一．技术定位
为了使我国350公里时速的高速铁路声屏障满足声学和机械学要求，有效治理各种交通噪声，我们与德国非标机械设计的同事对DB（德国铁路）K-F线（科隆-法兰克福）ICE-3（城际特别快车）损伤声屏障进行了研究。然而，对于一个国际性的课题，要结合中国市场情况才能为我所用，解决好高速铁路声屏障的技术问题。
例如，各国的声屏障选材都遵守“阻抗错配原则”，将选择质量大的材料作为声屏障的面板。高密度钢材的优势在于隔声。而在共振吸声结构中使用低密度的铝合金，共振频率就会降低，能有效吸收低频噪声。低密度(2.8)的发泡铝吸声材料正逐渐体现强度高、韧性好、耐候、受热无毒等优势。
再有，常规的“阴极电泳”涂装工艺不易控制，很难满足声屏障各种带孔钢板中“孔壁”的抗腐蚀要求。德国的企业早已具有成本更低、质量更可靠的涂装技术，带孔钢板的盐雾试验都能保证500小时以上。但是不清楚我国的市场准入手续、产品样件，要经过我国有资质的检测机构出具技术指标。
另外，国内钢材市场的材质差别较大，影响设计计算。五金市场很难找到德国使用的环槽铆钉；而结构型铆钉很难鉴别，通常出具的达克罗（DACROMET）盐雾试验指标，与铆接之后的变形、断裂面、表面破坏等因素并不相干。
因此，声屏障产业贯穿物理、数学、机械、电子、自动化等学科。而声屏障的课题首先要突破高速铁路的问题，再向其它轨道交通等方面发展，范围要锁定在以下题目：
1. ICE在空旷平直的线路行驶时，空气绕流列车外表面起伏运动的摩擦产生噪声，由各类近似正弦波的流场复合而成。
2. ICE驶入隧道引起空气压缩后，复合正弦曲线变成由少数明显脉冲曲线分割的密布紊乱曲线，称作隧道微气压波或脉动力。
3.低频噪音经多次反射便形成高能量、大振幅的驻波，以简正振动方式传播。
4.消声量随气流速度的增大而减少，当气流速度达到70米/秒时，阻性消音、多孔吸声结构的基本功能已经所剩无几，所以声屏障的使用环节要与性能配套。
5.高频噪音随着距离的增加就能衰减，其点声源每10米距离就能下降6分贝，气流在障碍物后产生卡门涡旋并辐射噪声，所以声屏障的质量取决于对低频噪声的治理手段。
6.低频噪声的特点是：声波长，能量递减缓慢，能轻易穿越障碍物，长距离奔袭和穿墙透壁直达人的耳骨，对人体伤害最大。
二．技术原则
首先，确定声屏障应用环节在自然环境中遭遇地震、台风等最大破坏因素的数据，及其在路基震动工况的力学分析，研究有轴向压力梯度流动的高速气流和不同简正振动方式传播的声波与脉动力的关系，从改造“脉动力”作用曲、吸声系数与频率关系曲线入手，确定声屏障的机械结构和动力学参数，建立近似这些性能条件的数学模型，进行优化设计；其次，高速铁路声屏障要满足时速420公里的技术要求，以适应各种交通条件应用为目标检验抗震性能，即通过地震试验台输入有代表性的地震波，直至摧毁性的大震实验；再参照16级超强台风正面袭击等极端数据，做各种破坏性试验，提炼出具有减震降噪功能的复合型声屏障系列产品及其设计、生产、检测标准，完善市场准入。
三．高速铁路声屏障
我国的高速铁路已跃居世界第一，与之进行环保配套的声屏障，也要无愧于世界第一的国际形象。高速铁路声屏障是抵御地震、台风等自然破坏因素，瓦解高压气流和噪声能量，分离出有害的低频噪声进行治理的技术装置。
