軌道交通陶粒混凝土吸聲板降噪效果的測試分析

朱萬旭，張　慶，李　麗，劉衛豐，周紅梅，劉　瑋

(1.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林　541004；2.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林　541004；3.中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院，北京　100055；4.北京交通大學,北京　100044；5.柳州漢西鳴建材發展有限公司，廣西柳州　545025)

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軌道交通陶粒混凝土吸聲板降噪效果的測試分析

朱萬旭1，2，張慶3，李麗1，2，劉衛豐4，周紅梅5，劉瑋3

(1.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林541004；2.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林541004；3.中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院，北京100055；4.北京交通大學,北京100044；5.柳州漢西鳴建材發展有限公司，廣西柳州545025)

摘要：創造低噪聲的乘車環境，建立減振降噪環境友好型的地鐵站區環境已成為軌道交通建設的發展趨勢。測試分析一種陶粒混凝土制作的新型吸音結構HCM型吸聲板的降噪效果。試驗在北京交通大學軌道減振與振動控制實驗室中進行，將吸聲板鋪設在軌道的鋼軌之間，在道床和隧道壁上布置測點，模擬干燥、潮濕、下雨以及潮濕后干燥的工況進行試驗測試。分析結果表明：不同測點和工況下，減噪效果都能達到4～5 dBA；頻域分析表明，吸聲板具有較寬的降噪頻段。對于隧道壁測點，吸聲板對250 Hz以上頻段噪聲的降噪效果較優；對于道床測點，吸聲板對500 Hz以上頻段噪聲的降噪效果較好。

關鍵詞：軌道交通；陶粒混凝土；吸聲板；降噪測試；HCM

1概述

近年來我國大力發展地鐵公共交通事業，地鐵線路不斷延長，客流量不斷增大。創造低噪聲的乘車環境，建立減振降噪環境友好型的地鐵站區環境已成為軌道交通建設的發展趨勢。目前，國內已經開始對軌道交通噪聲機理[1]與控制[2-7]的某些方面進行研究，而國外對軌道交通噪聲的研究中涉及到諸如噪聲源的定位[8]、聲屏障的計算設計[9-10]、地面結構的振動、輪軌的優化設計[9]等多個方面。治理城市軌道交通振動噪聲的措施通常從以下3個方面考慮：噪聲源、噪聲傳播途徑和噪聲接受區[11]。

從控制噪聲傳播的措施方面考慮，采用全天候道床吸聲板安裝在離噪聲源——輪軌最近處，直接吸收噪聲，避免噪聲的擴散，能更好地達到降低輪軌噪聲的目的。從20世紀90年代，德國采用黏土陶粒等為吸音主材研發了不同類型的軌道吸聲板，并在車站、隧道、區間正線噪聲敏感區段進行了廣泛應用，取得了良好的效果，降噪效果為3.9～6.2 dB。

桂林理工大學與中鐵咨詢軌道院等單位通力合作，研發成功了一種采用陶粒混凝土制作的全天候HCM吸聲板，根據具體軌道形式，匹配模壓成型，參見圖1。經國家建筑質量監督檢驗中心檢測，吸音性能等級很好的達到了Ⅰ級。

圖1　HCM吸聲板

為了對HCM吸聲板減噪效果有比較深入的研究，考慮到現場使用所遇到的干燥、潮濕、下雨以及潮濕后干燥的實際狀況，在北京交通大學軌道減振與振動控制實驗室進行了充分的模擬試驗研究。

2實驗介紹

北京交通大學軌道減振與振動控制實驗室(圖2)是目前國內唯一建在地下的軌道與隧道工程實驗室。它是一個上下雙層結構，隧道底板埋深分別為10 m和18 m，隧道凈寬和凈高均是4 m，隧道壁厚0.55 m，上下重疊處的夾層土厚4 m。本實驗在地下二層隧道中進行。測試儀器包括軌道振源發生器SBZ30(圖3)、INV 3018C型24位高精度數據采集儀、INV9206型聲壓傳感器、HS6020型活塞式聲壓校準計等。

圖2　實驗場地(單位：m)

