高速铁路减载式声屏障的设计与

1、高速铁路减载式声屏障的设计与分析小组成员13223063 韩 爽13223085 袁小菲13223034 高航琦目录摘要3一、研究意义与背景3二、国内外的研究现状42.1国外研究现状42.1.1声屏障的吸声研究42.2国内的研究现状6三、高速铁路声屏障的空气动力学效应理论分析673.1计算流体动力学基本理论73.1.1质量守恒方程73.1.2动量守恒方程83.1.3能量守恒定律83.2湍流的数值模拟9四、不同减载式声屏障的设计方案对比114.1棒式声屏障114.2百叶窗式声屏障124.3 S型声屏障134.4 7种设计形式的减载式声屏障气动力时程曲线13五、对“高速铁路减振降噪”技术的思考15

2、参考文献：16摘要随着我国髙速铁路的飞速发展,高速列车产生的噪声污染问题越来越严重。列车髙速行驶时产生的脉动气压力,会对声屏障安全性和可靠性产生不利影响。因此就要求声屏障不仅要具有良好的吸声降噪性能,还要具有良好的减载特性,减载式声屏障是一种重要的技术途径。分析各因素对声屏障的气动载荷特性和减载特性的影响规律。 关键词：减载式声屏障；气动载荷一、研究意义与背景随着我国高速铁路的迅速发展，列车运行速度不断提高。高速列车除了给人们的出行带来便捷的同时，车轮、钢轨相互接触,产生振动的轮轨噪声;受电弓滑板产生的滑动噪声、滑板瞬间滑脱接触导线的瞬态放电噪声以及受电弓的空气动力噪声三部分组成的集电系统噪声

3、;由于列车与建筑结构如桥梁的相互作用,使其振动产生的结构噪声；高速列车在空气介质中高速通过,压力在紊乱的气流中发生快速变化而产生的空气动力噪声;对周边居民生活环境的影响也日益成为人们关注的焦点2。例如，铁路噪声污染已经严重影响到周边居民的正常生活。声屏障是指在声源和接收者之间，用于阻挡声波传播，从而减弱接收者所在的一定区域内的噪声影响的设施。声屏障是高速铁路的重要组成部分，对降低铁路噪声、保护居民生活环境、保证列车高速行驶安全具有重要的作用。随着我国髙速铁路的迅速发展,列车运行速度不断提高,普通声屏障已经无法满足安全性、稳定性和降噪特性等要求。列车高速行驶时,会对周围空气产生扰动进而产生脉动气

4、压力。这种脉动气压力作用在髙速铁路两侧声屏障上,会对声屏障产生很大的气动载荷(具体表现是对声屏障的正、负压力和应力等)。在气动载荷长期作用下,会导致声屏障严重的结构损毁,而且限制声屏障降噪效果的改进空间,不利于进一步降噪水平的提高。因此就要求声屏障不仅要具有良好的吸声降噪性能,还要具有良好的减载特性,进而增加声屏障降噪效果的改进空间。减载式声屏障设计是兼顾吸声降噪性能和气动载荷特性的一种重要技术途径1。高速铁路声屏障的结构形式对降噪效果有着直接的影响，目前已经研究的结构形式有直立型、倒L型、内倾型、圆弧型、T字型、和人字型等，如图1所示。高速铁路声屏障按材质又可以分为：金属声屏障、混凝土声屏障

5、、PC声屏障、玻璃钢声屏障等。高速铁路声屏障的设计除了要考虑高度、沿线景观、线路信号、列车司机视线及列车乘客视野问题外，还应考虑声屏障的施工、维护和更换、经济性以及安全因素等。高速铁路声屏障的结构一般较高，部分采用上部透明结构。在高速铁路声屏障实际应用中，最为广泛的是金属立柱插板式声屏障，金属立柱通常为H型钢，插板为金属铝包板、混凝土板、加劲纤维板以及一些有机材料的透明隔声板等。图1声屏障各种截面形式二、国内外的研究现状2.1国外研究现状2.1.1声屏障的吸声研究(10)声屏障的吸声材料研究F.J. Fahy等人最早提出了将吸声共振腔改为在水平面上布置吸声材料的新型声屏障。他们通过比例模型试验