图1是一份声屏障降噪系数的检测数据，显示该产品NRC0.85与玻璃纤维（图2）、发泡铝（图3）不同的是，具有明显的共振区。但是，在欧盟委托慕尼黑联邦国防军大学解决K-F线（科隆-法兰克福）声屏障事故开始，业内人士认为这种穿孔板组成的亥姆霍兹共振体曲线（图1），以及吸声材料的吸声系数曲线（图2、图3），给人印象深刻的不是NRC，而是低频区逃逸的低频噪声。它是在放掉危害程度最大的低频噪声的情况下，随着频率的增加，逐渐减少放掉的量，只是在共振频率上有较高的吸声系数（αm），吸声频带很窄。图1共振体的穿孔率已经不会改变，吸声系数随频率的增加呈线性下降趋势，说明随着高频声波波动幅度减小，使推动板材作振动的幅度也变小，结果吸声系数变小了，这三种曲线的NRC最多维持在0.85左右。
如今，用声级计的A声级来测量和评价环境噪声，缺少针对低频噪音的标准。A计权的频率特性曲线是对噪声的低频段和高频段大幅度衰减，对中频段没有衰减。它的频率特性曲线只突出了中间的共振区，低频噪音的声级都被大幅度衰减，仪器仪表没有显示设定，检测结果理想化。
图1 声屏障降噪系数的检测数据
图2 维密度为50 kg/m3玻璃纤维的吸声系数
图3 密度300 kg/m3发泡铝的吸声系数
四．结构安全隐患分析
目前，一些文献将声屏障的受力变形集中在：H型钢立柱在受到行驶风压缩和膨胀变形时受交互弯曲力矩的作用（如图4所示），但用在高速铁路的情况是：
图4
1. 在路基震动、高速列车压力波的作用下，立柱正压变形到上止点后，开始向负压变形的初期，存在刚性体的回弹内力，产生伴随负压变形的交互弯曲力矩（如图5），而且H型钢立柱受到正压力时，从根部至顶端的弹性变形程度逐渐增大，立柱的腹板和翼板产生拉应力和压应力，但应变不同，与底座的结合面存在应力集中，易被撕裂。
图5
图6
2. 立柱两侧连接的单元板受力变形后，将产生围绕立柱压力变形轴线的扭矩，伴随着两侧单元板变形后回弹的力偶矩（如图6）。由于相邻两截面的翘曲不同，引起材料纵向纤维长度的改变，导致界面上产生正应力，使立柱成为扭杆弹簧，惯性力的加速度受到单元板拉伸弹性阶段的阻力。
3. 国产普通的H型钢是由全能轧机热轧成型的边宽、腰薄经济断面型材，腹板承受扭曲变形的能力差，做立柱存在强度不足的缺陷。图7示出对高度140毫米、腹板12毫米，Q235材质的H型钢立柱与底座之间的焊接形式进行破坏性试验的变形曲线。
图7 立柱、底座焊接强度破坏试验的变形曲线
图7的曲线说明，在立柱几何中心施加5.2吨的垂直压力时，如果焊接强度足够，则立柱根部的焊口的过度部位发生永久变形。这样就可以推算与立柱相互作用的单元板在受到最大冲击气流时的承载能力，以便进行经济选材。
五．脉动力
（一）影响因素
要解析高速列车行驶在半封闭的声屏障环境中不同频率和不同简正方式在压缩、膨胀、衰减因素中传播的问题，由于不定性太多，通常是通过实验物理学方法，寻找有意义的参数。
其中，北京航空航天大学针对京津城际铁路声屏障发表的震动模态（图6），与东南大学高速铁路研发中心在K-F线（科隆-法兰克福）声屏障拆除前的实录形态基本一致，但结构瞬态响应最大位移比实录情况要小，类似正弦曲线。
综上，钢结构声屏障环境中，震动方式和脉动力的综合破坏因素为：
1．每次列车驶过，都要冲击声屏障，使声线绕射线，按类似正弦曲线的变形方式传播弯曲变形（图8），造成顶部弯曲开裂的趋势。
