轨道交通陶粒混凝土吸声板降噪效果的测试分析

朱万旭，张　庆，李　丽，刘卫丰，周红梅，刘　玮

(1.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林　541004；2.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林　541004；3.中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京　100055；4.北京交通大学,北京　100044；5.柳州汉西鸣建材发展有限公司，广西柳州　545025)



轨道交通陶粒混凝土吸声板降噪效果的测试分析

朱万旭1，2，张庆3，李丽1，2，刘卫丰4，周红梅5，刘玮3

(1.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林541004；2.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004；3.中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京100055；4.北京交通大学,北京100044；5.柳州汉西鸣建材发展有限公司，广西柳州545025)

摘要：创造低噪声的乘车环境，建立减振降噪环境友好型的地铁站区环境已成为轨道交通建设的发展趋势。测试分析一种陶粒混凝土制作的新型吸音结构HCM型吸声板的降噪效果。试验在北京交通大学轨道减振与振动控制实验室中进行，将吸声板铺设在轨道的钢轨之间，在道床和隧道壁上布置测点，模拟干燥、潮湿、下雨以及潮湿后干燥的工况进行试验测试。分析结果表明：不同测点和工况下，减噪效果都能达到4～5 dBA；频域分析表明，吸声板具有较宽的降噪频段。对于隧道壁测点，吸声板对250 Hz以上频段噪声的降噪效果较优；对于道床测点，吸声板对500 Hz以上频段噪声的降噪效果较好。

关键词：轨道交通；陶粒混凝土；吸声板；降噪测试；HCM

1概述

近年来我国大力发展地铁公共交通事业，地铁线路不断延长，客流量不断增大。创造低噪声的乘车环境，建立减振降噪环境友好型的地铁站区环境已成为轨道交通建设的发展趋势。目前，国内已经开始对轨道交通噪声机理[1]与控制[2-7]的某些方面进行研究，而国外对轨道交通噪声的研究中涉及到诸如噪声源的定位[8]、声屏障的计算设计[9-10]、地面结构的振动、轮轨的优化设计[9]等多个方面。治理城市轨道交通振动噪声的措施通常从以下3个方面考虑：噪声源、噪声传播途径和噪声接受区[11]。

从控制噪声传播的措施方面考虑，采用全天候道床吸声板安装在离噪声源——轮轨最近处，直接吸收噪声，避免噪声的扩散，能更好地达到降低轮轨噪声的目的。从20世纪90年代，德国采用黏土陶粒等为吸音主材研发了不同类型的轨道吸声板，并在车站、隧道、区间正线噪声敏感区段进行了广泛应用，取得了良好的效果，降噪效果为3.9～6.2 dB。

桂林理工大学与中铁咨询轨道院等单位通力合作，研发成功了一种采用陶粒混凝土制作的全天候HCM吸声板，根据具体轨道形式，匹配模压成型，参见图1。经国家建筑质量监督检验中心检测，吸音性能等级很好的达到了Ⅰ级。

图1　HCM吸声板

为了对HCM吸声板减噪效果有比较深入的研究，考虑到现场使用所遇到的干燥、潮湿、下雨以及潮湿后干燥的实际状况，在北京交通大学轨道减振与振动控制实验室进行了充分的模拟试验研究。

2实验介绍

北京交通大学轨道减振与振动控制实验室(图2)是目前国内唯一建在地下的轨道与隧道工程实验室。它是一个上下双层结构，隧道底板埋深分别为10 m和18 m，隧道净宽和净高均是4 m，隧道壁厚0.55 m，上下重叠处的夹层土厚4 m。本实验在地下二层隧道中进行。测试仪器包括轨道振源发生器SBZ30(图3)、INV 3018C型24位高精度数据采集仪、INV9206型声压传感器、HS6020型活塞式声压校准计等。

图2　实验场地(单位：m)

