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一．技術定位
為了使我國350公里時速的高速鐵路聲屏障滿足聲學和機械學要求，有效治理各種交通噪聲，我們與德國非標機械設計的同事對DB（德國鐵路）K-F線（科隆-法蘭克福）ICE-3（城際特別快車）損傷聲屏障進行了研究。然而，對于一個國際性的課題，要結合中國市場情況才能為我所用，解決好高速鐵路聲屏障的技術問題。
例如，各國的聲屏障選材都遵守“阻抗錯配原則”，將選擇質量大的材料作為聲屏障的面板。高密度鋼材的優勢在于隔聲。而在共振吸聲結構中使用低密度的鋁合金，共振頻率就會降低，能有效吸收低頻噪聲。低密度(2.8)的發泡鋁吸聲材料正逐漸體現強度高、韌性好、耐候、受熱無毒等優勢。
再有，常規的“陰極電泳”涂裝工藝不易控制，很難滿足聲屏障各種帶孔鋼板中“孔壁”的抗腐蝕要求。德國的企業早已具有成本更低、質量更可靠的涂裝技術，帶孔鋼板的鹽霧試驗都能保證500小時以上。但是不清楚我國的市場準入手續、產品樣件，要經過我國有資質的檢測機構出具技術指標。
另外，國內鋼材市場的材質差別較大，影響設計計算。五金市場很難找到德國使用的環槽鉚釘；而結構型鉚釘很難鑒別，通常出具的達克羅（DACROMET）鹽霧試驗指標，與鉚接之后的變形、斷裂面、表面破壞等因素并不相干。
因此，聲屏障產業貫穿物理、數學、機械、電子、自動化等學科。而聲屏障的課題首先要突破高速鐵路的問題，再向其它軌道交通等方面發展，范圍要鎖定在以下題目：
1. ICE在空曠平直的線路行駛時，空氣繞流列車外表面起伏運動的摩擦產生噪聲，由各類近似正弦波的流場復合而成。
2. ICE駛入隧道引起空氣壓縮后，復合正弦曲線變成由少數明顯脈沖曲線分割的密布紊亂曲線，稱作隧道微氣壓波或脈動力。
3.低頻噪音經多次反射便形成高能量、大振幅的駐波，以簡正振動方式傳播。
4.消聲量隨氣流速度的增大而減少，當氣流速度達到70米/秒時，阻性消音、多孔吸聲結構的基本功能已經所剩無幾，所以聲屏障的使用環節要與性能配套。
5.高頻噪音隨著距離的增加就能衰減，其點聲源每10米距離就能下降6分貝，氣流在障礙物后產生卡門渦旋并輻射噪聲，所以聲屏障的質量取決于對低頻噪聲的治理手段。
6.低頻噪聲的特點是：聲波長，能量遞減緩慢，能輕易穿越障礙物，長距離奔襲和穿墻透壁直達人的耳骨，對人體傷害最大。
二．技術原則
首先，確定聲屏障應用環節在自然環境中遭遇地震、臺風等最大破壞因素的數據，及其在路基震動工況的力學分析，研究有軸向壓力梯度流動的高速氣流和不同簡正振動方式傳播的聲波與脈動力的關系，從改造“脈動力”作用曲、吸聲系數與頻率關系曲線入手，確定聲屏障的機械結構和動力學參數，建立近似這些性能條件的數學模型，進行優化設計；其次，高速鐵路聲屏障要滿足時速420公里的技術要求，以適應各種交通條件應用為目標檢驗抗震性能，即通過地震試驗臺輸入有代表性的地震波，直至摧毀性的大震實驗；再參照16級超強臺風正面襲擊等極端數據，做各種破壞性試驗，提煉出具有減震降噪功能的復合型聲屏障系列產品及其設計、生產、檢測標準，完善市場準入。
三．高速鐵路聲屏障
我國的高速鐵路已躍居世界第一，與之進行環保配套的聲屏障，也要無愧于世界第一的國際形象。高速鐵路聲屏障是抵御地震、臺風等自然破壞因素，瓦解高壓氣流和噪聲能量，分離出有害的低頻噪聲進行治理的技術裝置。
