无砟轨道聚合微粒吸声板研究

2020-05-11 10:21刘海涛王继军刘伟斌

铁道建筑 2020年4期

刘海涛王继军刘伟斌

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

无砟轨道是高速铁路、城市轨道交通的主要轨道结构形式，具有高平顺性、少维护、稳定性好、耐久性好等优点。然而由于混凝土道床表面对噪声具有低吸收和高反射特性，无砟轨道噪声比有砟轨道高约3 dB（A）［1-2］。在无砟轨道表面铺设吸声板可有效吸收轮轨区噪声，降低无砟轨道噪声。自20世纪80年代以来欧洲在噪声控制方面开展了大量研究，德国、奥地利、荷兰等国家已试验并在多段铁路应用了无砟轨道吸声板，降噪2～3 dB（A），并开展了吸声板和矮屏障的组合研究，可降噪6 dB（A）。自2007年以来中国铁道科学研究院集团有限公司、中国中铁二院工程集团有限责任公司及中国铁路设计集团有限公司分别铺设了相应的试验段，列车通过时环境噪声降低约1～3 dB（A），最高试验速度达300 km/h［3-4］。目前无砟轨道吸声板采用水泥基类吸声材料如陶粒混凝土、珍珠岩混凝土、泡沫混凝土等，达到了较好的降噪效果［5-6］，但也存在一些问题，例如：水泥基材料抗拉强度低，吸声材料本身为多孔结构，致使材料强度进一步降低，环境长期作用下颗粒容易剥离；有限的强度限制了较大空腔的设置以致主要靠微孔吸声，单一的吸声原理限制了吸声效果进一步提高［7］。

聚合微粒材料作为一种新型无缝吸声材料，21世纪初起源于德国，目前在国外公共建筑中大量应用。我国科研工作者在聚合微粒材料方面做了大量创新性的研究，形成了一系列核心且具有自主知识产权的技术，并成功应用于一些建筑结构［8-9］。本文首次将聚合微粒材料应用于无砟轨道吸声板，对聚合微粒吸声板进行结构设计，并通过混响室试验和试验线实车测试验证其降噪效果。

1 聚合微粒材料特性

聚合微粒吸声材料精选特定数目的无机颗粒如天然砂粒、矿渣颗粒、建渣颗粒等，将胶凝溶剂均匀且极薄地施涂于微粒表面，使渣粒形成特定角形系数的覆膜微粒。在外力作用下，微粒覆膜层固化，微小颗粒就像被焊接一样聚合在一起，微粒之间天然形成了大量不规则且相互连通的微小孔隙，从而使产品具有吸声能力。假设形状规则的微粒直径为2R，角形系数为1，则微粒间孔隙面积Sx（图1）的计算公式为

图1 聚合微粒间孔隙面积

聚合微粒吸声材料的高、中、低频吸声特性与微粒间细孔的大小、数量、构造形式、板的厚度、板后空腔的大小等密切相关。通过对粒径、板厚及空腔大小的调控，可对其吸声频率特性加以调整，满足不同频率的吸声设计要求。

聚合微粒材料因采用聚酯类胶凝材料，在具备多孔特性的情况下，使材料强度得到提高。聚合微粒材料抗压强度不小于20 MPa，抗拉强度不小于6 MPa，基本解决了颗粒剥落的现象，同时使设置较大的空腔成为可能。经试验验证，聚合微粒材料的抗冻、耐老化、防火、环保、抗冲击等性能满足要求。

2 聚合微粒吸声板结构设计

2.1 聚合微粒吸声板结构尺寸

聚合微粒吸声板采用模筑法一次浇筑成型，在轨道板横向上被2条钢轨分为3部分（图2）。在不影响养护维修前提下，承轨台被部分遮盖，吸声板顶面形成标准矩形结构，增大了吸声面积且整体显得美观。单块吸声板与轨道板表面形成密闭空腔。吸声板上表面接近钢轨顶面。

图2 聚合微粒吸声板沿轨道布置

吸声板的长度和宽度受列车经过时气动压强分布特征、制造工艺、运输和施工便捷性、使用时荷载效应等影响。气动压强在沿线路方向随长度增加而急剧衰减，增加吸声板长度有利于增强稳定性。吸声板越宽则吸声效果越好。从方便制造、运输和施工角度考虑，吸声板尺寸不宜过大。综合考虑以上因素，吸声板长度确定为3个扣件间距；宽度上，为方便运输和施工，钢轨内侧切分为2块（或保持为1块），2根钢轨外侧分别为单独1块。

为保证行车安全，吸声板总高度不得超过钢轨顶面且留有25 mm安全空间［10］。通常无砟轨道吸声板总厚度为180 mm。为增强吸声效果，采用大空腔设计，如图3所示。空腔采用拱形，上拱为圆形拱（矢跨比1∶5），空腔四周密闭，底部与轨道板形成密闭空腔。拱形加矩形的空腔设置有利于吸声板受力、拓展吸声频段及制造过程中脱模。根据力学分析并考虑制造工艺因素，单个孔径跨度为225 mm。根据阻抗管垂直入射法测试结果，空腔高度宜大于80 mm。

图3 聚合微粒吸声板空腔

2.2 聚合微粒吸声板吸声原理

聚合微粒吸声板的吸声原理主要有3个方面［11］：

1）多孔隙吸声

聚合微粒材料为多孔结构，具有多孔隙吸声作用。聚合微粒材料内部有大量微小的连通孔隙，声波沿着这些孔隙可以深入材料内部，与材料发生摩擦，将声能转化为热能，再通过热传导降低热能从而降低声波强度。

