高速铁路不同高度声屏障的降噪效果分析
第３６卷，第３期
２０１
中国
５年５月
ＣＨＩＮＡ
道
ＲＡＩＬＷＡＹ
铁科学
Ｖ０１．３６Ｎｏ．３
ＳＣＩＥＮＣＥ
Ｍａｙ，２０１５
文章编号：１００１—４６３２（２０１５）０３—０１２７—０６
高速铁路不同高度声屏障的降噪效果分析
吴小萍１’２，费广海１，廖晨彦３
（１．中南大学土木工程学院，湖南长沙４１００７５；２．伦敦大学学院交通研究中心，英国伦敦ＷＣｌＥ
３．中交第四航务工程勘察设计院，广东广州５１０２３０）
６ＢＴ；
摘要：为探究不同高度声屏障对高速铁路噪声的降噪效果，采用有限元软件ＡＮＳＹＳ并参照武广高铁相关试验段建立声屏障降噪模型。采用声学分析软件ＳＹＳＮＯＩＳＥ仿真研究３，４，５和６ｍ这４种不同高度直立型反射声屏障的降噪效果。结果表明：在与声屏障法线方向平行且距离轨面１．５和３．５Ｉｎ高的平面内，声屏障高度从３Ｉｎ增加到４ｉｎ对降噪效果的提高有限，再从４ＩＴｌ增加到５ｍ降噪效果显著提高，而声屏障高度超过５ｉｎ后对降噪效果的继续提高也不明显；在与声屏障法线方向垂直且距离轨道中心线３０Ｉｎ的平面内，随着声屏障高度的增加，在距地面１５ｍ高以下区域，声屏障高度的变化对噪声级影响较大，但超过此范围影响不大。噪声衰减与声屏障高度并非简单的线性关系，在同时考虑降噪需要和声屏障成本的情况下，高速铁路路基区段声屏障的合适高度为４～５
ＩＴｌ。
关键词：高速铁路；声屏障；降噪；仿真分析中图分类号：Ｕ２３８；ＴＢ５３５．１
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：ｉ０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．ｉ００１—４６３２．２０１５．０３．１９
随着高速铁路建设的快速发展，高速铁路在给人们出行带来便捷的同时，也影响着人们的生活环境，因此对高速铁路减振降噪措施的研究也越来越受到重视。Ｇ．Ｋｏｕｒｏｕｓｓｉｓ［１］研究了Ｔ２０００列车的噪声和振动，在对实测数据进行数值分析的基础上，提出了利用弹性车轮进行减振降噪的工程措
施；ＰｉｅｔｅｒＣｏｕｌｉｅｒｃｚ］利用橡胶屏障来改变机械波的
声屏障的降噪效果进行深入分析的研究报道并不多见。因此考虑多声源效应，结合声学软件ＳＹＳ－ＮＯＩＳＥ和有限元软件ＡＮＳＹＳＥ７－８］，运用数值仿真的方法对不同高度直立型反射声屏障进行仿真模拟，并根据仿真结果和实测数据对声屏障合适的设计高度提出相关建议具有重要的工程意义。
１
波长，从而达到减振降噪的目的。在众多铁路降噪措施中，利用声屏障在噪声的传播过程中将其削弱被很多铁路环境研究者采纳［３－５｜。
高速铁路的噪声源位置参数和频谱特性与传统铁路有较大区别，针对这种情况，伍向阳［６］通过对京沪高速铁路的现场实测，得到了ＣＲＨ３８０ＡＬ和
ＣＲＨ３８０ＢＬ型动车组在最高运行速度３８０ｋｍ・
基于ＡＮＳＹＳ和ＳＹＳＮＯＩＳＥ软件
的仿真分析方法
ｓＹＳＮｏＩＳＥ软件广泛用于预测声波的辐射、散射、折射和传递，以及声载荷引起的声学响应。由于其前处理功能的不足，ＳＹＳＮＯＩＳＥ软件提供了丰富的数据交换接口以便与其他软件进行数据交换［８］。考虑研究对象为结构一流体耦合模型，本文选择ＡＮＳＹＳ有限元软件建立相关模型，然后运用ＳＹＳＮＯＩＳＥ软件自动将有限元模型转换为边界元模型并进行声学模拟［７＿８］。１．１模型假设
为了简化计算，对模型提出以下假设。（１）假设空气为理想气体，气象条件符合相关
ｈ＿１下各主要噪声源的部位、频谱特性及其贡献量；苏卫青［４］针对高铁噪声源的特性，提出了高速列车双声源的计算模式；他们的研究为以后高速列车噪声分析中声源参数的确定和多声源分析提供了
指引。