圖1是一份聲屏障降噪系數的檢測數據，顯示該產品NRC0.85與玻璃纖維（圖2）、發泡鋁（圖3）不同的是，具有明顯的共振區。但是，在歐盟委托慕尼黑聯邦國防軍大學解決K-F線（科隆-法蘭克福）聲屏障事故開始，業內人士認為這種穿孔板組成的亥姆霍茲共振體曲線（圖1），以及吸聲材料的吸聲系數曲線（圖2、圖3），給人印象深刻的不是NRC，而是低頻區逃逸的低頻噪聲。它是在放掉危害程度最大的低頻噪聲的情況下，隨著頻率的增加，逐漸減少放掉的量，只是在共振頻率上有較高的吸聲系數（αm），吸聲頻帶很窄。圖1共振體的穿孔率已經不會改變，吸聲系數隨頻率的增加呈線性下降趨勢，說明隨著高頻聲波波動幅度減小，使推動板材作振動的幅度也變小，結果吸聲系數變小了，這三種曲線的NRC最多維持在0.85左右。
如今，用聲級計的A聲級來測量和評價環境噪聲，缺少針對低頻噪音的標準。A計權的頻率特性曲線是對噪聲的低頻段和高頻段大幅度衰減，對中頻段沒有衰減。它的頻率特性曲線只突出了中間的共振區，低頻噪音的聲級都被大幅度衰減，儀器儀表沒有顯示設定，檢測結果理想化。
圖1 聲屏障降噪系數的檢測數據
圖2 維密度為50 kg/m3玻璃纖維的吸聲系數
圖3 密度300 kg/m3發泡鋁的吸聲系數
四．結構安全隱患分析
目前，一些文獻將聲屏障的受力變形集中在：H型鋼立柱在受到行駛風壓縮和膨脹變形時受交互彎曲力矩的作用（如圖4所示），但用在高速鐵路的情況是：
圖4
1. 在路基震動、高速列車壓力波的作用下，立柱正壓變形到上止點后，開始向負壓變形的初期，存在剛性體的回彈內力，產生伴隨負壓變形的交互彎曲力矩（如圖5），而且H型鋼立柱受到正壓力時，從根部至頂端的彈性變形程度逐漸增大，立柱的腹板和翼板產生拉應力和壓應力，但應變不同，與底座的結合面存在應力集中，易被撕裂。
圖5
圖6
2. 立柱兩側連接的單元板受力變形后，將產生圍繞立柱壓力變形軸線的扭矩，伴隨著兩側單元板變形后回彈的力偶矩（如圖6）。由于相鄰兩截面的翹曲不同，引起材料縱向纖維長度的改變，導致界面上產生正應力，使立柱成為扭桿彈簧，慣性力的加速度受到單元板拉伸彈性階段的阻力。
3. 國產普通的H型鋼是由全能軋機熱軋成型的邊寬、腰薄經濟斷面型材，腹板承受扭曲變形的能力差，做立柱存在強度不足的缺陷。圖7示出對高度140毫米、腹板12毫米，Q235材質的H型鋼立柱與底座之間的焊接形式進行破壞性試驗的變形曲線。
圖7 立柱、底座焊接強度破壞試驗的變形曲線
圖7的曲線說明，在立柱幾何中心施加5.2噸的垂直壓力時，如果焊接強度足夠，則立柱根部的焊口的過度部位發生永久變形。這樣就可以推算與立柱相互作用的單元板在受到最大沖擊氣流時的承載能力，以便進行經濟選材。
五．脈動力
（一）影響因素
要解析高速列車行駛在半封閉的聲屏障環境中不同頻率和不同簡正方式在壓縮、膨脹、衰減因素中傳播的問題，由于不定性太多，通常是通過實驗物理學方法，尋找有意義的參數。
其中，北京航空航天大學針對京津城際鐵路聲屏障發表的震動模態（圖6），與東南大學高速鐵路研發中心在K-F線（科隆-法蘭克福）聲屏障拆除前的實錄形態基本一致，但結構瞬態響應最大位移比實錄情況要小，類似正弦曲線。
綜上，鋼結構聲屏障環境中，震動方式和脈動力的綜合破壞因素為：
1．每次列車駛過，都要沖擊聲屏障，使聲線繞射線，按類似正弦曲線的變形方式傳播彎曲變形（圖8），造成頂部彎曲開裂的趨勢。
