（模式识别与智能系统专业论文）铁路噪声声屏障结构的设置研究.pdf

中文摘要 摘要：随着现代化交通的高速发展，道路噪声污染越来越成为令人头痛的环境污 染问题，严重时损害人们的身体健康，成为环境的无形公害，其中铁路沿线的环 境噪声是城市噪声的重要组成部分，设置声屏障成为解决铁路噪声污染的一种有 效的重要措施。 本文就针对声屏障结构来研究探讨，主要对声屏障的高度、声屏障厚度、声 屏障立柱的埋深以及声屏障板宽进行分别研究讨论，通过对声屏障结构加载不同 荷载后产生的屏障顶部位移、屏障应力和剪应力集中分布情况，来对声屏障的结 构参数进行分析。 本文利用a n s y s 软件建立了声屏障s o l i d 有限元模型，针对路堤和高架桥声 屏障不同特点，分别选用普通混凝土材料和轻质型塑钢玻璃材料，分析风荷载对 声屏障的影响。 1 对于路堤声屏障结构，分别讨论了立柱不同埋深和屏障板厚度对屏障顶部位 移量和应力、剪应力，随着立柱的埋深加深，顶部位移量减小，应力和剪应力减 小；屏障板厚度增加，其顶部位移量也相应减小。 2 对于高架桥声屏障结构，分别讨论了不同高度的高架桥的不同风荷载和声屏 障板宽度对其结构强度和顶部位移的影响。随着高架桥高的增加，风压随之增大， 对声屏障结构的压力越大，顶部位移量也变大，为了提高声屏障结构的稳定性， 可以减少立柱之间的距离，即声屏障板宽越窄，其结构顶部位移量越小。 关键词：声屏障风压位移a n s y s 声屏障结构材料 分类号：t u 9 9 a bs t r a ( 、t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p i n go fm o d e r nt r a n s p o r t a t i o n ，t h en o i s ep o l l u t i o no f t h ei o a di sb e c o m i n gm o r es e r i o u se n v i r o n m e n tc o n c e r n i tw i l ls t r o n g l y a f f e c t p e o p i e sp h y s i c a lh e a l t h ，t h u si ti sb e c o m i n g a ni n v i s i b l ek i l l e rf o ro u re n v i r o n m e n t e s p e c i a u yf o rt h en o i s ec o m e sf r o mr a i l w a y t h e r e f o r e ，t oh a v e n o i s ep r o o fw a l lc a n b eo n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d so ns o l v i n gt h ep r o b l e mo fr a i l w a y n o i s e t h i sa r t i c l ea i m sa tt h es o u n db a r r i e rs t r u c t u r et os t u d y t h ed i s c u s s i o n m a i n l y t ot h es o u n db a r r i e rh i g h l y , s o u n db a r r i e rt h i c k n e s s ，t h es o u n db a r r i e rc o l a m s b u r y i n gd e p t ha sw e l l a st h es o u n db a r r i e rm a s kw i d t hc a r r i e so ns t u d i e st h e d i s c u s s i o ns e p a r a t e l y t h eb a r r i e rc r o w nd i s p l a c e m e n tw h i c h , t h eb a r r i e rs t r e s s a n dt h es h e a r i n gs t r e s sc e n t r a l i s md i s t r i b u t e ds i t u a t i o na f t e rt h es o u n db a r n e r s t r u c t u r et h r o u g hl o a d sd i f f e r e n tl o a dp r o d u c e s ，c o m e st oc a r r y o nt h ea n a l y s l st o t h es o u n db a r r i e rd e s i g np a r a m e t e r t h i sa r t i c l ea p p l y st h ea n s y ss o f t w a r et os e tu pf i n i t ee l e m e n tm o d e l , i nv l e w o ft h ee m b a n k m e n ta n dt h ev i a d u c ts o u n db a r r i e rd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c , s e l e c t s t h ep l a i nc 仰c r e t em a t e r i a la n dt h el i g h tq u a l i t ys e ? 