（水声工程专业论文）基于射线跟踪法的铁路声屏障声学设计优化研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h es i x t hl a r g ea r e a 8r i s i n gs p e e di nh i g h - s p e e do fr a i l w a yi no u rc o u n t r y a n dt h eu s i n ge m u s ，c h i n ah a se n t e r e di n t oh i g h - s p e e dr a i l w a yt i m e s a st h es p e e d r i s i n g , n o i s ec o n t r o li sf a c e dw i t ht r e m e n d o u sp r e s s u r e a tt h ep r e s e n tt i m e ， n o i s e b a r r i e ri sae x t e n s i v ea n de f f e c t i v em e a s u r eo fn o i s ec o n t r o l l i n g b u t ，n o i s ee v a l u a t i o n a n dn o i s e p r e d i c t i o na r ea l w a y st h ep i v o t a l t e c h n i c a l p r o b l e m so na p p l i c a t i o n e n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r , t h ec o n t r i b u t i o no fe a c hs o u r c eo ft h ep a s s e n g e rt r a n s p o al i n e s n o i s ei sp r e s e n t e dt h r o u g ht h el o n g - t e r mr e s e a r c ho ni ta n dl o t so fo t h e rd a t ab o t h d o m e s t i ca n da b r o a d t h ec o n t r i b u t i o na l s op r o v i d e sp a r a m e t e r sf o rt h ef o l l o w i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h ei n s e r t i o nl o s so ft h en o i s eb a r r i e r t h em o d e lo f j m g l i u r a i l w a yo fw u h a nd a d o n g m e na n dn o i s eb a r r i e ri sc r e a t e du s i n gt h es o f t w a r e r a y n o i s e r e f l e c t i v en o i s eb a r r i e ri n s e r t i o nl o s s ，a n dt h es i m u l a t i o no ft h es o u n d b a r r i e rt h ev a l u eo ft h ef i e l dm e a s u r e m e n td a t aa n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，t ov 甜匆t h e c o r r e c t n e s so ft h em o d e lt os o l v eal a r g e - s c a l ep r o j e c t i o no ft h es o u n df i e l d b a s e do nt h eu s eo f n u r n e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d so f t h er a i l w a yf u r t h e ra c o u s t i c s o u n db a r r i e rt oah i 曲d e g r e eo fo p t i m i z a t i o n , a n dt h ec u r r e n tw i d e l yu s e di n e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s o fs e v e r a lf o r m so fn o i s eb a r r i e ri n s e r t i o nl o s sd o w nt o f o r e c a s t i n g , a n a l y z