聚氨酯填充和TUP防塵膜對高速鐵路箱型金屬聲屏障性能的影響

雷一彬，尚瑞華

(太原理工大學 建筑學院，太原 030024)

高速鐵路提速極大拉近了城市與城市之間的距離，是目前最方便快捷的交通形式之一。但是，當高速鐵路經過生產、生活區域時，高速行駛的火車帶來的噪聲，不可避免地困擾著人們的生活。研究高鐵噪聲，進行降噪處理，是提高人居環境的有效途徑。相關測試表明，當高鐵列車速度在300 km/h時，噪聲分布區主要為輪軌區和車體下部，分別占48%和25%，占高鐵列車總噪聲的73%，對高速鐵路輻射噪聲起主導作用[1]。高鐵噪聲150 m范圍內噪聲衰減小，持續時間短；列車由遠及近以中高頻為主，由近及遠以中低頻噪聲為主，持續時間長。我國高鐵噪聲高于國外發達國家，標準執行難度大，所以高速鐵路環境噪聲排放標準限值要高一些，目前為晝間等效聲級70 dB(A)、夜間60 dB(A)[2]。時速為300～350 km/h時，動車組噪聲聲壓級隨著速度的提高，瞬時聲壓級變化率大，瞬時聲壓級水平遠高于背景噪聲[3]。2018年對京滬高速列車在通過高架橋、普通路基和路塹3種不同線路時進行監測，發現分別具有噪聲先大后小、普通衰減和等效聲壓級相似的現象，這些現象均對經過的環境造成了嚴重噪聲污染，而且影響方式特點各不相同[4]，低頻噪聲的控制難度很大。

在聲源與接受者之間，插入一個有足夠面密度的密實材料的板或墻，能使聲波有一個顯著的附加衰減，這樣的“障礙物”稱為聲屏障[5]。針對高速鐵路噪聲特點，聲屏障是降低其噪聲的有效途徑之一。在聲屏障表面添加吸聲材料，提高其吸聲系數，能夠有效提高降噪效果，尤其是在道路兩側平行設置聲屏障的時候，其吸聲作用尤為重要[6]，高鐵聲屏障的設置就符合這個顯著的特點。

國內現在大多數已經鋪設好的高鐵聲屏障設備，為20世紀90年代德國聲屏障設計理念，內填吸音材料絕大多數是玻璃棉、礦棉等，一般2～3年后就會開始腐爛，隔音變差，吸聲消失，同時還造成嚴重二次粉塵污染。

從以上理論及其研究來分析，高速鐵路在聲屏障屏體空腔的材料上應該有更多選擇。自2014年起，太原理工大學建筑學院建筑物理實驗室與山西晉金有限公司合作，對巖棉、水泥板、擠塑板、聚氨酯(覆膜和不覆膜)等原材料和金屬聲屏障填充進行了實驗和理論分析，總結了箱型插入式金屬聲屏障填入聚氨酯材料、水泥板和TUP膜(熱塑性聚氨酯thermoplastic polyurethanes)在不同使用條件下的不同技術參數和對比數據，所得數據和結論對同類研究聲屏障的科研單位和生產聲屏障企業單位起到一定借鑒意義，以期從噪聲治理方面上推動我國高速鐵路發展。

所有研究材料來源于山西晉金有色金屬材料有限公司；實驗室:太原理工大學建筑學院建筑物理實驗室混響實驗室(容積258.36 m3)；測試儀器：瑞士NTi，Exel Acoustic Set with M2230，丹麥BK Omni Power sound source 4292，丹麥BK Power Amplifier 2716、Flight Case KE-0358，檢測依據為GB/T 20407-2006《聲學混響室吸聲測量》；實驗室溫度：16 ℃，濕度52.5%；測試時間：2014年10月至2018年10月。

1 插入式箱型金屬聲屏障特點及分析

傳統的插入式箱型金屬聲屏障由1.5 mm厚鋁合金板組成，朝向鐵路一面為鋁合金穿孔板，內填玻璃棉厚50 mm，水泥板9 mm，水泥板后空氣層50 mm.其構造特征是利用水泥板和箱型屏體隔聲，利用穿孔金屬板和多孔材料進行吸聲，同時水泥板和箱型背板之間形成的空腔提高了低頻噪聲的隔聲和吸聲能力，插入式箱型金屬聲屏障構造如圖1所示。其中礦棉作為多孔吸聲材料是主要吸聲材料，其吸聲原理是利用多孔材料提高空氣流阻把聲能轉化為熱能。其吸聲系數主要取決于材料的孔隙率、厚度和密度。