6、发现,这种结构具有避免吸声材料吸湿防尘的功能,同时兼顾了高频和低频的吸声性能,扩大了吸声频率范围。适用于新型声屏障和既有声屏障的改造,具有较好的景观性和简便性。May D.N等人在Toronto高速公路一侧分别安置4in高的吸声型屏障和反射型屏障,测得吸声型屏障降噪量比反射型屏障多了IdB,这表明附着的吸声材料并不能明显改善单侧声屏障的降噪性能;但同时研究表明,吸声型屏障能避免因反射而引起道路一侧的接收点声压级升高4。Kaoru MURATA等人对新干线Y型声屏障的降噪效果进行了研究。研究方法为1:20的比例模型试验和实际安装测试,通过以上两种方法研究了几种不同类型的声屏障在不同部位增加吸声材

7、料时，声屏障的降噪效果7。Belingard等对吸声和顶部结构的附加降噪效果进行了测试。测试巾,2.2m高泥凝土墙为反射基体,t方加设Im高中-元板,形成刚性、吸声或多绕射声屏障。测试结果表明,TGV列年以32()km/h速度运行时,将声屏障上部刚性单元板改为吸声唯元板,插损失可以增加4.5dB。列年运行速度增高,声屏障插入损失下降,但是增加多重绕射单元板后,可以抵消速度增加引起插入损失的降低8。(2)声屏障的吸声结构研究Sung Soo Jung等人通过消声室中的比例模型和现场试验研究了顶部圆柱管声屏障,研究结果表明,顶部圆柱管声屏障具有良好的附加降噪性能,与同样高度的直立反射型声屏障相比,

8、具有最大3.3dB的附加降噪量。Watts在户外建立了试验装置对不同形式的声屏障做了样品试验,评估各种形式声屏障的降噪性能Kazuki对新干线最新声屏障降噪装置进行了样品测试,测试中考虑了列车车体和不同区域声源对声屏障降噪性能的影响。实际应用中常见的声屏障结构有直立型、倒L型、Y型、T型、多重边型、圆柱型等,Ekid对多种声屏障形式做了较为全面的总结Watts对多重边缘声屏障形式做了户外样品试验和线路试验。全比例模型试验结果表明,多重边缘声屏障在没有敷设吸声材料的情况下,与同等高度的直立式声屏障相比,有2.5dB的附加降噪量,敷设吸声材料后,附加降噪量达到3dB,而在实际线路试验中发现多重边缘

9、的附加降噪效果超过3dB。2.1.2声屏障的隔声研究3P.Jean研究了弹性结构对声屏障降噪效果的作用,得出对于低频声,弹性结构的振动可以修正插入损失几个分贝。W.Shao等研究了不规则边缘声屏障的声学特性,对直边屏障和不规则边缘屏障的声学特性进行了比较,结果发现不规则边缘屏障的插入损失明显要高于直边屏障,特别是高频段的噪声。Morgan等测量铁路声屏障时,发现有吸声处理的IL明显地高出89dB。Pirinchieva研究了声屏障尺寸对绕射声的影响,对于点声源,声屏障长度小于高度4至Ij5倍时,声屏障端部绕射声波对顶部的绕射声波有干涉影响,同时确定了声屏障可以认为是无限长的长度条件。Defra

10、nce用仿真和脉冲测试法研究了T型声屏障顶部结构,确定顶部结构的附加降噪效果。采用最大长度序列法测试获得的结果和2.5D边界元计算结果吻合,与2D边界元计算结果较接近,但2.5D边界元计算结果更接近实际情况。计算结果表明,对于实际中有限长声屏障,T型顶部结构的附加降噪为l2dB。Ishizuka等人利用边界元方法和比例模型系统地研究了直立型、多重边缘型、T型、圆柱型、Y型等各种声屏障结构在刚性、吸声和软表面三种条件下,相对于薄壁直立型声屏障的附加插入损失。研究表明,在相同高度的情况下,顶端为软表面的T型声屏障具有最好的降噪效果,附加插入损失可以达到8dB以上。对于相同类型的声屏障,附加插入损失