。a t e l ym o d e l st h e s t e e lg l a s s m a t e r i a l s r e 2 a r d i n gt h ee m b a n k m e n ts o u n db a r r i e rs t r u c t u r e ，d i s c u s s e d t h ec o i u 咖 d i 骶他n tb u r y i n gd e p t hs e p a r a t e l ya n dt h eb a r r i e r t h i c k n e s so fs l a bt ot h eb a r r e r c m w nd i s p l a c e m e n tq u a n t i t y a n dt h es t r e s s ，t h es h e a r i n gs t r e s s , a l o n g w l t h c o l u n m sb u r y i n gd e p t hd e e p e n i n g ，t h ec r o w nd i s p l a c e m e n tq u a n t i t yr e d u c e s t h e s t 他s sa n dt h es h e a r i n gs t r e s sr e d u c e ；t h eb a r r i e rt h i c k n e s so fs l a bi n c r e a s e s i t s c r o w nd i s p l a c e m e n tq u a n t i t ya l s oc o r r e s p o n d i n g l y r e d u c e s r e 2 a r d i n gt h ev i a d u c ts o u n db a r r i e rs t r u c t u r e ，d i s c u s s e dt h ed i f f e r e n th i g h v i a d u c t sd i f f e r e n tw i n dl o a da n dt h es o u n db a r r i em a s kw i d t hs e p a r a t e l y t oi t s s t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dt h ec r o w nd i s p l a c e m e n t si n f l u e n c e a l o n g w i t hh i g h s t r u c t u 咒h e i g h t si n c r e a s e ，t h ew i n dp r e s s u r e i n c r e a s e sa l o n gw i t hi t ，i sb i g g e rt o t h es o u n db a r r i e rs t r u c t u r e sp r e s s u r e ，t h ec r o w nd i s p l a c e m e n tq u a n t i t y a i s o i n c r e a s e s i no r d e rt oe n h a n c et h es o u n db a r r i e rs t r u c t u r e t h es t a b i l i t y , m a yr e d u c e b e t w e e nc o l u m n sd i s t a n c e ，n a m e l y t h es o u n ds c r e e ns h a d o wm a s kw i d t hi s n a r r o w e r i t ss t r u c t u r ec r o w nd i s p l a c e m e n tq u a n t i t y i ss m a l l e r k e y w o r d s - s o u n db a r r i e r ，w i n d p r e s s u r e ，d i s p l a c e m e n t ，a n s y s ， s o u n d b a r r i e rs t r u c t u r a lm a t e r i a l c l a s s n o ：t u 9 9 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：侮低功 签字日期：o 苫年b - y 97 日 导师龋高毛 签字吼d g 年西7 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师高亮教授的悉心指导下完成的，高亮教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来高亮 老师对我的关心和指导。 