有声屏障时,3个场点瞬时声压级与列车行进位置紧密关联.从图4可知,M1、M2和M3最大A声压级LpAmax分别为85.1、88.8和79.3 dB(A),对应升起的受电弓位置.该幅值比其他受影响较小的峰值分别大4.0、1.5和2.1 dB(A)左右,比3个场点在通过时间内的等效连续A声压级LpAeq,Tp大5.6、2.9和2.7 dB(A).受电弓位于车顶上方,大部分受声点处于该声源的直达区或高频截止区.现有的2.15 m直立型声屏障对该声源无屏蔽效果.从人的主观感受来讲,该瞬时声压导致人耳听到的声音较大,影响人们对声屏障实际降噪效果的主观评价.

  为了进一步掌握插入损失分布及变化规律,选取ISO 3095规定的3个标准场点,对场点声压级时间历程及频谱特性做多元化的分析.图3～5分别给出高速列车以270 km/h运行时,有、无声屏障断面场点声压级Lp及插入损失IL的时间历程.图中,M1、M2和M3代表的场点位置分别为(7.5 m, 1.2 m)、(7.5 m, 3.5 m)和(25 m, 3.5 m).括号内第一个数字表示距离近轨中心线的水平距离,第二个数字表示距离钢轨顶面的垂向高度.

  无声屏障时,列车驶入场点断面,声压级迅速增大；驶出场点断面,则声压级急剧减小.近场场点M1、M2瞬时声压级与列车行进位置紧密关联.声压级时间历程曲线个峰值,分别对应车头及附近转向架、中间7个车间连接区域及附近转向架、车尾及附近转向架.受声源类型及声辐射指向性的影响,M2声压级比M1大2.6 dB(A)左右.在该速度下,头车转向架和受电弓通过引起的声压峰值均不显著,户外噪声以轮轨噪声为主.随着工作速度的提高,头车及转向架引起的气动噪声逐步增大,导致对应区域经过场点断面引起的瞬时声压级超过其他转向架及车间的连接区域.

  自上世纪60年代开始,国内外学者对声屏障作了大量的研究工作[3].主要的研究工作为声屏障理论计算方式、道路声屏障结构设计和顶部装置优化等.轨道交通类型、组成、工作速度势必影响声源类型、位置及频谱,并改变屏障降噪效果[4].工作速度在200 km/h 以下的普通铁路,轮轨滚动噪声是主要的噪声源[1].对于高速铁路而言,列车工作速度较高,车外噪声声源分布位置遍布列车的各个核心部件,且噪声声源为宽频噪声[5].在此前提下,高速铁路声屏障理论模型、优化设计与道路声屏障存在一定的差异.简化声源模型,Morgan等[6]研究单极子/偶极子声源、列车外形、声屏障形状对声屏障插入损失的影响.研究之后发现,声屏障越高,声源类型的影响越大.改变列车外形,声屏障平均插入损失最大可提升7.5 dB(A).奥地利ÖAL-Richtlinie模型直接建立采用比例为15/85的单极子/偶极子声源模型,研究高速铁路噪声[7].日本作为较早使用声屏障的国家,对声屏障顶部设计进行了大量研究.顶部装置最重要的包含Y型、T型、倒L型、干涉型、山型等.通过研究之后发现,相对于2.0 m直立型声屏障,在声屏障顶部加高或改变形状能够增加2 dB(A)左右的附加降噪效果[8].Murata比较并分析了多种顶部头型,得出Y型屏障降噪效果最好[9].Belingard等[10]对吸声和顶部装置的附加降噪效果来测试.根据结果得出,TGV以320 km/h运行时,将声屏障上部刚性单元板改为吸声单元板,插入损失增加4.0～5.0 dB(A).

  我国学者对高速铁路声屏障作了相关研究.尹皓等[11]基于声屏障测量规范,对合宁、合武、和京津城际安装的声屏障来测试.在距铁路外侧轨道中心线 m处,当列车工作速度为250 km/h时,3.05 m高声屏障的降噪效果为5～8 dBΒιβλιοθήκη BaiduA).当列车工作速度为300～350 km/h时,声屏障的降噪效果为3～6 dB(A).另外,马心坦等[12-13]对声屏障插入损失预测模型及性能优化设计进行研究.