就目前而言，在考虑多声源效应并准确确定声源参数的前提下，采用合适的分析模型对不同高度
收稿日期：２０１４—０７—２０；修订日期：２０１５一０１—２６
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７８３６１）；湖南省交通科技项目（２００７４３）作者简介：吴小萍（１９６５一），女，四川雅安人，教授。博士研究生导师，博士。
万方数据
中国铁道科学
第３６卷
３０９５《Ａｃｏｕｓ—
ｏｆｎｏｉｓｅ
ｅ——
测量标准。其测量方法》及其修改方案和ＩＳＯ
ｔｉｃｓ－Ｒａｉｌｗａｙ
（２）假设路基、车体为刚体，只考虑其对声波
的反射。
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ—。Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｍｉｔｔｅｄｂｙｒａｉｌｂｏｕｎｄｖｅｈｉｃｌｅｓ＞＞等标准制定测试方法
（３）假设声屏障为无限长声屏障（根据铁路声屏障应用现状，大多数声屏障长度都在２００
上，考虑铁路边界噪声时可视为无限长）。
ｍ以
和布置测点Ｄｏ－ｎ］，选取的具体测点位置见图１。图
中：测点Ｍ。和Ｍ。距离轨面１．５ｍ高，分别距轨道中心线７．５和２５ｍ；测点Ｍｓ和Ｍｔ距离轨面
３．５
（４）假设背景噪声较低，可不考虑其影响。
１．２模型参数设定
ｍ高，分别距轨道中心线７．５和２５ｍ；测点
以武广客运专线某路基段为模型参照对象，列车运行最高时速为３５０ｋｍ，采用主要由钢结构立柱和隔声屏板２部分组成的直立型铝合金复合单元板声屏障，声屏障敷设位置距线路中心线４．１７５ｍ，路基尺寸及线路间距如图１所示。
韭Ｆｌｔ’ｉ…ｌ”１１
５
Ｍ５和Ｍ６为铁路边界噪声测点，距轨道中心线３０ｍ，其中测点Ｍｓ距离地面高１．２ｍ，测点Ｍｓ距
离轨面高１．５ｍ。
１．４声场分布网格设置
为了全面分析高速铁路噪声在经过声屏障阻隔削减之后的空间声场分布，依据噪声测点分别建立了与声屏障法线方向平行和与声屏障法线方向垂直的２个网格，具体参数如下。
１）Ｘｙ平面网格
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ＸＹ平面网格与声屏障法线方向平行（见图２），距离轨面高分别为１．５和３．５ｍ，长７０ｍ、宽ｍ，划分为２０格×２０格的单元网格，该网格主要用于分析噪声在Ｘｙ平面内的衰减规律以及经声
４０
Ｉ．７．５。ｌ
’Ｉ｜＝ｌ’
、
图ｔ噪声测点分布（单位：ｍ）
屏障降噪后的噪声分布情况。
１）车体几何尺寸
车体结构的几何尺寸参照ＣＲＨ３８０Ａ型动车
组，编组长度为２０３ｍ；头车长２６．５ｍ，中间车辆长２５ｍ；车辆宽度为３．３８ｍ；车辆高度为３．７
ｍ；最高运行速度为３５０
２）声源参数
ｋｍ・ｈ～。
高速列车噪声源的关键参数包括声源分布、频
谱特性和声源强度。在模型中，同时考虑轮轨噪声、弓网噪声和气动噪声［４－６］，并将高速列车声源等效为下部噪声源和上部噪声源２部分。下部噪声以轮轨噪声和车体气动噪声为主，其声源等效位置确定为轨面以上１．０ｍ处，将其视作线声源，该
区域噪声主要集中在６３０～１２５０和２０００～３
１５０
图２模型ＸＹ平面网格示意图
２）ＸＺ平面网格
ＸＺ平面网格与声屏障法线方向垂直（见图
３），距轨道中心线３０ｍ，长７０ｍ、高３０ｍ，划分为２０格×２０格的单元网格，该网格用于分析噪声在铁路边界处ＸＺ平面内的衰减规律及经声屏障降噪后的噪声分布情况。
Ｈｚ；上部噪声以弓网的集电噪声为主，其声源等效位置确定为轨面以上４．０ｍ处，噪声源峰值频率主要集中在２０００～３１５０Ｈｚ，其次为６３０～１０００Ｈｚ，将其视作点声源。噪声源强度大小依据铁道部计划司主持制定的《铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见》（铁计［２００６］４４号）［９］中铁路客运专线动车组噪声源强度取值。
