無砟軌道降噪用泡沫鋁吸聲板研究

劉海濤，王繼軍，劉偉斌，杜香剛

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

軌道交通以其方便、快捷、高效等原因成為人們出行主要交通形式之一。城市軌道和高速鐵路主要采用無砟軌道。無砟軌道噪聲約高于有砟軌道3 dB(A)[1-2]，鋪設軌道吸聲板是降低無砟軌道噪聲的有效方式。20世紀90年代以來德國、奧地利、荷蘭等國家已試驗并在多段應用了無砟軌道吸聲板，降低噪聲約2～3 dB(A)。國內2007年鐵科院研發了適用于無砟軌道的水泥基珍珠巖吸聲板，現場測試表明可降低噪聲1.9 dB(A)[3]；鐵二院在成灌鐵路上鋪設泡沫混凝土軌道吸聲板，該產品混響室降噪系數>0.6，實車試驗表明可降低噪聲2.8 dB(A)；鐵三院于大西綜合試驗線上鋪設了無砟軌道吸聲板，該吸聲板最高測試速度為300 km/h，降低噪聲約1～3 dB(A)。目前無砟軌道吸聲板采用水泥基珍珠巖、陶粒等吸聲材料制作而成，取得了較好的效果[4-5]，但由于吸聲材料本身為多孔結構，也存在材料本身強度不高、環境長期作用下顆粒容易剝離、吸聲效果有待進一步提高等問題[6]。

泡沫鋁在本世紀初作為吸聲材料經過不斷優化和改進，吸聲性能得到較大提升，同時其具有高比強度、耐腐蝕、耐高溫、超輕、耐撞擊等優點。本文首次采用泡沫鋁材料，研發一種無砟軌道吸聲板，通過材料優化和結構設計，使泡沫鋁吸聲板吸聲性能極大提高，較好滿足無砟軌道使用條件。

1 泡沫鋁吸聲板結構及部件設計

圖1 泡沫鋁吸聲板

無砟軌道用泡沫鋁吸聲板主要由泡沫鋁、混凝土、格柵網、扣壓件、內模板等組成，如圖1(a)所示。雙層泡沫鋁搭配雙層空腔增強了吸聲效果，靠近輪軌區側面采用泡沫鋁板，增加了吸聲面積。吸聲板采用矩形箱體，放置于鋼軌中間區域。為增大吸聲面積鋼軌外側兩承軌臺間采用凸向鋼軌設計，即鋼軌外側吸聲板呈鋸齒狀。吸聲板在無砟軌道表面試鋪設，如圖1(b)所示。圖1(c)為實物產品。

1)結構尺寸

根據規范[7]要求，軌道結構限界應不高于鋼軌頂面25 mm，泡沫鋁吸聲板實際設計高度不高于鋼軌頂面，通常情況下鋼軌間吸聲板高度為180 mm，鋼軌兩側吸聲板高度為200 mm。吸聲板長度為3個扣件間距。為便于搬運，兩鋼軌間吸聲板沿橫向分為2塊。吸聲板寬度方向距鋼軌的距離不小于50 mm，沿無砟軌道表面鋪設。

2)吸聲原理

泡沫鋁為多孔結構，鋁本身具有較好的導熱性能，因此泡沫鋁吸聲板具有多孔吸聲功能。泡沫鋁與空腔組合形成亥姆霍茲空腔，起到空腔共振吸聲作用。聲波在雙層泡沫鋁間傳播時，不同相位聲波相互抵消形成衍射吸聲效果。泡沫鋁吸聲板綜合采用了微孔吸聲、共振吸聲和衍射吸聲三種降噪方法[8]。泡沫鋁作為一種降噪材料目前應用于公路聲屏障[9]、地鐵矮屏障、船舶艙室噪聲控制[10]、電機噪聲隔離等領域，取得了較好的降噪效果。

3)生產工藝

將泡沫鋁和模板首先組合成內模，其中頂面、靠近鋼軌側及內部第二層采用泡沫鋁材料，其他面采用木板；同時為增強結構抗沖擊性能在內模頂部覆蓋一層格柵網；然后將內模及扣壓件放入混凝土模板中，在內模采用木板一側、吸聲板底部和兩端部澆筑混凝土，使泡沫鋁、混凝土成為一體，并通過預埋在混凝土中的扣壓件增強結構的整體性。

2 無砟軌道吸聲板降噪效果研究

吸聲板吸聲能力大小采用吸聲系數表達。室內測量吸聲系數通常采用阻抗管法[11]。無砟軌道吸聲板吸聲效果受泡沫鋁層數、各層泡沫鋁材料特性、空腔搭配等因素影響。以下采用阻抗管法研究各影響因素的規律并確定關鍵參數。

2.1 泡沫鋁試件及參數

采用7種材料，每種材料分別制作直徑約100 mm和30 mm的試件各3組。泡沫鋁試件參數見表1。阻抗管內分層泡沫鋁結構布置如圖2所示，該結構由2層泡沫鋁以及空腔組合而成，L1,L2為兩空腔的深度。數據處理時頻率400 Hz以下用直徑100 mm數據，頻率 1 600 Hz 以上用直徑30 mm數據，兩頻率之間取平均值。其中9C為厚9 mm采用機械穿孔且穿孔率為0.8%的泡沫鋁。