2. 高速列车进入半封闭（顶部开放）的声屏障时，如果声线绕射线没有气流缓释措施，受脉动力弯曲变形的同时，还会遭遇声爆和卡门涡旋辐射能的共同作用，加速顶部损毁。
图8 声屏障脉动力的振动模态
3．低频噪音经多次反射会形成驻波，以简正振动方式传播，能够与含有脉冲波的高压气流和声波的脉动力一起冲击声屏障，加速薄弱点损毁。。
3. 驻波及微气压波入射频率在单元板弯曲变形的过程中，某些入射角会激发吸音板弯曲共振（吻合效应），同时形成隔声量的低谷，反射波的能量又促进损毁吸音板。
（二）突破方向
从高速列车外表面的稳定流场到脉动力的破坏因素，我们发现：
1. 高速列车在空旷地带行驶时，存在绕流表面的复合正弦波流场。
2. 脉动力震动模态的结构瞬态响应形态、实录变形均似正弦曲线。
3. 每次列车驶过，都要冲击声屏障，使声线绕射线按（图6）正弦曲线传播弯曲变形，造成顶部开裂的趋势。
因此，只要纠正这种产生正弦曲线变形的行为方式，就能够避免弯曲变形。
破坏因素是：高速列车行驶时的气流场和摩擦噪声被墙体压缩后，形成以高压气流为载体的脉冲波及简正振动方式传播，在通过声屏障的声波绕射线释放时，突然膨胀的能量与车尾负压的先后作用，使声波绕射线按近似正弦曲线的形状传播弯曲变形。
同时说明，H型钢立柱与单元板之间无论靠弹簧、橡胶等任何形式的压紧固定，或使用贯穿两侧翼板的螺栓连接，都无法回避振动松动、摩擦锈蚀、随季节温度伸缩变形、脉动力等损毁因素。
所以，《高速铁路声屏障设计规范》中规定：从设计结构和材料两方面来保证总成在受压失稳前个别部位首先屈曲，产品要像树干、树枝、树杈、叶片那样，成为能够各自独立弹性变形，相互关联的机体，将能量分解、削弱，避免硬性抗击造成自我损伤，靠单元板相对立柱的横向弹性变形功能，使声波绕射线按梯形曲线传播变形。
六．试验、检测方法
（一）抗地震试验
1. 试验方法
试验采用三条实测的地震波，包括有代表性的唐山波，另外选择EI-Centro波、Taft波，输入加速度峰值分别取为0.1g、0.2g、0.4g和0.62g。这里给出天津（唐山）地震波一轴的时程和自谱（图9、图10）。
图9 天津（唐山）波-Z时程图
图10 天津（唐山）波-Z自谱图
2. 实验设备、仪器
振动台使用美国 MTS 公司设计、制造的设备，试验模型通过底座牢固安放在模拟地震振动台上（图11），振动台用电液伺服方式通过计算机进行加载控制，电子模拟控制系统提供台面运动的闭环控制以及液压和输出讯号的控制。反馈传感器为每个作动器附带的加速度传感器，通过计算机进行数据采集和分析。
图11 振动台上的声屏障
图12 测试仪器
测试仪器使用丹麦 B&K 公司生产的 4381V 型电荷加速度计配合NEXUS2692-014 电荷放大器测量加速度和位移，德国 HBM 公司产的 SPIDER8 应变仪、Catman软件，日本欧姆龙公司的 Z4M-W100 激光位移传感器。各项传感器试验前在振动台上进行一致性准确标定（图12），目地是通过得到的数据检测验证设计、工艺指标，定型产品。
3. 性能分析
仅按毁灭性的大震（唐山波+Taft波）测试的情况说明，其中：
动力特性。9度大震地震波输入前后，立柱顶部测点Y 向自振频率下降的数值，单元板中部测点Y 向自振频率的数值；9度大震后自振频率下降的百分数，最后认定声（风）屏障的刚度有无变化。