圖1 插入式箱型金屬聲屏障構造及測試現場Fig.1 Inserted box metal noise barrier construction and test site

有關研究表明，礦棉實貼的時候，吸聲系數呈現中高頻吸聲系數高、低頻吸聲系數低的特點，這個特點對于不斷提速的高速鐵路中最明顯的空氣低頻聲最為不利。如圖2所示為50 mm礦棉吸聲系數特征。

研究表明，我國的高速鐵路所產生的噪聲峰值頻率均在低頻段，并呈寬頻特性，最大聲壓級集中在125 Hz以下的低頻段，而4 000 Hz以上高頻的聲壓級快速減??；A計權的噪聲能量大多都分布在500～5 000 Hz倍頻帶，其中1 000～4 000 Hz的噪聲能量最為突出。 隨著高鐵的提速，各頻帶的聲壓級逐漸升高，高頻比低頻升高較快。相對于高頻，低頻噪聲主要來源于空氣動力噪聲，對速度更敏感。以時速達到300 km/h為界[3]，超過這個時速后，反而以空氣動力噪聲為主的低頻噪聲提升較快，而礦棉、玻璃棉類型的多孔吸聲材料能夠大量消耗掉1 000 Hz以上的高鐵噪聲，并且吸聲系數在0.7左右。

圖2 50 mm礦棉吸聲系數特征Fig.2 Characteristic diagram of sound absorption coefficient of 50 mm mineral wool

箱型金屬聲屏障吸聲系數特征如圖3所示。當插入式箱型金屬聲屏障水泥板背后增加空腔后，其吸聲系數在低頻段提高明顯。中高頻吸聲系數也有一定程度的提高。尤其是250～2 000 Hz倍頻帶內，吸聲系數有極大提高。這是由于多孔材料背后的空氣層對低頻噪聲起了很大消耗作用。礦棉背后的水泥板在極大提高屏體隔聲量的同時，又在低頻和中頻提高了屏體的吸聲系數。在針對目前常規的高速鐵路箱型金屬聲屏障進行測試后，得出其平均吸聲系數α為0.82，降噪系數NRC為0.94，隔聲量36 dB，從指標上來看符合高速鐵路的聲屏障要求。

圖3 箱型金屬聲屏障吸聲系數特征Fig.3 Characteristic diagram of sound absorption coefficient of box-type metal sound barrier

多孔材料填充物如礦棉、巖棉和玻璃棉都存在耐候性差的問題，而由于鐵路沿線很長、施工量大、更換不方便等原因也對大量大范圍采用這些吸聲材料提出了質疑?；谝陨显?，尋找一種能夠替代礦棉等耐候性差的多孔材料，同時又能夠達到吸聲系數的要求，質量輕、價格合理的多孔吸聲材料，是解決目前問題的有效方法之一。經過對多種材料廣泛篩選，反復測試，最終課題組把改良材料定位為阻燃聚氨酯吸聲泡沫塑料。

2 聚氨酯與礦棉吸聲系數特征對比

阻燃聚氨酯吸聲泡沫塑料是一種輕質材料。泡沫型的材料主要由其泡孔的構造來區分形式，一種泡孔的內壁之間互相封閉，互不連通，屬于閉孔式泡沫材料，其主要特點是具有很好的熱阻，屬于保溫隔熱材料；另一種泡孔的內壁之間存在很多孔隙和裂縫，互相聯通，屬于開孔型泡沫，其特點是入射到材料表面的聲波通過泡孔傳至材料內，并因摩擦作用消耗聲能，屬于典型的多孔吸聲材料。多孔吸聲材料密度小、耐水性好、材質輕、彈性好、柔軟成型容易、方便加工、施工方便、環保。研究表明，其表觀密度為26 kg/m3，拉伸力為117 kPa，延伸率為150%，撕裂強度為3.88 N/cm，自燃性為7 min，材料為25 mm厚時降噪系數(NRC)為0.75，材料為50 mm厚時降噪系數(NRC)為0.95[7].

