頂端降噪器在城區鐵路聲屏障工程中的應用

韓亞麗

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

鐵路的快速發展在給鐵路客貨運輸帶來生機與活力的同時，也使得鐵路環境噪聲狀況越來越嚴重。如何降低鐵路噪聲影響已成為鐵路建設尤為關注的問題。通過鋪設無縫線路，低噪聲車輛等從聲源來有效控制噪聲的辦法不能達到滿意效果。通過對受聲點采取隔聲窗來防治噪聲影響，是一種被動的防治措施，且很難實施。根據國內外經驗，從聲傳播途徑控制即建造吸聲屏障、隔聲墻等，是迄今為止解決鐵路噪聲問題用得最多、最有效的手段。一般情況下，為提高聲屏障的插入損失，通常采用的方法是提高聲屏障的幾何高度。但聲屏障太高可能會侵入某個構筑物的限界，對鐵路運營安全構成威脅。結合西黃線鐵路工程，對有限高要求，直立式聲屏障又不能滿足降噪要求時，探討采用頂端降噪器提高聲屏障降噪效果。

1 西黃線增二線工程聲屏障設計

1.1 工程概況及存在的問題

西黃線增二線工程為北京西站至黃村站的鐵路工程，線路長度22.3 km。列車運營速度目標值為120 km/h。沿線涉及到小馬廠社區1棟29層樓，距離既有線路為25 m，距離增二線30 m，此段線路形式為平路基。根據西黃線增二線《環境影響報告書》要求，采取設置5.0 m高弧形聲屏障的降噪措施，可降噪2.4～3.5 dB(A)，使敏感點處的噪聲值為57.3～59.8 dB(A)，來滿足鐵路運行后列車噪聲“不高于現狀值”的降噪目標。

西黃線增二線目前已開通運營，電氣化線路配有接觸網(沿鐵路上空架設的向電力機車供電的輸電線路)，受既有線路的地形條件限制，環評報告提出的5 m高弧形聲屏障侵入接觸網線的安全保護距離，對電氣化線路造成安全隱患。為保證接觸網與聲屏障間的安全距離，聲屏障的高度必須有所降低。

在控制聲屏障高度的前提下，如何保證噪聲敏感點的噪聲達標，成為該工程聲屏障設計的關鍵問題。根據國內外的有關研究，在直立聲屏障上端加裝特定形狀的降噪器可以提高聲屏障的降噪效果。

1.2 設計對策設想

根據本工程的實際情況，鐵路接觸網高為5.3 m，其安全防護距離為1.3 m，聲屏障高度不能超過4 m。施工設計時考慮采用聲屏障+C型頂端降噪器來實現環評報告中要求的降噪效果。國內研發的一種頂端降噪器(QBT－C型)高度約為0.41 m，聲屏障高度則應為3.5 m。即要使3.5 m高聲屏障頂端+C型頂端降噪器與環評中的5 m高弧形聲屏障達到等效。見圖1。

圖1 聲屏障全新方案(單位:m)

2 頂端降噪器應用可行性分析

2.1 降噪原理(圖2)

聲屏障頂端降噪器是指置于聲屏障頂端，通過其特有的聲學結構，降低繞射聲影響的一種裝置。聲屏障頂部既是聲波的繞射點，又是亮區與聲影區的分界點。靠近屏障上邊緣的入射聲場對繞射聲場有明顯貢獻，這種貢獻可以等價地看成是由屏障上端邊緣處虛線聲源產生的。如果能減小隔聲屏障頂端的虛擬聲源強度，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原理而研究和開發設計。目前，日本、韓國等已在工程實際中應用的聲屏障頂端降噪器按其聲學原理大致可分類為吸聲型、干涉型、共振型以及混合型4種。

圖2 聲屏障與頂端降噪器降噪原理

在傳統聲屏障技術條件下(頂部無頂端降噪器)，輪軌噪聲在列車側面與聲屏障之間多次反射將造成聲屏障頂端聲能集中，使聲屏障的高度邊際效應遞減，工程性價比銳減。聲屏障直立結構僅對直射噪聲起到一定阻隔作用，對繞過屏障頂端的繞射聲無能為力，在聲屏障頂端形成二次噪聲源，降低了聲影區的降噪效果。傳統聲屏障頂端存在的聲波繞射，以中、低頻噪聲的繞射尤為突出。頂端降噪器可有效削減頂端繞射聲，提高全部聲影區的降噪效果。

