多孔吸声型声屏障降噪效果仿真分析

刘冬　楚珑晟　张明杰　陈翊民

摘要：利用边界元法建立高速铁路区间直立型声屏障降噪预测模型，对添加硅酸盐基多孔吸声材料前后声屏障对降噪效果的影响进行数值计算。结果表明：厚度为0.08 m的硅酸盐基多孔吸声材料使得声屏障在距离线路中心30 m的铁路界限处噪声衰减量最大可增加12.5 dB；应用于声屏障的最佳硅酸盐基多孔吸声材料厚度为0.08～0.11 m。

关键词：声屏障；高速铁路；硅酸盐基多孔吸声材料；声压级；边界元

中图分类号：U238；TU112.594 文献标志码：B

0引言

交通运输的快速发展，大大方便人们出行，促进物资的流通，在实现资源优化配置方面起到巨大的作用。然而，高速铁路的快速发展在给人们的出行带来方便、快捷和舒适的同时，其噪声也给周边环境带来一定的影响。采用声屏障是降低铁路对周边环境噪声污染的有效途径。英国、法国等欧洲国家在建设高速铁路时大量采用声屏障来降低噪声对周边环境的影响；日本在建立新干线时，为避免扰民于线路重要区段设置大量声屏障。铁路声屏障按降噪机理不同分为隔声声屏障和吸声声屏障2种。我国高速铁路设置的声屏障主要是隔声声屏障，通过设计不同的结构形式有效降噪，但隔声声屏障只改变噪声的传播，并不消耗声能。在声屏障一侧添加多孔吸声材料，利用吸声材料的吸声特性可在原声屏障的基础上增加降噪效果，然而其如何影响声屏障的降噪效果尚未见报道。由于影响声屏障降噪效果的因素很多，而研究各种因素对降噪效果影响的方法却有一定局限性，如何从中选择经济实用的方案，至今依然没有成熟的理论来指导，目前采用最多的是利用计算机模拟技术对该类问题进行研究。

国外学者大量应用计算机技术对声屏障的降噪效果进行数值模拟，可大大提高准确性和效率。近年来，我国研究人员也开始重视应用计算机仿真模拟技术对声屏障的降噪效果进行预测，为设计高效的声屏障提供参考依据。Virtual Lab Acoustics是世界领先的专门用于声振分析的CAE软件，其以CATIA V5平台为基础，不仅完全继承Sysnoise软件的强大功能，还包含更为先进的技术方法，其中的有限元法、直接边界元法和间接边界元法等都已广泛应用于工程技术领域，对解决技术问题相当有效。边界元方法相对于其他方法，能够更有效地考虑轨道和车体的几何特征，便于计算声屏障对声传播的多重绕射和反射效果。本文通过应用仿真软件Virtual Lab Acoustics对直立型声屏障的降噪效果进行数值仿真，利用间接边界元法建立声屏障降噪效果的预测模型，计算分析当声屏障单元板上添加硅酸盐基多孔吸声材料后对降噪效果的影响。

1声屏障模型及边界条件

1.1建立声屏障模型

研究高速铁路路基直立型混凝土单元板声屏障，该类型声屏障主要由混凝土立柱和声屏障单元板2部分组成。立柱是声屏障的主要受力构件，通过焊接等方式固定在轨道边的预埋钢板上；声屏障单元板是主要的吸声和隔声构件，通过高强弹簧卡子固定在H型立柱槽中。

由于实际铁路声屏障长度通常在200 m以上，所以仿真模拟的模型太大，会导致计算过程繁瑣。有研究表明，当把声屏障长度简化为25 m时，计算结果与实际结果很相近，因此，在建立仿真声屏障模型时，将声屏障长度取为25 m。为更好地降低噪声，声屏障两端长度应较列车长度长一些，所以列车长度取为23 m。声屏障距离列车轨道中心线为4m，列车距离路基高度为0.91 m，列车车辆宽度为3.38 m，车辆高度为3.70 m（车体结构的几何尺寸参照CRH380A车型绘制而成），轮轨噪声源取列车时速为300 km/h时的源强大小为90 dBA（根据铁路总公司主持制定的《铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则》中铁路客运专线动车组噪声源强取值规定），声源位置在轨道中心线距离轨面0.40 m高处，以有限长线声源表示，在三维模型效果图中显示为柱状声源。