2. 高速列車進入半封閉（頂部開放）的聲屏障時，如果聲線繞射線沒有氣流緩釋措施，受脈動力彎曲變形的同時，還會遭遇聲爆和卡門渦旋輻射能的共同作用，加速頂部損毀。
圖8 聲屏障脈動力的振動模態
3．低頻噪音經多次反射會形成駐波，以簡正振動方式傳播，能夠與含有脈沖波的高壓氣流和聲波的脈動力一起沖擊聲屏障，加速薄弱點損毀。。
3. 駐波及微氣壓波入射頻率在單元板彎曲變形的過程中，某些入射角會激發吸音板彎曲共振（吻合效應），同時形成隔聲量的低谷，反射波的能量又促進損毀吸音板。
（二）突破方向
從高速列車外表面的穩定流場到脈動力的破壞因素，我們發現：
1. 高速列車在空曠地帶行駛時，存在繞流表面的復合正弦波流場。
2. 脈動力震動模態的結構瞬態響應形態、實錄變形均似正弦曲線。
3. 每次列車駛過，都要沖擊聲屏障，使聲線繞射線按（圖6）正弦曲線傳播彎曲變形，造成頂部開裂的趨勢。
因此，只要糾正這種產生正弦曲線變形的行為方式，就能夠避免彎曲變形。
破壞因素是：高速列車行駛時的氣流場和摩擦噪聲被墻體壓縮后，形成以高壓氣流為載體的脈沖波及簡正振動方式傳播，在通過聲屏障的聲波繞射線釋放時，突然膨脹的能量與車尾負壓的先后作用，使聲波繞射線按近似正弦曲線的形狀傳播彎曲變形。
同時說明，H型鋼立柱與單元板之間無論靠彈簧、橡膠等任何形式的壓緊固定，或使用貫穿兩側翼板的螺栓連接，都無法回避振動松動、摩擦銹蝕、隨季節溫度伸縮變形、脈動力等損毀因素。
所以，《高速鐵路聲屏障設計規范》中規定：從設計結構和材料兩方面來保證總成在受壓失穩前個別部位首先屈曲，產品要像樹干、樹枝、樹杈、葉片那樣，成為能夠各自獨立彈性變形，相互關聯的機體，將能量分解、削弱，避免硬性抗擊造成自我損傷，靠單元板相對立柱的橫向彈性變形功能，使聲波繞射線按梯形曲線傳播變形。
六．試驗、檢測方法
（一）抗地震試驗
1. 試驗方法
試驗采用三條實測的地震波，包括有代表性的唐山波，另外選擇EI-Centro波、Taft波，輸入加速度峰值分別取為0.1g、0.2g、0.4g和0.62g。這里給出天津（唐山）地震波一軸的時程和自譜（圖9、圖10）。
圖9 天津（唐山）波-Z時程圖
圖10 天津（唐山）波-Z自譜圖
2. 實驗設備、儀器
振動臺使用美國 MTS 公司設計、制造的設備，試驗模型通過底座牢固安放在模擬地震振動臺上（圖11），振動臺用電液伺服方式通過計算機進行加載控制，電子模擬控制系統提供臺面運動的閉環控制以及液壓和輸出訊號的控制。反饋傳感器為每個作動器附帶的加速度傳感器，通過計算機進行數據采集和分析。
圖11 振動臺上的聲屏障
圖12 測試儀器
測試儀器使用丹麥 B&K 公司生產的 4381V 型電荷加速度計配合NEXUS2692-014 電荷放大器測量加速度和位移，德國 HBM 公司產的 SPIDER8 應變儀、Catman軟件，日本歐姆龍公司的 Z4M-W100 激光位移傳感器。各項傳感器試驗前在振動臺上進行一致性準確標定（圖12），目地是通過得到的數據檢測驗證設計、工藝指標，定型產品。
3. 性能分析
僅按毀滅性的大震（唐山波+Taft波）測試的情況說明，其中：
動力特性。9度大震地震波輸入前后，立柱頂部測點Y 向自振頻率下降的數值，單元板中部測點Y 向自振頻率的數值；9度大震后自振頻率下降的百分數，最后認定聲（風）屏障的剛度有無變化。