高亮教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向高亮老师表示衷心的谢意。 高亮和宋雷鸣教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此 表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，曲建军、曲村、陈敏等同学对我论文中的软 件应用于模型分析研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 环境噪声是指在工业生产、建筑施工、交通运输和社会生活中所产生的干扰 周围生活环境的声音。近十年来，随着城市化的迅速发展和改革开放的进一步深 化，中国整体国民经济水平显著增强，机动车月 机动车持有量急剧上升，交通拥挤 现象日趋严重；另一方面，随着城市的城区面积大幅度扩张，城市区位功能布局 的调整，居住郊区化的进程大大加快，居民平均出行距离增大，造成采用公交方 式出行的比例大幅度上升，因此，迫切需要快速、准时、舒适的交通方式以满足 乘客的需求。 为了缓解交通压力，解决交通拥阻问题，立体高架道路、轨道交通系统等现 代交通设施相继建成。城市道路建设取得了很大的发展，例如改造拓宽旧道路， 新建高等级绕城公路，以及9 0 年代开始建设高架复合道路，建设轨道交通等等， 逐步将主城区和郊区及周边卫星城区以快捷的交通路线连接在一起。但与此同时， 交通噪声越来越引起人们的关注和重视。交通噪声主要由汽车、火车、飞机等所 产生，这些交通工具大多经过人口稠密的办公、住宅区域，在交通越来越拥挤、 交通工具越来越多的今天，交通噪声污染影响了人们的日常生活和休息。 设置声屏障是控制声源特别是交通噪声的重要措施，国外对穿过市区和居住 区的高速公路、轨道交通、高架桥等交通干线的两侧都普遍设有声屏障，实现了 其他降噪手段所不能代替的效果。从广义上讲，道路又是系统工程，其中规划、 管理、道路结构( 包括构造、吸声路面) 又是解决问题的另一方面，相对与车辆本身 来说是被动的，而道路声屏障是一种设置于道路交通噪声源和道路两侧受保护地 区( 或噪声敏感点) 之间的声学障板，它是降低道路交通噪声对道路两侧区域局部环 境污染的重要措施之一。 声屏障是位于声源与受声点之间的具有足够面密度的声遮挡结构，利用声源 两侧局部地区建造的有限长声屏障可使声源的运行噪声在传播过程中有一显著的 附加衰减，从而减弱接收者所在的一定区域内的噪声影响，以改善周围环境的声 环境质量。这样的设施就称为声屏障。声屏障的作用是阻挡直达声的传播，隔离 透射声，使绕射声有足够的衰减。 目前，声屏障己发展成多种多样的，本文根据声屏障的声学设计将屏障分为 以下主要类型：结构设计有直立式、全封闭式、半封闭式等；外形设计有r 型声 屏障、隧道式声屏障、箭头型屏障、y 型屏障、球型屏障、扇型屏障、八角型屏 障等；另外还有单边屏障、双边屏障、吸声屏障、反射屏障和复合屏障等等。 一些发达国家从2 0 世纪6 0 年代末就开始了声屏障的研究和应用。国外对穿 过市区和居住区的高速公路、铁路、高架桥等交通干线的两侧多以设置声屏障来 降低交通噪声对环境的影响，实现了其它降噪手段所不能代替的效果。美、日、 法等国早在6 0 年代就已开展了声屏障理论的研究，并实施了许多具体工程。据统 计，美国联邦公路局1 9 7 9 年列入计划或正在建设的道路声屏障为1 4 0 0 公里，截 止1 9 8 1 年，己建造了3 0 0 公里，其中许多工程由私人开发建造，费用高达1 1 0 0 万元。日本至1 9 9 0 年全部道路的声屏障总长度已达1 5 7 3 公里，其中高速公路上 的声屏障为1 3 7 公里。许多发达国家如日本、英国、法国等，声屏障早在1 9 7 3 年 就己形成工业产品，每年的建造量达几万平方米，法国还在1 9 8 8 年由政府部门组 织，举办了适用于各种场所使用的声屏障比赛。道路声屏障在发达国家已被普遍 采用，而且实施标准、工程造价及其与道路景观的协调均较完善。 1 1国内研究现状 自上世纪6 0 年代始，国际上有关声屏障的研究报道大量涌现。进入8 0 年代 以后，交通噪声越来越引起人们的关注，国外许多学者为此对声屏障做了很多研 究，包括屏障后声场的分布、噪声预测的数学模型、声屏障插入损失的计算、声 屏障的设计、声屏障的结构改良、声屏障的景观设计等等。国内亦不断有这方面 的报导，总的看可以大致把己有工作分为三类：理论性研究、缩尺模型实验和实 际使用环境条件下关于屏障的广泛试验，而它们的研究对象，也可大致归类为薄 屏障、尖劈形屏障、厚屏障( 建筑物) 、其它形状屏障与无限长、有限长、刚性、吸 声的组合等等。