应变分析。在每根立柱的底部前后设置竖向应变测点，从应变的相对值的变化定性的判断结构应力变化情况。测得9度设防烈度下，立柱底部测点最大应变均值，相应的最大应力均值，可以看出是否小于所用钢材的屈服强度。测得9度大震下，立柱底部测点最大应变均值，相应的最大应力均值，可以看出是否小于所用钢材的屈服强度。
（二） 抗台风试验
例如，3.15×2=6.3（m2）的单元板，受到风速52 m/s的16级超强台风正面袭击时，声屏障的正面压强P：
P=2.58×V2=6976 (Pa) 6976×6.3=4.4（吨）
即作用在单元板上的压力达到4.4吨，所以高速铁路声屏障要做单元板与立柱之间承受压力的试验（图13）。
图13 单元板加载4.5吨压力试验
无论抗地震试验还是单元板加载试验，按《高速铁路声屏障生产规程》实施机器人工作站焊接的产品，在外观上都不会出现问题，但存在内部的工艺隐患。要求实验一周（消应）后解体，会发现降压扩容腔的密封面会发生翘曲，一些杆件相对发生塑性变形。此时，要对照焊接变形计算分析报告，分析锚杆受力，调整连接位置及焊接参数，修改进厂材料的材质分析工艺。
七．复合型消音声屏障手段分析
（一）方向
西方发达国家在上世纪90年代就开始推广使用声屏障声影区和亮区分界线及声波绕射线三位一体环节的新技术，效果等于将声屏障的高度增加2米。为此，美国将联邦公路局（FHWA）90年代前竖立在道路边缘的平面反射型障板称作“传统声屏障”。
中国马大猷院士1964年提出“微穿孔板”吸声结构，只增加孔的声阻，不必外加多孔材料即得到满意的吸声系数；采用不同穿孔率和孔径的多层结构，可展宽频率范围和提高吸声效果(图14，缺点是无共振区)。国外正在将这种技术应用在高速铁路及各种减震降噪领域。
图14
实际应用环节中，穿孔板材料振动吸声理论、板振动吸声频谱受到实际结构的诸多限制，导致实测结果与设计差异较大，尤其存在较低的反共振吸声系数，经验不足时，难以拓展吸声频带范围。但是利用机器人工作站等高度自动化工艺，实现稳定统一的产品质量，就能更接近试验确定的声学方案，靠近理想声学技术指标。
将声屏障提高2米的技术非常适合我国的高速铁路，因为高速列车噪声总量的40%左右，是由列车顶部的集电系统产生。
技术方向在于博采众长，借助中国的“微穿孔板”吸声技术，以及前述将声屏障刚性体转化成弹性体的机械学技术，与声学的板材振动吸声相结合，根据有源消声原理，通过实验找到控制实际声场的措施，创造声波在无源时叠加时发生干涉、相互抵消减弱声强的条件。
（二）技术措施分析
声屏障的声学技术主要取决于试验确定的满足结构动力学的减噪手段，其中关键是要弄明白理论与试验相的矛盾现象。
例如，某种结构共振材料质量增加，共振频率随之增加。如果按照微孔吸音的理论，穿孔率不变时，吸声系数不可能改变。可事实是在共振区，材料质量增加后的吸声系数明显高于未增加时的吸声系数。
针对这种现象，采用布置在振动材料几何中心的1个应变测点，配套德国 HBM 公司产的 SPIDER8 应变仪（属于通过与 PC 打印机端口简单连接就可使用的 PC 仪表），每个通道均提供到传感器、放大器、滤波器和自己的数模转换器的激励。这样，通过实验就能找到共振频率。在共振频率下，能够从测点不同频率的应变相对值，得到相应的最大应力，验证选用的振动材料是否在屈服强度极限内振动。值得注意的是，这样在共振频率下的试验不经点拨很难进行。