圖3　軌道振源發生器SBZ30

在隧道壁及道床的測點及吸聲板布置如圖4所示。按以下5種工況順序進行測試。

(1)無HCM吸聲板工況。即背景工況，在吸聲板沒有安裝前， 先測試其聲壓。

圖4　測點及吸聲板布置示意

(2)干燥HCM吸聲板工況。

(3)半飽和(含水)HCM吸聲板工況。在吸聲板上灑水，讓其處于潮濕狀態。

(4)飽和(含水)HCM吸聲板工況。噴水充分濕潤后，模擬下雨工況進行測試。

(5)潮濕HCM吸聲板干燥后測試工況。模擬雨后工況，吸聲板在試驗室中一直晾置，數周后進行測試。

3測試結果及分析

為了消除數據采集中集中電流等其他因素的干擾，數據處理前均采取一定的濾波措施。A計權網絡的頻率響應與人耳對寬頻帶聲音的靈敏度相當，所以聲壓級計權采用A計權。對測試采集的聲壓信號，采用適于瞬態信號的矩形窗分別在時域和頻域內進行分析。其聲壓級計算公式如下[12]。

式中Lp——聲壓級；

P——聲壓；

P0——基準聲壓。

3.1　時域分析

為了避免數據的隨機干擾，采集系統對每種工況至少20組數據進行了記錄，每組數據的采集時間為60 s，并對其中6組數據進行平均。其中，5種工況下隧道壁測點聲壓級典型時程曲線如圖5所示。圖中，縱坐標為聲壓級，取90～110 dBA的范圍，橫坐標為數據采集的時間，同時標出了60 s采集時間內聲壓級的最大值。

圖5　隧道壁測點聲壓級典型時程曲線

從典型的測試時程曲線對比可以看出，其聲壓級最大值由背景工況的104.48 dB，在放置吸聲板的各工況均降低了4 dB以上，說明吸聲板在各種工況下均能降噪，HCM吸聲板減噪效果是明顯的。

進一步對隧道壁測點和道床測點聲壓級的時程有效值各組數據進行了平均，對比分析如表1所示。

表1　隧道壁與道床測點聲壓級有效值對比　dBA

從表1數據分析得出以下結論。

(1)吸聲板灑水后，其降噪效果反而更好些，由降噪4 dB，進一步下降到5 dB多。說明吸聲板內部孔洞連通性好，能夠迅速將水排開，不但能很好地避免積水影響降噪效果，而且其內部影響吸聲效果的物質，比如灰塵，能夠被水帶走，吸聲板具備自清潔能力。

(2)潮濕干燥后工況降噪效果最為明顯，與無吸聲板工況相比，隧道壁聲壓級有效值降低5.5 dBA，道床聲壓級有效值降低5.5 dBA，比吸聲板干燥工況的降噪分貝分別低1.4和1.5 dBA。考慮到實際工程中道床上灰塵不可避免，HCM吸聲板中孔洞結構也許應更疏松些，在實際工程應用中會達到更佳的降噪效果。

3.2　頻域分析

為了對吸聲板的聲學性能進行較細致的了解，對隧道壁測點和道床測點的聲壓進行1/3倍頻程譜分析[12]。同樣從至少20組記錄數據中選取6組進行分析，將其記錄的1/3倍頻程譜線性平均，以消除測試中的隨機干擾。對比分析結果如圖6～圖7所示。圖中橫坐標為倍頻程中心頻率，縱坐標為倍頻程幅值采用聲壓級表示。

圖6　不同工況隧道壁測點聲壓級倍頻程譜對比

圖7　不同工況道床測點聲壓級倍頻程譜對比

通過以上對比分析可得以下結論。

(1)吸聲板具有較寬的降噪頻段。對于隧道壁測點，吸聲板對250 Hz以上頻段噪聲的降噪效果比較明顯；對于道床測點，吸聲板對500 Hz以上頻段噪聲的降噪效果比較明顯。

(2)鑒于實際軌道交通的噪聲發生頻率在200～4 000 Hz，HCM吸聲板應對實際軌道降噪具有較好的效果。

(3)吸聲板在200～500 Hz之間的頻段的降噪性能還應提高。

4結論

通過試驗檢測及數據分析，得出陶粒混凝土制作的HCM吸聲板全天候、自清潔，具有較好的降噪性能。在隧道實驗室中，其在干燥、潮濕、下雨及潮濕后干燥的工況下，降噪分貝都能達到4～5 dB。通過頻域分析，HCM吸聲板具有較寬的降噪頻段。對于隧道壁測點，吸聲板對250 Hz以上頻段噪聲的降噪效果較好；對于道床測點，吸聲板對500 Hz以上頻段噪聲的降噪效果較好，應對實際軌道降噪具有較好的效果。此外，試驗結果也表明，HCM吸聲板的降噪性能還有提高的空間，應就合理空隙率、低頻降噪方面加強研究，希冀在實際工程應用中不斷得到驗證、完善和改進。

參考文獻：

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[2]于越，常亮，尹鏹.高速鐵路隧道壁吸聲材料降噪效果仿真分析[J].鐵道標準設計，2014(9)：110-114.