et h en o i s ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t s t r u c t u r a lf o r m so fn o i s e b a r r i e ri n s e r t i o nl o s ss i m u l a t i o nv a l u e ，s oa st oa r r i v ea tt h ed i f f e r e n tp r o t e c t e da r e a k s w h i c hf o r mt h es t r u c t u r eo ft h es o u n db a r r i e ra n de c o n o m i ca s p e c t so fp r a c t i c a l c o n c l u s i o n s f i n a l l y , s o u n d a b s o r b i n gm a t e r i a lo f t h es o u n db a r r i e ri nt h ea p p l i c a t i o n a n dar e a s o n a b l el a y o u t , c o m eu pw i t har e a s o n a b l el a y o u t o ft h e p r o g r a m s o u n d a b s o r b i n gm a t e r i a l b a s e do nt h ea n a l y s ea n dc o n c l u s i o ni nf r o n t ，t h ep e n m a np o i n to u tt h ea c o u s t i c d e s i g no f t h eo p t i m i z i n go fn o i s eb a r r i e r k e y w o r d ：n o i s eb a r r i e ro fr a i l w a y ；, r a y - t r a c i n g ；r a y n o i s e ；i n s e tl o s s i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) 日期：逞! ! 翌：笸：垦 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名，一弛导师c 签 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 我国轨道交通噪声污染现状及危害 近来，随着城市化的迅速发展和改革开放的进一步深化，中国整体国民经 济水平显著增强，高速铁路、公路网的建设突飞猛进、城市道路和车流量也迅 速发展，一种立体纵横、网络棋布的新型道路交通格局j 下在形成，但城市道路 交通噪声污染也之而来的，在一些大中城市形势尤为严峻。调查表明，北京的 交通噪声平均值一直处在7 1 7 2 d b 之间，其噪声水平大大高于联合国世界卫生 组织设定的适合人类居住的声环境：白天5 0 5 5 d b ，夜间低于4 0 d b 。据统计， 我国大中城市中，1 9 9 5 年交通干线两侧区域噪声超标的城市达7 1 4 ，全国2 3 的城市居民生活在噪声超标的环境中。1 9 9 7 年，在城市噪声源中，交通噪声占 4 6 8 ，社会生活噪声占2 8 9 ，建筑施工噪声占5 1 ，工业噪声占8 3 ，其 它噪声占1 0 9 。但交通噪声的比例有逐年上升的趋势，近年来达到6 0 以上。 据测算，中国每年因道路交通噪声污染而导致的经济损失约合人民币2 1 6 亿元 1 3 】。1 9 9 5 年以来城市居民对噪声的投诉比例占所有环境投诉的6 2 【4 1 ，这一比例 仍有逐年上升的趋势。 2 0 0 7 年我国铁路实施了第六次大面积的提速，动车组的投入使用，标志着 我国铁路列车运行进入了高速铁路时代。列车运营时产生的振动和噪声对周边 的居民的工作和生活带来严重的影响。有数据显示我国列车噪声情况比较严重。 当列车运行速度为1 6 0 k m h 时，我国的准高速列车辐射噪声为9 3 9 8d b ，而日 本是8 0 d b ，法国高速铁路7 5 d b ，西德i c e 城间高速列车在速度为2 0 0k m h 和 3 0 0 k m h 的情况下分别为6 3 d b 和7 3 d b 。我国高速铁路噪声的控制目标是，当列 车运行速度为2 5 0k m h 时，噪声控制在8 6 d b 。可见高等级的铁路公路的交通噪 声已超过标准，给两侧的居民生活带来了严重的影响，因此迫切需要采取有效 措施加以治理。1 9 9 6 年1 0 月我国通过了环境噪声污染防治法，其中第三十 九条规定了应当减轻因铁路运行造成的环境噪声污染。城市轨道交通振动和噪 声的防治作为环保产业的一部分，在城市轨道交通环境建设方面和经济与环境 协调可持续发展方面都具有重要而独特的意义。