  如图2(c)所示为根据有、无声屏障时声场分布计算得到的插入损失.可知,插入损失等高线呈“高斯分布”曲线组,即在一定的垂向高度,插入损失最大,然后上、下两侧的插入损失逐步下降.上侧,随着垂向距离的减小,受声点向更高频率截止区域移动,易受到高速列车中上部声源和高频噪声的影响；下侧,随着垂向距离的增大,该区域声压级逐渐以低频噪声为主,由衍射原理可知,频率越低,声屏障降噪效果越差.以横向距离为15 m时为例,当垂向高度为轨面以下2 m时,插入损失最大,为7.3 dB(A).在轨面以下0 m和5 m时,插入损失为5.2 dB(A).

  【作者单位】西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川 成都 610031;西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川 成都 610031;西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川 成都 610031;西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川 成都 610031

  列车工作速度对声场分布规律的影响较小.图2仅给出列车运行速度为270 km/h时的声场分布结果.该结果是根据同一速度多次测试结果作平均得到的.图中,横、纵坐标零刻度分别表示近轨中心线和钢轨顶面.在无声屏障断面,靠近轨道中心线区域的场点声压级最大.声压级随着垂向和横向距离的增加而减小.由声传播理论可知,该分布规律符合自由场声衰减规律.由于声屏障的屏蔽作用,声屏障后方靠近声屏障的场点声压级较小,如图2(b)所示.声压级随垂向距离的增加而减小.在同一水平高度,声压级随横向距离的增加而增大,声屏障的降噪效果随横向距离的增加而变差.根据声屏障降噪原理和高速列车声源分布规律[5]可知,随着垂向距离的增加,受声点分别位于高频截止区(2 500 Hz以上)、中频截止区(1 250～2 500 Hz)、低频截止区(1 250Hz以下)和声影区.在同一水平高度,随着横向距离的增加,受声点分别位于声影区、低频截止区和中频截止区,且更容易受到高速列车中上部声源的影响.

  近年来,我国高速铁路发展迅猛,给人们的出行带来了方便和舒适.同时,铁路线穿过城镇,给旁边的环境带来了严重影响.列车以250 km/h以上速度运行时,高速铁路噪声源主要为滚动噪声、气动噪声和牵引噪声[1].声屏障作为高速铁路噪声隔离最主要的方法之一,可以有明显效果地地屏蔽各种噪声源的传播[2].

  根据声屏障插入损失的定义可知,插入损失为列车通过无声屏障、有声屏障断面时,通过时间内的等效连续A声级之差.该值表示声屏障的平均降噪效果.图5给出列车运行过程中的瞬时插入损失时间历程.M1、M2和M3平均插入损失分别为13.9、10.2和5.6 dB(A).在列车车头驶入和车尾驶出时,声屏障的隔声效果最好.当受电弓经过测点时,声屏障隔声效果最差,仅为8.4、7.3和3.0 dB(A).采取相关措施降低受电弓的影响能更加进一步提高声屏障插入损失.假设不考虑受电弓区域声压级,可以分别提高3个场点插入损失1.0、0.2和0.7 dB(A),且主观感受更好.受电弓声源较高,要完全屏蔽受电弓的影响不现实.轮轨噪声位置较低,从时间历程曲线可知,提高声屏障该噪声的屏蔽效果,能够进一步提升声屏障的插入损失.

  根据ISO 3095[14]及国内外高速列车运行噪声试验经验可知,在列车和线路状况满足有关标准要求的前提下,对我国某型高速列车在无砟轨道上通过无声屏障断面和有声屏障断面声场分布来测试,麦克风布置示意图如图1所示.2个测试断面距离较近,以保障测试时的周围环境和列车工作速度不变.声屏障为2.15 m插板式直立型声屏障.受测试安全的限制,仅测试轨面以下的声场区域.传感器共4列,分别距近道中心线 m.相邻传感器间距为2.0 m,靠近地面的传感器距离地面1.5 m.根据相关测试结果,得到有、无声屏障区段声压级及插入损失分布,如图2所示.图中，l为横向距离，h为重向高度.

  对高速铁路声屏障开展系统性研究,需要考虑声源分布及特性、列车工作速度、多重反射、声场分布规律及受控区域的主要噪声频率等因素.本文根据现场测试结果,对户外声场分布规律、标准点声压和插入损失时间历程及频谱特性做多元化的分析,获得影响插入损失的重要的因素.将场点声压级与速度进行线性拟合,对插入损失测试与计算结果进行比较分析,获得IL随速度的变化规律.根据已建立的高速铁路声屏障预测模型,采用边界元法[2]对吸声系数、声屏障厚度、高度、倾角、面板结构等影响因素做出详细的调查,分析这些影响因素的降噪效果,为逐步降低户外噪声提供指导依据.