1.1.1声屏障结构模型

在Virtual Lab的几何建模模块Geometry中直接建立直立型声屏障结构，见图1。

声屏障由单元板组成，以水泥为粘结剂。吸声声屏障是在直立型混凝土声屏障单元板上覆盖一层吸声材料，在仿真软件中通过共节点的方式实现2种材料的连接，因此声屏障单元板的侧视图见图2。

1.1.2网格划分

进入Virtual Lab的网格划分模块Meshing中的CAD Meshing，对结构划分网格。由于六面体网格与四面体网格对计算结果的精确性影响不同，为计算结果更加准确，采用六面体网格，网格单元尺寸必须小于最大计算频率所对应波长的1/6。

1.1.3设置相关参数

声屏障单元板材料采用C40混凝土和硅酸盐基多孔吸声材料，材料参数见表1。

在Virtual Lab Acoustics的间接边界元法中，多孔吸声材料的吸声属性以声阻抗表示，因而不同厚度的多孔吸声材料具有特定的等效声阻抗。本文所选的3种厚度的多孔吸声材料的等效声阻抗见表2。

1.2假设条件

高速铁路列车运行产生的噪声主要有轮轨噪声、集电系统噪声和空气动力噪声等，研究表明，对于运行速度低于300 km/h的高速列车，轮轨噪声是主要噪声源，其等效频率为1 000～2 000 Hz，不需要考虑列车顶部以上的集电系统噪声等，因此提交计算时，频率范围设为200～2 600 Hz，步长为100Hz。为简化计算，对列车降噪模型提出以下4点假设：

（1）假设空气为理想气体；

（2）假设路基、车体为刚体，只考虑其对声波的反射；

（3）假设声屏障为无限长声屏障；

（4）假设背景噪声为O，不考虑其影响。

1.3场点网格与参考点

为全面分析高速铁路在经过声屏障阻隔后的空间声场分布，建立场点网格及参考点，2个场点网格分别与声屏障法线方向平行和垂直。场点网格1为xy平面网格，与声屏障法线方向平行，距离轨面高0.4 m，长70 m，宽40 m，按40×40划分单元网格。根据国家标准，铁路噪声的测量以距离轨道中心30m处为界限，因此场点网格2为xz平面网格，与声屏障法线方向垂直，距离铁路线路中心30 m，长70m宽30 m，按40×40划分单元网格。2个场点网格可以用于分析铁路限界处平面内噪声的衰减规律以及声屏障降噪前后的声压级分布情况。为能直观得出声屏障降噪的规律，在xy场点网格建立距离铁路线路中心10 m远的的参考点101，102和103，这3点分别位于声屏障保护区内、保护区边缘和保护区外；建立参考点104和105，这2点与场点101在同一垂直线上，并分别距离线路中心20 m和30 m；同时，在xz场点网格上建立距离轨面高度为4 m的参考点106，107和108，这3点分别位于声屏障保护区内、保护区边缘和保护区外；另外建立与点106处于同一垂直线上的参考点109和1010，这2点分别距离轨面高度为15 m和25 m。综合所有条件及相关规定可以得到场点网格和场点位置见图3。endprint

2多孔吸声材料对声屏障降噪效果影响仿真分析

通过Virtual Lab Acoustics仿真软件直接得出直立型混凝土声屏障在各噪声频率下的声压级云图，见图4。由图4可以看出，随着噪声频率的增加，声压级云图有明显改变，降噪效果逐渐提升。总体来看，低频区的降噪效果不太理想，这是由于低频区的波长较长，声波很容易产生绕射，仿真结果符合噪声的绕射衰减规律。在高铁轮轨噪声等效频率为1 000～2 000 Hz范围内，降噪效果更是有很大的改善，声屏障的水平保护区域逐渐缩小，垂直保护区域呈扩大趋势。然而，水平面声屏障保护区外和垂直面内较高位置的降噪效果都较差，这是由于部分噪声经过多次反射后越过声屏障到达受声点。

为改善声屏障的降噪效果，在直立型声屏障靠近列车的一侧添加一层厚度为80 mm的硅酸盐基多孔吸声材料形成吸声型声屏障，从而得到各噪声频率下的声压级云图见图5。在声屏障面向列车的一侧添加一层80 mm的硅酸盐基多孔吸声材料后，随着噪声频率的增加，依然是噪声衰减越来越大，整体变化趋势与直立型混凝土声屏障的类似，但是场点网格2的上半部分有较大变化，颜色较深的区域明显扩大，可见吸声材料不仅改善声影区内的噪声，对声亮区也有降噪效果。为进一步说明不同场点在不同噪声频率下吸声材料对声屏障降噪效果的影响，分别计算平面场点网格1和2上的各参考点的频率响应函数，得到各点频率响应曲线，分别见图6和7。