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 ) 噪声给人带来生理上和心理上的危害主要有以下几方面： ( 1 ) 损害听力，有关资料表明：当人连续听机动车声，8 小时以后听力就 会受损；若是在摇滚音乐厅，半小时后，人的听力就会受损；若在8 0 分贝以上 的噪声环境中生活，造成耳聋的可能性可达5 0 。 ( 2 ) 噪声损害视力，噪声会严重影响听觉器官，甚至使人丧失听力，尽人 皆知。然而，耳朵与眼睛之间有着微妙的内在“联系”，当噪声作用于听觉器官时， 也会通过神经系统的作用而“波及”视觉器官，使人的视力减弱。 ( 3 ) 有害于人的心血管系统、我国对城市噪声与居民健康的调查表明：地 区的噪声每上升一分贝，高血压发病率就增加3 。 ( 4 ) 影响人的神经系统，使人急躁、易怒。科学研究发现，噪声可刺激神 经系统，使之产生抑制，长期在噪声环境下工作的人，还会引起神经衰弱症候 群( 如头痛、头晕、耳鸣、记忆力衰退、视力降低等) 。 ( 5 ) 影响睡眠，造成疲倦。从心理方面来说，噪声首先会引起睡眠不好， 注意力不能集中，记忆力下降等心理症状，然后导致心情烦乱，情绪不稳，乃 至忍耐性降低，脾气暴躁，最后产生高血压、溃疡、糖尿病等一系列的疾病。 噪声引起心身疾病的几率是相当大的，而且治疗比较困难，需要比较长的调养 恢复期，给人的日常生活和工作带来很大的麻烦。 有关专家认为噪声对人体的危害是很大的，噪声量( 分贝) 对人体影响： 举例0 , - - 5 0 分贝：舒适，细语声；5 0 - 9 0 分贝：妨碍睡甘民、难过、焦虑；9 0 - 1 3 0 分贝：耳朵发痒、耳朵疼痛；1 3 0 分贝以上：耳膜破裂、耳聋。 同时，交通噪声潜在的带来国家的经济损失。据研究测算，仅北京市每年 因道路交通噪声污染导致的经济损失就达1 5 2 0 亿元；美国受交通噪声影响的 区域内，为搬迁居民就耗资2 7 亿美元；在德国目前每年用在治疗听觉损失的费 用就达到5 0 0 万马克，从以上简单的数字不难看出，声环境的好坏给国家国民 经济产生一定的影响。 1 2 声屏障控制轨道交通噪声的优越性及应用 设置声屏障是控制声源特别是交通噪声的重要措施，国外对穿过市区和居 住区轨道交通、高架桥等交通干线的两侧都普遍设有声屏障，实现了其他降噪 手段所不能代替的效梨5 1 。从广义上讲，道路又是系统工程，其中规划、管理、 2 武汉理下大学硕士学位论文 道路结构( 包括构造、吸声路面) 又是解决问题的另一方面，相对与车辆本身来说 是被动的，而道路声屏障是一种设置于道路交通噪声源和道路两侧受保护地区 ( 或噪声敏感点) 之间的声学障板，它是降低道路交通噪声对道路两侧区域局部环 境污染的重要措施之一。 目前，声屏障已发展成多种多样的，本文根据声屏障的声学设计将屏障分 为以下几种主要类型：结构设计有直立式、全封闭式、半封闭式等；外形设计有 f 型声屏障、隧道式声屏障、箭头型屏障、y 型屏障、球型辱障、扇型屏障、八 角型屏障等；另外还有单边屏障、双边屏障、吸声屏障、反射屏障和复合屏障 等等。 随着我国国民经济的发展、人们生活水平的提高及环境保护意识的增强， 人们除对交通工具有快速、便捷的要求外，还需要有良好的生活和居住环境。 3 0 多年前人们制定了户外环境噪声的理想目标为4 0 , - 5 0 d b 。就交通噪声而言， 意味着机动车辆噪声要比现在低2 0 - - 3 0 d b 。噪声控制首先是降低声源的辐射，其 次是控制传播途径，最后是保护接受者。对于降低声源的噪声辐射，即对车辆 本身进行噪声控制，这与制造业的水平有关，而且每降低l d b 耗资巨大【6 】。 对于近年来国外提出的用低噪声路面来降低公路交通噪声具有经济合理、 保持环境原有风貌和行车安全等特性，但尚处于发展研究阶段。从实际情况分 析，从声源上降低噪声比较困难，所以，从传播途径减少噪声的传播成为降噪 方法的首选。声屏障是建筑在声源与受声点之间的声学屏障，它能够阻止噪声 的传播，从而降低受声点声能量，使受声点得到保护，一般可降低5 1 5 d b l 6 。 它具有降噪效果显著、节约土地、建筑灵活、对周围环境干扰少等优点。对于 城市道路规划己无法更改的老城区，住宅区的建筑也已成形，用声屏障降低交 通噪声就成为首选方案。在国外的一些高速及快速道路上，如英国、法国、澳 大利亚、日本以及香港地区都己设有声屏障，而且形式多样化，从单一的治理 效果逐步走向与景观协调一致的发展趋势。 1 3 国内外声屏障应用现状及发展趋势 1 3 1 国外声屏障的应用现状 声屏障的研究在国外起步较早，同本声屏障的修建始于2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代， 在2 0 世纪7 0 年代中期有了较大的发展。日本在1 9 8 3 年的统计资料显示日本城 武汉理= 大学硕七学位论文 市中高速公路声屏障设置率高达8 0 ，至1 9 9 0 年日本仅高速公路上的声屏障就 长达1 1 3 7 公里，全部道路的声屏障总长度己达1 5 7 3 公里；法国曾在1 9 8 8 年举 行了由政府部门组织举办的适合于各种场合使用的声屏障的比赛；到1 9 9 6 年美 国己修建公路声屏障约7 2 0 0 公里，投入约3 0 亿美元，还设计了“公路声屏障专 家设计优化系统”【_ 丌，进一步提高了道路声屏障的设计水平；英国、德国、澳大 利亚等也大力发展声屏障技术。