１．３噪声测点设置
根据ＧＢ１２５２５－－１９９０《铁路边界噪声限值及
２不同高度声屏障降噪模型降噪效果的仿真分析
２．１邪平面网格仿真结果分析
采用ＡＮＳＹＳ软件分别建立３，４，５和６ｍ这４种不同高度的声屏障降噪模型，导人ＳＹＳＮＯＩＳＥ软件中进行仿真分析，计算频率为２００～５０００
万方数据
第３期高速铁路不同高度声屏障的降噪效果分析
Ｈｚ，得到距离轨面高１．５ｒｒｌ的Ｘｙ平面网格噪声云图，由于仿真结果图片较多，选择高速铁路噪声
等效频率２０００
Ｈｚ下的仿真结果进行对比分析，结果如图４所示。图４中，为了便于分析不同高度
声屏障对ＸＹ平面网格不同区域的影响情况，将其划分为Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ和Ｆ这６个区域。
从图４可以看出：声屏障高度从３ｒｒｌ逐渐增加
到６ＩＴＩ的过程中后，对Ａ和Ｂ区域的降噪效果改
善较为明显且持续，其次是Ｄ和Ｆ区域，最次是
Ｃ和Ｅ区域。
图３模型ＸＺ平面网格示意图
一
ｏ
～
¨
—．蠢端ｌ
札
～
一～～
一
（ｃ）５ｍ高声屏障
万方数据
■■藤
；㈠．■Ｉ（ｄ）６ｍ高声屏障
图４ＸＹ平面内不同高度声屏障降噪模型的噪声云图
用同样的方法建立距离轨面高３．５ｒｎ的Ｘｙ平面不同高度声屏障降噪模型，然后在距离轨面高１．５ｍ的模型中选择测点Ｍ。和Ｍｚ，在距离轨面高３．５ｒｎ的模型中选择测点Ｍ。和Ｍ。，提取不同模型中各测点的响应曲线进行对比分析，如图５
所示。
频率／Ｈｚ
（ｄ）测点Ｍ一
图５ＸＹ平面网格中不同测点的噪声响应曲线
１３０
中国铁道科学第３６卷
查阅相关文献［５］，得到武广客运专线某试验段无声屏障情况下部分实测数据，其中在测点Ｍ－最
大噪声声级为８６．３ｄＢ（Ａ），测点Ｍ３为８９．５
ｄＢ
纛～
～～
睦曛
（Ａ），测点Ｍ。为８０．１ｄＢ（Ａ），测点Ｍ。数据缺
一㈠㈠＝：㈠
～
失。各个测点（Ｍ，，Ｍ３和Ｍ；）无声屏障情况下的实测结果明显大于设置不同高度声屏障后的仿真结果，说明设置声屏障有一定的降噪效果。噪声分布云图和噪声响应曲线的分析结果表明，随着声屏障高度的增加噪声插入损失有所增大，但降噪效果并不呈线性比例增长；声屏障高度
从３ｍ增加到４ｍ时对各测点噪声的改善效果有限，从４ｍ增加到５ＩＴＩ时改善效果则显著提高，
～
一～
一：～一一～～
～
从５ｍ增加到６ｍ时改善效果虽有所提高但明显
不如从４ｍ增加到５ｍ时的改善效果；可见声屏
一
～
一
障高度与降噪效果并不是简单的线性关系，声屏障只有达到“一定高度”才能对降噪效果产生实际的影响，而且超过“临界点”后再通过增加其高度获得的降噪效果并不明显，因此在实际工程中应进行多次试验，以求出最合适的声屏障高度，否则一味简单地增加高度只会造成工程和材料的浪费。
２．２
｛ｌ～一㈠鞋■●＿霍鼹
『｜
＿－
ＸＺ平面网格仿真结果分析
对ＸＺ平面网格的噪声分布进行计算，得到频率为２０００Ｈｚ时的噪声云图如图６所示。
从图６可以看出：声屏障高度变化对铁路边界
处１５ｍ高度以下区域的噪声影响较大，随着声屏
一
障的增高，该区域噪声逐渐减弱；对于高度在１５ｍ以上的场点，噪声级随着场点高度的增加而减小，声屏障高度变化对其噪声值影响不大。为了进一步说明不同频率下声屏障高度对铁路边界平面内的噪声影响，提取测点Ｍ５和Ｍｓ在不同模型中仿真计算得到的响应曲线进行对比分析，
各测点响应曲线如图７所示。
各测点响应曲线的变化能够更加准确地反应声
图６
，Ａ。
（ｄ１
。ｌ
６ｍ高声屏障