我国在上世纪8 0 年代末，交通部才在贵黄公路上第一次应用声屏 障来降低道路的噪声，起步较晚。 1 1 1 国内研究进展 目前，国内对道路声屏障及其它一些典型声源声屏障的工程设计、降噪效果 的数学计算模型以及评价系统等作了不少研究和分析【1 1 。 1 关于声屏障工程设计的研究 声屏障在交通噪声控制中主要是针对穿越城市的铁路、城市道路主干道、以 及高速公路等得到广泛应用。 ( 1 ) 张新华等人对广一深1 6 0 k m h 准高速铁路桥梁声屏障的声学设计，预测了 声屏障对准高速列车运行时声级的降低情况，得出的结果是声屏障对降低该地区 的环境噪声有十分明显的作用； ( 2 ) 上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室蒋伟康等现场测量、实验 2 的基础上，研究了轻轨交通噪声的频率特征，分析总结了目前常见声屏障的优缺 点，研制了两种阻抗复合型声屏障，由于其独特的结构设计，声屏障有能够防止 雨尘侵害的优点，混响室测试表明，在轻轨交通噪声的主要频率范围1 0 0 4 0 0 0 h z 内，有出色的吸声性能，吸声屏障是治理城市轻轨交通噪声的- n 良好的手段； ( 3 ) 毛东兴等应用微穿孔理论，提出了以微穿孔板共振吸声结构为基础的带顶 部吸声柱体的新型吸声隔声屏障，对其声学性能进行了细致的研究，并将这种新 型声屏障应用于城市高架道路工程中，现场测量表明，其降噪效果在7 d b ( a ) 以上； ( 4 ) 宫本贤、董建昆等探讨了工业噪声污染中采用声屏障隔声以及城市轨道交 通声屏障的设计方法、声屏障隔声量的计算公式和声屏障的隔声效果，并对不同 形式的声屏障的降噪效果进行了测试。 2 关于降噪效果的数学计算模型研究 ( 1 ) 2 0 0 1 年西南交通大学应用力学与工程系王绍茄、高淑英用统计能量分析( 简 称s e a ) 来预测铁路声屏障的降噪效果，并针对某一有声屏障的铁路段进行s e a 建 模。模型包含列车车体与声屏障之间的声空间以及声屏障两个子结构，计算结果 与常用的经验计算方法的预测结果相近； ( 2 ) 张增海等利用国家标准( g b f f l 7 2 4 7 2 1 9 9 8 ) 中声屏障对点声源插入损失的 计算公式，得到无限长铁路声屏障对运行列车噪声( 线声源) 的降噪计算模型，并针 对一个特定问题在m a t l a b 软件编制计算程序，计算结果和实测结果以及经典图 标进行比较，证明模型是正确可行的； ( 3 ) 高莉萍等结合铁路声屏障声学设计中的重点内容，讨论了绕射衰减量的几 种计算方法以及声屏障的声学设计原则： ( 4 ) 陈子明等阐述了高架复合道路在不同位置设立的声屏障，在车辆类型不同、 车速不同及车流量不同的条件下对交通噪声a 计权声插入损失的计算方法； ( 5 ) 谭成翔等提出神经网络分布式多通道只能化协同控制声屏障方法，并研究 其原理，得出该方法对宽频带、大扇面声源的噪声控制效果特别突出； ( 6 ) 章力等提出了声屏障的a 计权声级插入损失在一定误差范围内可用特定频 率c 时的声插入损失来代替，对于我国道路交通噪声的频谱可定出c 为4 0 0 h z ，并 由交通噪声的线声源模型，得到了无限长屏障对于交通噪声的声插入损失的计算 公式。 3 关于评价系统、声学元件等其它方面的研究 ( 1 ) r n o i s e 系统是一个基于综合数字地面模型( s d t m ) 的全新计算机户外道路 交通噪声分析与评价系统，同时也是一个道路声屏障c a d 系统，与国内外己有的 户外环境噪声评价系统相比，由于使用更加全面的条件数据和新的计算方法，考 虑的影响因素更全面，计算精度更高。1 9 9 8 年东南大学道路交通c a d 工程研究中 3 心的冯晓、李方、邓学钧在 ( r n o i s e 系统中的道路声屏障设计方法中介绍了这 一种基于数字地面模型以及随机车流声源等效替代和分界技术的户外道路交通噪 声分析方法与系统，详细论述了基于该系统的道路声屏障设计与优化方法，该方 法能够近似模拟实地各种环境条件的影响，在一定程度上实现了道路交通噪声和 声屏障降噪效果的可视化设计和评价； ( 2 ) 福建省环境监测中心的林观辉、甘健彪和福建铁路环境监测站的欧世锉在 2 0 0 3 年高速公路声屏障降噪声场的分布特性中通过对高速公路侧向有、无声 屏障状态下的声场分布进行测试和分析，揭示了高速公路声屏障降噪声场的分布 特性，即为由于声屏障的插入，水平向的声场分布在一定距离内，不再遵循随着 距离加大声级逐渐减小的变化规律；而在声屏障后侧的声场中，随着与声屏障的距 离加大，声级先由高变低，后又由低变高，呈现出近、远高中间低的分布特性； ( 3 ) 山西大学环科系王素萍通过对高速公路交通噪声影响预测，并对不同高度 声屏障的插入损失进行了计算分析，结果随着声屏障高度的增加，一、二层测得 的插入损失都有很大程度上的增加，又对几个实例提出最优的屏障高度，为从事 高速公路声屏障设计及相关工作的工程技术人员提供参考； ( 4 ) 刘少瑜等从理论上对阳台对降低交通噪声的效果及相关因素进行了定量分 析，提出了改善阳台降噪功能的方法。