国外在穿过市区和居民区的高速公路、铁路、 高架桥两侧等场合普遍设有声屏障，实现了其它降噪措施所不能替代的效果。 1 3 2 国内声屏障的应用现状 我国对声屏障研究的起步较晚，1 9 9 2 年贵州省贵黄高速公路上安装了百米 垢工结构的实验性声屏障，这是我国应用声屏障技术进行降噪的先例。在8 0 年 代未，由于城市道路的发展和环保法规的完善，在我国利用声屏障降低交通噪 声的技术得到重视，并发展起来。此后，上海的内环线、成都路高架桥、杨浦 大桥沿线1 3 个区段约几十公里的道路均已设置了声屏障。北京西三环路局部路 段安装了长3 1 5 米、高2 6 米的声屏耐引。广州内环线路也先后设置了声屏障。 2 0 世纪末我国对声屏障的声学设计、结构设计、景观设计等进行了分析探 讨。于1 9 9 8 年竣工的成绵高速公路声屏障就是在此基础上设计的国内首例新型 的声屏障。设计中利用声屏障顶端线条的多样化，改变了声屏障的单调、枯燥 的情调，在其有效的隔离噪声的同时，也和交通道路周围的环境融为一体。2 l 世纪初我国开始对声屏障的材料进行研究，突破了以前的声屏障的设计陈规， 从单一的隔声材料走向了隔声和吸声并用的趋势。2 0 0 3 年1 月在上海市萃闽轨 道交通线上建成的声屏障是近代中国声屏障事业的一个典型代表。该声屏障上 部采用s t j 1 防雨尘阻抗复合型吸声材料，分为上、中、下三部分。上部采用吸 声屏吸收反射声和直达声；中部采用透明玻璃屏，在保证乘客对景观要求的同 时，阻隔噪声的传播；下部主要对轨道噪声进行吸收和衰减。此声屏障经测试 表明具有良好的降噪效果，可降低噪声7 1 1 5d b 。【9 j 2 0 0 4 年7 月1 2r 由国家环境保护总局发布了声屏障声学设计和测量规 范，使声屏障建设走上规范化的道路，大大的促进了我国声屏障建设事业的发 展。 4 武汉理1 = 大学硕十学位论文 1 3 3 国内外声屏障发展趋势 声屏障作为降低道路交通噪声的一项有效措施，国内外大量的声学专家致 力于声屏障的研究，使声屏障在材料、构造、形式、外观上表现得丰富多彩， 能适应各种环境条件。国内外公路声屏障技术不断发展，声屏障的己从单一的 降噪为目的走向多元化的发展趋势。具体表现在以下几个方面： 声屏障的类型完善化，最初的声屏障为简单的隔声屏障，研究人员的广泛 深入的研究，现在声屏障发展为： a 扩散反射型声屏障； b 吸收共振型声屏障； c 有源降噪声屏障： 扩散反射型声屏障的表面做成不同形状的突起，如球形、矩形、三角形等。 当声波在传播过程中遇到凸形的界面，就会被分解成许多比较弱的反射声波， 从而达到降噪的目的：吸收共振型声屏障是在声屏障朝向声源的一侧按上吸声材 料，当声波射到声屏障表面时有一部分声能被吸收掉从而减少噪声的声级；根 据国内外道路声屏障发展过程，扩散反射型声屏障的材料发展趋势是质轻、透 明、隔声性能好、强度高：有源降噪是利用声波的干涉，使得在噪声控制区域内 得到噪声与次级声波发生干涉而抵消，来达到控制或消除噪声的目的。有源降 噪声屏障与传统声屏障相比最大的优点是对低频声波的降噪效果十分有效，使 声屏障在不增加高度的前提下，性能得到较大改善，本方法有着美好的前景。 1 3 4 声屏障结构的有效化 研究表明增加声屏障的高度可以增大降噪量，但如此带来得负面影响不可 忽略。如：道路两侧的居民区光线不足；司机的视觉受到遮蔽，易形成视觉疲 劳：屏障加高，导致自重增加，其基础需要加固，随之造价升高等。另外，根 据测试表明传统得声屏障高度为3 米时，屏障的性能价格比达到最大，因此仅 通过增加高度来满足降噪要求是不可取的。为了提高声屏障的降噪效果，国内 外的专家把目标转移到声屏障的结构形状上。现存的声屏障的形状很多，有倒l 型、直角型、凹槽型、隧道式以及结构更为复杂的y 型和鹿角型等等。其中应 用比较广泛的是倒l 型。最近提出的高度为l 米左右城市道路低声屏障，它充 分考虑了马路和道路的交叉问题，在道路两旁设黄开口，形成不连续的声屏障， 5 武汉理工大学硕士学位论文 在一定程度上降低了交通噪声的影响。 声屏障材料的多样化 道路声屏障的材质可分为：土、木质、钢筋混凝土、金属板类、塑料有机 玻璃类等混合物。许多国家从投资少极易维护考虑，多采用普通混凝土、粘土 砖和轻质混凝土建造声屏障。在城市道路中多采用占地面积小、结构简单的金 属声屏障。对于高架路、公路桥和设置空间比较小且美观要求比较高的地方设 置声屏障，多选择自重轻、美观、隔声性能好，易于维护的声屏障如彩钢复合 板型声屏障。深圳市高志高分子材料有限公司和上海福海科技有限公司联合研 制和推出的声屏障的新型吸声材料一网状复合吸声板，是一种具有有机和无机 材料双重优点的硬质、轻型、多孔的高性能吸声材料。近年来美国、日本、德 国和澳大利亚等发达国家采用新型材料一泡沫陶瓷修建的高架桥和高速公路的 消声隔音屏障，取得非常好的降噪效果。声屏障材料的来源越来越广泛，使声 屏障的性能价格比达到最大。 屏障建造中，除要求满足声学要求外，还特别注重声屏障的造型与色彩设 计；因地制宜的建造透明声屏障。