應變分析。在每根立柱的底部前后設置豎向應變測點，從應變的相對值的變化定性的判斷結構應力變化情況。測得9度設防烈度下，立柱底部測點最大應變均值，相應的最大應力均值，可以看出是否小于所用鋼材的屈服強度。測得9度大震下，立柱底部測點最大應變均值，相應的最大應力均值，可以看出是否小于所用鋼材的屈服強度。
（二） 抗臺風試驗
例如，3.15×2=6.3（m2）的單元板，受到風速52 m/s的16級超強臺風正面襲擊時，聲屏障的正面壓強P：
P=2.58×V2=6976 (Pa) 6976×6.3=4.4（噸）
即作用在單元板上的壓力達到4.4噸，所以高速鐵路聲屏障要做單元板與立柱之間承受壓力的試驗（圖13）。
圖13 單元板加載4.5噸壓力試驗
無論抗地震試驗還是單元板加載試驗，按《高速鐵路聲屏障生產規程》實施機器人工作站焊接的產品，在外觀上都不會出現問題，但存在內部的工藝隱患。要求實驗一周（消應）后解體，會發現降壓擴容腔的密封面會發生翹曲，一些桿件相對發生塑性變形。此時，要對照焊接變形計算分析報告，分析錨桿受力，調整連接位置及焊接參數，修改進廠材料的材質分析工藝。
七．復合型消音聲屏障手段分析
（一）方向
西方發達國家在上世紀90年代就開始推廣使用聲屏障聲影區和亮區分界線及聲波繞射線三位一體環節的新技術，效果等于將聲屏障的高度增加2米。為此，美國將聯邦公路局（FHWA）90年代前豎立在道路邊緣的平面反射型障板稱作“傳統聲屏障”。
中國馬大猷院士1964年提出“微穿孔板”吸聲結構，只增加孔的聲阻，不必外加多孔材料即得到滿意的吸聲系數；采用不同穿孔率和孔徑的多層結構，可展寬頻率范圍和提高吸聲效果(圖14，缺點是無共振區)。國外正在將這種技術應用在高速鐵路及各種減震降噪領域。
圖14
實際應用環節中，穿孔板材料振動吸聲理論、板振動吸聲頻譜受到實際結構的諸多限制，導致實測結果與設計差異較大，尤其存在較低的反共振吸聲系數，經驗不足時，難以拓展吸聲頻帶范圍。但是利用機器人工作站等高度自動化工藝，實現穩定統一的產品質量，就能更接近試驗確定的聲學方案，靠近理想聲學技術指標。
將聲屏障提高2米的技術非常適合我國的高速鐵路，因為高速列車噪聲總量的40%左右，是由列車頂部的集電系統產生。
技術方向在于博采眾長，借助中國的“微穿孔板”吸聲技術，以及前述將聲屏障剛性體轉化成彈性體的機械學技術，與聲學的板材振動吸聲相結合，根據有源消聲原理，通過實驗找到控制實際聲場的措施，創造聲波在無源時疊加時發生干涉、相互抵消減弱聲強的條件。
（二）技術措施分析
聲屏障的聲學技術主要取決于試驗確定的滿足結構動力學的減噪手段，其中關鍵是要弄明白理論與試驗相的矛盾現象。
例如，某種結構共振材料質量增加，共振頻率隨之增加。如果按照微孔吸音的理論，穿孔率不變時，吸聲系數不可能改變。可事實是在共振區，材料質量增加后的吸聲系數明顯高于未增加時的吸聲系數。
針對這種現象，采用布置在振動材料幾何中心的1個應變測點，配套德國 HBM 公司產的 SPIDER8 應變儀（屬于通過與 PC 打印機端口簡單連接就可使用的 PC 儀表），每個通道均提供到傳感器、放大器、濾波器和自己的數模轉換器的激勵。這樣，通過實驗就能找到共振頻率。在共振頻率下，能夠從測點不同頻率的應變相對值，得到相應的最大應力，驗證選用的振動材料是否在屈服強度極限內振動。值得注意的是，這樣在共振頻率下的試驗不經點撥很難進行。