王季卿通过一些噪声测量结果和主观反应 调查，得出道路声屏障声屏障设计仍存在不少问题，且大多数道路声屏障所起降 噪作用极为有限，同时澄清了部分声屏障的基本设计概念，并对部分有效措施进 行了探讨； ( 5 ) 杨满宏、叶慧海等从声学角度阐述了声屏障的设计方法，对居民区公路声 屏障降噪性能进行了分析研究；通过对公路声屏障不同声学元件声学性能的比较 研究，阐明了两种声学元件在治理交通噪声中的差别，指出吸声共振型声学元件 是未来公路声屏障的发展方向； ( 6 ) 翁贤邦等根据声屏障的计算理论及半自由声场中声屏障模型试验对变电站 噪声控制与声屏障模型进行了研究分析，得出声屏障的降噪效果取决于屏障的有 效高度，理论计算和实验结果相一致。 1 1 2 国外研究进展 国外对声屏障的研究则主要从理论上采用边界元、数字模拟、缩尺模型等方 法，针对声屏障的声学特性和几何特性分析研究了声屏障的插入损失、声波的传 播规律等2 1 。 1 关于声波传播规律的研究 4 ( 1 ) l g o d i n h o 等用边界元素法研究了高层建筑附近声源在刚性声屏障边界的 散射情况，分析了由声屏障产生的声影区以及介绍了时间域以便于更好的理解声 屏障周围的声传播特性，另外，还用边界元法研究了贴近高层建筑声屏障的声波 传播规律，计算了主要频率并通过傅立叶变换得到时间信号，并计算了声屏障的 声压损失； ( 2 ) w e c h e n g 等通过预测理论对一些治理措施进行分析，缩尺模型实验证实了 理论模型结果，尝试设计了高层建筑窗口的一种最优化的声屏障，并对其声学特 性进行了分析研究，并通过建立一个缩尺模型来分析研究斜向声屏障的声学特性， 用计算机编程描绘了不同角度声屏障的声场分布，研究发现声屏障对低频降噪效 果不好； ( 3 ) c c i a n f r i n 等对平行道路两侧的声屏障的声学特性做了理论分析，得出了道 路声屏障的镜像、声散射和反射特性的相关结论。 2 关于数学计算模型的研究 ( i ) c t r w a r r s 等描述了垂直百叶窗声学特性的模型试验以及采用了修正过的边 界元法预测其特性； ( 2 ) s j m a r t i n 等用二维空间边界元法解决了边界积分法得出道路噪声声波室 外传播的波动方程，建立了道路中间设置声屏障的数学模型，并对其降噪效果作 了分析； ( 3 ) j f o r s s e n 等通过测量和建立数学模型等研究了大气扰动下厚声屏障的降噪 效果，将测量和预测结果进行比较，在中高频段上得到的结果合理、正确，而高 频段得到的结果则偏高； ( 4 ) e f i km s a l o m o n s 建立了空气折射情况下声屏障的插入损失，通过与数字模 拟演示声波在声屏障上的传播进行比较，再用类比法得出此模型的精度； ( 5 ) j j a v a nl e e u w e n 研究了1 4 个预测铁路两侧声屏障降噪效果的模型，通过 模型之间相互比较，各模型的声源都有不同的声学特性和几何特性。 3 关于降噪效果的研究 ( 1 ) e v a i lh a a r e n 等将线声学用于研究铁路声屏障的降噪效果，发现线声学可以 作为研究声屏障降噪效果的有利工具，且声压级计算的精度也在可接受的范围内； ( 2 ) p j e a n 研究了弹性结构对声屏障降噪效果的作用，得出对于低频声，弹性结 构的振动可以修正插入损失几个分贝； ( 3 ) w s h a o 等研究了不规则边缘声屏障的声学特性，对直边屏障和不规则边缘 屏障的声学特性进行了比较，结果发现不规则边缘屏障的插入损失明显要高于直 边屏障，特别是高频段的噪声； ( 4 ) o k u b o 和f u j i w a r a 指出，水车形圆柱近似一个软表面的圆柱，通过在边缘 5 放置圆柱声屏障的屏蔽效果可以提高，但是有很强的频率依赖性。实际应用吸收 圆柱结果显示有2 - 3 d b 的插入损失增加，比传统薄的相同高度的屏障有利。他们 还设计一种改进方法，运用可调节深度的管子提高效果并消除频率依赖性； ( 5 ) s i m p s o n 根据d e j a v e r 和s h s d l e y 早期对平行屏障从理论和模型上研究的假 设和结果，发展了一种平行屏障的也下降的诺谟图，并已成为f h w a 的分析工具。 在屏障未做吸声处理时，现场测得单墙屏障顶部的声级比预测高3 d b ，墙后则高 5 ( 1 b 。4 9 m 高吸声和反射的垂直墙，在5 0 0 h z 时，几分别为1 1 5 d b 和4 d b ；5 5 m 高的墙其几分别为1 3 5 d b 和5 d b 。因此，7 5 8 5 d b 的多次反射效应大都靠吸声 来减小。当墙向外倾斜1 0 度，4 9 m 和5 5 m 高的墙其几约1 0 d b ，1 2 d b 。m o r g a n 等测量铁路声屏障时，发现有吸声处理的几明显地高出8 9 d b ； ( 6 ) 2 0 0 1 年新加坡国立大学机械生产工程系w s h a o ，h e l e e ，s p l i m 介绍了 一种不规则边缘的声屏障，并通过理论对不同不规则度不同频率进行计算，结果 表明，不规则程度越高，在高频段有越多的降噪效果。 1 2本文研究意义和内容 随着城市建设的发展，城市交通噪声逐渐成为影响人们生活、工作、学习和 娱乐的主要噪声之一，因此对交通道路两侧设置声屏障成为城市建设减噪的重要 途径之一。