C型頂端降噪器是一種干涉型降噪器，是根據2個同頻率且相位相反聲波相干涉原理設計而成。反射腔室按噪聲源的特定頻率的1/4波長設置，進入該反射腔室的某一噪聲頻率經反射在該裝置入口處與同頻率的聲波相位正好相反或接近相反，相互干涉使入口處該頻率聲壓趨于零，不同腔深對應的不同頻率聲壓趨于零，且奇數倍的頻率也被干涉降壓，實現寬頻域范圍的繞射聲的遞減。

C型頂端降噪器安裝于傳統聲屏障頂端，通過干涉消減聲屏障頂端的繞射聲，特別針對中低頻噪聲有非常明顯的附加降噪區。

2.2 C型頂端降噪器降噪效果

2.2.1 鐵路列車運行噪聲頻譜特性

實測數據及計算結果表明，列車運行速度越大，其噪聲等效頻率越大。對于運行速度50～80 km/h的貨車其能量主要集中在300～1 000 Hz，其等效頻率為750 Hz。運行速度90～120 km/h的客車其能量主要集中在400～3 000 Hz，其等效頻率為1 000 Hz。運行速度在180 km/h以上動車組其能量主要集中在500～4 000 Hz，其等效頻率為 1 600 Hz。

實測鐵路列車運行噪聲頻譜有如下特征:

(1)低頻區域聲級明顯低于中、高頻噪聲聲級;

(2)峰值頻率基本在500～2 500 Hz;

(3)＞5 000 Hz時噪聲聲級隨頻率直線下降。

2.2.2 頂端降噪器頻譜特征

QBT-C型頂端降噪器是針對250～1 250 Hz 1/3倍頻程頻率設計腔室，降低250～1 250 Hz 1/3倍頻程頻率及其奇數倍頻率噪聲，其聲學特性基本符合鐵路噪聲頻譜特性。

2.2.3 頂端降噪器附加降噪量

QBT－C型頂端降噪器的降噪效果預測值根據鐵道部產品質量監督檢驗中心在混響室測定的附加降噪量以及鐵路上海南站工程和太中銀鐵路工程實測的附加降噪量約為2 dB(A)。

通過場地和現場實測數據分析可知:

(1)直立型聲屏障的降噪效果主要表現在中、高頻區域，特別是高于1 250 Hz的高頻區域比較顯著，而中、低頻區域效果較差;

(2)直立型聲屏障的降噪效果主要體現在低于聲屏障高度的聲影區，高于聲屏障高度的聲影區，隨高度上升，其降噪效果顯著下降。

本項目在3.5 m高直立型聲屏障的頂端安裝QBT－C型頂端降噪器作為聲屏障的補強措施，正好彌補直立型聲屏障的上述2個缺陷。在降噪的頻率特性上，因QBT－C型頂端降噪器恰好針對250～1 250 Hz 1/3倍頻程中心頻率設計空腔，對250～1 250 Hz 1/3倍頻程頻率及其奇數倍的頻率具有較強的降噪效果，正好彌補直立型聲屏障在中、低頻區域的補充降噪作用。在3.5 m高直立型聲屏障的頂端安裝QBT－C型頂端降噪器是為了消減頂端的虛擬聲源，降低聲屏障的繞射聲在聲影區的影響。因此，安裝QBT－C型頂端降噪器不僅降低低于3.5 m高度的聲影區的繞射聲，而且對高于3.5 m聲屏障高度的聲影區的繞射聲也具有同樣的降噪效果。

3 應用效果預測

3.1 5 m高弧形聲屏障降噪效果預測

根據西黃線列車運行參數，采用模式法預測，預測噪聲敏感點處經采取5 m高弧形聲屏障后噪聲等效聲級，計算結果見表1。

表1 5 m高弧形聲屏障敏感點噪聲預測(采取措施后)dB(A)