針對50 mm厚的礦棉和聚氨酯吸聲材料進行測試對比，對比結果如圖4所示。從實測數據來看，在同等實貼的條件下，從500 Hz開始，聚氨酯礦棉的吸聲系數在1/3倍頻帶基本吻合，屬于同等吸聲能力的吸聲系數；從材料結構類型來看，低頻吸聲系數低，中高頻吸聲系數高，這是所有多孔吸聲材料的共同特點。值得注意的是在100～500 Hz的低頻段內聚氨酯的吸聲系數普遍要高于礦棉，這是由于聚氨酯本身泡孔的材料結構特征造成的，也恰恰是這個特點，非常適合高速鐵路提速超過300 km/h后，低頻空氣噪聲更為突出的分布特點和鐵路沿線聲屏障產品選擇。

圖4 50 mm厚礦棉和聚氨酯吸聲系數對比Fig.4 Contrast diagram of sound absorption coefficient of 50 mm mineral wool and polyurethane

3 插入式箱型金屬聲屏障填充物替代測試分析

從多次吸聲系數對比測試結果可以總結聚氨酯吸聲材料吸聲特點是：中高頻吸聲系數很高，低頻吸聲系數很低。從材料吸聲性能指標上來看與礦棉很接近，甚至于要優于礦棉。課題組把同等厚度的礦棉填充物和聚氨酯填充物分別填入金屬聲屏障箱體，在同樣條件下進行吸聲系數測試，其測試結果如圖5所示。表明厚50 mm礦棉和聚氨酯材料實貼后，它們吸聲系數的對比特征在填入箱型屏體后依然有效。

圖5 50mm厚礦棉和聚氨酯填充聲屏障吸聲系數對比圖Fig.5 Contrast diagram of sound absorption coefficient of 50 mm mineral wool and polyurethane filled sound barrier

從圖5中可以判斷：按照1/3倍頻帶，400～2 500 Hz以內的聚氨酯和礦棉的吸聲系數幾乎吻合，但是在100～400 Hz的低頻和2 500～5 000 Hz的高頻段，聚氨酯做為升級替代填充物，具有巨大優勢。尤其是低頻段的優勢明顯。以上特征表明，聚氨酯除了符合高鐵時速超過300 km/h后低頻噪聲提高明顯的特征外，更符合低頻噪聲的隔聲規律。聲學研究中，聲音的頻率越低，其波長越大，繞射作用明顯，很難控制和消除。做為高速鐵路沿線的聲屏障，其長度較長，但是高度一般不超過4 m，對于低頻噪聲的消除，由于屏體材料的限制也存在一定難度。聚氨酯作為填充物代替礦棉，能夠在低頻上提高吸聲系數，說明它做為礦棉、玻璃棉的替代產品不但可行，而且還有巨大優勢。

4 不同厚度聚氨酯吸聲材料填充后屏體吸聲系數有效性分析

相關實驗數據表明，聚氨酯吸聲材料吸聲系數與其厚度具有很大的關系，對實貼結構形式進行測試分析表明，厚度為10～25 mm階段，中頻吸聲系數提高明顯；厚度為25～50 mm的階段，中低頻吸聲系數提高明顯[7]；超過50 mm，對箱型金屬聲屏障的屏體厚度就有更高要求，不符合目前屏體尺寸的通用厚度，因此，課題組選取了超過25 mm的厚度(即30 mm)進行測試，用30 mm和50 mm厚度的聚氨酯吸聲泡沫塑料分別代替礦棉測試，并在靠穿孔板一側附熱塑性聚氨酯膜(TPU防塵膜)，TPU防塵膜緊貼在聚氨酯面上，能夠有效防止戶外風沙和灰塵對聚氨酯空隙率的影響。其測試數據如表1，表2所示。測試結果如圖6所示。

表1 30 mm厚聚氨酯填充物箱型金屬聲屏障吸聲系數測試結果Table 1 Test table for sound absorption coefficient of 30 mm polyurethane filler box-type metal sound barrier

表2 50 mm厚聚氨酯填充物箱型金屬聲屏障吸聲系數測試結果Table 2 Test table for sound absorption coefficient of 50 mm polyurethane filler box-type metal sound barrier