ＸＺ平面内不同高度声屏障降噪模型的噪声云图
屏障高度对铁路边界处ＸＺ平面的影响。从图７可以看出：与ＸＹ平面网格模型得出的结论相似，声屏障高度与其降噪效果之间也不是简单的线性关
系，４～５ｍ的声屏障高度是较为理想的；不同的
是在铁路边界处ＸＺ平面内，增加声屏障高度对各场点中高频段的噪声改善较为明显，但随着场点高度的增加，声屏障降噪效果也逐渐减弱（测点Ｍ６高于测点Ｍ。，即声屏障的增高并没有带来更显著
的降噪效果）。
图７
频率／Ｈｚ（ｂ）测点Ｍ。
ＸＺ平面网格中不同测点的噪声响应曲线
文献［１２］中“声屏障降噪效果测点”与本文的Ｍ。测点一致，文献［１３］中“铁路边界噪声测
点”与本文的Ｍｓ测点类似（本文距轨道中心线３０ｍ，文献［１３］距轨道中心线３１．２５ｍ）。文献给
万方数据
第３期
高速铁路不同高度声屏障的降噪效果分析
出了试验段铁路边界处部分实测数据，其中文献［１２－］“声屏障降噪效果测点”在车速为３３０ｋｍ・ｈ＿１时测试结果为８８．７～８９．２ｄＢ（Ａ）（无声屏障）
和８０．７～８１．６ｄＢ（Ａ）（有３ｍ高声屏障）；文献
３结论
（１）在与声屏障法线方向平行的平面内，声屏障的高度与降嗓效果不遵循简单的线性关系，声屏障高度从３ｍ增加到４ｍ对降噪效果的提高有限，从４ｍ增加到５ｍ时降噪效果显著提高，而超过５ｍ后再增加声屏障高度带来的降噪效果并不明显。（２）在铁路边界处与声屏障法线方向垂直的平面内，声屏障高度与降噪效果也不是简单的线性关
系，声屏障的增高只对高度在１５ｍ以下的区域有明显的噪声减弱作用，而对１５ｍ以上场点的噪声
［１３］“铁路边界噪声测点”（无声屏障）所有情况下的测试值在７９．２８～８０．３０ｄＢ（Ａ）。图７所示测
点Ｍ。在３ｍ高声屏障条件下的仿真计算值与“声
屏障降噪效果测点”的实测值（有３ｍ高声屏障时）较为接近，说明所建立的模型是准确的且基本能满足仿真模型要求的精度；５ｍ高声屏障的仿真值基本满足铁路边界噪声限值。另外，对于测点Ｍ。，因为实测结果为无声屏障时的噪声值，而仿真计算结果为不同高度声屏障下的降噪值，所以无法比较模型在测点Ｍｓ的计算精度。只能选取基本能满足铁路边界噪声限值的５ｍ高声屏障作为声屏障高度设计的参考值，以指导声屏障的高度设计。
参
［
１
值影响较小。
（３）由于声屏障高度与降噪效果并不是简单的线性关系，在同时考虑降噪需要和声屏障经济工程成本的情况下，高速铁路路基区段的声屏障合适高
度应该介于４～５ｍ之间。
考文献
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ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ，ａｎｏｉｓｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓｏｕｎｄｂａｒｒｉｅｒｆｏｒｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ
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ｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ；Ｓｏｕｎｄｂａｒｒｉｅｒ；Ｎｏｉｓｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ
（责任编辑金燕）
万方数据
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ
ｈｉｇｈｓｔｕｄｙＳＹＳＮＯＩＳＥ，ｔｈｅ４，５ｎｏｒｍａｌｔｏｒｉｌｙｅｆｆｅｃｔｔｈｅｔｈｅｗｉｔｈｂａｒｒｉｅｒｓｈｉｐｔｈｅｓｏｕｎｄＫｅｙ