伍向阳

(中国铁道科学研究院,北京 100081)

截至2018年底，我国高速铁路运营总里程超过2.9万km，声屏障是我国高速铁路应用最为广泛的噪声控制手段，目前已实施声屏障总长度超过4 000 km[1-2]，且以直立式声屏障为主，直立式声屏障一般仅在声影区有较好的降噪效果[3-4]。由于运营安全、维护检修等方面的限制，全封闭声屏障、半封闭声屏障等进一步降低噪声的声屏障类型虽已在道路交通[5-6]、城市轨道交通[7-9]广泛应用，但在铁路应用案例极少，半封闭声屏障仅应用于我国沪杭客专城区段[10-11]，全封闭声屏障尚未应用于国内外铁路。

新建深茂铁路设计速度200 km/h，距景区“小鸟天堂”鸟类栖息地水平距离800 m，为了降低铁路运行噪声对鸟类栖息环境的影响，建设单位研究设置了长约2 km的全封闭声屏障，这也是我国第一次在高速铁路线路上安装全封闭声屏障[12]。本文以该区段全封闭声屏障为试验对象，研究分析其实际应用效果，为全封闭声屏障应用提供基础数据。

1 工程及试验概况

深茂铁路全封闭声屏障设置在南坦海特大桥上，线路为有砟轨道，桥梁采用32 m简支箱梁，声屏障为拱形结构，主体结构由横梁、纵联、盖板、压条四部分组成。其中横梁、纵联采用钢结构，形成受力骨架。测试区段声屏障盖板采用高韧性纤维增强水泥基复合材料ECC，宽2 m，顶部采用1块1.2 m宽的透明隔声板，ECC盖板厚5 cm，通过钢板压条扣紧在骨架上。

试验动车组型号为CRH2C-2068，由于全封闭声屏障区段距离江门站仅为2.7 km，且从江门站往声屏障区段运行时连续通过半径为600 m和半径为1 200 m的两段曲线，因此全封闭声屏障所在区段设计运营速度低于120 km/h，本次试验速度不高于132 km/h。

2 测量方法

全封闭声屏障降噪效果测试方法参照HJ/T90-2004《声屏障声学设计和测量规范》[13]，分别测量声屏障安装前后，相同参考位置和受声点位置的声压级。测量时因声屏障已安装，无法移除，因此本文采用间接法测量分析声屏障降噪效果。声屏障安装前的测量选择与其等效的测点进行。为了保障两个测点的等效性，测点选择时充分考虑了声源特性、地形、地貌、周围建筑物反射、地面和气象条件的相似性。

分别测量动车组通过声屏障断面与对照断面时的等效连续A声级，并进行频谱分析。

采用HJ/T 90-2004《声屏障声学设计和测量规范》第5.2.6.2条款“声屏障插入损失的计算”，公式如下

IL=(Lref，a-Lref，b)-(Lr，a-Lr，b)

(1)

式中Lref，b——对照断面参考点处A声级，dB(A)；

Lr，b——对照断面受声点处A声级，dB(A)；

Lref，a——声屏障断面参考点A声级，dB(A)；

Lr，a——声屏障断面受声点A声级，dB(A)。

采用多通道噪声数据采集系统记录测点处每列动车组通过时段内的噪声时域信号。

为避免由于声源不稳定所引起的测量误差，降噪效果对应数据应为同次列车通过两测试断面的结果。动车组运行噪声等效连续A声级以及1/3倍频程各频带声级均应高于背景噪声10 dB。

3 测点布置

为了保障降噪效果分析的准确性，本次试验全封闭声屏障断面测点位于K134+500，对照断面位于K134+900，两测点距离相近，均位于高架线路箱梁直线区段，列车运行速度相同，声源特性一致，周围环境较为开阔，对照断面100 m以外为现状公路，背景噪声高于声屏障断面，试验过程中需充分分析背景噪声的影响。

全封闭声屏障断面测试点和对照断面测试点均位于深茂铁路下行线侧，两个测试断面测点位置完全相同，如表1及图1～图4所示。

表1 全封闭声屏障降噪效果测试测点布置

图1 全封闭声屏障降噪效果测试现场

图2 全封闭声屏障降噪效果测点布置(单位：mm)

图3 对照断面测点测试现场

图4 对照断面测点布置(单位：mm)

4 数据分析

4.1 动车组运行噪声频率特性

全封闭声屏障阻隔了声源与受声点之间的直接传播，其降噪效果主要取决于声屏障的隔声性能，由于声源频率特征差异，不同厚度、不同材质隔声材料降噪效果不同。本文通过现场测试距线路中心线7.5 m处、轨面以上0.3 m处，动车组以130 km/h通过桥梁对照断面时的噪声频谱特征(图5)，以分析全封闭声屏障主要降噪频率。

图5 动车组通过未安装声屏障的对照断面噪声频谱特性(距线路中心线7.5 m，轨顶面以上0.3 m)

