反射體對U型梁貼附式吸聲材料插入損失影響的實驗研究

吳波波， 王高沂， 李海霞， 任重義， 韓西明

(中國科學院 聲學研究所北海研究站， 山東 青島 266023)

近年來，U型梁由于可以降低建筑高度，其自身腹板可以起到聲屏障作用有利于降低噪聲輻射以及質輕等一系列優點，越來越多地應用于城市軌道交通中。城市軌道交通中噪聲源的頻率特性主要以低頻的結構噪聲和中高頻的輪軌噪聲為主[1-3]，結構噪聲由車輪激勵U型梁振動產生，大部分由U型梁外表面直接向外輻射；輪軌噪聲由列車輪軌和軌道之間的相互作用產生，經過U型梁腹板和列車車廂的反射后傳到軌道外，城市軌道交通由于列車車速不高，氣動噪聲可忽略，噪聲以輪軌噪聲為主[4-6]。在U型梁的腹板內側貼附吸聲材料目前是一種和聲屏障相配合使用的降噪手段，同樣，參考聲屏障降噪性能的評價方法，以插入損失評價U型梁腹板內側貼附式吸聲材料的降噪性能。目前使用的膨脹珍珠巖板，泡沫鋁板、陶粒板均為貼附式吸聲材料，實際使用過程中的測試表明，其插入損失只有1～2 dB，在城市軌道交通噪聲降噪中只起輔助作用[7-8]，其原因是這些貼附式吸聲材料的吸聲能力相對不足。因此，開發高性能貼附式吸聲材料可提高實際應用中的插入損失，改善軌道沿線聲環境，但新材料在研發階段時尚不能滿足實際安裝條件，為了測試新材料的實際降噪性能只能進行模擬試驗。實際應用中，輪軌噪聲在傳播時會經過吸聲材料表面和列車車體之間的反射，為了探究反射體存在時新型貼附式吸聲材料插入損失的影響，需要建立模擬反射體進行實驗研究。

1 噪聲傳播路徑與衰減

輪軌噪聲產生于車廂底部兩側車輪位置，在傳播過程中低頻噪聲由于波長較長和衍射效應，直接傳遞到U型梁腹板外側；占有聲能量比例高的中高頻噪聲會經過U型梁腹板和列車車體間的多次反射最后傳播到軌道外側，如圖1所示。

圖1 有反射體時輪軌噪聲傳播

以一條聲線為例，其聲能量為E，U型梁腹板內側未貼附吸聲材料時，與空氣相比反射體與U型梁內壁可視為聲學剛性材料，呈現全反射的邊界效應，入射聲能幾乎無損失而反射；若在U型梁腹板內側貼附一層吸聲結構，則U型梁腹板內側呈現黏彈性效應，入射聲波不僅在內側反射而且透射到外側空間，中高頻聲波每經過聲學材料表面就會有部分聲能被吸收，經過n次反射，該聲線的聲能量為En，則滿足式(1)

(1)

式中:ΔEi為經過第i次反射后該聲線損失的能量。當沒有反射體時，多次反射強度比較弱，所以可近似為只有一次反射的情況，即取n=1

E1=E-ΔE1

(2)

以聲功率評價聲能量E，聲功率與聲壓之間的關系可表示為式(3)

(3)

式(3)可簡化為

(4)

式中:W為平均聲功率;p為聲壓;Re代表取實部運算;T為時間;pa為聲壓幅值;pe為聲壓有效值;ρc為空氣特征阻抗;S為聲能量流流過的截面積，可見在面積確定后，平均聲功率正比于聲壓有效值的平方。

經過n次反射后聲能量為E的聲能損失可以以dB形式表示如下

(5)

式(5)可以看出，反射體存在時，每條聲線會經過多次反射，理論上會造成額外的聲能量損失[9-13]，直接測量軌道內外的聲壓即可得到反射體存在時U型梁貼附吸聲材料的降噪量，定義U型梁貼附式吸聲材料的插入損失為

IL=Pl0-Pl1

(6)

