高速列车表面气动噪声与声屏障的研究

王儒梟 吕炎 黎苏 刘庚非 刘晓日 亢佳贺

摘要 随着高铁的快速发展，高铁噪声的影响也受到广泛的关注。在道路两侧设置声屏障是降低噪声污染的有效措施。宽频噪声模型采用RNG k-epsilon模型作为定常计算，FW-H声学模型采用大涡模拟模型进行瞬态计算，研究在不同的运行速度下，列车噪声对周围的影响，并分析了不同类型的声屏障的降噪效果。研究发现在道路旁加设直立型声屏障近侧面声压级比无声屏障降低了66.45%，远车面降低了71.04%。将声屏障改为顶部倾斜型，测得在近车面比直立型降低了1.2%，远侧面相对降低了5.4%。

关 键 词 高铁噪声;声屏障;降噪;仿真模拟

中图分类号 U213.8     文献标志码 A

Abstract With the rapid development of high-speed railways， the influence of high-speed train noise has caused wide public concern. Setting up sound barriers on both sides of roads is an effective way to reduce noise pollution. Broadband noise source is calculated by the RNG k-epsilon model under steady condition. FW-H acoustic model is calculated by the large eddy simulation （LES） model under transient condition. The influence of train noise on surrounding areas at different speeds and the noise reduction effect of different types of sound barriers have been analyzed. Results show that the sound pressure level of the near side of the vertical sound barrier is 66.45% lower than that of the silent barrier， and the sound pressure level of the far side is 71.04% lower than that of the silent barrier. when changing the sound barrier to Y-type， it is found that the near train surface was 1.2% lower than the vertical type， and the far side was 5.4% lower than the vertical one.

Key words high-speed train noise; noise barrier; noise reduction; simulation

0 引言

快速的经济发展，使得人们的出行更加方便。但铁路的发展也给周边的居住环境带来了严重的噪音影响。目前通过对道路房屋建设布局、路面降噪研究、低噪声车辆研究以及通过采取绿化设施等方法来降低城市噪声。声在空气中沿直线传播，在发声点和接收点之间加设阻碍物，阻碍声的传播，可使接收点声音分贝降低，这类阻碍物称为声屏障。声屏障广泛应用于公路铁路及飞机场，对减少周围的噪声污染起到重要的作用，这也使得噪声对人们的生活和工作的影响大大降低[1-4]。声屏障主要由承受构件立柱和吸声隔板构成，根据外观有直立型和顶部倾斜型、T型等多种，可以节省大量的空间，和周围环境的合理搭配也不会显得非常的突兀，而且主要是降噪效果十分的明显。尤其对于一些老城区，早已形成的街道建筑格式是很难改变来适应现代交通的发展，设立声屏障就可以简化这种问题，可以在解决噪声问题的同时，充分考虑到周围居民的生活环境[5]。Xiong等[6]现场測量研究了列车运行时在高架桥噪声屏障上引起的压力变化，给出了压力波动随时间变化曲线，并分析了列车速度、列车运行线、测点位置及列车长和环境风速对Δp 的影响。王国华[7]应用Fluent流体力学仿真分析软件，对车辆扰动下的城市轨道高架桥声屏障表面风载荷及车辆驶过声屏障产生的气动力进行数值模拟，分析得出声屏障的气动力沿车辆行进方向及高度方向的变化规律。程浩等 [8]采用CFD数值模拟，通过二维绕流研究了水平风向作用下高架桥两侧声屏障表面风压的分布，分析得出来流侧声屏障的净风压系数。Lü等[9]从列车组速度、列车与声屏障距离、动车组类型三方面对声屏障的气动载荷特性进行实验研究，列车越靠近声屏障，空气动力载荷对速度越敏感。Tokunaga[10]等通过对高速列车行驶过程中高噪声障碍物动态响应的了解及现场测量和数值模拟，应用单自由度系统的自由振动理论，总结了多体系统的共振效应和尾脉冲重叠效应的方法。

本文对CRH380B列车建立三维建模，采用RNG k-epsilon模型对宽频噪声模型做定常计算，应用大涡模拟对声场做瞬态计算，通过改变列车运行速度，分析列车车头表面的气动压力噪声;设计了两种形式声屏障，研究声屏障的降噪效果。

1 声屏障降噪原理

当噪声源发出的声波遇到声屏障时，它将沿着3条路径传播（见图1和图2）：一部分越过声屏障顶端绕射到达受声点;一部分穿透声屏障到达受声点;一部分在声屏障壁面上产生反射。声屏障的插入损失主要取决于声源发出的声波沿这3条路径传播时的声能量分配。

2 应用实例

参考文献：

[1]    刘福军，尚正强. 高速公路降噪声屏障应用分析[J]. 北方交通，2017（6）：101-104

[2]    费广海，吴小萍，廖晨彦. 声屏障高度对高铁（客运专线）降噪效果的影响[J]. 中国环境科学，2015，35（8）：2539-2545.

[3]    刘功玉. 风荷载作用下声屏障结构的动力特性研究[D]. 南昌：华东交通大学，2018.

[4]    张国安. 高速铁路声屏障设计与声学性能分析[D]. 济南：山东大学，2017.

[5]    李建平，何金龙. 北京市轨道交通房山线声屏障设计的声学模拟[J]. 铁道标准设计，2011（1）：104-106.

[6]    XIONG X H， LI A H， LIANG X F，et al. Field study on high-speed train induced fluctuating pressure on a bridge noise barrier[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics ，2018 ，177：157-166

[7]    王国华. 城市轨道高架桥声屏障气动力数值模拟与流场分析[J]. 低碳世界，2017（15）：211-212.

[8]    程浩，史青宇，袁哲峰，李志豪. 高架橋声屏障体型系数的数值模拟研究[J]. 建材世界，2016，37（3）：68-70.

[9]    L? M， LI Q， NING Z， JI Z. Study on the aerodynamic load characteristic of noise reduction barrier on high-speed railway[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2018，176：254-262.

[10]  TOKUNAGA M，  SOGABE M，  SANTO T， et al. Dynamic response evaluation of tall noise barrier on high speed railway structures[J]. Journal of Sound and Vibration，2016，366：293-308

[11]  肖友刚，邓微，申肖雪，等. 基于局域声子理论的铝合金型材低频降噪研究[J]. 铁道机车车辆，2018，38（2）：1-5.

[12]  刘晓日，罗江泽，赵哲，等. 车头长度对高速列车气动特性与声场特性影响的数值分析及降噪研究[J]. 中国铁道科学，2018，39（5）：88-96.

[责任编辑    田    丰]