许多国家己有各式各样新颖美观的声屏障屹 立于公路两侧，深受各方人士欢迎。到九十年代，声屏障的景观设计已是整个 声屏障设计的一个极为重要的设计内容。 1 4 课题研究内容及现实意义 随着近年来城市轨道交通和高等级公路的加速建设，各类道路声屏障也得 到日益广泛的普及，逐渐成为环保行业的工程热点之一。但我们也应该注意到， 随着道路声屏障工程的大量建设，越来越多的问题随之而来，例如不少声屏障 的降噪作用和实际效果也参差不齐，部分声屏障建造费用很高但降噪效果却不 明显，声屏障的设计、制造、降噪效果的评价指标及降噪效果的预测、实地测 量等环节还不够规范。因此本文将对以上问题进行分析和探讨，为声屏障在设 计与建造的实际工程中提供解决以上问题的思路和方法。 在道路声屏障的设计时，由于周围特殊环境以及经济等因素的限制，隔声 屏障往往都没有足够的有效高度，且随着城市化进程的加速发展，在原有道路 两侧建设的高层建筑也越来越多；道路路况的变化( 路面状况、车流量、车种比、 车速等) ，其交通噪声的声源性质也随之发生变化；另外，在声屏障降噪效果的实 6 武汉理1 = 大学硕士学位论文 际测量过程中，由于测量条件及客观环境等因素，大多数测量过程都难以按照 导则中规定的测量方法进行测量。因而，在设计声屏障时，理论计算得到的声 屏障插入损失与实际测得的插入损失值还是有一定的误差，且现有的声屏障插 入损失计算模型还不能很明确地反应出声源的频谱特征。本文从声屏障的降噪 原理研究出发，查阅国内外文献分析我国铁路声辐射特性及组成，应用声学软 件r a y n o i s e 建立轨道交通模型，并对目前现有不同结构形式的声屏障声学特 性、声屏障的评价指标以及声屏障降噪效果进行数值仿真，对己建成的铁路声 屏障进行实测，并将实测值与仿真值对照进行分析讨论，提出目前在铁路工程 应用中声屏障的声学优化设计思路及方法，为其声学设计及环保部门在工程建 造中提供一种造价低、降噪性能好的声屏障结构形式，以确保我国道路声屏障 建设工作沿着正确的方向健康发展。 7 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章声学原理及评价指标 声屏障降噪的理论基础为惠更斯的波动理论，通常的表现形式为在声源与 接收点的传播途径之间加一屏障。目前国内关于声屏障的研究中，出现了不少 错误的概念及观点，如将声屏障的隔声量作为评价降噪效果的指标以及误以为 声屏障设置得越高降噪效果越明显。因此，本章将对声屏障的一些基本概念及 声学原理进行科学地阐述和分析。 2 1 声学原理【1 0 】 任何一个声学系统都有三个主要环节，即声源、传播途径和受声者。在确 定噪声控制时，也应该从以上三个方面考虑：( 1 ) 从声源上根治噪声；( 2 ) 在噪声的 传播途径上采取措施；( 3 ) 在接收点对受声者进行保护。第一种方法虽然是最根 本的措施，但对技术、经济要求较高，而切实可行的是在传播途径上设置声屏 障，阻断噪声的传播。利用声屏障对声源附近的敏感点进行保护，是解决噪声 污染的重要措施之一。声屏障降噪的机理是在噪声源与接收点之间引入声屏障 以后，声波必须通过绕射才能传到接收点，声传播路径因而加长，从而导致噪 声的降低。 当噪声源发出的声波遇到声屏障时，它将沿着三条路径传播【1 1 1 ( n2 1 a ) ： 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 这三条路径传播的声能分配。声源辐射的声波在屏障背后形成“声影区”，“声影 区”大小取决于声屏障的有效高度日、位于声源与受声点之间的位置以及声波频 率，见图2 1 - b 武汉理_ t 大学硕士学位论文 道路声屏障 反射路径、八 一r 叁 声源s 么兰二二一 声波传播途径 b 声波的绕射途径 图2 1声屏障传播的路径图 1 ) 声屏障插入损失l ( i n s e r t i o nl o s so fb a r r i e r s ) 声屏障降噪效果用插入损失来评价，其定义为保持噪声源、地形、地面和 气候条件不变的情况下安装声屏障前后在受声点处测得声压级之差。声屏障的 插入损失，要注明频带宽度、频率计权和时间计权特性。 2 ) 隔声量、传声损失( t r a n sm i s s i o nl o s s ) 入射到隔声构体一侧的入射声能e 和透射声能e 之比的对数乘以1 0 的分 贝数称为该构体的隔声量，又称透射损失，即 f 兕= 1 0 1 9 i l a i ( 2 1 ) 乜f 死是频率的函数，单位d b 。对于不同类型的隔声构体，兕不同，但其隔 声频率特性可能有很大的差异。 3 ) 隔声指数( s o u n di n s u l a t i o ni n d e x ) 结构传声损失是频率的函数，国际标准化组织o s o ) 推荐的结构空气声传声 9 武汉理：f 硕士学位论文 损失的单一值评价量为隔声指数乞 推导计算出来的。声屏障的设计中 实际降噪效果，通常采用具有一定 心频率为，1 2 5 至4 0 0 0 h z 的6 个靠 隔声量作算术平均，叫平均隔声量 关系，但因为只求算术平均，未考 特性，因此尚不能很好地用来对不 引入空气隔声指数的概念。