这个变化说明：在这种特定的结构下，是穿孔板板材振动产生了吸声作用。而通常声波不可能推动板材，只有在系统共振时，才能引起板材振动，才能将能量吸收掉。反映穿孔板的吸声作用是承受大多数声压的板材表面体现出的功能，而不是少数的孔在起作用。
事实上，穿孔率确实决定着吸声系数的大小，因为当穿孔率过大时，空腔内受压迫的空气很容易从孔板中排出。此时，对有争议的“穿孔面材的穿孔率是否20%”要视具体情况而定。在空腔距离较小和共振频率较高时，共振吸声曲线会出现第二个峰值。
这说明，无论使用穿孔板还是微穿孔板的实用技术，试验的手段是要从中取得最有价值数据，建立薄板的面密度、空气层厚度、共振频率三者关系式，将声学要素用工程语言表示出来，才能使产品形成优势互补，实现事半功倍的效果。
（三）产品方案
针对上述实验结果，为了减少重复性的争议，在设计改变脉动力作用的正弦曲线后，《高速铁路声屏障设计规范》将声屏障结构分为：
1. 针对高速气流的低频噪音工作区；
2. 针对中高频噪声的阻性吸声材料工作区；
3. 针对噪声总量40%左右的车顶集电系统的声波绕射线工作区。
为了实现中国人以四两拨千斤的哲学，《设计规范》明确了具体仿生学的行为基础。例如，从控制声场入手，限制速度较高的声波突然改变传播的几何路径，产生破坏性声爆，及其对脉动力的推波助澜作用，使声屏障反射波和透射波均在叠加时发生干涉、相互抵消减弱声强；充分发挥高声阻的微穿孔板共振吸声特点，以及在低频具有较好吸声性能的薄板共振吸声特征，合理利用突变界面，使产品三维数学模型、产品图纸、产品技术要求、材料力学以及有限元分析，基于统一的数据平台，应用靶向物质引导进入多孔材料声能的转换，增加“赛宾”值，得到结构动力学保证的宽频带高吸收效果声屏障。
八．低碳、智能化产品
环保产品低碳的技术手段在于服从基本热力学定律。“貌似简单的声屏障，囊括了全世界的音符，却要压制和声的旋律”。就是说，被压制的音符要沿着耗散的方向进行能量转换，必定带来消耗(熵)、产生污染。而且越是大型的项目，造成的污染就越是严重。
低碳的措施就是要将声屏障吸收的机械能迅速转化成热能。这种迅速要靠靶向物质实现。而这个热能的减排，是审定履行环保社会责任的指标。它需要行之有效的能够将机械能和电能互相转换的技术。德国企业成功用于声屏障的就是压电陶瓷（标准DIN IEC61253-2-1：1994），我国标准GB/T3389-2008使用的载体就是本文一再论述的“共振频率”。希望国内的企业以此开发出更先进的智能声屏障。
因为压电陶瓷还能把电能转换成超声波，用来对声屏障金属结构进行无损探伤，以及清除声屏障工作表面的结垢，甚至通过电子线路控制与共振板一体的压电陶瓷，就可产生不同频率的振动，大幅度提高声屏障的设计水平和产品质量。
九. 结论
在定义高速铁路声屏障和脉动力定义的前提下，通过地震、超强台风正面袭击等极端数据实验，以瓦解高能的理念，将刚性的金属材料通过机械结构转化成组织有序的弹性体，改变“脉动力”作用曲线；提高低频段吸声能力；经500小时盐雾试验，确定防腐工艺；通过建立高度现代化的机器人工作站、数控加工流水线保证产能。最终将声屏障产业从中国制造步入中国创造。
作者单位：宁波瑞祥轨道交通设施有限公司
点击排行