设置声屏障是控制声源特别是交通噪声的重要措施，国内外对穿过市 区和居住区的高速公路、轨道交通、高架桥等交通干线的两侧都普遍设有声屏障， 实现了其他降噪手段所不能代替的效果。 ” 为了降低铁路噪声对人们的不良影响，声屏障结构设计在不断的改进，本文 主要对声屏障的高度、声屏障厚度、声屏障立柱的埋深以及声屏障板宽进行分别 研究讨论，通过对声屏障结构加载不同荷载后产生的屏障项部位移、屏障应力和 剪应力集中分布情况，来对声屏障的结构参数进行分析。 本文结合力学、结构力学原理，对声屏障结构进行荷载分析，建立a n s y s 有 限元模型来研究模拟声屏障结构荷载。下面研究内容主要分两大部分，针对一般 路堤声屏障和高架桥声屏障的不同结构特点分别进行建模分析，并且考虑声屏障 结构材料的经济性，本文中路堤声屏障材料采用一般的普通混凝土和钢材，高架 桥声屏障采用了轻质型材料塑钢玻璃。 6 2 声屏障的降噪功能及设计 2 1 声屏障降噪功能 声屏障降噪功能的基本原理是基于惠更斯菲涅尔的波动理论。 在声源与受声点之间，插入一个有足够面密度的密实材料的物休，使声波传 播有一个明显的衰减，这样的“障碍物”称为声屏障，是一种普遍使用的环境噪声和 室内噪声控制手段。广义的声屏障可以定义为声源和接受点间的任何形式的阻隔 构造物。 当铁路线穿越城市市区或居民聚集区，居民收到列车噪声的干扰，由于铁路 列车噪声的频谱、声源指向性和位置情况等所具有的特点，利用线路两侧局部地 区建造的有限长声屏障可使列车运行噪声在传播过程中有显著的衰减，以改善居 民的声环境质量。 1 根据阻隔的形成方式，可分为以下三种类型： ( 1 ) 自然声屏障：地形、植被及林木等在接受点和声源间客观上起着声屏障作 用，称为自然声屏障。 ( 2 ) 人工构造物声屏障：某些人工构造物和种植物如建筑物、路堤、边坡、绿 化林带等，其主要目的井非是声屏障，但实际上又起了一定声屏障的作用，称为 非专用构造声屏障。 ( 3 ) 专用人工声屏障：专门为降低环境噪声而设计建造的声屏障，如防噪声墙， 防噪声罩等。这类人工构造物广泛用于声房内、厂区、交通线及建筑工地附近。 2 根据设置位置，可分为以下三种类型【3 】： ( 1 ) 声源屏蔽屏障：给固定高噪声设备加上部分封闭或完全封闭的屏障或罩类 构造物，可以减小设备对外部空间的扰动，使声能量在屏蔽物内部经多次反射衰 减。如机器的隔声罩，以及通过噪声敏感区的公路、铁路及轻轨交通线两旁设的 全封闭仿造棚等。 ( 2 ) 传播路径屏障：位于声源和接受点间传播路径上的声传播阻隔性构造物， 只对环境空间中的一部分起降低噪声作用，称为传播路径性声屏障。如室内办公 室间的隔声屏、透明幕墙、道路两侧的声屏障和降噪林带等。 ( 3 ) 接受点屏蔽构造物：在环境空间中当只有某些点( 或范围极小的区域) 需要较 小声干扰、降低噪声时，通常使用接受点屏蔽方式进行噪声隔离。如防噪门窗、 阳台防噪声屏风以及耳罩等。 7 在铁路沿线两侧设置声屏障后，列车运行辐射的噪声声波传播过程中遇到声 屏障时，会产生反射、透射和绕射现象。一部分越过声屏障顶端绕射到达受声点； 一部分穿透声屏障到达受声者；一部分在声屏障壁面产生反射。声屏障的作用就 是阻挡直达声的传播，隔离透射声，并使绕射声有足够的衰减。声屏障的插入损 失主要取决于声波沿这三条路传播的声能分配。 2 1 1 声屏障对噪声隔声功能 声波除绕过屏障顶端外，还透过屏障自身到达受声点，这种现象称作声波的 “透射 。透过屏障的“透射量 取决于与屏障有关的因素( 如面密度) 、声波的入 射角和声波频谱。一般用“透射损失 ( t l ) 来评价声屏障阻止噪声透射的能力。 t l 值越大，声屏障阻止噪声透射的能力越强【4 】。 在声源性质( 入射角和频谱) 确定的情况下，屏障透射损失由材料的隔声量( r ) 决定。对单层均质材料，一般地，单位面积质量或频率增大一倍，隔声量增加6 d b 。 对宽带噪声，材料单位面积质量增大一倍，隔声量增加4 d b 。 即使声屏障材料足以阻止声音透射，但若材料有孔洞或缝隙则会大大削弱声 屏障的噪声衰减效果。开口较大( 孔洞) 时，入射到声屏障上的声波会直接透过开口 到达受声点；开口较小( 缝隙) 时，声波入射到声屏障上，引起二次声源，导致透射 声增大。因此，孔洞和缝隙的存在会严重削弱其它措施提供的声衰减。 2 1 2 声屏障对噪声反射功能 如图2 1 所示，当声波辐射至声屏障表面时，由于两种媒质的特性抗租不同， 导致一部分声波会被屏障反射。声波的反射与声波的波长( 频率) 和声屏障的尺寸、 材料有关。屏障的尺寸比声波波长大的多，屏障材料又特别坚硬时，声波几乎全 部反射回去，高频声波波长短，因此比低频声波容易反射。 通常对单侧屏障而言，反射声波不影响屏障后的受声点，但影响位于声屏障 前方的受声点，使这些受声点的噪声级增加( 小于3 d b ) 。当为双侧平行屏障时，若 屏障为反射屏障，受声点除受到绕过屏障顶端到达受声点的声波影响外，还受到 反射声波在屏障间经多次反射后( 导致声源上浮) 越过屏障顶端绕射到达受声点的 声波的影响h j 。 目前，我国在铁路沿线修建的多是单侧声屏障。