[3]林常明，陳光冶.軌道交通噪聲機理研究與控制[J].噪聲與振動控制，2003(4)：5-9.

[4]金凌志，陳超，周曉杰，等.水泥基陶粒多孔無砟軌道吸聲板的制作及性能淺析[J].混凝土與水泥制品，2013(2)：39-43.

[5]陶洪敏，宋雷鳴.軌道結構的減振降噪技術[J].噪聲與振動控制,2005(4):43-45.

[6]平學惠，劉俊青.既有鐵路聲屏障設計問題與研究[J].鐵道標準設計，2010(11):36-38.

[7]劉海成，趙青，陳華.北京市軌道交通房山線聲屏障板的安裝設計[J].鐵道標準設計，2011(1):112-116.

[8]S. BRüHL and A. R?DER. Acoustic noise source modelling based on microphone array measurements[J]. Journal of Sound and Vibrat ion， 2000(3):611-617.

[9]Jean P, Gabillet Y. Using a boundary element approach to study small screens close to rails[J]. Journal of Sound and Vibration， 2000(3):673-679.

[10]Jones C J C, Thompson D J. Rolling noise generated by railway wheels with visco-elastic layersers[J]. Journal of Sound and Vibration， 2000(3):779-790.

[11]張振淼.城市軌道交通環境噪聲的評價與控制以及衰減噪聲的途徑[J].地鐵與輕軌，2001(2)：20-23.

[12]毛東興，洪宗輝.環境噪聲控制工程[M].北京：高等教育出版社，2010.

啟事

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《鐵道標準設計》編輯部

2016年1月

Test and Analysis of Noise Reduction Effect of Ceramsite Concrete Sound-absorbing Board

ZHU Wan-xu1，2， ZHANG Qing3， LI Li1，2， LIU Wei-feng4， ZHOU Hong-mei5， LIU Wei3

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering; 2.College of Civil Engineering and Architecture，

Guilin University of Technology， Guilin 541004, China; 3.Railway Engineering Design & Research Institute， China Railway

Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100020, China; 4.Beijing Jiaotong University， Beijing 100044, China;

5.Liuzhou HCM Building Materials Development Co.， Ltd.， Liuzhou 545025, China)

Abstract：In recent years， creating low noise traveling environment and establishing vibration and noise reduction environment friendly subway environment has become the trend of the construction of rail transit in China. This paper analyzes the noise reduction effect of a new sound-absorbing structure-HCM sound-absorbing board made of ceramsite concrete. Tests were carried out in Track Vibration Damping and Vibration Control Laboratory of Beijing Jiaotong University. The sound-absorbing boards were laid between the rails of the track and measuring points were arranged in the road bed and the wall of the tunnel. The boards were tested under simulated dry， humid， rainy and wet dry conditions. Analysis results show that: noise reduction by 4～5 dBA can be obtained at different measuring points under different conditions; sound-absorbing board has a wide noise reduction spectrum indicated by analysis. At tunnel wall measuring points， noise reduction is more effective when frequency is over 250 Hz， and at road bed measuring points， the same is true when frequency is over 500 Hz.

Key words：Rail transit; Ceramsite concrete; Sound-absorbing board; Noise reduction test; HCM

通訊作者：李麗(1980—)，女，講師，碩士，E-mail：ziyingshi2008@163.com。

作者簡介：朱萬旭(1972—)，男，教授級高級工程師，碩士，E-mail：zhuwanxu@vip.163.com。

基金項目：廣西壯族自治區科研計劃課題(桂科攻1598001)；廣西礦冶與環境科學實驗中心項目(KH2013YB023)

收稿日期：2015-05-26； 修回日期：2015-06-29

中圖分類號：U239.5； TU52

文獻標識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.010

文章編號：1004-2954(2016)01-0048-04