馬愛英，汪臻

聲強(qiáng)測(cè)量在高鐵聲屏障檢測(cè)中的應(yīng)用研究

馬愛英1，汪臻2

(1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081；2. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

將聲強(qiáng)法應(yīng)用于3種不同類型的高速鐵路聲屏障的隔聲測(cè)量中，并與聲壓法的隔聲測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，討論聲強(qiáng)法在高速鐵路聲屏障隔聲測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果表明：聲強(qiáng)法能直觀的檢測(cè)出聲屏障存在的漏聲點(diǎn)；能為高速鐵路聲屏障的精細(xì)設(shè)計(jì)提供支撐；為高速鐵路異型聲屏障測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)隔聲測(cè)量提供依據(jù)，并為高速鐵路聲屏障相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供數(shù)據(jù)支撐。研究成果對(duì)高速鐵路聲屏障隔聲測(cè)量具有一定的指導(dǎo)意義，能為現(xiàn)場(chǎng)隔聲測(cè)量提供可行方法。

聲屏障；聲強(qiáng)法；空氣聲隔聲；高速鐵路

聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù)始于20世紀(jì)70年代末，80年代開始應(yīng)用于建筑隔聲測(cè)量，90年代出現(xiàn)了便攜式聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)，近期在測(cè)量技術(shù)和應(yīng)用方面開始有了較快的發(fā)展[1?3]。聲強(qiáng)法在隔聲測(cè)量中應(yīng)用廣泛[4?11]，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。蔡陽生等[12?13]對(duì)聲壓法與聲強(qiáng)法隔聲測(cè)量的不確定度行了對(duì)比，并對(duì)聲強(qiáng)法測(cè)量建筑和建筑構(gòu)件空氣聲隔聲技術(shù)進(jìn)行了研究；扈西枝等[14]利用混響室?消聲室對(duì)飛機(jī)艙壁板結(jié)構(gòu)隔聲也進(jìn)行了測(cè)試研究，2種研究實(shí)驗(yàn)室不同，計(jì)算公式不同，修正方法有差異，但聲壓法和聲強(qiáng)法2種方法隔聲量測(cè)量結(jié)果吻合度較高。SHEN等[15]基于聲學(xué)測(cè)量和數(shù)值模擬，提出了一種確定大型擠壓板對(duì)殼體內(nèi)聲壓級(jí)的噪聲貢獻(xiàn)的實(shí)用方法；Mcgary等[16]將聲強(qiáng)技術(shù)運(yùn)用于飛機(jī)機(jī)身隔聲量的測(cè)量；連小珉等[17]將聲強(qiáng)法聲場(chǎng)分析運(yùn)用于大型客車的噪聲控制。近年來，國(guó)內(nèi)外已將近場(chǎng)聲強(qiáng)法應(yīng)用于機(jī)車、飛機(jī)、電機(jī)等領(lǐng)域中的噪聲源識(shí)別方面。在軌道交通領(lǐng)域中聲強(qiáng)法已用于高鐵沿線線路噪聲源識(shí)別，但在高鐵聲屏障方面卻是空白。與其他構(gòu)件相比聲屏障構(gòu)件有其特殊性——表面有吸聲性能，本文對(duì)聲強(qiáng)法應(yīng)用于高速鐵路聲屏障隔聲測(cè)量進(jìn)行探討，并與傳統(tǒng)聲壓法的隔聲測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為高速鐵路聲屏障相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供數(shù)據(jù)支撐。將聲強(qiáng)法應(yīng)用于高鐵聲屏障的日常檢測(cè)中，對(duì)高鐵聲屏障質(zhì)量控制具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用聲強(qiáng)法對(duì)高速鐵路聲屏障空氣聲隔聲量測(cè)試

1.1 隔聲測(cè)量的依據(jù)

本文依照GB/T31004.1-2014/EN ISO15186—1:2 000聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲聲強(qiáng)法測(cè)量第1部分：實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。采用如下公式對(duì)聲屏障的隔聲量進(jìn)行測(cè)試[18]：

其中：I為聲強(qiáng)隔聲量；p1為聲源室平均聲壓級(jí)；In為接受室中測(cè)量面平均法向聲強(qiáng)級(jí)；為試驗(yàn)中被測(cè)試件的面積；m是各測(cè)量子面的面積之和。由于聲屏障構(gòu)件安裝在隔墻中，測(cè)量面即是構(gòu)件面積，因此可將式(1)簡(jiǎn)化為：