11、的顺序是:软表面大于吸声表面,吸声表面大于刚性表面。西方发达国家的高速铁路大都修建有声屏障,然而在设计中,只有德国在05年后新建的高速铁路中考虑了列车运行气动力的影响。近年来,德铁吸取了声屏障的破坏事故,开展了高速列车产生的交变气动力对声屏障的影响研究42.2国内的研究现状大连交通大学的孙华云等人进行了倒L形式的声屏障降噪效果的研究和实验。作者利用多通道噪声测试分析系统，进行了倒L形式声屏障降噪效果的分析和测试，发现倒L型声屏障的噪声频谱特性与插入损失相关联的规律，声屏障对中高频声噪音有较好的效果，但是对低频声降噪的效果较差。同时发现距离声屏障10 m范围内，各声屏障间的距离与测点位置两种情况

12、对声屏障的隔音效果影响较小。其研究结果为声屏障的隔音降噪设计提供了较高的参考价值。张新华等人设计了广深160kmh准高速铁路桥梁声屏障，并且对准高速列车运行时声压级的降低情况进行了预测，得出的结果显示声屏障能有效的降低该地区铁路沿线的环境噪声5。辽宁省交通高等专科学校的张玉群在对大连阳光海岸住宅小区铁路研沿线声屏障进行了设计和研讨中，对铁路噪声的产生原因给出了分析，并且就如何利用声屏障达到期望的降噪效果及声屏障的设计步骤提出了相关要求9。上海交通大学振动、冲积、噪声国家重点实验室蒋伟康等依据现场测量、实验对轻轨交通噪声的频谱特性进行了研究，并且对工程应用当中常见声屏障的优缺点做了分析总结。他们

13、研制出了两种能够有效防止雨尘侵害的阻抗复合型声屏障，并且对其声学特性在混响室进行测试，结果显示在轻轨噪声100-4000Hz主要频率段范围内该声屏障具有不错的吸声性能，并指出了吸声声屏障良好的发展前景11。毛东兴等基于微穿孔的理论，提出了以微穿孔板共振吸声结构为基础的带顶部吸声柱体的新型吸声隔声屏障，并详细研究了其声学性能，通过在城市高架道路工程中对其测试，发现其降噪效果能达到7dB(A)以上。铁道第三勘察设计院通过综合应用声学、结构动力学、流体动力学等技术原理攻克了时速350kmh客运专线铁路声屏障技术研究，并于2007年应用于京津城际轨道交通声屏障工程，经过一年多的运营检验，京津高铁的降噪

14、效果、声屏障结构变形量等技术指标均达到或超过国外同类工程技术水平，在此之后该技术又应用于350公里的郑武广、京沪等高铁建设5。三、高速铁路声屏障的空气动力学效应理论分析63.1计算流体动力学基本理论流体流动受守恒定理的支配，基本的物理守恒定理包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守湍流输运方程、控制方程这些守恒定律的数学描述。3.1.1质量守恒方程遵循质量守恒定律可以得到流体运动满足的连续性方程。质量守恒定律表述为：单位时间内流体微元质量的增加，等于同一时间间隔内流入微元的净质量。因此，连续性方程如下式所示式（3-1）(3-1)式中，x，y，z为三个方

15、向的直角坐标轴；u,v,w为流场速度在三个坐标方向上的分量；为流体的密度；t为时间。3.1.2动量守恒方程动量守恒定律也是任何流体运动都必须满足的基本定律。动量守恒定律表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用于该微元体上的各种力之和。该定律本质上是牛顿第二定律，其描述方程如下所示式（3-2）式（3-3）式（3-4）式(3-2)一式(3-4)中，P为流体微元上作用的压力，为动力粘度，Su、S、S为动量守恒方程的广义源项。式(3-2)一(3-4)即为Navier-Stocks方程。3.1.3能量守恒定律能量守恒定律是包含有热能交换的流体运动所必须满足的基本定律。能量守恒定律表述为：微元