空气隔 构件的隔声性能的评价方法。声屏 倍频程的平均隔声量或隔声指数来 4 ) 降噪系数( n r c n o i s er e d u c 在2 5 0 、5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 h z 洮 末位取0 或5 。 皂1 0 0 3 1 5 0 h z 的1 3 倍频程的传声损失 j 避免由声屏障透射声能量影响声屏障的 损失的结构。在工程应用中，通常将中 ! 或1 0 0 至3 1 5 0 h z 的1 6 个l 3 倍频程的 7 均隔声量虽然考虑了隔声性能和频率的 、耳听觉的频率特性以及一般结构的频率 声构件的隔声性能作比较分析，为此， 数是国际标准化组织推荐的一种对隔声 窀气声隔声量可采用l o 肚3 1 5 0 h z 的1 3 0 。：o e f f i c i e n t ) 吸声系数的平均值，算n d , 数点后两位， 1 n r c 2 言( 哆z 0 0 + t r l o o o + c r 2 0 0 0 ) ( 2 - 2 ) 2 1 1 声屏障的声绕射 越过声屏障顶端绕射到达受声，。 是声屏障降噪的基本原理。直达声j 通常用符号必来表示。它与声波f 衰减愈大，降噪效果愈好。增加声 可以增大绕射角，这表明声屏障的 系的函数。用绕射角来表示噪声的 万= 彳+ b d ，图2 2 为频率为5 0 ( ，噪声级比没有声屏障的直达声级小，这 射声的声级之差，称之为绕射声衰减， i 于角口有关，绕射角口愈大，声屏障的声 的高度或者使声屏障接近声源和受声点， j 减是声源、受声点和声屏障之间几何关 i 量很不方便，通常用声程差万来描述， i i 程差与噪声衰减的关系图。 武汉理! 人学硕十学位论文 2 0 d b 噪1 5 d b 亩 衰l o d b 减 量5 d b f 】1 ：! l ! 力_ l | 7 ， ， ，一 0 o l m0 1 m1 ml o ml o o m 声差程 图2 2 声程差与噪声绕射衰减量关系图【l o 】( m d b ) 此外，声屏障的声衰减与声频率有关，研究与实践表明：对于大于2 0 0 0 h z 的高频声比8 0 0 , - , 10 0 0 h z 的低频声降噪效果好；但对于2 5 0 h z 左右的低频声效果 很差，这是声波的绕射现象所致。因为波长较长的低频声比波长较短的高频声 更容易绕射过去，即波长越长声波的绕射声衰减越小。图2 3 为对于同一声屏障， 在“声影区”内不同位置上，对不同频率的声音所获的声衰减值示意图2 3 。 臻 i 臣一 图2 3 声屏障对不同频率声波的衰减特性r 刀 越过声屏障顶端绕射到受声点的声能级比没有屏障时的直达声能小。直达 声与绕射声的声级之差，称之为绕射声衰减，其值用符号必表示并随着角的 增大而增大。声屏障的绕射声衰减是声源、受声点与声屏障三者几何关系和频 率的函数，它是决定声屏障插入损失的主要物理量。 2 1 2 声屏障的透射 声源发出的声波透过声屏障传播到受声点的现象。穿透声屏障的声能量取 武汉理工大学硕十学位论文 决于声屏障的面密度、入射角及声波的频率。声屏障隔声的能力用传声损失兕来 评价。死大，透射的声能小；传声损失小，则透射的声能大，透射的声能可能 减少声屏障的插入损失，称为透射引起的插入损失降低量。用符号战。通常在 声学设计时，要求记一皈1 0 d b ，此时透射的声能可以忽略不计，即战= o 。 一般来说声屏障材料的传声损失较大时，可以有效的隔绝噪声的传播，但 是如果声屏障上存在着孔洞或空隙，会严重损害声屏障的整体降噪量。对于较 大的孔洞，入射到声屏障的声能将直接透过孔洞到达受声者：当孔洞较小时，波 长大的声波虽不能直接通过小孔，但在小孔的中心形成一个新的球面波中心， 这就是所谓的二次声源，使声屏障的降噪效果明显的降低。因此在进行声屏障 设计时，要尽量避免孔洞和缝隙，使声屏障达到最佳的整体降噪水平。 2 1 3 声屏障的反射 ， 当道路两侧均建有声屏疃厂且声屏障平行时，声波将在声屏障问多次反射， - 。 并越过声屏障顶端绕射到受声点，它将会降低声屏障的插入损失，由反射波引 起的插入损失的降低量称之为反射降低量，用符号必表示。 一， ：= 乡7 绕射波 x 藓嗽 陟 、 图2 _ 4 声屏障对声波的反射 为减小反射声，一般在声屏障靠道路一侧附加吸声结构。反射声能的大小 取决于吸声结构的吸声系数盯，它是频率的函数，为评价声屏障吸声结构的整 体吸声效果，通常采用降噪系数n r c 。 2 2 声屏障降噪效果的评价 2 2 1 声屏障插入损失计算方法 声屏障降噪效果用插入损失来评价，声屏障的插入损失值取决于声屏障的 绕射声衰减咄、透射减小量如、反射降低量吆、地面吸收衰减量战和声 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 源与受声点之间其它障碍物产生的声衰减量缸，即声屏障的噪声降低为： i l = 上绕一厶庭一l 反一m a x ( a l g ，岛) ( 2 3 ) 在实际建造声屏障时，若绕射损失与透射损失之差在1 0 d b 以上，可忽略 a l 濡：对吸声屏障，若吸声结构的噪声降低系数n r c 0 5 ，则址斥l d b ，也 可省去；若声源与受声点距离近且为软地面时，皈也可省去；若声源与受声点 之间其它障碍物在设置声屏障前后保持不变，则皿也可略去。