1.2 檢測(cè)設(shè)備

1.2.1 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室

隔聲實(shí)驗(yàn)室由聲源室(89.8 m3) 和接收室(80.8 m3) 構(gòu)成；聲源室與接收室之間有聲屏障的測(cè)試洞口；接收室墻壁懸掛吸聲體，100～5 000 Hz頻率范圍內(nèi)混響時(shí)間全部在1～2 s，符合GB/T19889.1—2005聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲測(cè)量第1部分：側(cè)向傳聲受抑制的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)施要求。實(shí)驗(yàn)室做過內(nèi)部質(zhì)量控制聲壓法實(shí)驗(yàn)，結(jié)果[19]符合GB/T19889.2—2005聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲測(cè)量第2部分：數(shù)據(jù)精密度的確定、驗(yàn)證和應(yīng)用[20]。

1.2.2 檢測(cè)儀器

采用十二面體聲源Brüel & Kj?r(B & K)4292- L，建筑聲學(xué)分析儀B & K2270，聲壓測(cè)量采用4189傳感器，聲強(qiáng)測(cè)量探頭采用 B & K3654型套件，傳聲器是直徑為1/2英寸4197傳感器對(duì)，定距柱為12 mm或50 mm。聲壓校準(zhǔn)器采用B & K4231，聲強(qiáng)校準(zhǔn)器采用B & K4297。

1.3 檢測(cè)過程

先用傳統(tǒng)聲壓法依據(jù)GB/T 19889.3—2005規(guī)定步驟對(duì)3類代表性高鐵聲屏障構(gòu)件(金屬聲屏障、非金屬聲屏障及亞克力透明板)進(jìn)行隔聲量和聲源室平均聲壓級(jí)測(cè)量，記錄結(jié)果。

再用聲強(qiáng)法按照標(biāo)準(zhǔn)：GB/T31004.1—2014進(jìn)行空氣聲隔聲量檢測(cè)，檢測(cè)過程如下。

1.3.1 校準(zhǔn)

將B & K 3654型聲強(qiáng)探頭放置在 B & K4297聲強(qiáng)校準(zhǔn)器的耦合腔并密閉好后,在校準(zhǔn)菜單內(nèi)選擇正弦按鈕進(jìn)行聲壓校準(zhǔn),待狀態(tài)欄變綠，點(diǎn)“stop”鍵退出，再選擇殘余P-I指數(shù)校準(zhǔn)，待頻譜穩(wěn)定，點(diǎn)“stop”鍵退出，校準(zhǔn)結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)。

1.3.2 測(cè)量面選擇

因?yàn)楸粰z聲屏障與測(cè)試洞口形成龕室，龕室深度28 cm，因此直接取龕室開口平面作為測(cè)量面，測(cè)量距離28 cm。

1.3.3 測(cè)量路徑

接受室的平均聲強(qiáng)級(jí)通過掃描法測(cè)量得到，聲強(qiáng)探頭一定要垂直試件表面，在測(cè)量面掃描時(shí)保持速度均勻，約0.2 m/s，操作人員站位應(yīng)注意身體不會(huì)阻擋聲源的聲輻射。先用定距柱為12 mm聲強(qiáng)探頭按如圖1所示路徑掃描，測(cè)量2次，記錄數(shù)據(jù)，2次測(cè)量的結(jié)果在每一個(gè)頻帶內(nèi)差值均不大于1 dB時(shí)，測(cè)量才有效。兩次結(jié)果平均值作為最后結(jié)果，同時(shí)記下表面聲壓?聲強(qiáng)指示值pIn；2次掃描測(cè)量的數(shù)據(jù)在每一個(gè)頻帶內(nèi)差值如果大于1 dB，則測(cè)量無效，需要重新再測(cè)，直到要求滿足。同樣的方法用定距柱為 50 mm聲強(qiáng)探頭再掃描測(cè)量，記錄 結(jié)果。

圖1 2種掃描路徑

1.3.4 測(cè)量面合格性檢驗(yàn)

根據(jù)表面聲壓?聲強(qiáng)指示值pIn(圖2)，可以看出對(duì)于金屬和非金屬聲屏障箱體(表面帶孔或格柵式，內(nèi)填巖棉等吸聲材料)，所有頻帶均小于6 dB (0.5～5.9之間)；對(duì)于透明板(屬于反射型構(gòu)件)，所有頻帶均小于10 dB(4.2～8.5之間)；接受室背景噪聲最大值是30.5 dB，比聲壓級(jí)與聲強(qiáng)級(jí)小10 dB以上，測(cè)量面選擇符合標(biāo)準(zhǔn)要求。如果測(cè)量面選擇不合格，則檢測(cè)無效。