16、体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元所做的功。该定律本质上是热力学第一定律，其描述方程如下所示：式(3-5)式中，T为温度，k为流体的传热系数，C为比热容，ST为粘性耗散项。对于理想气体而言，以上(3-1)到(3-5)并不能使方程封闭，还需要添加一个联系p和的理想气体状态方程，即为：P=RT式(3-6)式中，R为摩尔气体常数。求解这一组方程即可得到流场的全部信息，但是由于公式的复杂性，理论求解无法得到流场的真实解，而这组公式庞大的计算量在现有条件下也无法通过数值求解得到准确的结果，事实上在许多情况下甚至无法求解，因此还需对这组方程进行进一步的简化。3.2湍流的数值模拟流

17、体雷诺实验证明，当雷诺数Re<2320时，流体质点在管内作平滑直线运动，流体轨迹没有不规则的脉动，这种流动称为层流；当雷诺数Re>4000时，流场中产生涡旋，相邻流层间产生相对滑动并且混合，流体运动变得复杂而不规则，此时即使边界条件保持恒定，流动也是随时间变化的，速度、压力等物理量不是恒定的，这种状态称为湍流。自然界中大多数的流动都是湍流，它们是肉眼无法看到的，而且具有一定的突发性。湍流的脉动特性直接影响工程结构的力学性能，压力的脉动可能引起结构的共振破坏，脉动荷载近似周期性的作用会造成结构的疲劳破坏，缩短结构使用寿命。湍流流动是高度非线性的，但随着计算机硬件水平的提升和数值算法的

18、升级，湍流的仿真模拟已经可以取得与实际比较吻合的计算结果。目前对于湍流的仿真模拟总体上可以分为直接数值模拟和非直接数值模拟两大类。直接数值模拟方法直接求解控制方程(3-1)至(3-4)。而非直接模拟方法是通过对湍流流动做相关的简化和近似，避免了直接求解含有脉动项的湍流控制方程，非直接数值模拟方法主要由大涡模拟、统计平均法和雷诺平均法三种方法组成。直接模拟(Direct Numerical Simulation-DNS)是采用非稳态的NS方程直接计算湍流流动的方法。这种方法的优点在于计算结果比较准确，误差只是数值计算导致的误差，这种误差是可以根据需要通过设置数值计算来加以控制的。但是要准确的模拟

19、复杂的湍流流动，计算的时间和空间步长需小到一定的程度，只超级计算机才能支撑这种方法在湍流研究中的应用。大涡模拟(Large Eddy Simulation-LES)运用非稳态的NS方程来模拟大尺度的涡旋，而通过近似的模型来考虑小涡旋对大涡旋的影响。这种方法是基于两种涡旋的性质，大尺度的涡旋是造成湍流的脉动和混合的主要原因，而小尺度的涡旋接近各向同性。这种方法对于计算机的容量要求依然很大。Reynolds平均法湍流模型(Reynolds Average Numerical SimulationRANS)是目前工程流体计算中应用最广的方法。它将湍流的瞬态流场各参数等效为时均值与脉动值之和，如式(3

20、-7)。式（3-7）式中带“一”为时均值，带“为脉动值。将(27)式代入连续方程、Navier-Stocks方程和其他变量的输运方程，得到时均量的控制方程，引入张量中的指标符号后改写为：式（3-8）式（3-9）我们定义该方程中与相关的项为Reynolds应力，即：式（3-10）湍流流动非常的复杂，其模型选择需要根据具体问题而定近几十年来应用最广泛的是基于Boussinesq假设的湍流粘性系数法导出的k-方程模型。K-模型又称为高Re数模型。对于此种模型，层流的粘性系数相对于i，可以略去不计。湍动能k方程：式（3-11）式（3-12）式(3-11)一式(3-12)中，eff为有效粘性系数，eff