图3　轨道振源发生器SBZ30

在隧道壁及道床的测点及吸声板布置如图4所示。按以下5种工况顺序进行测试。

(1)无HCM吸声板工况。即背景工况，在吸声板没有安装前， 先测试其声压。

图4　测点及吸声板布置示意

(2)干燥HCM吸声板工况。

(3)半饱和(含水)HCM吸声板工况。在吸声板上洒水，让其处于潮湿状态。

(4)饱和(含水)HCM吸声板工况。喷水充分湿润后，模拟下雨工况进行测试。

(5)潮湿HCM吸声板干燥后测试工况。模拟雨后工况，吸声板在试验室中一直晾置，数周后进行测试。

3测试结果及分析

为了消除数据采集中集中电流等其他因素的干扰，数据处理前均采取一定的滤波措施。A计权网络的频率响应与人耳对宽频带声音的灵敏度相当，所以声压级计权采用A计权。对测试采集的声压信号，采用适于瞬态信号的矩形窗分别在时域和频域内进行分析。其声压级计算公式如下[12]。

式中Lp——声压级；

P——声压；

P0——基准声压。

3.1　时域分析

为了避免数据的随机干扰，采集系统对每种工况至少20组数据进行了记录，每组数据的采集时间为60 s，并对其中6组数据进行平均。其中，5种工况下隧道壁测点声压级典型时程曲线如图5所示。图中，纵坐标为声压级，取90～110 dBA的范围，横坐标为数据采集的时间，同时标出了60 s采集时间内声压级的最大值。

图5　隧道壁测点声压级典型时程曲线

从典型的测试时程曲线对比可以看出，其声压级最大值由背景工况的104.48 dB，在放置吸声板的各工况均降低了4 dB以上，说明吸声板在各种工况下均能降噪，HCM吸声板减噪效果是明显的。

进一步对隧道壁测点和道床测点声压级的时程有效值各组数据进行了平均，对比分析如表1所示。

表1　隧道壁与道床测点声压级有效值对比　dBA

从表1数据分析得出以下结论。

(1)吸声板洒水后，其降噪效果反而更好些，由降噪4 dB，进一步下降到5 dB多。说明吸声板内部孔洞连通性好，能够迅速将水排开，不但能很好地避免积水影响降噪效果，而且其内部影响吸声效果的物质，比如灰尘，能够被水带走，吸声板具备自清洁能力。

(2)潮湿干燥后工况降噪效果最为明显，与无吸声板工况相比，隧道壁声压级有效值降低5.5 dBA，道床声压级有效值降低5.5 dBA，比吸声板干燥工况的降噪分贝分别低1.4和1.5 dBA。考虑到实际工程中道床上灰尘不可避免，HCM吸声板中孔洞结构也许应更疏松些，在实际工程应用中会达到更佳的降噪效果。

3.2　频域分析

为了对吸声板的声学性能进行较细致的了解，对隧道壁测点和道床测点的声压进行1/3倍频程谱分析[12]。同样从至少20组记录数据中选取6组进行分析，将其记录的1/3倍频程谱线性平均，以消除测试中的随机干扰。对比分析结果如图6～图7所示。图中横坐标为倍频程中心频率，纵坐标为倍频程幅值采用声压级表示。

图6　不同工况隧道壁测点声压级倍频程谱对比

图7　不同工况道床测点声压级倍频程谱对比

通过以上对比分析可得以下结论。

(1)吸声板具有较宽的降噪频段。对于隧道壁测点，吸声板对250 Hz以上频段噪声的降噪效果比较明显；对于道床测点，吸声板对500 Hz以上频段噪声的降噪效果比较明显。

(2)鉴于实际轨道交通的噪声发生频率在200～4 000 Hz，HCM吸声板应对实际轨道降噪具有较好的效果。

(3)吸声板在200～500 Hz之间的频段的降噪性能还应提高。

4结论

通过试验检测及数据分析，得出陶粒混凝土制作的HCM吸声板全天候、自清洁，具有较好的降噪性能。在隧道实验室中，其在干燥、潮湿、下雨及潮湿后干燥的工况下，降噪分贝都能达到4～5 dB。通过频域分析，HCM吸声板具有较宽的降噪频段。对于隧道壁测点，吸声板对250 Hz以上频段噪声的降噪效果较好；对于道床测点，吸声板对500 Hz以上频段噪声的降噪效果较好，应对实际轨道降噪具有较好的效果。此外，试验结果也表明，HCM吸声板的降噪性能还有提高的空间，应就合理空隙率、低频降噪方面加强研究，希冀在实际工程应用中不断得到验证、完善和改进。

参考文献：

[1]徐志胜，翟婉明.轨道交通轮轨噪声机理分析[J].噪声与振动控制，2006(2)：52-57.

