市域铁路近轨声屏障降噪效果预测分析

王朝亮，张良涛，宋立忠，吴晓龙

（1.温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司，浙江 温州 325000；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；3.华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，南昌 330013）

2020年底，国务院办公厅转发国家发改委、交通运输部、国家铁路局、国铁集团等单位《关于推动都市圈市域（郊）铁路加快发展的意见》的通知，提出积极有序推进都市圈市域（郊）铁路建设。

赵国堂等[1]预测未来10年我国将建设2 000 km以上的市域铁路。随着市域铁路的大量修建，铁路沿线的噪声问题势必日益突出。铁路噪声以轮轨噪声为主[2]，Thompson 等[3－10]均对铁路轮轨噪声特性与预测开展了大量研究。在路旁安装声屏障可以降低轮轨噪声对沿线环境的影响。目前，铁路上常用的直立式声屏障安装位置一般距离外轨中心线3.40 m～4.175 m，高度在轨面以上2.15 m～3.15 m，降噪效果一般为3 dB(A)～8 dB(A)[11]。吴小萍等[12]通过数值仿真分析了声屏障高度对降噪效果的影响，发现声屏障高度由3 m增至4 m对降噪效果提升有限，由4 m增至5 m降噪效果显著提升，而超过5 m后再增加高度对降噪效果的提升不明显。周信等[13]通过数值仿真对比了不同形式声屏障的降噪效果，发现降噪效果从优到劣依次为Y 型、倾斜式、T 型、外折式、直立式和内折式，其中Y型声屏障的降噪效果比直立式声屏障高0.7 dB(A)～1.5 dB(A)。

如图1（a）所示，传统直立式声屏障一般安装在桥梁翼缘板边缘，高度一般在2 m以上，会对城市景观产生不利影响，同时还会遮挡乘客视线，鉴于此，近年来距离声源更近、高度更低的近轨低矮声屏障逐渐开始在铁路上得到应用。范静等[14－15]通过数值仿真对比了近轨C型声屏障与直立式声屏障的降噪效果，分析了声屏障高度、弧长及与车体的距离对近轨C 型声屏障降噪效果的影响。徐圣辉等[16-17]通过数值仿真分析了距离外轨中心线2.5 m 的近轨低矮声屏障的降噪效果及高度和顶部造型对其降噪效果的影响。

温州市域铁路S1 线是我国第一条真正意义上的采用城市轨道交通模式运营的市域铁路，一期工程全长53.507 km，其中，高架线39.112 km，占比73.1%。为了减小轮轨噪声对沿线居民的影响，拟在高架线上安装一种新型近轨低矮声屏障，如图1（b）所示。该新型近轨低矮声屏障距离外轨中心线仅1.95 m，高于轨面0.94 m，相对于传统直立式声屏障，该新型近轨声屏障更靠近噪声源，因而能够以更小的高度起到同样的降噪效果。本文以温州市域铁路S1线高架近轨声屏障作为研究对象，通过数值仿真开展了近轨声屏障降噪效果评估，并分析了近轨声屏障高度对其降噪效果的影响。

图1 声屏障设计图

1 数值模型

1.1 轮轨振动数值模型

采用有限元分析软件ANSYS 分别建立钢轨和车轮的三维实体半轴模型。

钢轨有限元模型采用SOLID45 单元模拟，如图2所示。将钢轨截面划分为132个单元，纵向单元长度为0.01 m，可以满足计算精度的要求。钢轨有限元模型计算参数见表1。

图2 钢轨有限元模型

车轮有限元模型采用SOLID45 单元模拟，如图3所示。对断面进行自由网格划分，然后对网格体扫描后旋转360°得到车轮模型。车轮有限元模型计算参数见表1。

图3 车轮有限元模型

选取ISO3095 规范给出的轨道粗糙度谱，基于动柔度法[18]求解轮轨力；将轮轨力分别施加于钢轨和车轮有限元模型上，求解轮轨系统动力响应；将轮轨系统动力响应作为声学边界条件，采用边界元法求解声源位置的轮轨噪声。

1.2 轮轨噪声数值模型

基于统计能量分析，考虑地面、桥面、车体及声屏障对轮轨噪声的隔声及反射作用，采用振动声学分析软件VA One 建立高架轮轨噪声统计能量分析模型，如图4所示，模型中包含声腔子系统和结构子系统，结构子系统由箱梁顶板、翼板、腹板、底板、混凝土护栏以及声屏障组成，箱梁底板距地面高度10 m，采用2 m×0.5 m×0.5 m声腔子系统模拟外空间空气，整个声场预测范围为120 m×50 m，考虑车体对噪声的阻隔作用，车体位置不建立声腔。每个声腔和对应的桥梁结构、声屏障结构子系统相互耦合，相邻声腔也相互耦合，保证各子系统之间的能量传递，将声源位置的轮轨噪声作为声激励施加到轮轨接触位置，预测轮轨噪声的空间分布特性，用以评估新型近轨声屏障的降噪特性。轮轨噪声统计能量分析模型计算参数见表1。

