聲屏障頂端降噪器研究進(jìn)展

尹皓，樸泰善，曾鳳柳，白曉軍，步青松，李龍煜，姜召福

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081; 2.青島佰世坤科技有限公司，山東 青島 266109)

聲屏障頂端降噪器是指置于聲屏障頂端，通過其特有的聲學(xué)結(jié)構(gòu)，降低繞射聲影響的一種裝置。聲屏障頂端降噪器不能單獨(dú)使用，須與下部直立式聲屏障結(jié)合使用，是直立式聲屏障重要而必要的補(bǔ)充。

本文就國內(nèi)外聲屏障頂端降噪器的降噪原理及研究進(jìn)展做一簡單介紹。

1 降噪原理分析

當(dāng)噪聲源發(fā)出的聲波遇到直立式聲屏障時，它將沿著三條路徑傳播(如圖1):一部分越過聲屏障頂端繞射到達(dá)受聲點(diǎn);一部分穿透聲屏障到達(dá)受聲點(diǎn);一部分在聲屏障表面上產(chǎn)生反射。聲屏障的插入損失主要取決于聲源發(fā)出的聲波沿這三條路徑傳播的聲能分配。

圖2是直立式聲屏障周邊的聲場在某一瞬間的波面情況。可以看出，聲屏障背后的波面是以聲屏障頂端為中心的同心圓狀。從接收點(diǎn)位置看，相當(dāng)于聲屏障頂端都有一個虛擬聲源在起作用。如果能降低這個虛擬聲源的功率，就可以減少聲屏障背后的噪聲。

圖1 聲波傳播路徑

圖2 直立式聲屏障聲場

根據(jù)J.B.Keller聲繞射理論，在聲屏障的頂端為聲能集中的部位。在這一部位，除來自聲源的直達(dá)聲外，繞射聲也將由此傳播至聲屏障的另一側(cè)。同時根據(jù)菲涅耳衍射理論，對于無限長屏障來說，只有靠近屏障上邊緣的入射聲場對繞射聲場有明顯貢獻(xiàn)，這種貢獻(xiàn)可以等價地看成是由屏上端邊緣處虛線聲源產(chǎn)生的。如果能減小隔聲屏障頂端的虛擬聲源強(qiáng)度，就可以減弱聲屏障背后的聲壓，提高聲屏障的總體降噪效果。聲屏障頂端降噪器正是基于此目的而研究和開發(fā)設(shè)計。

2 國外研究現(xiàn)狀

國外對聲屏障頂端降噪器的研究始于上世紀(jì)60年代，至上世紀(jì)70年代中后期，研究開發(fā)了具有不同聲學(xué)結(jié)構(gòu)的聲屏障頂端降噪器。至上世紀(jì)90年代中后期，日本和少數(shù)發(fā)達(dá)國家對聲屏障頂端降噪器的研發(fā)和工程應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。直到本世紀(jì)初，已有四大類20多種產(chǎn)品問世，應(yīng)用于公路、鐵路和輕軌等交通領(lǐng)域。

目前，日本、韓國等已得到工程實(shí)際應(yīng)用的聲屏障頂端降噪器按其聲學(xué)原理大致可分類為吸聲型、干涉型、共振型以及混合型四種。另外，還有主動噪聲控制的 ANC 裝 置(ActiveNoise Control)［1～3］。

2.1 吸聲型聲屏障頂端降噪器

吸聲型聲屏障頂端降噪器運(yùn)用吸聲屏障的聲學(xué)原理，因通過吸聲材料把繞射聲能變成熱能、只改變其外觀形狀以適應(yīng)聲屏障頂端的安裝而得名。這是研發(fā)最早、原理最簡明、應(yīng)用最廣泛的聲屏障頂端降噪器。它的聲學(xué)特性是可寬頻降噪，但低頻效果較差。主要問題是由于吸聲結(jié)構(gòu)及吸聲材料環(huán)境適應(yīng)性差，附加降噪效果不高，尤其是對于低于500 Hz的低頻噪聲降噪效果差。圖3展示了其基本結(jié)構(gòu)圖。

圖3 吸聲型聲屏障頂端降噪器

2.2 干涉型聲屏障頂端降噪器

干涉型聲屏障頂端降噪器是利用裝置特定腔室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉聲波來降低聲屏障頂端附近聲壓的原理開發(fā)的。此類頂端降噪器聲學(xué)設(shè)計獨(dú)特，可根據(jù)目標(biāo)聲源的頻譜特性及中心頻率，針對性設(shè)計腔室結(jié)構(gòu)。將寬頻降噪和選頻重點(diǎn)降噪有機(jī)統(tǒng)一，聲學(xué)效果優(yōu)異。其單頻降噪效果可達(dá)20 dB。主要問題是其受外形尺寸的限制，對低于125 Hz的低頻噪聲效果較差。圖4展示了其基本結(jié)構(gòu)圖。