[2]于越，常亮，尹镪.高速铁路隧道壁吸声材料降噪效果仿真分析[J].铁道标准设计，2014(9)：110-114.

[3]林常明，陈光冶.轨道交通噪声机理研究与控制[J].噪声与振动控制，2003(4)：5-9.

[4]金凌志，陈超，周晓杰，等.水泥基陶粒多孔无砟轨道吸声板的制作及性能浅析[J].混凝土与水泥制品，2013(2)：39-43.

[5]陶洪敏，宋雷鸣.轨道结构的减振降噪技术[J].噪声与振动控制,2005(4):43-45.

[6]平学惠，刘俊青.既有铁路声屏障设计问题与研究[J].铁道标准设计，2010(11):36-38.

[7]刘海成，赵青，陈华.北京市轨道交通房山线声屏障板的安装设计[J].铁道标准设计，2011(1):112-116.

[8]S. BRüHL and A. RÖDER. Acoustic noise source modelling based on microphone array measurements[J]. Journal of Sound and Vibrat ion， 2000(3):611-617.

[9]Jean P, Gabillet Y. Using a boundary element approach to study small screens close to rails[J]. Journal of Sound and Vibration， 2000(3):673-679.

[10]Jones C J C, Thompson D J. Rolling noise generated by railway wheels with visco-elastic layersers[J]. Journal of Sound and Vibration， 2000(3):779-790.

[11]张振淼.城市轨道交通环境噪声的评价与控制以及衰减噪声的途径[J].地铁与轻轨，2001(2)：20-23.

[12]毛东兴，洪宗辉.环境噪声控制工程[M].北京：高等教育出版社，2010.

启事

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特此通知

《铁道标准设计》编辑部

2016年1月

Test and Analysis of Noise Reduction Effect of Ceramsite Concrete Sound-absorbing Board

ZHU Wan-xu1，2， ZHANG Qing3， LI Li1，2， LIU Wei-feng4， ZHOU Hong-mei5， LIU Wei3

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering; 2.College of Civil Engineering and Architecture，

Guilin University of Technology， Guilin 541004, China; 3.Railway Engineering Design & Research Institute， China Railway

Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100020, China; 4.Beijing Jiaotong University， Beijing 100044, China;

5.Liuzhou HCM Building Materials Development Co.， Ltd.， Liuzhou 545025, China)

Abstract：In recent years， creating low noise traveling environment and establishing vibration and noise reduction environment friendly subway environment has become the trend of the construction of rail transit in China. This paper analyzes the noise reduction effect of a new sound-absorbing structure-HCM sound-absorbing board made of ceramsite concrete. Tests were carried out in Track Vibration Damping and Vibration Control Laboratory of Beijing Jiaotong University. The sound-absorbing boards were laid between the rails of the track and measuring points were arranged in the road bed and the wall of the tunnel. The boards were tested under simulated dry， humid， rainy and wet dry conditions. Analysis results show that: noise reduction by 4～5 dBA can be obtained at different measuring points under different conditions; sound-absorbing board has a wide noise reduction spectrum indicated by analysis. At tunnel wall measuring points， noise reduction is more effective when frequency is over 250 Hz， and at road bed measuring points， the same is true when frequency is over 500 Hz.

Key words：Rail transit; Ceramsite concrete; Sound-absorbing board; Noise reduction test; HCM

通讯作者：李丽(1980—)，女，讲师，硕士，E-mail：ziyingshi2008@163.com。

作者简介：朱万旭(1972—)，男，教授级高级工程师，硕士，E-mail：zhuwanxu@vip.163.com。

基金项目：广西壮族自治区科研计划课题(桂科攻1598001)；广西矿冶与环境科学实验中心项目(KH2013YB023)

收稿日期：2015-05-26； 修回日期：2015-06-29

中图分类号：U239.5； TU52

文献标识码：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.010

文章编号：1004-2954(2016)01-0048-04