但是，由于列车高度较高， 且声屏障较靠近列车声源，因而在声屏障和列车之间的反射声波类似两侧直立声 屏障的声反射情况，如图2 1 所示。声波遇到声屏障后反射回来，再被车体反射后 到达受声点，就会使声屏障的降噪效果降低。 图2 1 噪声反射示意图 f i g u r e 2 - 1n o i s er e f l e c t i o ns c h e m a t i cd r a w i n g 2 1 3 声屏障的噪声绕射影响 考察足够长且有足够面密度的声屏障。在这种情况下，声波只能通过声屏障 的顶端绕射到达受声点，如图2 2 所示。声波到达受声点存在一绕射角，它是声 源至屏障边缘的直达通路与屏障边缘至受声点的绕射路径的夹角，此角反映了声 屏障产生声衰减的效果 4 1 。屏障后面产生声绕射的区域称作“声影区 ，它是声源 越过声屏障顶部的直达通路下方的区域。 位于“声影区 的受声点都会受到一定程度的声衰减，这一衰减值称作声屏 障的绕射衰减量l 绕，其大小直接与绕射角有关。绕射角中愈大，屏障绕射 衰减量l 绕愈大，声屏障的效果就愈好。显然，在声源与受声点相对位置不变的 情况下，如果增加声屏障的高度，或使声屏障接近声源，或使声屏障接近受声点， 可使值增大。由此可知，声屏障绕射噪声衰减量l 绕，是声源、受声点以及声 屏障三者几何关系的函数，它是决定声屏障插入损失的主要因素。 9 图2 2 噪声绕射示意图 f i g u r e 2 - 2n o i s ed i f f r a c t i o ns c h e m a t i cd r a w i n g 当在声屏障靠近声源侧采取吸声处理时，情况会有很大的改观。当声源位置 在靠近屏障的线路外轨上0 3 m 时，高2 m 、距离外轨中心线4 5 m 的吸声屏障插入 损失为8 0 1 4 9 d b ( a ) ，而同样高度和距离的反射屏障插入损失为4 5 - 1 0 9 db ( a ) 。 吸声屏障与反射屏障的降噪效果平均差异为3 d b ( a ) 。对不同声源位置，吸声屏障 和反射屏障总的差异为0 5 d b ( a ) 。因此，对铁路声屏障而言，为降低反射声波的 影响，同时也为减少反射声波对列车车厢内部的干扰，声屏障靠近声源侧应采取 吸声处理。 2 2声屏障设计 声屏障的声学设计包括声屏障位置的确定和声屏障高度、长度、厚度的确定。 几方面不是孤立的，而是相互联系的。尤其是声屏障位置、高度和长度之间。也 就是说，在相同的设计目标值下，位置不同，所需声屏障的高度和长度也不同。 2 2 1 位置的确定 声屏障的绕射衰减值与声程差和绕射角有关。声程差愈大，或绕射角愈大， 声衰减量愈大。由前讨论已知，在声屏障高度一定的情况下，声屏障愈靠近声源 或受声点，愈能获得较大的声程差和绕射角，从而能获得较大的声衰减。由于现 场情况的多种多样，在实际的声屏障设计中，声屏障并不能无限制地靠近声源或 受声点。对地面铁路声屏障而言，声屏障距轨道在3 5 4 0 m 之间，也多以声屏障 靠近声源为主。此时，声屏障与声源之间的位置关系受到铁路建筑接近限界、沿 线电缆布置和线路维护通道等的限制。 1 0 具体来说，在声屏障位置的确定中，需要按照下面几个原则来设计障3 ： ( 1 ) 为提高声屏障的插入损失和降噪效果，声屏障的位置应尽可能靠近声源( 铁 路线) 或受声点。绝大多数情况下，声屏障是紧靠线路设置的；但对于某些孤立敏 感点或局部成组团的敏感区，特别是当其位于高边坡和路堑项时，可考虑将声屏 障紧靠第一排受声点设置。 ( 2 ) 声屏障定位必须满足铁路建筑限界及轮廓图的规定要求，严禁侵入限界； 同时根据铁路相关规定与规范，声屏障应置于路肩上或以外，亦即路基区段的声 屏障距线路中心至少应有3 5 m 一4 m 的距离。不影响行车安全，不影响乘务人员了 望信号，不影响铁路两侧地面设备、地下设备的安装、检查和正常工作。 ( 3 ) 声屏障定位要综合考虑路基排水、工务维修和接触网维护的需要，在路基 面宽度范围内定出最佳位置；定位时要结合声屏障基础形式，按规范要求在声屏 障基础与路基构筑物间留出足够的距离，必要时可向地路专业提出路基加宽要求； 电气化铁路的接触网、回流线及架线柱的位置；各种电力线的安全距离。 ( 4 ) 桥梁声屏障位置一般设在人行道栏杆处。 2 2 2 声屏障几何尺寸确定 声屏障几何尺寸由声屏障的长度、厚度、高度组成，在介绍声屏障结构有限 元仿真模型前，把声屏障的几何尺寸理论公式简单阐述，作为后面模型分析结构 的一个理论依据。 1 声屏障设计内容 ( 1 ) 声学设计：以治理目标值为基础迸行声屏障的外形尺寸、结构形式、附加 处理方式等方面的设计，并进行各种方案降噪效果预测； ( 2 ) 结构设计：用以保证屏障能安全、牢固的竖立在所要设置的部位上，这项 设计工作应包括两个组成部分，即承重结构设计与构造设计。 1 ) 承重结构设计：主要是保证声屏障单体与整体构件的材料强度、刚度，结构 安全性以及稳定性； 2 ) 构造设计：主要为保证上述结构安全与稳定的同时，与声学要求配合完整等 以及安装施工上的需要所采取的措施。 2 声屏障高度计算 6 1 声屏障高度的确定是声屏障设计中的一项重要内容。