從表1和表2數據來看，30 mm和50 mm聚氨酯填充，均符合插入式箱型金屬聲屏障吸聲指標要求。從圖6可以看出，30 mm厚聚氨酯和50 mm厚聚氨酯填充在箱型屏體內后，50 mm厚聲屏障在低頻依然有一定優勢，但不是很明顯，中高頻吸聲系數比較接近。從材料有效性方面考慮，選擇30 mm聚氨酯填充物節省材料，比較經濟有效。

圖6 30，50 mm厚聚氨酯填充聲屏障吸聲系數對比圖Fig.6 Contrast diagram of sound absorption coefficient of 30，50 mm polyurethane filled sound barrier

由于高速鐵路箱型金屬聲屏障屏體內空腔約為75 mm左右，實際來看，空腔厚度越大，屏體對低頻吸聲系數提升作用越大，對中高頻下的吸聲系數提升變化不大；從經驗來看，超過200 mm時提升作用不大，所以，金屬屏體總厚度不要超過265 mm.

5 不同厚度TPU膜后的吸聲系數分析

TPU薄膜(熱塑性聚氨酯)是把TPU顆粒進行特殊加工而形成一種很薄的膜，在耐高溫耐低溫、高彈性、耐老化、低變形率和耐磨特性等方面具有很好的物理特性[8]。TPU膜為無孔致密結構膜，呈微相分離結構，由硬鏈段和軟鏈段組成[9]，其厚度僅0.01 mm，但具有高拉力、高張力和耐老化能力，是一種成熟的環保材料。由于其防水透氣的特性，附著在聚氨酯外表面上后，可以極大地防止灰塵進入吸聲材料孔隙后降低吸聲系數，其良好的防水功能能夠防止雨水進入后降低吸聲作用。課題組依然選用50 mm聚氨酯吸聲材料，在覆膜和不覆膜兩種情況下進行吸聲系數測試，測試結果如表3所示。表3結果表明：TPU膜對聚氨酯材料的影響在100～250 Hz低頻時比無膜的時候吸聲系數高，這也表明覆膜對于高速鐵路的降低低頻噪聲特征是有效的。

表3 50 mm厚無膜和有膜聚氨酯填充物箱型金屬聲屏障吸聲系數表Table 3 Sound absorption coefficient table of 50 mm non-film and film polyurethane filler box-type metal sound barrier

分別對10，15，25，30 mm厚度聚氨酯吸聲材料進行無膜、厚0.012 mm膜、厚0.015 mm膜進行測試比較，并針對測試數據作出如圖7-10的曲線分析對比圖.根據對比分析，不同厚度下的聚氨酯吸聲材料，覆膜比無膜在低頻段的吸聲系數要高，說明TPU膜對在高鐵時速快的時候具備一定針對性消除低頻噪聲的作用；但是在超過2 000 Hz左右的時候，無膜的吸聲系數反而更高，說明低速鐵路還是選用無膜的較為合理；TPU膜的厚度細微差異對吸聲系數的影響未見明顯差別，因此僅需要參考其他物理性能指標的數據來選擇膜的厚度，如延展性、耐候性、防塵效果等。

圖7 厚10 mm聚氨酯不同厚度膜吸聲對比Fig.7 Sound absorption comparison of 10 mm polyurethane films with different thicknesses

圖8 厚15 mm聚氨酯不同厚度膜吸聲對比Fig.8 Sound absorption comparison of 15 mm polyurethane films with different thicknesses

圖9 厚25 mm聚氨酯不同厚度膜吸聲對比Fig.9 Sound absorption comparison of 25 mm polyurethane films with different thicknesses

圖10 厚30 mm聚氨酯不同厚度膜吸聲對比Fig.10 Sound absorption comparison of 30 mm polyurethane films with different thicknesses

6 結束語

高速鐵路在我國發展很快，在發展高鐵事業的同時，消除一些對高鐵發展不利的技術因素，是科研工作者的責任和義務。通過以上高鐵噪聲分析、聲屏障特點介紹、填充材料替換分析和多種厚度下覆膜的對比，充分說明用阻燃聚氨酯泡沫吸聲材料代替玻璃棉、礦棉等材料后，吸聲系數最低0.87，降噪系數最低0.86，對2 000 Hz以下為主的高鐵噪聲排放覆膜有效，對2 000 Hz以上為主的高鐵噪聲排放無膜有效。該項研究能夠給研究高鐵聲屏障的科技工作者和設備廠家提供一定理論和技術參考。