频谱分析表明：在本次试验条件下，动车组以130 km/h运行时， 噪声主要频率集中在20～4 000 Hz，呈现宽频特征，峰值频率集中在50 Hz和1 000 Hz附近，因此，声屏障需要呈现宽频降噪性能方可满足高速铁路降噪需求。

4.2 全封闭声屏障降噪效果时域特征

通过对比同次动车组通过桥梁对照断面和全封闭声屏障区段声级随时间的变化，如图6～图8所示，直观展现列车通过时段声屏障降噪效果。

图6 动车组以130 km/h通过时对照断面和全封闭声屏障噪声随时间变化(距线路中心线7.5 m，轨顶面以上0.3 m)

图7 动车组以130 km/h通过时对照断面和全封闭声屏障噪声随时间变化(距线路中心线25 m，轨顶面以上3.5 m)

图8 动车组以130 km/h通过时对照断面和全封闭声屏障噪声随时间变化(距线路中心线45 m，轨顶面以上3.5 m)

由图6～图8可得如下结论。

(1) 距线路中心线25 m以内，虽然对照断面背景噪声较高，但列车通过声级高于背景噪声15 dB(A)以上，因此可忽略背景噪声影响；距离线路中心线45 m时，对照断面背景噪声降低，与声屏障断面背景噪声声级水平相近，该测点处列车通过声级高于背景噪声约20 dB以上。

(2)与对照断面相比，全封闭声屏障断面背景噪声较低，列车通过声级也较低，低于对照断面约16～18 dB，声级变化率更为平缓。距线路中心线7.5 m处，列车通过声级高于背景噪声15 dB以上；距线路中心线25 m处，列车通过声级高于背景噪声10 dB以上；距线路中心线45 m处，列车通过声级高于背景噪声8～10 dB以上，列车通过噪声已经受到背景噪声的轻微影响，但对于降噪效果分析影响不大，约在1 dB以内。

4.3 全封闭声屏障降噪效果频域特征

为了进一步验证全封闭声屏障的降噪效果，对同次动车组通过对照断面和全封闭声屏障区段时的噪声信号进行频谱分析，如图9、图10所示。

图9 动车组以130 km/h通过时对照断面时频域特征(距线路中心线7.5 m，轨顶面以上0.3 m)

图10 动车组以130 km/h通过时全封闭声屏障断面时频域特征(距线路中心线7.5 m，轨顶面以上0.3 m)

分析可知：全封闭声屏障降噪性能呈宽频特征，采用全封闭声屏障后，噪声频率集中在2 000 Hz以下，且幅值低于对照断面。

图11 动车组以不同速度通过时全封闭声屏障降噪效果频域特征(距线路中心线7.5 m，轨顶面以上0.3 m)

动车组以108～130 km/h速度运行时，全封闭声屏障降噪特性基本一致，如图11所示。降噪效果随频率提高呈增加趋势，2 000 Hz以上降噪效果基本高于20 dB，400 Hz以上基本在15 dB左右，100 Hz以上基本在5 dB左右，100 Hz以下无效果。

动车组以相同速度运行时，全封闭声屏障对于不同高度测点的降噪特性也基本一致，如图12～图13所示。降噪效果随频率提高呈增加趋势，但距离45 m处，5 000 Hz以上降噪效果明显下降，主要是由于距线路较远，高频噪声在空气中长距离传播已经大幅衰减。总体而言，630 Hz以上频率降噪效果基本在15 dB以上，315～500 Hz降噪效果也可达10～12 dB，但100 Hz以下低频无效果。

图12 动车组以122 km/h通过全封闭声屏障时，距线路中心线25 m处不同高度降噪效果频域特征

图13 动车组以131 km/h通过全封闭声屏障时，距线路中心线45 m处不同高度降噪效果频域特征

4.4 全封闭声屏障降噪效果

在上述分析基础上，进一步对全封闭声屏障不同距离、不同高度、不同运行速度降噪效果进行分析，如表2所示。

表2 全封闭声屏障降噪效果

如表2所示：动车组以107～132 km/h速度运行时，全封闭声屏障对于距线路不同距离、不同高度的降噪效果可达16～18 dB(A)。

5 结论与建议

深茂铁路是我国首条应用全封闭声屏障的高速铁路，通过采用间接测量法对全封闭声屏障降噪效果进行试验分析，主要结论如下。

(1)全封闭声屏障可大幅降低列车通过噪声，且不存在声亮区，对于不同高度受声点，降噪效果均有保障。

(2)全封闭声屏障呈现宽频降噪性能，对于400 Hz以上的噪声，降噪量高达10 dB以上；630 Hz以上降噪效果高达15 dB以上。

(3)本次试验条件下，距线路不同距离、不同高度，全封闭降噪效果可达16～18 dB。

由于本次试验全封闭声屏障区段运行速度较低，最高仅为132 km/h，与高速铁路正常运行速度差异较大，因此，本文研究成果可用于分析全封闭声屏障时频域降噪特性，指导全封闭声屏障优化设计，但不能代表全封闭声屏障应用于高速运行区段实际效果，建议后续有条件对于全封闭声屏障在更高速度的实际应用及效果进行研究论证。