同时考虑到其他一些因 素，高度的的确定要注意两个方面的设计原则： ( 1 ) 当线路与受声点之间的相互位置关系确定时，声屏障越高，声程差就越大， 降噪效果就越好。但是，声屏障高度受接触网、建筑限界、机车乘务员了望、自 然风压、列车风压等因素制约，声屏障高度一般应不超过4 m ，且以2 5 m 3 m 为 佳。故在噪声干扰较大时不一定能满足降噪所需高度，此时只能采用最大允许屏 高设计。 ( 2 ) 当降噪实际所需的声屏障高度低于4 m 时，对同一处敏感点设置的声屏障， 其高度可以不完全相同，应尽可能按实际降噪需要采取变高设计，一方面节约投 资，另一方面有利于景观。 声屏障高度应根据所需要的插入损失来确定，以满足所需要的插入损失为原 则。具体的计算方法一般采用试凑法，即先假定某一屏障高度，采用“声屏障插 入损失计算方法 之一进行计算，看能否满足要求，再进行修正，不断重复，直 至准确为止。高度的设计步骤为： ( 1 ) 根据声屏障的设计目标值确定声屏障的插入损失几，由此确定无限长声屏 障对线声源的绕射衰减量； ( 2 ) 根据地形特点确定声屏障可能的位置； ( 3 ) 假定该位置下的声屏障( 无限长) 高度h ； 当然声屏障的高度还需要通过几何关系来确定，根据下图2 3 可以得到公式： 万= a + b - d = l ；+ ( h p 2 ) + ( 1 一l 。) 2 + h 2 一石2 + 1 2( 2 - 1 ) 。 户屏再 ， 图2 3 声屏障几何示意图 f i g u r e 2 - 3s o u n db a r r i e rg e o m e t r ys c h e m a t i cd r a w i n g 经过计算化简得到声屏障高度理论公式： 1 2 h ：；：l 2 d ；、1 2 + p 2 + 1 2 p 万厢“1 + ( 2 2 ) 式中，h 一为声屏障的高度； l 一为接受点到噪声源的水平距离； i i 一为接受点到声屏障的水平距离； r 为接受点相对于噪声源的高度； 卜为声程差。 3 声屏障厚度的确定 声屏障的声学厚度对屏障绕射的实际衰减量有直接影响，声屏障声学厚度如 果偏小，屏障墙体透射声量就会增大，使屏障绕射的实际衰减效果减小，因此要 求声屏障墙体要有一定的声学厚度，以保证屏障绕射的实际衰减效果。又由于两 个途径( 绕射与透射) 传递的声波的声压级在受声点处相差在1 0 d b a 以上时，两个途 径传递的声波的声压级在受声点处的叠加后的声压级与其中一个较大的声压级基 本法一致，所以声屏障声学要求厚度的选取原则为选用的隔声材料的隔声量比屏 障边缘最大绕射损失高1 0 d b a 以上即可。隔声材料的隔声量计算公式为盯1 ： t l = 1 4 5 x l g ( mx f ) 一2 6 ( 2 - 3 ) 式中：t l 一材料的隔声量( d b ) ； m 一材料的面密度( k m 2 ) ； f 一声波频率( n z ) 声屏障声学要求隔声材料厚度d 按下式计算： m 1 0 ( “1 6 ) d 2 百( 2 - 4 ) f rr 式中：d - 声屏障隔声材料的声学厚度( m ) ； i 一声屏障的绕射损失( d b ) ； 卜_ 材料的容重( k g m 3 ) ； f _ 声波的频率( i - i z ) 4 声屏障长度的确型即 声屏障长度的确定原则是列车线声源通过声屏障两侧绕射至受声点的声级值 应比通过声屏障顶端的绕射声衰减后到达受声点的声级值低1 0 d b ( a ) 以上，即声源 经过声屏障顶端绕射传至接收点的声级值远高于声源在声屏障范围以外传至接收 点的声级值，以保证整个被保护区( 特别是被保护区的端部噪声敏感点) 的插入损失 达到设计目标值。为此，声屏障的实际长度为被保护区的长度+ 两端部附加长度。 而本论文中不对声屏障附加长度加以讨论，只对声屏障板宽度进行研究探讨。 图2 4 声屏障附加长度示意 f i g u r e 2 - 4s o u n db a r r i e ra t t a c h m e n tl e n g t hh i n t 2 2 3 不同声屏障结构材料选择依据 声屏障的选材要综合考虑材料的声学性能、强度、耐候和防眩、防火性、防 损坏、可加工性、价格、容重等多项技术指标，考虑到铁路声屏障的特殊应用环 境，材料的各项性能指标均应较优且较为均衡，不能有任何偏废，即不能使用任 一单项指标很差的材料，必须注重性能的均衡。 对于铁路声屏障材料选择应该重点考虑下面几点【9 】： ( 1 ) 单元强度与刚度：铁路声屏障要承受巨大的风载荷，因而声屏障材料除应 具有足够的抗压强度外，还应有良好的抗弯、抗剪性能，并具有较大的刚性以使 横向风载荷下的变形尽可能小，并能使人为坡坏的情况尽可能降低甚至避免。 ( 2 ) 阻燃性和耐候性：为保证行车安全，声屏障应坚固、耐用且阻燃。用作声 屏障的材料应具有良好的化学稳定性，能经受恶劣气候条件的考验。例如高温和 冰冻条件下不发生变形和损坏：耐水性好，吸水后能迅速恢复其正常状态；具有 一定的耐酸、耐盐、防腐、抗霉菌能力和阻燃性能。 ( 3 ) 材料容重：在保证声屏障声学性能及强度、刚度和稳定性的前提下， 声屏 障材料应具有较低的容重。但对于铁路路基而言，其密实度和承载力很高，而声 屏障承受巨大