圖4 干涉型聲屏障頂端降噪器

2.3 共振型聲屏障頂端降噪器

共振型聲屏障頂端降噪器是利用赫姆霍茲原理，針對聲源的主要頻譜特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計而成。此類裝置的特點(diǎn)是聲學(xué)原理簡明，頻率針對性很強(qiáng)。主要問題是因單個腔室大而頂端幅寬有限，不能設(shè)多個腔室，無法寬頻降噪。另外，因其封閉腔室開口向上，在多雪地區(qū)降雪量超過限值時，因積雪和冰凍而增加季節(jié)性荷載。圖5展示了其基本結(jié)構(gòu)圖。

圖5 共振型聲屏障頂端降噪器

2.4 ANC裝置

積極噪聲控制技術(shù)(Active Noise Control)與噪聲源反射后再進(jìn)行二次處理不同，采取直接降低噪聲源的措施，如排氣管降噪、汽車內(nèi)部發(fā)動機(jī)降噪，用耳塞保護(hù)聽力等都已經(jīng)采取了此項技術(shù)。很久以前就有專家提出將此項技術(shù)應(yīng)用于聲屏障的繞射聲上，近期已實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。圖6展示了其基本構(gòu)造。

圖6 ANC裝置基本構(gòu)造圖

日本新干線為適應(yīng)列車提速的需要，于上世紀(jì)90年代中期開始采用了多種聲屏障頂端降噪技術(shù)和產(chǎn)品，有效地提高了聲屏障的插入損失。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國從九十年代逐步開始了聲屏障結(jié)構(gòu)形式的研究。聲屏障頂端降噪器的研究始于2001年，2008年底聲屏障頂端降噪器在鐵路聲屏障工程中首次得到實(shí)際應(yīng)用。現(xiàn)已開發(fā)出A型、C型兩種聲屏障頂端降噪器產(chǎn)品，并已在多處聲屏障工程中使用。

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用測試結(jié)果:A型聲屏障頂端降噪器在距離鐵路外軌中心線15 m、距地面不同高度(距地面3～9 m高)取得了1.3～2.4 dB(A)的附加降噪效果;在距離鐵路外軌中心線55 m的6層樓窗外1m處，取得了1.7 dB(A)的附加降噪效果。C型頂端降噪器在距離鐵路外軌中心線12.5 m和25 m、距地面不同高度處，取得了2.3～2.9 dB(A)的附加降噪效果。

4 結(jié)語

在國內(nèi)外均已得到工程實(shí)際應(yīng)用的聲屏障頂端降噪器，其原理明確、機(jī)理清晰、降噪效果較好、性價比高、工程適用性強(qiáng)，是聲屏障技術(shù)的新發(fā)展，是現(xiàn)行直立型聲屏障的重要補(bǔ)充，可作為直立式聲屏障的重要補(bǔ)強(qiáng)措施，以提高聲屏障的總體降噪效果［4～8］。

［1］ 大久保 朝直 .頂端改良型聲屏障［J］.噪聲制御，2004，28(5)，317－322.

［2］ 大久保 朝直 ，山本 貢平 .關(guān)于頂端改良型聲屏障性能評價法的實(shí)驗(yàn)研究［R］.日本聲學(xué)學(xué)會噪聲振動研究會資料，2004:1－15.

［3］ Tomonao Okubo，Toshio Matsumoto，Kohei Yamamoto，Osamu Funahashi and Kunio Nakasaki.Efficiency of edge-modified noise barriers:Intrinsic efficiency determination of practical products and prediction of the diffracted sound field［J］.Acoust Sci＆Tech，2010，31(1):56－61.

［4］ 尹皓.干涉型聲屏障工程試驗(yàn)和產(chǎn)品化研究報告［R］.中國鐵道科學(xué)研究院，2009.

［5］ 尹皓.干涉型聲屏障結(jié)構(gòu)的研究［J］.鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2007，34(5):205－208.

［6］ Hao Yin.The Structure Study of the Interference Sound Barrier［C］//Proceedings of Inter Noise’2008.

［7］ 尹皓.干涉降噪器在鐵路聲屏障工程中的應(yīng)用［C］//中國鐵道科學(xué)研究院60周年學(xué)術(shù)論文集.北京:中國鐵道出版社，2010:668－670.

［8］ 尹皓.C型聲屏障頂端降噪器研制報告［R］.中國鐵道科學(xué)研究院，2012.