高速铁路声屏障几何形状对降噪效果的影响

高速铁路声屏障几何形状对降噪效果的影响 高速铁路声屏障几何形状对降噪效果的影响,工程数值仿真与CAE算法, 刘荣珍 杨新文 李艳敏 约3967字 摘 要:针对采用声屏障技术控制高速铁路列车噪声污染时，用具有演算性质的方法计算 声屏障插入损失很难实现声屏障精确设计的问题，利用边界元法建立高速铁路区间声屏障降 噪预测模型，对声屏障插入损失进行数值计算. 研究结果表明:声屏障对高频噪声的隔断好 于低频噪声;声屏障越高引起的声压插入损失越大;对比圆弧型、T型、人字型、内倾型、 倒L型和直立型声屏障的降噪效果，前两者效果最好，人字型、内倾型和倒L型声屏障略优 于直立型声屏障. 关键词:高速铁路;声屏障;边界元法;插入损失;降噪效果 中图分类号:U238;TB535;TB115;X827 文献标志码:A Influence of geometry shapes of sound barrier on noise reduction effect in high speed railway LIU Rongzhen，YANG Xinwen，LI Yanmin (School of Mathematics，Physics & Software Eng.，Lanzhou Jiaotong Univ.，Lanzhou 730070，China) Abstract:While controlling the noise pollution of high speed trains in high speed railway in sound barrier technology，the sound barrier is difficult to be designed accurately by computing insert loss in checking method. So the boundary element method is adopted to establish the noise-reducing prediction model for the sound barrier in high speed railway section. The numerical computation on insert loss is done based on the model. The obtained result shows:the noise reduction of sound barrier for high frequency noise is better than the one for low frequency noise;the sound pressure insert loss will increase with the increasing of the height of sound barrier;the noise-reducing effect of sound barrier with different geometry shapes，such as arc-type，T-type，A-type，incline-type，inverse-L-type and straight-type，are compared. Arc-type and T-type is the best. A-type，incline-type and inverse-L-type are better than straight-type. Key words:high speed railway;sound barrier;boundary element method;insertion loss;noise reduction effect 0 引 言 高速铁路列车运行产生的噪声频段宽、声源复杂，世界各国铁路运营部门都在努力采用 各种降噪措施以降低噪声对周边环境的影响.声屏障是在声源与受声点之间插入具有足够面 密度的密实材料结构体，使声波传播时产生“插入损失”，以此降低铁路周边环境噪声的强度. 这是隔断噪声传播途径的有效方法.日本在建立新干线时，由于噪声扰民不得不在线路的重要 区段设置大量声屏障[1] ;英国、法国和德国等欧洲国家在建立高速铁路时也采用大量声屏 障降低噪声对周边环境的影响[2，3];目前，我国快速和高速铁路如济南北环二线、广深线、 秦沈快速客运专线和京津城际高速铁路等均有若干区段设置声屏障.另外，铁路科学研究院的 焦大化[4]、上海交通大学的蒋伟康等[5]和王宇等[6]也对铁路声屏障的降噪展开一系列研究， 并取得一定成效.对声屏障降噪效果产生影响的因素众多，如声源本身、声源与屏障的距离、 声屏障自身结构形式以及声屏障内敷吸声材料等.[7-9]由于声屏障自身结构的多样性，人们 从中优选哪种经济实用的至今还没有成熟的理论来指导，工程上常采用演算性质的方法 计算声屏障插入损失，但很难实现声屏障的精确设计.文献[10]中提到用边界元法能较精确地 预测声屏障的插入损失，因此本文从工程应用的角度出发，利用边界元法建立声屏障降噪效 果的预测模型，计算不同形状声屏障的降噪效果，为高速铁路声屏障的选用提供参考. 1 声屏障降噪模型 1.1 高速铁路主要噪声源 高速铁路列车运行产生的噪声主要有轮轨噪声、空气动力噪声、牵引集电噪声和桥梁建筑物结构噪声等.已有研究表明:列车速度在300 km/h以下时，以轮轨噪声影响为主.通过对高速列车辐射噪声频谱特性测试分析，其噪声频谱均不相同，路堤线路的噪声影响范围大于30 m，桥梁线路噪声影响范围远远大于现有标准的铁路噪声边界.图1为某高速列车以210 km/h运行在路堤无砟轨道线路上时，距离轨道中心水平4.2 m，高1.5 m处的噪声频谱[11].从图中可以看出，高速铁路线路上的列车噪声能量 主要集中在100 Hz以下低频段和630,1 600 Hz中高频段.本文主要对50,2 000 Hz频段内的轮轨噪声进行分析，期望有针对性地采取降噪措施，达到用声屏障抑制和降低轮轨噪声的目的. 1.2 声屏障数值计算模型 设置声屏障后，声波通过以下几种途径进行传播:越过声屏障顶部和端部的衍射、声屏障的透射和声屏障及车体的反射等.其中，声屏障及车体的反射最终仍通过声屏障顶部和端部的衍射到达受声点. 声屏障长度通常大于列车长度，此时，可将声屏障看作无限长，不考虑声屏障的端部衍射.假设声屏障的截面形状和声学特性不沿其长度而改变，并且线声源与声屏障平面相互平行，声屏障横截面应与 场计算示意图假设地面为刚性平面，声屏障表面按照全刚性处理.由于铁路以轨道中心线对称，因此只取轨道1侧为研究对象，铁路噪声影响的边界为距离轨道中心线30 m，因此声场取为30 m×30 m的平面，两边分别为0.5 m单元长度划分网格，共3 721个节点，见图3. 3 影响声屏障降噪效果的因素 在不考虑声屏障长度影响的前提下，影响声屏障降噪效果的因素众多，这里仅从声源辐射频率、声屏障高度和声屏障形状等3个方面对声屏障降噪效果的影响进行分析，对声屏障距离声源远近的影响另文讨论，本文统一取3 m. 3.1 声源辐射噪声频率的影响 由图4可以看出，声屏障两侧区域的声压有明显变化.声辐射频率不一样，在声屏障背后声影响区的声压变化也有所不同，(a)中声压的变化比(b)中要平滑一些，这是因为声屏障对低频噪声隔断效果没有高频噪声明显.另外，从图中可以看出明显的声波衍射和反射引起声波的相干现象.可见声屏障的插入，其周围声场情况异常复杂，噪声辐射频率和声场空间位置不同，其表现出来的声学行为也不同.