基于三等效声源模型的高速铁路声屏障降噪效果计算方法研究

刘兰华， 孙 捷，李志强，李晏良

（1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.环境保护部 环境工程评估中心，北京 100012；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

0 引言

在铁路沿线设置声屏障是我国高速铁路环境噪声治理的主要方法，常见的声屏障降噪效果计算方法主要有几何和波动声学法、经验及半经验公式法、有限元或边界元数值计算法等，其中经验和半经验公式法基于噪声在声屏障顶端的绕射衰减，具有计算速度快、操作简单、准确度相对较高等优点，是我国《声屏障声学设计和测量规范》[1《]环境影响评价技术导则声环境》[2]指导使用的计算方法。

经验和半经验公式法在公路声屏障及普速铁路声屏障的插入损失计算中，通常将噪声源等效为一点声源或线声源，计算结果与实测结果相差很小。但是，高速铁路噪声源种类多样，产生机理不同，在水平及垂直方向的分布也更加复杂[3]。试验研究发现，直接将该方法用于高速铁路声屏障降噪效果预测有较大误差，而根据噪声源位置划分为多声源模型则可减小误差。苏卫青等[4-5]在探索以某1/3倍频带中心频率的计算结果作为声屏障全频带降噪效果时发现，列车运行速度为300 km/h时将声源位置等效于轨上3.5 m高度、中心频率为1 250 Hz的计算结果与实测结果最接近，并进一步提出了双声源模型，建议高速铁路噪声的下部噪声源高度为0.6 m、上部噪声源高度为3.3 m。李晏良[6]通过不同高度的线声源计算结果与实测结果进行比较，认为动车组列车速度为300 km/h时，对于距外轨中心线25 m的轨面高度处测点，单声源等效高度在2.0 m时的计算结果与实测结果接近，并进一步将噪声源划分为轮轨区域、车体区域和集电系统区域3部分，等效高度分别为0.5 m，2.0 m和4.5 m，得到的全频带降噪效果与实测结果的A计权误差在1 dB以内。胡文林等[7]将高速铁路噪声源细分为5部分，该模型考虑了桥梁结构噪声的影响，在25 ～ 50 m 处预测值与实测值相差1.5 dB以内，近场预测精度不及远场。

随着对高速铁路噪声源识别研究的深化，多等效声源模型成为提高高速铁路噪声预测准确度的主要模型。在进行声屏障降噪效果预测时，等效声源数量过少，声屏障插入损失计算误差偏大；等效声源数量过多，实际操作又较为复杂，不适合工程应用。为此，通过对高速铁路声屏障空间降噪效果开展试验研究，在吸收既有多等效声源模型优缺点的基础上，提出一种新的三等效声源模型，利用该模型计算不同距离测点的声屏障插入损失，与实测结果基本一致，且计算效率高，适合应用于高速铁路噪声环境影响预测和声屏障最优高度的设计。

1 概述

1.1 声屏障插入损失计算方法

根据我国铁道行业标准《铁路声屏障声学构件技术要求及测试方法》[8]，声屏障声学构件的计权隔声量不应小于30 dB，应用于列车运行速度200 km/h及以上的铁路声屏障声学构件的降噪系数不应小于0.70。因此，在声屏障性能满足该要求时，认为声音通过透射路径到达声屏障背面的能量已经非常弱小，可以忽略不计，此时传播至声屏障声影区的噪声主要通过声屏障顶端绕射的途径。根据声源与声屏障的长度关系，可以将声屏障分为无限长声屏障和有限长声屏障。声源长度远小于声屏障长度时，可以将声屏障等效为无限长声屏障，对于有限长声屏障的插入损失可在无限长声屏障插入损失计算结果的基础上根据遮蔽角百分率进行修正[2]。

无限长声屏障插入损失计算公式为

式中：Abar为声屏障插入损失值；f为声波频率；δ为绕射声的声程差；c为空气中的声速；t为无量纲参数。

公式 ⑴ 计算插入损失频谱时，没有考虑噪声源的形式或频谱成分及占比，只需要知道声源、声屏障和接收点的相对位置关系，但进一步计算全频带的插入损失时，仍需要考虑无声屏障时测点噪声的频谱特征。

1.2 声屏障降噪效果空间分布

我国高速铁路声屏障在路基区段的典型高度为2.95 m，在桥梁区段的典型高度为2.15 m，但不同线路条件的声屏障在轨面以上部分均为2.05 m。国内学者对于高速铁路声屏障插入损失的测试，多依据《声屏障声学设计和测量规范》[1]《高速铁路工程动态验收技术规范》[9]及《铁路工程建设通用参考图》[10]等规定的测量方法和相关要求，将测点设置于距离外侧轨道中心线25 m的轨面高度处[5]。受测试条件的限制，对于声屏障插入损失的空间降噪效果，多将测点置于某一距离的不同高度处或置于同一高度的不同距离处[6-7，11-12]，测点数量较少。