3.2 3.5 m高聲屏障+頂端降噪器的降噪效果預測

同樣采用模式法預測設置3.5 m高聲屏障+QBTC型頂端降噪器措施后，敏感點處的噪聲等效聲級，見表2。

表2 采取頂部降噪器方案后降噪效果預測 dB(A)

由預測結果比較可以判定，3.5 m高直立式聲屏障+QBT-C型頂端降噪器(總高度3.91 m)方案，滿足5.0 m高弧形聲屏障的降噪要求。

4 現場實測驗證

2013年本工程的竣工環境保護驗收調查報告中對設置3.5 m高聲屏障+QBT-C型頂端降噪器的小馬廠社區進行了降噪效果監測，同時對QBT-C型頂端降噪器附加降噪量進行了驗證，測點布置見圖3。

監測結果表明，采取措施后敏感點處噪聲級為57.1～59.5 dB(A)，根據《聲屏障聲學設計和測量規范》(HJ/T90—2004)規定的公式(17)計算得出，干涉器的附加降噪量為0.9～4.6 dB(A)，滿足設計要求。

圖3 QBT-C型頂端降噪器附加降噪量監測(單位:m)

5 工程降噪措施結論

(1)本項目為既有線電氣化改造項目，在西黃鐵路現狀條件下首先要保證安全、滿足建筑限界要求。比較原方案，設置3.5 m高直立型聲屏障頂部加裝QBT－C型頂端降噪器方案，距離上部供電線路具有更多的安全距離。QBT－C型頂端降噪器由絕緣材料制成，就電氣安全方面多一份保障。

(2)聲學性能上，采用的QBT－C型頂端降噪器具有明顯的中、低頻降噪特性。西黃線經改造后列車運行速度不大于120 km/h，聲源以輪軌噪聲為主，其噪聲頻譜以中、低頻為主。QBT－C型頂端降噪器對此頻段噪聲具有明顯降噪效果。而且對于遠場(大于100 m的聲影區)的降噪貢獻會較大，保證達到原方案的聲學效果。

(3)西黃線為既有線鐵路，承擔著繁忙的運輸任務。施工安全要求高、施工條件差。采取加裝頂部降噪器方案，施工簡便、安全風險低、安裝效率高、無需大型吊裝設備和施工機具。

6 建議

既有電氣化鐵路改造工程中聲屏障遇到限高問題，可采取聲屏障+頂端降噪器的措施整改。同樣，在橋梁預留荷載不足時，也可以采取此種辦法解決降噪效果與荷載不足的矛盾，因此鐵路設計中要充分考慮各構筑物與聲屏障的關系，通過加設頂部降噪器既能保證鐵路運營安全，又能保證降噪效果。

［1］蘇衛青.客運專線聲屏障設計中等效頻率的確定［J］.鐵道標準設計，2006(7):100-101.

［2］陳林.鐵路聲屏障插入損失分析計算［J］.四川理工學院學報:自然科學版，2009(2):122-124.

［3］尹皓，樸泰善，曾鳳柳，白曉軍，步青松，李龍煜，姜召福.聲屏障頂端降噪器研究進展［J］.鐵道勞動安全衛生與環保，2012(5):235-234.

［4］尹皓.干涉型聲屏障結構的研究［J］.鐵道勞動安全衛生與環保，2007(5):205-207.

［5］蘇衛青，潘曉巖，葉平.高速鐵路聲屏障聲學計算模式研究［J］.中國鐵道科學，2013(1):126-130.

［6］劉榮珍，楊新文，李艷敏.高速鐵路聲屏障幾何形狀對降噪效果的影響［J］.計算機輔助工程，2009(1):43-46.

［7］馬筠.對高速鐵路聲屏障降噪效果影響因素的探討［J］.鐵道勞動安全衛生與環保，2008(1):5-8.

［8］國家環境保護總局.HJ/90—2004 聲屏障聲學設計和測量規范［S］.北京:國家環境保護總局，2004.

［9］焦大化，錢德生.鐵路環境噪聲控制［M］.北京:中國鐵道出版社，1990:229-230.

［10］中華人民共和國環境保護部.HJ2.4—2009 環境影響評價技術導則聲環境［S］.北京:中國環境科學出版社，2010.