2）共振吸声

聚合微粒材料强度较高，可以设置较大的空腔，产生亥姆霍兹空腔共振吸声效果。聚合微粒吸声板内部设计为密闭空腔，吸声板表面孔隙和内部空腔组成亥姆霍兹共振器。声波入射时，在共振频率上，微孔内的空气振动，而密闭空腔内的空气对其产生恢复力，微孔内的空气和空腔内的空气产生剧烈的共振作用，从而损耗了声能。

3）干涉消声

通过选用较厚的材料，材料内部孔隙互联，产生干涉消声效果。聚合微粒材料内部小孔相互贯通，当不同方向和波长的声波在聚合微粒内相遇时，声波因干涉而相消，从而起到吸声作用。

2.3 聚合微粒吸声板表面设计

吸声板表面可采用纵向波浪形曲面或直面，波浪形曲面能够增加吸声面积。为研究曲面型和直面型吸声板吸声系数的差异，以风积沙为原料，分别制作10～12 m2样品，通过混响室试验（图4）测试其吸声系数，其中曲面弦长取50 mm，波浪幅值为±10 mm。测试结果表明：并排放置的吸声板间距为20 mm时，直面型和曲面型的降噪系数分别为0.93和0.90；间距为0时，降噪系数分别为0.81和0.89。吸声板间距20 mm时直面型和曲面型吸声板吸声系数见图5。考虑到采用较小曲面设计对吸声板吸声系数影响较小，而其加工工艺复杂，因此吸声板表面选用直面型。

图4 吸声板混响室试验

图5 直面型和曲面型吸声板吸声系数（板间距20 mm）

2.4 吸声板强度设计

将日常养护维修荷载视为100 kPa等效荷载。在100kPa均布荷载作用下，吸声板最大拉应力仅为0.3MPa，小于聚合微粒材料抗力，满足日常使用强度。

在特殊荷载或环境作用下，为预防聚合微粒吸声板出现断裂，保证吸声板断裂后不会分解成小块而影响行车安全，吸声板内配置纤维钢筋，即使出现断裂仍能保持整体性。

3 聚合微粒吸声板关键参数研究

聚合微粒颗粒大小、板的厚度、空腔设置是影响吸声板吸声效果的关键参数。通过阻抗管试验研究大颗粒和小颗粒2种材料的吸声板厚度和空腔设置对吸声系数的影响规律，确定相关参数。

3.1 小颗粒聚合微粒板厚度对吸声系数的影响

空腔高度取80 mm时，微粒板厚度分别取10，15，20，30，50 mm，通过阻抗管试验研究小颗粒聚合微粒板厚度对吸声系数的影响，结果见图6。

图6 小颗粒聚合微粒板厚度对吸声系数的影响

由图6可知：小颗粒聚合微粒板厚度小于30 mm时，保持空腔高度不变，增大试块厚度，聚合物吸声系数峰值有所减小，吸声系数频段分布逐渐加宽；厚度大于30 mm时，由于微粒板厚度的变化影响到流阻及孔隙率，在配方保持不变的情况下整体降噪性能下降。因此，小颗粒聚合微粒材料不适用于较厚吸声板。

3.2 小颗粒聚合微粒板空腔设置对吸声系数的影响

微粒板厚度取50 mm时，空腔高度分别取0，40，80，100 mm，通过阻抗管试验研究小颗粒聚合微粒板空腔设置对吸声系数的影响，结果见图7。可知：小颗粒聚合微粒板在采用较大厚度时吸声系数较小；随着空腔高度的增加，低频段吸声系数有所增加。

图7 小颗粒聚合微粒板空腔设置对吸声系数的影响

3.3 大颗粒与小颗粒聚合微粒板吸声系数对比

采用较大粒径颗粒可提高聚合物微粒的孔隙率，降低流阻。大颗粒聚合微粒板的厚度和空腔设置对吸声系数的影响规律与小颗粒类似。

为对比大颗粒和小颗粒2种材料的吸声系数，分别选取不同厚度的大颗粒矿渣材料聚合微粒板（N30，N50，厚度分别为30，50 mm）和小颗粒风积沙材料聚合微粒板（M30，M50，厚度分别为30，50 mm）进行阻抗管试验，空腔高度为80 mm。大颗粒与小颗粒聚合微粒板的吸声系数对比见图8。

图8 大颗粒与小颗粒聚合微粒板的吸声系数对比

由图8可知，厚度大于30 mm时，小颗粒聚合微粒板吸声系数明显下降，而大颗粒材料能够使吸声系数显著提高。因此，轨道吸声板采用较厚的聚合微粒板，特别是厚度超过50 mm时，宜采用大颗粒聚合微粒板。

3.4 大颗粒聚合微粒板空腔设置对吸声系数的影响

对于较大颗粒聚合微粒板N60，空腔高度分别取0，80 mm，通过阻抗管试验研究大颗粒聚合微粒板空腔高度对吸声系数的影响，结果见图9。可知，随着空腔高度增加，吸声系数在低频段优势更为显著。因此，设置较大空腔有利于提高低频吸声效果。

图9 大颗粒聚合微粒板空腔设置对吸声系数的影响

4 聚合微粒吸声板混响室试验

采用大颗粒材料制作10～12 m2聚合微粒吸声板试件，在国家铁路产品质量监督检验中心对聚合微粒吸声板进行混响室吸声系数检测［12］（图10），测试结果见图11。可知，在250～5 000 Hz范围内聚合微粒吸声板的吸声系数均达到0.9以上，降噪系数为1.0，聚合微粒吸声板整体吸声性能较好。需要说明的是，根据现场使用和混响室测试条件，混响室试验面积采用投影面积，不计算四周侧面面积。