高速铁路声屏障降噪效果预测及其验证

    0 前言

    我国高速铁路给人们的出行带来了方便、快捷和舒适，但铁路噪声给周边的环境带来了严重的影响。高速列车辐射噪声与其他轨道交通辐射噪声具有相似性，但由于具有更高的运行速度，其具有不同的特征和规律。对于运行速度低于 200 km/h 以下的普通铁路，轮轨滚动噪声是主要噪声源，这主要是由轮轨间不平顺激发轮轨系统产生振动引起的声辐射[1]。对于 200 km/h 以上的高速铁路，除了轮轨噪声，还包括气动噪声。随着速度的增加，轮轨噪声和气动噪声均显著地增加，但其所占比例开始变化，在某一临界速度，气动噪声开始占主导，这样的临界速度目前还没有搞清楚[2]。

    高速铁路噪声源产生机理复杂，分布在列车各个位置，不同声源受到声屏障的影响均不同，且声波会在车体和声屏障之间形成多重反射。在多个欧洲国家铁路噪声预测模型[3-5]和美国的高速铁路噪声预测模型[6]中，均采用较少的等效铁路声源位置，主要基于声程差的经验公式，计算声屏障的衰减特性。HOTHERSALL 等[7]利用 1∶20 试验装置调查声屏障对 TGV 高速列车的降噪效果，试验中考虑了车体影响，声源放置在轮轨区域，频谱为TGV 车外噪声测试得到，但室内试验结果与BELINGARD 等[8]的线路两侧声屏障试验结果有较大差别。本文主要利用高速列车车外噪声声源识别结果，考虑列车和声屏障之间的多重反射，对高速铁路声屏障降噪效果进行预测，并与试验结果进行对比。我国高速铁路声屏障主要分为插板式和和整体式两种[9]，且以插板式为主。插板式声屏障是由单元板和 H 型钢立柱组合而成，可形成多种高度的声屏障。单元板内部填有多孔吸声材料，用于降低高速列车与声屏障之间的多重反射。对声屏障的仿真手段有多种，本文主要用边界元来计算声屏障的插入损失。边界元方法相对于其他方法，能够更有效地考虑轨道和车体的几何特征，计算声屏障对声传播的多重绕射和反射效果。

    1 边界元模型

    声在空间传递过程中，其声压可用式(1)表示。为了求解单点的声压，建立亥姆霍兹方程

p ( x , y , z , t ) = p ( x , y , z )exp(j wt)(1)

∇ p ( x , y , z ) + k p ( x , y , z) = 0(2)

    假设声屏障和声源均为无限长，并且截面形状和声学特性在长度方向不发生变化，那么计算模型可定义为一个二维边界元模型，如图 1 所示。周围的介质是均匀的。D 表示平面上半部分区域，δD 表示计算域边界。γ 是声屏障断面，r 是接受点，r0是声源位置[10]。

    这个二维模型中的声场可以用亥姆霍兹方程式(2)来描述，基本解如式(3)所示