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表1 泡沫鋁試件參數

圖2 阻抗管內分層泡沫鋁結構布置

2.2 泡沫鋁層數對吸聲效果的影響

無砟軌道泡沫鋁吸聲板主要吸聲結構為泡沫鋁材料與空腔的組合。采用阻抗管試驗研究泡沫鋁分別為單層、雙層和三層時吸聲系數的變化。采用單層泡沫鋁時，材料選用15T1，腔深L1為80 mm；采用雙層泡沫鋁時，表面材料選用15T1，內部材料選用10B1，表層、內層空腔深度L1，L2分別為30，50 mm；采用三層泡沫鋁時，表面和內部2層厚度均為10 mm，表面材料選用10T2，內部2層材料分別選用10T2，10B1，腔深L1，L2，L3分別為30，24，26 mm。試驗結果見圖3。其中三層泡沫鋁作為對比工況僅取直徑100 mm試件做試驗(該工況下計算降噪系數時采用 1 600 Hz 下吸聲系數代替 2 000 Hz時吸聲系數)。

圖3 不同泡沫鋁層數時吸聲系數隨頻率變化曲線

分析圖3可知：單層、雙層和三層結構時，降噪系數分別為0.72，0.78和0.88，泡沫鋁降噪系數隨層數的增加而增加。綜合考慮結構難易程度和成本控制，選擇雙層泡沫鋁方案。

2.3 泡沫鋁材料對吸聲板降噪效果的影響

2.3.1 表層材料

采用雙層結構，空腔L1，L2分別為30，50 mm。內層材料為10B1，表層材料分別采用15T1，15T2，10T1和10T2時，吸聲板降噪系數NRC見表2，吸聲板的吸聲系數隨頻率變化曲線見圖4。

表2 表層為不同材料時吸聲板降噪系數

圖4 表層為不同材料時吸聲系數隨頻率變化曲線

由表2和圖4可見：4組樣品的吸聲系數均呈雙峰狀，且峰值所對應的頻率較為接近，因此表層材料影響的主要是各頻率下吸聲系數的絕對值，對吸聲系數在各頻率下的分布影響不大；15T1和10T2降噪系數較大，更適合作為表層材料。表層材料要承受一定荷載，厚度大時強度較高，這里選擇15T1作為表層材料。

2.3.2 內層材料

表層材料為15T1，內層材料分別采用10B1,10T2，9B和9C時，吸聲板降噪系數NRC見表3，吸聲板的吸聲系數隨頻率變化曲線見圖5。

表3 內層為不同材料時吸聲板降噪系數

圖5 內層為不同材料時吸聲系數隨頻率變化曲線

2.4 吸聲板結構對吸聲效果的影響

采用雙層結構，表層材料為15T1，內層材料為10B1，研究吸聲板空腔深度L1和L2對降噪效果的影響。

2.4.1 表層空腔深度L1

L2取50 mm，L1分別取15，30，50 mm時，吸聲板降噪系數NRC見表4，吸聲板的吸聲系數隨頻率變化曲線見圖6。

表4 不同表層空腔深度時吸聲板降噪系數

圖6 不同表層空腔深度時吸聲板吸聲系數隨頻率變化曲線

由表4和圖6可見：3組樣品第2個峰值所對應的頻率明顯不同，隨著L1的減小，第2個峰值所對應的噪聲頻率逐漸向高頻移動；當雙峰頻帶變寬時，中間頻值降低；當L1為30 mm時降噪系數最大。故選擇L1為30 mm。

2.4.2 內層空腔深度L2

L1取30 mm，L2分別取30，50,80 mm時，吸聲板降噪系數NRC見表5，吸聲板的吸聲系數隨頻率變化曲線見圖7。

從表5和圖7可見：3組樣品的吸聲系數曲線均呈雙峰狀，在高頻處(1 kHz以上)重合，差別主要集中

表5 不同內層空腔深度時吸聲板降噪系數

圖7 不同內層空腔深度時吸聲板吸聲系數隨頻率變化曲線

在低頻區；隨L2的增大，曲線峰值變小呈現出寬而矮的形狀；隨著L2的增大，第1個峰值所對應的噪聲頻率逐漸向低頻移動，L2較大時有利于低頻吸聲；L2為30時降噪系數較低,L2為50和80時降噪系數較高，均為0.78。這里選擇L2為80 mm。

2.5 泡沫鋁吸聲板混響室試驗

采用混響室試驗測試吸聲系數，聲波能從各個方向以相同的概率入射到吸聲材料上，更接近實際情況。依據以上阻抗管試驗確定的參數，采用雙層泡沫鋁結構，制作投影面積10 m2試件。在國家鐵路產品質量監督檢驗中心進行混響室試驗。試驗現場見圖8，吸聲系數隨頻率變化曲線見圖9。

圖8 混響室試驗現場

圖9 雙層泡沫鋁結構吸聲系數隨頻率變化曲線

由圖9可見，試件在250 Hz之后吸聲系數均較高。混響室降噪系數為1.0，吸聲效果較好。

3 結論

研發了一種基于泡沫鋁材料的新型無砟軌道吸聲板。該泡沫鋁吸聲板采用雙層泡沫鋁及空腔組合，四周澆筑混凝土形成整體，表面覆蓋格柵網增加抗沖擊性能，綜合利用微孔吸聲、共振吸聲和衍射吸聲原理實現降噪效果。

采用室內阻抗管試驗，對比不同頻率下的吸聲系數和降噪系數，隨泡沫鋁層數增加吸聲效果較好，表層和內層泡沫鋁材料影響結構吸聲效果，表層空腔深度的增大使吸聲系數第2峰值向高頻移動，內層空腔深度的增大使吸聲系數第1峰值向低頻移動。綜合吸聲板總高度、吸聲效果、制造難易程度、經濟性等，確定采用表層和內層均為泡沫鋁材料的雙層結構，表層、內層空腔深度分別取30,80 mm。經混響室試驗測試，該產品降噪系數為1.0，且在250 Hz之后吸聲系數均較高，達到了較好的吸聲效果。

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