因此，声屏障插 入损失尼主要取决于屏障的绕射衰减量址0 。 对于不同的声源类型和不同的声屏障类型有不同的绕射声衰减量计算公 式。 ( 1 ) 点声源：当声源的长度远远小于声源至受声点的距离时，一般指声源 至受声点的距离大于线声源长度的3 倍，就可视此声源为点声源。对于道路上 的车流量来说，当车流量低于2 0 0 辆l l ，可视为点声源。 ( 2 ) 无限长线声源：当声源的长度大于三分之一线声源至受声点距离时， 此声源为无限长线声源。当道路上的车流量大于1 0 0 0 辆时，可视为线声源。 ( 3 ) 无限长声屏障：对于无限长声屏障在声屏障声学设计和测量规范 里没有明确的规定。刘启龙在声屏障设计纲要指出无限长声屏障指声屏障 的长度l 至少大于2 0 倍声屏障的高度h 。 2 2 2 绕射声衰减必的计算 ( 1 ) 对于点声源的绕射声衰减必的计算 当声源为点声源时，声屏障可视为无限长声屏障。其绕射声衰减为： 叱= 2 吨品一 5 d b + 2 0 1 9t a n 巫h x 司幽n ： o n = 0 0 - 0 2 _ o 2 n 一菲涅耳数，：寻(彳+b一)：型(彳+bn d d ) ；一菲涅耳数，= 导( 彳+ 一) = 兰上( 彳+ 一d ) ； 以 c 名声波的波长，i n ； d 一声源和受声点间的直线距离，m ； ( 2 _ 4 ) 武汉理r 大学硕士学位论文 彳一一声源至声屏障顶端的距离，m ； b 一受声点至声屏障顶端的距离，m ； 0 ，表明受声点位于“声影区”； n = 0 时，即受声点、声屏障顶端和声源在一条直线上，由于屏障顶端发生 干涉现象： n - - 0 2 时，表明受声点位于“亮区 ，这种情况声屏障不影响声能的传播， 所以声屏障衰减为0 ； 一0 2 n - ( 2 5 ) 厂声波的频率，h z ； 万声差程，m ； c 一声速，m s ； ( 3 ) 无限长线声源及有限长声屏障必的计算 声屏障的绕射衰减量用公式( 2 2 ) 计算，然后根据图2 5 进行修正。修正后的 必取决于遮敝角p o 。图2 5 中虚线表示：无限长声屏障声衰减为8 5 d b ，若 有限长声屏障对应的遮敝角百分率为9 2 ，则有限长声屏障的声衰减为6 6 d b 。 1 4 武汉理一i j 大学硕七学位论文 田 、 习” 堑 畦 杖 亟 瞪 r 有限长声屏障屿d n a ) 一i 1 0 1 一i f _ t | f | | | | 7 |箩l | | t| l 5 6 i，一 _ 、 、 、z 、 ；： 3j 。? 2 ，k 。 、 一 十 6 07 08 09 0 1 0 0 线声源 遮蔽角百分率( 告l o o ) 图2 5 有限长的声屏障及线声源的修正图 遮蔽角口计算公式： 口= p o ( 2 6 ) 一受声点对声屏障的张角； 口一受声点对线声源的张角； 2 3 本章小结 本章主要阐述了声屏障降噪的声学原理，其基本原理包括：声反射、声透射 和声绕射。声绕射是决定声屏障降噪效果的关键因素，声反射、声透射以及地 面和建筑物的反射和吸声作用将间接影响其降噪效果。汲取文献成果罗列了相 关理论计算公式。 1 5 埔埔m坞屹n加9 8 7 8 5 4 3 甄扶埋上_ 人竽坝士学位论又 第3 章铁路轨道噪声声源强特性研究 3 1 客运专线噪声特点及其组成 客运专线的主要特点体现在高速、高架、电气化三个方面，这也就决定了 相应的噪声特点。当列车的运行速度相对较低时( 通常低于3 0 0 ) ，铁路的噪 声以轮轨噪声( 转动噪声) 为主；随着列车速度的提高，集电系统噪声、车体与气 流作用产生的空气动力噪声和构筑物噪声( 主要是桥梁) 对总的噪声水平的贡献 量将逐渐增大。图3 - 1 是客运专线噪声组成示意图。 灌每 图3 - 1客运专线噪声组成示意图 轮轨噪声是钢轨和车轮接触振动发出的噪声，它主要表现为三种形式：冲击 声，滚动声，尖叫声【l “。冲击声的产生来自五种不平顺接触：平跨，高跨，低 跨，扁疤和踏面不平顺，如图3 - 2 所示。车轮遇到以上五种冲击情况，就会在垂 直方向产生瞬问变化的加速度，从而导致轮轨接触面产生巨大的冲击力，激励 车轮和钢轨振动，辐射出很大的噪声。因此，轮轨噪声是主要的噪声源，其噪 声呈中高频，峰值一般出现在5 0 0 - 1 0 0 0 h z 左右。 武汉理工大学硕十学位论文 厂n ， 一l 、 低跨 台垒 扁疤 不平顺 图3 2 五种冲击形式 其中以高跨最为不利，因为在这种情况下速度越高产生得冲击声就越大。 滚动噪声贯穿于车辆整个运行过程中，这是由于车轮踏面不平及钢轨波摩发生 的主要噪声。当车轮在这种情况下运行时会产生剧烈的摩擦和振颤现象，因而 会冲击钢轨，导致钢轨与车轮间发生轰鸣声。另外，如果车轮踏面上出现凹凸 不平，且伴随在有波摩钢轨上运行时，就会使噪声比平滑轮轨时提高8 1 0 d b 。 