图4 轮轨噪声统计能量分析模型

表1 数值模型计算参数

2 降噪效果分析

2.1 与传统直立式声屏障降噪效果对比

基于上述数值模型开展声屏障降噪效果分析。为了对比新型近轨声屏障和传统直立式声屏障的降噪效果，分别计算了列车以120 km/h 的速度通过未采取降噪措施、在梁侧安装3.17 m 高的直立式声屏障、在近轨处安装高于轨面0.94 m 的低矮声屏障的温州市域铁路S1 线高架时的轮轨噪声辐射。声屏障板的吸声系数由实验测得。如图5所示。由于轮轨噪声主要集中于中高频段[2]，因而仅计算了250 Hz～5 000 Hz的轮轨噪声辐射。

图5 声屏障吸声系数

不同降噪措施对应典型场点的A声级频谱如图6所示。从图6可以看出：两种形式的声屏障对轮轨噪声的降噪效果均很明显；在梁侧安装3.17 m 高的直立式声屏障和在近轨处安装高于轨面0.94 m的低矮声屏障对轮轨噪声的降噪效果相当。

图6 不同降噪措施下典型场点的A声级频谱

不同降噪措施对应梁侧轮轨噪声云图如图7所示。从图7 可以看出：两种形式的声屏障对轮轨噪声的降噪效果均很明显，无降噪措施时，梁侧30 m处噪声为80 dB(A)～82 dB(A)，而在梁侧安装3.17 m高直立式声屏障和在近轨处安装高于轨面0.94 m声屏障均能使梁侧30 m 处噪声降至72 dB(A)～74 dB(A)，降噪效果约为8 dB(A)。

图7 不同降噪措施下梁侧轮轨噪声云图

为了进一步对比在梁侧安装3.17 m高直立式声屏障和在近轨处安装高于轨面0.94 m声屏障的降噪效果，图8 给出了两种形式的声屏障工况下梁侧轮轨噪声差值云图。从图8 可以看出：在近轨处安装高于轨面0.94 m声屏障的降噪效果在梁侧大部分区域均略优于在梁侧安装3.17 m 高直立式声屏障，仅在梁下部分区域略差。

图8 安装直立式声屏障和近轨声屏障噪声差值云图

为了定量分析两种形式的声屏障对轮轨噪声的降噪效果，表2 给出了不同降噪措施对应典型场点的A 计权总声压级，并计算了不同降噪措施的降噪效果。从表2 可以看出：在梁侧安装3.17 m 高的直立式声屏障和在近轨处安装高于轨面0.94 m的低矮声屏障，对距外轨中心线7.5 m、轨面以上1.2 m处的降噪量分别为9.67 dB(A)和10.1 dB(A)，对距外轨中心线25 m、轨面以上3.5 m 处的降噪量分别为6.72 dB(A)和7.57 dB(A)，即新型近轨声屏障的降噪效果优于传统直立式声屏障，同时考虑到近轨声屏障高度远小于传统直立式声屏障，因此，新型近轨声屏障的降噪效果和经济性均优于传统直立式声屏障。

表2 不同降噪措施对典型场点的降噪效果

2.2 近轨声屏障高度影响

为了对比不同高度近轨声屏障的降噪效果，分别计算了列车以120 km/h的速度通过安装高于轨面0.8 m、0.9 m、1.0 m 近轨声屏障的温州市域铁路S1线高架时轮轨噪声辐射，并与无措施及原设计（高于轨面0.94 m近轨声屏障）工况进行了比较。

不同近轨声屏障高度对应典型场点的A声级频谱如图9所示。从图9可以看出：不同高度的近轨声屏障对轮轨噪声的降噪效果均很明显；随着近轨声屏障高度的增大，近轨声屏障的降噪效果逐渐提升，但总的来说变化不大。

图9 不同近轨声屏障高度下典型场点的A声级频谱

为了定量分析近轨声屏障高度对其降噪效果的影响，表3给出了不同声屏障高度对应典型场点的A计权总声压级，并计算了不同高度声屏障的降噪量。从表3可以看出：随着近轨声屏障高度的增大，近轨声屏障的降噪效果逐渐提升，近轨声屏障高度从0.8 m增至0.9 m和从0.9 m增至1.0 m，对距外轨中心线7.5 m、轨面以上1.2 m 处的降噪量分别提高了1.34 dB(A)和0.79 dB(A)，对距外轨中心线25 m、轨面以上3.5 m 处的降噪量分别提高了0.79 dB(A)和0.39 dB(A)，即随着近轨声屏障高度的逐渐增大，近轨声屏障降噪效果的提升幅度逐渐减小。

表3 不同高度近轨声屏障对典型场点的降噪效果

3 结语

本文以温州市域铁路S1 线高架近轨声屏障作为研究对象，通过数值仿真开展了近轨声屏障降噪效果评估，并分析了近轨声屏障高度对其降噪效果的影响，主要结论如下：

（1）在梁侧安装3.17 m高的直立式声屏障和在近轨处安装高于轨面0.94 m的低矮声屏障的降噪效果均很明显，约为8 dB(A)，但近轨声屏障降噪效果略优。

（2）随着近轨声屏障高度的逐渐增大，近轨声屏障的降噪效果逐渐提升，但近轨声屏障降噪效果的提升幅度逐渐放缓。

本文基于数值模型对近轨声屏障的降噪效果进行了预测分析，其实际降噪效果有待进一步试验验证。