1.3.5 結(jié)果計(jì)算

將記錄的聲強(qiáng)結(jié)果根據(jù)式(2)計(jì)算聲強(qiáng)隔聲量，并與聲壓隔聲量進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2。

2種方法得到計(jì)權(quán)隔聲量結(jié)果如表1。

(a) 金屬聲屏障2種測(cè)量方法結(jié)果；(b) 非金屬聲屏障2種測(cè)量方法結(jié)果；(c) 透明板聲屏障2種方法測(cè)量結(jié)果

表1 3種構(gòu)件聲壓計(jì)權(quán)隔聲量和聲強(qiáng)計(jì)權(quán)隔聲量

1.4 結(jié)果討論

1) 頻譜分析：3種聲屏障構(gòu)件在100～5 000 Hz頻率范圍的聲壓法及聲強(qiáng)法的隔聲量結(jié)果如圖2所示，2種方法得到的隔聲量總體吻合度較好。

實(shí)驗(yàn)室在100～630 Hz選用50 mm定距柱，在800～5 000 Hz選用12 mm定距柱，2種方法得到的隔聲量吻合度更高，100 Hz聲壓法與聲強(qiáng)法差異較大(Waterhouse 修正后還相差2～4 dB)；低頻部分需要Waterhouse 修正，中高頻部分2種方法吻合度很高，不用Waterhouse 修正。

2) 計(jì)權(quán)隔聲量：從表1看出聲強(qiáng)法與聲壓法的計(jì)權(quán)隔聲量測(cè)量結(jié)果基本吻合，但隨著隔聲量的增加，聲壓法的測(cè)量結(jié)果相對(duì)偏小，這跟聲壓法測(cè)量時(shí)傳聲器與構(gòu)件相對(duì)較遠(yuǎn)，向接受室輻射了一定的聲功率有關(guān)，聲壓法對(duì)實(shí)驗(yàn)室要求較高，從定義和測(cè)量過程看聲強(qiáng)法結(jié)果更接近真實(shí)值。

3) 目前傳統(tǒng)聲壓法測(cè)量空氣聲隔聲量成熟、方便，設(shè)備先進(jìn)，軟件配套齊全，但是聲壓法對(duì)實(shí)驗(yàn)室要求高(大小、聲場(chǎng)、側(cè)向傳聲、信噪比等都有較高要求)；聲強(qiáng)法由于是近場(chǎng)測(cè)量對(duì)實(shí)驗(yàn)室要求相對(duì)較低，通過測(cè)量聲強(qiáng)級(jí)，采用計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果，如果配套軟件系統(tǒng)開發(fā)成功，使用起來會(huì)更方便、快捷、準(zhǔn)確，使聲強(qiáng)法測(cè)量隔聲量快速走向?qū)嵱没?/p>

因此完善中低頻檢測(cè)方法及結(jié)果修正，聲強(qiáng)法可以用于高鐵聲屏障隔聲量檢測(cè)，且具備更多 優(yōu)點(diǎn)。

2 聲強(qiáng)法輔助聲屏障精細(xì)化設(shè)計(jì)

2.1 聲強(qiáng)法對(duì)聲屏障漏聲點(diǎn)的精確定位

聲強(qiáng)測(cè)量是直接在接收室側(cè)的構(gòu)件表面測(cè)量透射聲功率，每個(gè)點(diǎn)的聲強(qiáng)級(jí)結(jié)果可以非常實(shí)時(shí)直觀地反應(yīng)隔聲量，聲強(qiáng)級(jí)大表示透射功率強(qiáng)，也即說明隔聲量較低，漏聲較多，直接定位漏聲點(diǎn)，為聲屏障的設(shè)計(jì)與研發(fā)很快提供數(shù)據(jù)上的支撐。

對(duì)同一批聲屏障樣品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境分別以聲壓法和聲強(qiáng)法進(jìn)行了檢測(cè)。聲壓法檢測(cè)時(shí)隔聲量結(jié)果達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，但無法準(zhǔn)確定位漏聲點(diǎn)。但通過測(cè)量聲強(qiáng)級(jí)，發(fā)現(xiàn)聲屏障構(gòu)件之間及兩端端點(diǎn)與洞口連接處聲強(qiáng)級(jí)大3～5 dB左右，發(fā)現(xiàn)了漏聲點(diǎn)，原因是聲屏障連接處有5 cm金屬外框，框架里面沒有任何填充物。產(chǎn)品經(jīng)過廠家改進(jìn)后，隔聲效果顯著提升。