为明确声屏障降噪效果的空间分布情况，选择我国某高速铁路桥梁及桥梁声屏障区段，在不同距离的轨上、轨下空间均进行测点布置，获得该段声屏障在动车组列车速度为300 km/h时的降噪效果空间分布云图，以及不同距离处声屏障插入损失的频谱特征。按照动车组在靠近声屏障的近轨和远离声屏障的远轨运行时的工况，对比声屏障的降噪效果空间分布特征。动车组列车在不同轨道上运行时得到的声屏障插入损失空间分布如图1所示。

由图1可知，声屏障降噪效果最好的范围为距外轨中心线水平距离15 m内、高度为轨下3 m至轨上3 m的空间，该范围的A计权插入损失可达10 dB以上。在距离超过25 m时，声屏障在轨上5 m以下空间的插入损失仍较高，在轨上5 m以上空间的A计权插入损失小于4 dB，且动车组近轨运行时的插入损失大于动车组远轨运行时的插入损失。该测试结果说明目前我国高速铁路声屏障设置高度基本合理，距离铁路较远处或位置较高处，声屏障对在近轨运行动车组噪声的控制优于对在远轨运行动车组噪声的控制。

对比图1a、图1b可知，虽然声屏障对近轨和远轨运行动车组噪声的降噪效果有较多相似处，但差异也十分明显。第一，在距离外轨中心线25 m附近的轨下范围内，图1a显示靠近地面处声屏障插入损失值偏小，而图1b在该区域则存在一插入损失值较大的“光带”。对于高度低于声屏障高度的噪声源，位于声影区的固定受声点，声源越靠近声屏障时声程差越大，对应声屏障插入损失值越高，以上测试结果与公式 ⑴ 得到的结果相矛盾，考虑是由声屏障不能有效屏蔽的受电弓升弓区域噪声导致。第二，图1b中动车组远轨运行时在水平距离60 m附近的轨下2 m及以下高度处，声屏障插入损失明显小于图1a中动车组近轨运行时相应区域的值。这是由于动车组远轨运行时道床遮挡了部分轮轨区域噪声，声屏障效果相对减弱。

因此，声屏障对不同轨道上运行的动车组降噪效果空间分布上的差异及实测结果与计算规律的差别，主要是由高速铁路噪声源、声屏障及测点的相对位置导致，在进行声屏障降噪效果计算时有必要考虑高速铁路噪声源、声屏障及测点的相对位置关系。

1.3 声屏障降噪效果频谱特征

根据不同距离测点的插入损失频谱可知，随着距离增加，声屏障的插入损失基本呈减小的趋势。不同距离的轨面高度处声屏障插入损失频谱特征如图2所示。出现负值，测得高速铁路金属声屏障的固有频率为24.9 ～ 33.3 Hz[12]，因而插入损失出现负值的原因可能为声屏障在高速动车组通过时的气动力影响下产生二次结构噪声。②在200 ～ 800 Hz频段，高速铁路金属声屏障隔声量、吸声系数均快速提高，声屏障对该频段噪声的吸收和阻隔能力增强，噪声由透射和二次反射传播至声影区的能力随频率升高而降低，声屏障插入损失也随频率升高而快速增大。③在超过800 Hz的更高频段，噪声只能由声屏障顶端绕射传播，声屏障插入损失随频率变化的趋势也趋于平缓。

图1 动车组列车在不同轨道上运行时得到的声屏障插入损失空间分布Fig.1 Spatial distribution of barriers’ insertion loss when the EMUs run on different tracks

图2 不同距离的轨面高度处声屏障插入损失频谱特征Fig.2 Spectra of noise barriers insertion loss at the height of railheads from different distances

利用公式⑴进行单等效声源模型的高速铁路声屏障插入损失计算时，不同学者得出的等效声源高度有较大差异。对等效声源高度为0.5 m，1.0 m和2.0 m时，水平距离为7.5 m，15.0 m，30.0 m，60.0 m的轨面高度处插入损失的单等效声源模型计算与实测对比如图3所示。结果显示，在不同距离的测点处，与实测结果接近的动车组单等效声源的高度不统一，实测与计算的插入损失随频率的变化规律不一致，且实测的插入损失值与计算结果也有较大差别。

图3 单等效声源模型计算与实测对比Fig.3 Single Noise-Source-Model calculation compared with the actual measurement