尖叫声是由于列车通过曲线时，车轮受到钢轨的约束而不能沿钢轨曲线的 切线方向运行，造成车轮沿钢轨滚动的同时沿钢轨横断面滑动，引起在车轮表 面上出现粘着和滑行，并可能出现共振现象，导致了强烈的窄带高频噪声。 空气动力噪声是由于列车高速运行对空气的扰动所引起的，主要来源于车 辆顶部的空调装置、绝缘子、以及装在侧板上部的散热窗等，己有的研究表明， 当列车速度超过3 0 0 k m h ，则气动噪声的影响将成为主要成分，成为降噪的主要 目标。 集电系统噪声主要是受电弓和接触网的高频振动，高速时常发生的弓网脱 离和导线波磨等引起的。它主要表现为三种形式：滑动声、电弧声、受电弓的气 动噪声。滑动声是随着滑板导线间的滑动因弓网的高频波振动而产生的；电弧噪 声是列车在高速运行时受电弓和容易发生脱离而产生的；受电弓的气动噪声是 受电弓突出在车顶上，几乎受到与列车速度相同的风速作用而产生摩擦从而引 发的。其中电弧噪声的瞬时值可达1 0 0 d b 。 3 2 国外客运专线噪声源强的研刭1 3 】 1 4 】 国外对客运专线噪声源强的研究起步较早，早在上个世纪八十年代起，日 本、法国以及德国等国家便开始了对这个领域的研究。其中日本( 新干线) 、法国 1 7 武汉理1 二大学硕十学位论文 ( t g v ) 和德国( i c e ) 等国家对噪声预测和实测，为客运专线的噪声治理提供了丰 富的数据基础。 ( 1 ) 日本对客运专线噪声源强的研究 日本在采取降噪措施的同时，许多研究者对新干线沿线的噪声辐射进行了 大量的测量、研究分析。经过研究他们认为高速铁路噪声主要由四部分组成， 车辆下部噪声( 轮轨噪声) 、高架线噪声、受流系统噪声( 集电系统噪声) 、空气动 力噪声。1 9 9 6 年日本曾对山阳新干线噪声进行测量【”】，结果如表3 1 所示。 表3 1同本山阳新干线噪声的测最 噪卢源线路条件噪声级( d b a ) 平扳道床 7 0 7 2 车辆下部噪声 有喳道床 6 2 6 7 平极道床6 2 6 6 高架线噪声 有喳道床 有受电弓罩 6 7 6 9 受流系统噪卢 无受电弓罩 约7 2 空气动力噪声 6 7 6 9 注：列车速度为2 3 0 - 2 4 0 k m h ，卢屏障高2 m ，测点距轨道中心线2 5 m 由表3 1 可知在列车速度为2 3 0 2 4 0 蛔加时，轮轨噪声仍为主要声源，但集 电系统噪声和空气动力噪声值也占有相当的比例，特别是当不采用受电弓罩时， 集电系统噪声将增加3 - 5 d b a ，另外可知有碴道床的轮轨噪声比平板道床轮轨噪 声小5 d b a 左右。 ( 2 ) 德国对客运专线噪声源强的研究【1 4 1 德国在1 9 8 5 年对哈姆一比勒菲尔德高速段进行了i c e v 的综合性能试验， 其间对噪声进行了测量，结果如表3 2 所示。测点距线路中心线2 5 m ，轨面以上 3 5 m 。 表3 - 2i c e n 噪声水平 车厢内部噪卢d b a 速度l a n h环境噪声 旅客列车动力车 2 0 08 66 36 5 3 0 09 37 37 5 另外，有关资料表明，i c e 动车组在汉若威一维尔茨堡段高速铁路运行中， 武汉理工大学硕士学位论文 列车辐射噪声随速度的关系如表3 3 所示。 表3 3i c e 汉诺威至维尔茨堡段噪声水平随速度变化关系 速度k m h噪声级1 h 连续等效声级d b a 1 6 07 94 7 2 0 08 24 9 2 5 08 65 2 2 8 08 85 3 3 0 0 8 95 4 4 0 6 91 0 26 5 德国i c e 高速动车组辐射噪声随运行速度的变化可按下式预测： l | 口= - 6 + 4 0 1 9 v ( 3 - 1 ) 按式( 3 1 ) 预测的i c e 动车组辐射噪声如表3 4 所示。表中括号内数值为实 测值或资料报道综合值。 表3 4i c e 动车组噪声预测值 速度k m h 1 6 02 0 02 5 02 8 03 0 04 0 6 9 噪声级 8 2 28 68 9 99 1 99 3 19 8 4 d b a ( 7 9 )( 8 2 - 8 6 )( 8 5 8 9 ) ( 8 8 ) ( 8 9 9 3 ) ( 1 0 2 ) 比较表3 4 中预测值与资料报道综合值可知，在3 0 0 k m h 速度以内，式( 3 - 1 ) 可较好地反映i c e 动车组辐射噪声随速度的变化关系。 3 3 国内客运专线噪声源强的研究【1 5 】 国内对客运专线噪声源强的研究始于上世纪九十年代末，在1 9 9 9 年由株州 电力机车厂、长春客车厂、四方车辆厂、浦镇车辆厂所生产的高速动车组在广 深线进行试验。为了初步了解我国高速铁路辐射噪声的特性，北方交大承担了 京沪高速铁路噪声源强研究课题，并对国产动车组实际运行辐射噪声进行 了实测，取得了有关客运专线噪声源强及其辐射规律的第一手数据和噪声控制 理论上的初步进展。 在2 0 0 4 年，北京交通大学( 原北方交大) 又对遂渝线长白山号动车组进行了 噪声水平的测试，此次测试，是对国内原有噪声源强理论的一次丰富，同时也 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 为今后客运专线噪声问题的研究提供了坚实的数据