2.2 聲強(qiáng)法輔助聲屏障的精細(xì)化設(shè)計(jì)

高速鐵路沿線不同地段，噪聲特點(diǎn)不同。進(jìn)出車站時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注中低頻部分聲屏障隔聲性能；在線路區(qū)間，列車高速行駛時(shí)重點(diǎn)關(guān)注高頻部分隔聲性能。利用離散點(diǎn)法進(jìn)行聲強(qiáng)測(cè)量，結(jié)合不同段頻的聲強(qiáng)等高線圖或曲線圖進(jìn)行綜合分析，可以有針對(duì)性地提出聲屏障的改進(jìn)意見，改善高鐵聲屏障的隔聲性能，有助于高鐵聲屏障的精細(xì)化設(shè)計(jì)。

3 聲強(qiáng)法適用性

聲強(qiáng)是矢量，它不僅能給出測(cè)點(diǎn)部位的聲流量值，而且能揭示聲流方向，同時(shí)還具有區(qū)分聲場(chǎng)中的有功分量和無功分量，故聲強(qiáng)法適用于近場(chǎng)、自由場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)及擴(kuò)散場(chǎng)[21]，容易滿足測(cè)量環(huán)境條件要求。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，聲強(qiáng)法具有普遍的現(xiàn)場(chǎng)適用性。1) 聲壓法難以實(shí)現(xiàn)的異型聲屏障(比如干涉型聲屏障)隔聲量檢測(cè)，可以用聲強(qiáng)法檢測(cè)；2) 聲強(qiáng)法是高鐵沿線聲源識(shí)別先進(jìn)實(shí)用可靠的方法；3) 聲強(qiáng)法已經(jīng)納入了國(guó)家規(guī)范，高鐵聲屏障隔聲量的聲強(qiáng)檢測(cè)法有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T31004.2—2014)。因此，聲強(qiáng)法對(duì)于聲屏障效果檢測(cè)和產(chǎn)品質(zhì)量控制有重要實(shí)踐意義。

4 結(jié)論

1) 聲壓法和聲強(qiáng)法測(cè)量高鐵聲屏障隔聲量結(jié)果基本吻合。

2) 聲壓法測(cè)量成熟方便，是隔聲量檢測(cè)的可選方法，但聲壓法相對(duì)粗放。

3) 聲強(qiáng)法對(duì)環(huán)境要求相對(duì)較低，測(cè)量結(jié)果更接近真實(shí)值；并且，聲強(qiáng)測(cè)量能實(shí)時(shí)直觀地定位漏聲點(diǎn)，可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)聲屏障的設(shè)計(jì)缺陷，也能成功地應(yīng)用在聲源識(shí)別、聲屏障現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、異型聲屏障的隔聲效果檢測(cè)。

4) 聲強(qiáng)檢測(cè)正迅速改變著傳統(tǒng)的噪聲測(cè)試分析方法，實(shí)用價(jià)值較大，應(yīng)該較快地積累數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行應(yīng)用和推廣。

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Application of sound intensity measurement in the detection of high-speed railway sound barriers

MA Aiying1, WANG Zhen2

(1. Energy Saving and Environmental Protection and Occupational Safety and Health Research Insitute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China; 2. Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd, Beijing 100055, China)

The sound intensity method was introduced in the measurement of sound insulation of three different types of high-speed railway (HSR) sound barriers. The comparison was made between the sound pressure and sound intensity methods, and the advantages of sound intensity method in the sound insulation measurements of HSR sound barriers were discussed. The application results of the three different types of HSR sound barriers show that the sound intensity method can detect the leakage points of sound barriers more intuitively than the sound pressure method. The findings could provide technical basis and reference for the fine-tuned design of HSR sound barriers, the measurement of irregularly shaped HSR sound barriers, and the measurement of field sound insulation. It also provides measurement data to support the revision of relevant design standards of HSR sound barriers. This study can provide significant guidance for the sound insulation measurement of the HSR sound barrier and provide feasible methods for the measurement of field sound insulation.

sound barrier; sound intensity method; airborne sound insulation; high-speed railway

U214

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2666 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200700

2020?07?23

高速鐵路噪聲控制技術(shù)?深化聲屏障技術(shù)研究(2015G009-A)

馬愛英(1967?)，女，湖北大冶人，高級(jí)工程師，從事高鐵聲屏障的測(cè)試與研發(fā)工作；E?mail：403420844@qq.com

(編輯 蔣學(xué)東)