2 三等效声源模型研究

受动车组高速运动产生的空气动力噪声影响，高速铁路与普速铁路在噪声源分布方面有较大的区别。按噪声产生机理，高速动车组的噪声源主要有设备噪声、轮轨噪声、空气动力噪声和集电系统噪声等[3,13]，根据噪声源识别结果，各噪声源在垂直方向上有明显的分层分布特征。因此，对于高速铁路声屏障插入损失的计算不宜再采用单等效声源模型，而应该根据噪声源的垂向分布特征和噪声产生机理进行多个声源的划分。根据噪声源、声屏障、测点三者的相对位置关系及噪声产生机理将高速动车组的噪声源划分为3个等效声源，提出一种新的计算高速铁路声屏障降噪效果的三等效声源模型。

动车组噪声源在垂直方向上可以划分为下部轮轨区域、中部车体区域和上部受电弓区域。一般高速铁路声屏障轨上高度2.05 m，动车组车轮直径在1.0 m以内，因而下部轮轨区域噪声源对大部分测点均受声屏障的屏蔽；动车组车体高度一般在1.0 m至4.0 m左右，车体区域噪声源一部分高于声屏障高度，一部分低于声屏障高度；受电弓区域噪声源在4.0 m以上，均高于声屏障。高速铁路噪声源、声屏障、测点相对位置关系如图4所示。以测点和声屏障顶点确定一条直线，该直线与动车组车体区域相交，交点将车体区域噪声源划分为2部分，如图4中B，C所示区域。对于车体区域B部分，测点位于声屏障声影区，对于车体区域C部分，测点位于声屏障声亮区。

图4 高速铁路噪声源、声屏障、测点相对位置关系示意图Fig.4 Relative position of noise sources, noise barrier and measurement point

根据高速铁路噪声随速度的变化规律[13]及噪声源识别结果[14]，既有运营速度的高速铁路车外噪声，轮轨区域噪声较为集中且占比最大，将该区域噪声源等效为声源1；按照车体区域B部分高度范围及占总车体区域的比例，将车体区域B部分噪声源等效为声源2；车体区域C部分的噪声源和受电弓区域噪声源均以空气动力噪声为主，且相对于测点其噪声均不受声屏障屏蔽，两部分合并等效为声源3。选择水平距离为7.5 m，15.0 m，30.0 m，60.0 m等轨面高度处测点，根据轨道、车体、声屏障、各测点的相对位置关系，以及对典型动车组300 km/h运行时声源识别情况，各等效声源的等效高度及噪声占比如表1所示。

表1 各等效声源的等效高度及噪声占比Tab.1 Equivalent height and sound power proportion of each noise source

三效声源模型计算与实测对比如图5所示。由图5可知，三等效声源模型计算的声屏障插入损失，不仅随频率的变化趋势与实测结果基本一致，数值也更加接近。距离较近的7.5 m处测点的差异相对较大，这是由于距离较近时，将各噪声源等效为线声源本身存在较大误差。距离超过15 m的各测点，误差主要集中在400 Hz以下的低频段。这主要是由于声屏障对低频噪声的吸收能力较弱、低频噪声的透声能力更强及桥梁和声屏障的结构振动噪声等导致。距离超过15 m时三等效声源模型计算的A计权全频段插入损失值与实测值相差不超过0.6 dB，与单等效声源模型相比更加准确。全频带插入损失实测值与不同模型的计算结果对比结果如表2所示。

图5 三等效声源模型计算与实测对比Fig.5 Comparison between the 3 equivalent noise source model calculation and the actual measurement

表2 全频带插入损失实测值与不同模型的计算结果对比结果Tab.2 Comparison between the measured and calculated results of all-band insertion loss

三等效声源模型对高速铁路声屏障在不同距离测点的插入损失计算值与实测值相差不大，随频率变化的趋势也基本一致，均表现为低频段和高频段随频率变化较为缓慢，中频段随频率变大而迅速变大。因而三等效声源模型与单等效声源模型相比，有非常大的进步。利用该模型可以更准确地预测声屏障对不同敏感点的防护效果，并可以用于计算特定敏感点需要的最优声屏障高度。

3 结束语

在声屏障降噪效果空间分布特征及声屏障插入损失频谱特征研究基础上提出的三等效声源模型，与单等效声源模型相比，计算声屏障插入损失准确度更高，而且计算量没有增加太多，适合用于声屏障插入损失计算与评估、高速铁路建设项目环境影响评价及铁路施工中声屏障最优高度设计等方面。单等效声源模型与三等效声源模型在低频段的插入损失计算值均大于实测值，初步考虑是由于声屏障对低频噪声的吸声和隔声能力较弱、声屏障和桥梁的结构振动噪声等有关，应进一步研究低频段实测插入损失值低的原因，并提出修正建议。高速铁路声屏障降噪效果空间分布的测试研究，以及基于噪声源识别结果和噪声源、声屏障、测点相对位置关系提出的三等效声源模型，对掌握声屏障对高速铁路车外噪声源的作用效果具有重要意义，对指导高速铁路沿线噪声敏感点采取合理的降噪措施具有参考价值。