式中:Pl0為U型梁腹板內側未貼附吸聲材料時U型梁外側測點的聲壓級；Pl1為U型梁腹板內側貼附吸聲材料之后相同測點的聲壓級。

忽略聲波在大氣中的衰減，且U型梁腹板內側有無吸聲材料時的模擬聲源、測試環境相同，則式(6)與式(5)是等價的。

2 現場插入損失測試

現場在長度為25 m的U型梁腹板內側安裝新研發的高性能貼附式吸聲材料進行插入損失測試，新材料為多層復合吸聲材料，采用組合單元式結構設計，吸聲單元的尺寸為870 mm×116 mm×48 mm，多塊單元組合成吸聲面。利用U型梁內壁上的預埋槽道和單獨設計的安裝支架安裝在U型梁腹板內壁，安裝后覆蓋U型梁腹板內壁約90%的面積。共進行四組實驗，每組實驗測三次，每組測試工況見表1，取三次測試的平均值作為每次測試的結果。

表1 測試次數與貼附式吸聲材料布置

參考人耳的聽覺范圍，實驗現場采用20～20 kHz白噪聲作為噪聲源模擬輪軌噪聲，后期數據處理時可選擇關心頻段計算插入損失。軌道內測量總聲級為110 dB(A)，風速小于2 m/s，現場背景噪聲為45 dB(A)；在U型梁外側噪聲敏感點，水平和豎直方向各布置5個性能一致的接收傳感器。如圖2所示。

垂直方向由低到高布置5個性能一致的接收麥克風，間距1 m，第一個接收麥克風距U型梁底所在平面的垂直距離為1.7 m，距U型梁外檐水平距離2 m；水平方向布置5個性能一致的接收麥克風，間距2 m，水平麥克風的垂直高度為2 m，距離U型梁最近接收點與U型梁外檐水平間距2 m。各個測點的插入損失計算方法見表2。

表2 插入損失計算表

實驗結果如圖3所示。

(a) 豎直方向插入損失比較

(b) 水平方向插入損失比較

取垂直方向5.7 m高處測點和水平距離6 m遠處測點1/3倍頻程插入損失，如圖4、圖5所示。

圖4 5.7 m高測點插入損失

3 結 論

經過現場試驗測試可知，該吸聲材料的插入損失在有無反射體時差異很大，但整體趨勢基本保持一致，總結如下：

圖5 6 m遠測點插入損失

(1) 有反射體時，無論是水平還是垂直方向，各測點的插入損失值明顯高于沒有反射體時的插入損失。

(2) 隨著高度的增加，插入損失逐漸增大，圖3(a)中在5.7 m高處的插入損失值達到6.5 dB(A)，可以推測存在一個插入損失最大的高度，在有反射體存在時，該高度的插入損失值大于6.5 dB(A)，當超過該高度時，直達聲逐漸增加，插入損失降低，逐漸增加測點高度可以找到插入損失最大值時的測點位置。

(3) 圖3(b)表明，隨著水平距離的增加，在一定范圍內(本試驗中<6 m)，插入損失基本不變，當水平距離大于某一距離(本實驗中>6 m)時，插入損失明顯下降，隨后保持基本穩定。

(4) 圖4表明，有無反射體對豎直方向插入損失的影響主要體現在中、高頻段，低頻段影響不大，主要是因為低頻段聲波波長較長，不經過反射體反射直接繞射到軌道外側。

(5) 由于各反射信號相干疊加使水平方向插入損失隨頻率呈鋸齒狀變化曲線，并且總體插入損失較無反射體時增大。

綜上所述，模擬試驗表明，對于U型梁這種特殊的梁結構，開發一種高性能貼附式吸聲材料貼附在U型梁腹板內側，在有反射體存在時在U型梁外側噪聲敏感區域可以提供較高的插入損失，達到4～6 dB(A)；實際使用中，應當對列車正常運行時的噪聲進行測試，了解軌道交通噪聲源的頻譜分布，以便更好地選擇模擬聲源；當列車經過時才會產生輪軌噪聲，而列車車體則提供了天然的反射體，因為反射體存在比較接近實際工況，所以有反射體時測量的插入損失值應該更加接近實際工況的數值。

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