這個變化說明：在這種特定的結構下，是穿孔板板材振動產生了吸聲作用。而通常聲波不可能推動板材，只有在系統共振時，才能引起板材振動，才能將能量吸收掉。反映穿孔板的吸聲作用是承受大多數聲壓的板材表面體現出的功能，而不是少數的孔在起作用。
事實上，穿孔率確實決定著吸聲系數的大小，因為當穿孔率過大時，空腔內受壓迫的空氣很容易從孔板中排出。此時，對有爭議的“穿孔面材的穿孔率是否20%”要視具體情況而定。在空腔距離較小和共振頻率較高時，共振吸聲曲線會出現第二個峰值。
這說明，無論使用穿孔板還是微穿孔板的實用技術，試驗的手段是要從中取得最有價值數據，建立薄板的面密度、空氣層厚度、共振頻率三者關系式，將聲學要素用工程語言表示出來，才能使產品形成優勢互補，實現事半功倍的效果。
（三）產品方案
針對上述實驗結果，為了減少重復性的爭議，在設計改變脈動力作用的正弦曲線后，《高速鐵路聲屏障設計規范》將聲屏障結構分為：
1. 針對高速氣流的低頻噪音工作區；
2. 針對中高頻噪聲的阻性吸聲材料工作區；
3. 針對噪聲總量40%左右的車頂集電系統的聲波繞射線工作區。
為了實現中國人以四兩撥千斤的哲學，《設計規范》明確了具體仿生學的行為基礎。例如，從控制聲場入手，限制速度較高的聲波突然改變傳播的幾何路徑，產生破壞性聲爆，及其對脈動力的推波助瀾作用，使聲屏障反射波和透射波均在疊加時發生干涉、相互抵消減弱聲強；充分發揮高聲阻的微穿孔板共振吸聲特點，以及在低頻具有較好吸聲性能的薄板共振吸聲特征，合理利用突變界面，使產品三維數學模型、產品圖紙、產品技術要求、材料力學以及有限元分析，基于統一的數據平臺，應用靶向物質引導進入多孔材料聲能的轉換，增加“賽賓”值，得到結構動力學保證的寬頻帶高吸收效果聲屏障。
八．低碳、智能化產品
環保產品低碳的技術手段在于服從基本熱力學定律。“貌似簡單的聲屏障，囊括了全世界的音符，卻要壓制和聲的旋律”。就是說，被壓制的音符要沿著耗散的方向進行能量轉換，必定帶來消耗(熵)、產生污染。而且越是大型的項目，造成的污染就越是嚴重。
低碳的措施就是要將聲屏障吸收的機械能迅速轉化成熱能。這種迅速要靠靶向物質實現。而這個熱能的減排，是審定履行環保社會責任的指標。它需要行之有效的能夠將機械能和電能互相轉換的技術。德國企業成功用于聲屏障的就是壓電陶瓷（標準DIN IEC61253-2-1：1994），我國標準GB/T3389-2008使用的載體就是本文一再論述的“共振頻率”。希望國內的企業以此開發出更先進的智能聲屏障。
因為壓電陶瓷還能把電能轉換成超聲波，用來對聲屏障金屬結構進行無損探傷，以及清除聲屏障工作表面的結垢，甚至通過電子線路控制與共振板一體的壓電陶瓷，就可產生不同頻率的振動，大幅度提高聲屏障的設計水平和產品質量。
九. 結論
在定義高速鐵路聲屏障和脈動力定義的前提下，通過地震、超強臺風正面襲擊等極端數據實驗，以瓦解高能的理念，將剛性的金屬材料通過機械結構轉化成組織有序的彈性體，改變“脈動力”作用曲線；提高低頻段吸聲能力；經500小時鹽霧試驗，確定防腐工藝；通過建立高度現代化的機器人工作站、數控加工流水線保證產能。最終將聲屏障產業從中國制造步入中國創造。
作者單位：寧波瑞祥軌道交通設施有限公司
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