屏障頂部繞射影響未予考慮等問題。因此，為不斷改善和提高聲屏障的實(shí)際降噪效果，需在相關(guān)理論深化研究的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)新型聲屏障結(jié)構(gòu)和材料的研發(fā)。

研究和發(fā)展新型吸聲材料，增大聲屏障的插入損失，加強(qiáng)中低頻噪聲的降噪效果，是聲屏障的發(fā)展方向。對于混凝土聲屏障，其發(fā)展方向是輕質(zhì)、多孔、預(yù)制。對于鐵路金屬插板式聲屏障，解決吸聲材料老化問題、免維護(hù)和少維護(hù)問題等是新型聲屏障結(jié)構(gòu)和材料研發(fā)所應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)。

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