21、=+t为湍流粘性系数，是动力粘性系数。其中,C一般取0.009,为常数。它们的取值一般为。四、不同减载式声屏障的设计方案对比4.1棒式声屏障图2为棒式声屏障的结构图，吸声材料喷涂于不锈钢圆柱上，沿面板背板方向，设置了三排钢柱；由俯视图可得，三排钢柱为三角形排列；临近面板和背板的两排钢柱直径相同，中间钢柱直径较大，这样可以减少声音直接由圆柱之间通过，增大了吸声材料的吸声面积，保证了声屏障的吸声性能；为了防止声屏障受空气、粉尘、雨雪的侵蚀，采用铝合金板组合成腔体结构，将吸声钢柱封装起来，面板开孔使吸声材料发挥作用。图2棒式声屏障结构示惹图4.2百叶窗式声屏障它的设计参考了通风隔声刮。它总共有五种设

22、置方式，如图3所示，前四种方式的吸声材料为六面体薄片结构；第一、二中设置方式是将吸声材料竖直固定在声屏障支座上，两种设置的方向相反；第三、四种设置方式是将吸声材料水平固接在声屏障单元板的两端，两种设置的方向相反；第五种吸声材料的设置呈V型，竖直固定在声屏障支座上，这种设计主要是增加声音在声屏障中间传播的难度，提高百叶窗式声屏障的声学性能。百叶窗式声屏障设置了面板和背板，面板如图3.图3百叶窗式屏障结构示意图4.3 S型声屏障如图4，左边为s型声屏障的侧视图，右边为隔声测试的样品。s型声屏障是将多孔水泥材料水平固接在声屏障两端，由于没有吸声材料，且S型水泥结构沿近轨一远轨方向的尺寸为175mm所

23、以这种声屏障没有设置面板和背板。图4. S型屏障4.4 7种设计形式的减载式声屏障气动力时程曲线图5 为7种设计形式的减载式声屏障气动力时程曲线，表1为七种形式声屏障上作用的气动力峰值、负峰值与幅值相对直型的减小率。结合图5和表1可以看出，七种形式声屏障的气动力时程曲线都有明显的“头波”和“尾波”特性；“头波”负峰值的减小更明显，“尾波”正峰值的减小更明显。对于六种形式的声屏障(S型除外)“尾波”减载率比“头波”大5左右，而s型的“头波”减载率比“尾波”大12。百叶窗形式1和形式2的减载率相差很小，说明竖直固定在支座上时，相同设置角度下吸声薄片的朝向造成减载效果的差异很小：百叶窗形式3和形式4

24、的减载率相差也很小，说明固接在声屏障单元板两端时，相同角度下吸声薄片的朝向造成减载效果的差异很小；吸声薄片沿列车运行方向安放时减载率比竖直安放时大2左右，采用百叶窗式设计形式时，可从这四种设置中任选一种，综合考虑吸声降噪性能以及工程实施的难易程度后，得到最优方案。V型声屏障的减载效果最差，由于中间折角的存在，导致气流通过困难，可以通过消除折角、增加圆弧过渡来优化此种形式的声屏障。棒式声屏障的减载效果第二好，比百叶窗形式1、2大l 5左右。可以通过改变D、d、LI、L2、L3五个参数来优化棒式声屏障，得到最好减载效果。S型声屏障的减载效果最好，且“头波”各项峰值对应的减小率比棒式大12左右，“尾

25、波”减载率比棒式大7左右。由于s型声屏障没有安装面板和背板，所以它的减载效果最好。s形声屏障的吸声片是由混凝土制成的，重量较大且易碎，无法安装面板背板保护，工程实用比较困难。图5 .7种设计形式的减载式声屏障气动力时程曲线表1减载式声屏障减载率五、对“高速铁路减振降噪”技术的思考目前，综合性能优异的高分子吸声材料得到了广泛应用，有机高分子材料具有大分子特有的转变与松弛运动以及通过分子结构和材料结构的设计对这些特性的可控性。如从材料设计角度出发，利用结构和界面效应，将粘滞性内摩擦、热传导和弛豫作用合理匹配实现对噪声的有效吸收，制备高分子吸声材料；通过嵌段、接枝、共聚和IPN等分子结构设计调节材料的阻尼性能，