钢轨阻尼与声屏障组合降噪效果试验研究

邵 琳,李晏良

(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081)

国内外针对高速铁路噪声控制一般从声源、传播途径、受声点三方面入手，且以声源和传播途径控制为主。目前我国高速铁路降噪措施以声屏障为主，但仍存在部分区域降噪效果不理想的情况，特别是城市区域噪声敏感点聚集，也是人们关注的重点。因此在声屏障这一降噪措施的基础上，研究声屏障与其他措施的组合降噪效果具有实际意义。

钢轨阻尼是从声源上降低轮轨噪声的措施，声屏障是从传播途径上降低辐射噪声的措施。国内外对于钢轨阻尼、声屏障单独开展的研究较多，但尚未对这2种措施的组合降噪效果开展试验研究。我国一高速铁路的城市区域低速区段(试验速度为67～146 km/h)的钢轨敷设阻尼，同时部分区段设有直立式金属声屏障。本文选取钢轨阻尼及声屏障组合措施区段、声屏障区段及对照区段3处不同工况，对2种措施在我国实际线路的组合降噪效果开展试验研究。

1 国内外降噪措施试验研究进展

1.1 钢轨阻尼降噪试验研究

钢轨辐射噪声是轮轨噪声的重要组成部分，理论研究表明，增加钢轨振动衰减率是降低钢轨辐射噪声的有效方法。基于该原理，各国开发了不同的阻尼钢轨降低钢轨辐射噪声影响。欧洲OFWHAT，VONA,Silent Track等项目研究和开发设计了各种类型的调谐钢轨阻尼器并进行相关试验，试验结果表明调谐钢轨阻尼器在100 km/h 的速度下，轨道噪声可降低2 dB(A)[1]。日本学者开发的RNIM阻尼钢轨由黏弹性橡胶材料和薄板2层材料砌合制成，粘贴在钢轨两侧表面，采用外层托架加以固定。现场实测结果表明该方法可有效降低噪声2～3 dB(A)[2]。

国内北京交通大学魏鹏勃等[3]将高阻尼材料和铝合金约束板材构成的复合阻尼板安装在北京地铁13号线西直门—大钟寺段的钢轨上，试验结果表明轨腰处减振效果明显，轨腰加速度均值降低了6 dB,翼缘降低了2 dB。北京铁路局陈刚等[4]研究了通过在钢轨轨腰镶嵌高阻尼材料从而降低轮轨噪声的技术，经过实验室试验和现场安装试验，证明该技术可有效降低轮轨辐射噪声。

1.2 声屏障降噪试验研究

铁路沿线安装声屏障在很多国家已经成为一种常见的降噪措施，其最基本出发点是阻断声源至受声点的噪声传播途径。国外从20世纪六七十年代就开始了铁路声屏障结构形式的研究，欧盟国家以及日本、美国等分别从声屏障降噪理论、声屏障结构形式等方面对声屏障开展过各类研究，不断改善和提高声屏障的降噪效果。我国铁路声屏障目前主要采用直立式声屏障，直立式声屏障对500 Hz以上的中高频噪声具有较好的降噪效果。中国铁道科学研究院结合联调联试及科研试验开展了大量不同高速铁路线路的声屏障降噪效果研究[5]。相关设计院则从声屏障设计角度开展针对性的研究，如针对市域铁路的声屏障设置[6]等。

2 组合降噪试验概况

2.1 钢轨阻尼及声屏障降噪措施

本次试验段的钢轨阻尼区段在钢轨的2侧粘贴阻尼，阻尼敷设在钢轨上翼缘、轨腰及钢轨下翼缘，采用钢板作为约束层，构造为多层阻尼板与约束层组合，并在表面采用橡胶保护层防止其老化，阻尼铺设长度占降噪线路总长度的50%。直立式声屏障为金属声屏障单元板加通透隔声板结构。2种降噪措施的试验现场见图1。

图1 钢轨阻尼及声屏障组合降噪措施试验现场

2.2 试验概况

钢轨阻尼及声屏障组合措施区段、声屏障区段及对照区段3处测点均为有砟轨道，位于路基区段。分别在有无钢轨阻尼处设置2个振动测点，在钢轨的轨底处布置加速度传感器。根据现场线路情况并考虑行车安全因素，在距外侧线路中心3.1 m、高于轨面以上0.6 m处布设传声器，并在距外侧线路中心7.5，25.0 m 处布设相同高度的噪声测点，研究声屏障内侧近轨处以及声屏障外侧不同距离处的降噪效果。现场试验测点布置见图2。

图2 试验测点布置示意

本次试验列车为CRH5J-0501综合检测列车，8辆编组。试验区域位于限速区，本次试验实测速度为67～69,142～146 km/h。

3 试验结果分析

3.1 降噪效果分析

对3处噪声测点的等效连续A声级进行分析，计算包括钢轨阻尼及声屏障组合措施测点、声屏障测点与对照点的插入损失值，进而分析钢轨阻尼及声屏障组合降噪措施相对于声屏障降噪措施的附加降噪效果。不同速度下降噪措施的插入损失值见表1。

表1 不同速度下降噪措施的插入损失值

由表1可知，在声屏障内侧的3.1 m近轨测点处，钢轨阻尼的降噪效果为1.2～1.4 dB(A)。在声屏障外侧测点，距外侧线路中心7.5，25.0 m处钢轨阻尼及声屏障组合措施的组合降噪措施相比单一声屏障措施，钢轨阻尼的附加降噪效果分别为1.6～2.0,0.6～0.8 dB(A)。

对67～68 km/h速度下的钢轨阻尼及声屏障组合措施、对照点的噪声频谱(20～20 000 Hz)进行分析，结果见图3(图中纵坐标B的值为一基础值)。从声屏障内侧3.1 m处与对照点的频谱对比可知，阻尼在 1 000 Hz 以上有降噪效果；而从声屏障外侧7.5 m和25.0 m处与对照点的频谱分析可看出，组合降噪措施在中高频段效果较明显。

图3 阻尼及声屏障组合措施降噪特性

3.2 减振效果分析

选取有无阻尼的2处钢轨布置振动测点，得到钢轨横向和垂向测点的减振量，见表2。可知，在68～146 km/h速度下，钢轨横向测点的减振量为2.1～2.8 dB，垂向测点为2.7～2.8 dB。本次测点位于曲线段，相应的横向减振效果较好。

表2 不同速度下钢轨阻尼的减振量

轮轨噪声主要作用中心频率分布在500～4 000 Hz。对不同速度下钢轨横向和垂向加速度振级的频谱特性加以比较，见图4(图中纵坐标C的值为一基础值)，分析频率在100～5 000 Hz。

图4 不同速度下阻尼及对照点钢轨的横向、 垂向振动频谱比较

从图4可知，钢轨横向加速度振级在630～2 500 Hz 频段具有减振效果，钢轨垂向的减振频段在 1 000～5 000 Hz，与轮轨噪声中心频率500～4 000 Hz 吻合得较好。

4 结论与建议

1)在67～146 km/h的低速条件下，距离外轨7.5,25.0 m处钢轨阻尼及声屏障组合降噪措施相比单一声屏障措施的附加降噪效果分别为1.6～2.0,0.6～0.8 dB(A)。

2)钢轨横向、垂向加速度振级的减振量为2.1～2.8 dB；振动频率特性分析表明钢轨阻尼对轮轨噪声主要作用频率具有减振效果，相应地在该频段具有降噪效果。

本试验于线路开通运营前开展，建议在该高速铁路运营一段时间后再次开展跟踪试验，研究探讨阻尼及声屏障组合降噪措施随着运营时间的变化规律。