从图6中可以明显看出：随着噪声频率的变化，场点声压级会呈现波动震荡现象，但总体呈下降趋势；从变化趋势来看，吸声型声屏障的各参考点频率响应曲线平缓很多，尤其是处于声屏障保护区内的101，104和105点，该现象可能会减小对铁路附近居民的刺激，相对于前者而言噪声冲击性会降低。此外，多孔吸声型声屏障和直立型声屏障的降噪效果都是随频率的增加而增加，当频率增加到2 600Hz时，降噪效果最佳。由图6a）和6b）看出：位于声屏障保护区中心的场点101的声压级在吸声型声屏障中达到38.28 dB，比同频率直立型声屏障的47.98 dB降低9.70 dB，降噪效果较好；位于声屏障保护区边缘的102点和保护区外的103点的声压级分别降低0.41 dB和1.04 dB。

由图6c）可以看出：在声屏障保护区域内，随着与声屏障距离的增加，声压级下降的趋势并不明显，而且直立型声屏障中101，104和105点的声压级值较分散，吸声型的这3个点声压级值相对集中一些，因此参考点104和105的噪声衰减量与101点更接近，可见声屏障对铁路周边环境的降噪效果相当显著，同时吸声材料的应用更是明显改善噪声影响。

由图7可知：多孔吸声材料的添加使场点网格2上的降噪效果有所改善，尤其是参考点106在频率为2 600 Hz时的声压级达到45.53 dB，比直立型声屏障同频率时减小3.97 dB；位于声屏障保护区边缘的107点和保护区外的108点分别降低0.12dB和0.03 dB，变化不大。相对于直立型声屏障来说，随着高度的增加，吸声型声屏障噪声衰减程度更大，尤其109点在2 600 Hz时因吸声材料引起的声压级可降低12.00 dB，处于较高位置的1010点在200～2 000 Hz频率范围内降噪效果也较好，最大声压级降低量在频率为1 250 Hz时达到12.50 dB；然而，在1 500 Hz后声压级有略微的上升趋势，这可

从整体来看，多孔吸声材料对场点网格2的中上部区域的降噪发挥很大的作用，比较适用于铁路两边办公大楼、商业大楼等高层建筑噪声的控制。

由于不同厚度的多孔吸声材料对应的等效声阻抗不同，因此取3种不同厚度的吸声材料对声屏障降噪效果的影响进行对比分析，得出各参考点的频率响应曲线见图8。从图8可看出：当多孔吸声材料厚度增加时，参考点IO2和IO7的声压级几乎没有变化，即对声屏障保护区外噪声没有影响；对于场点网格1上的参考点IO1，IO4和IO5，随着吸声材料厚度的增加，在中高频段有明显的噪声下降趋势，但并不是呈简单线性关系，并且在这3点的噪声衰减量是先增大后减小的趋势，可见吸声材料厚度越大，在距离线路中心20 m附近区域的降噪量会较大，而在其他区域会稍小一些；同样地，对于场点网格2上的参考点IO6，IO9和IO10，吸聲材料厚度越大，在这3点降噪能力先提高后降低，甚至在声亮区的1010点处影响很不稳定，高频段时噪声值都变大，可见在铁路界限30 m处，声影区内距轨面15 m附近区域降噪效果有较大的改善。吸声材料厚度增加，降噪效果会有改善。吸声材料厚度从0.08 m增大到0.11 m时，声压级最高可减小5 dB左右，厚度的增加对提高噪声衰减量是有界限的；从图8d）和8g）可以看出，厚度从0.11 m增大到0.15 m时，声压级变化很小，在2 600 Hz时几乎相等。

3结论

（1）计算机模拟仿真法可为声屏障性能研究和设计提供可靠有效的理论依据和数据分析。

（2）硅酸盐基多孔吸声材料厚度会影响声屏障的降噪性能，厚度从0.08 m增大到0.11 m时，厚度越大降噪效果越好，声压级可降低5 dB左右；但当厚度从0.11 m增大到0.15 m时，噪声衰减缓慢且逐渐消失。综合考虑，硅酸盐基多孔吸声材料用于声屏障时的最佳厚度为0.08～0.11 m。endprint