江蘇省高速公路聲屏障插入損失調(diào)研分析

楊文婷，殷承啟，陳遠(yuǎn)，張林

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京210000）

21世紀(jì)的前10年是江蘇省高速公路的快速發(fā)展時(shí)期。截止2010年底，我省高速公路網(wǎng)通車(chē)總里程突破4 000 km，縣域覆蓋率達(dá)94%，居全國(guó)首位。根據(jù)新一輪《江蘇省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》，到2015年將建成“五縱九橫五聯(lián)”的高速公路網(wǎng)，總通車(chē)?yán)锍踢_(dá)5 200 km，在推動(dòng)綜合交通運(yùn)輸體系的建設(shè)和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展等方面發(fā)揮重要作用。

高速公路在營(yíng)運(yùn)期會(huì)對(duì)沿線(xiàn)兩側(cè)區(qū)域產(chǎn)生一定的噪聲影響。江蘇省作為東部沿海發(fā)達(dá)省份，隨著近年來(lái)運(yùn)輸總量、城鎮(zhèn)化率的提高和私人車(chē)輛急劇增加，交通噪聲的污染與控制受到越來(lái)越多的關(guān)注，其中聲屏障是降低交通噪聲影響最直接有效的方法。自蘇嘉杭高速公路在江蘇省率先實(shí)施聲屏障工程以來(lái)，各種型式結(jié)構(gòu)的聲屏障在省內(nèi)高速公路建設(shè)中得到普遍推廣。通過(guò)對(duì)已建高速公路噪聲源及聲屏障應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)查研究，分析聲屏障理論插入損失及降噪效果的主要影響因素，為聲屏障的設(shè)計(jì)及提高其適用性提供理論依據(jù)。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 調(diào)查范圍

結(jié)合對(duì)江蘇省高速公路網(wǎng)的規(guī)劃分析，選取我省具有代表性的6條交通干線(xiàn)上10處聲屏障進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查，結(jié)果如表1所示。本次調(diào)研的6條交通干線(xiàn)均為構(gòu)成江蘇省高速公路網(wǎng)的主骨架路線(xiàn)，覆蓋了我省大部分主要城市；已建聲屏障工程的型式、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、材料等在高速公路聲屏障應(yīng)用案例中具有一定的代表性。因此，可以較好地反映我省高速公路的噪聲源特性及聲屏障的聲學(xué)性能。

1.2 噪聲源頻譜特性及等效頻率

交通噪聲的頻率范圍為100～2 500 Hz，其頻譜特性取決于車(chē)輛車(chē)速、車(chē)型比等因素，而聲屏障降噪效果與噪聲源的頻譜特性有直接關(guān)系。在一定誤差范圍內(nèi)，可利用等效頻率代替各1/3倍頻程中心頻率，計(jì)算聲屏障插入損失。在以上各路段硬路肩分別設(shè)置噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)定10 min等效連續(xù)A聲級(jí)和1/3倍頻程頻譜，根據(jù)《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)量規(guī)范》(HJT90-2004)中計(jì)算方法[1]，得到各條高速公路交通噪聲的等效頻率，如表1所示。

1.3 聲屏障降噪效果監(jiān)測(cè)

采用A計(jì)權(quán)等效聲級(jí)的插入損失來(lái)評(píng)價(jià)聲屏障的降噪效果，通過(guò)測(cè)定聲屏障安裝前后同一參考點(diǎn)和受聲點(diǎn)聲壓級(jí)，得到聲屏障實(shí)際降噪量。本次調(diào)研的聲屏障均已建成投入使用，故選取等效參考點(diǎn)和受聲點(diǎn)的A計(jì)權(quán)等效聲級(jí)替代聲屏障安裝前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。聲屏障插入損失計(jì)算公式為

圖1 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意圖Fig.1 Layout of monitoring point

1.4 聲屏障插入損失理論計(jì)算

聲屏障理論插入損失主要取決于繞射聲衰減量，并通過(guò)透射聲、反射聲、障礙物衰減、地面吸收聲衰減、遮蔽角等物理量修正。計(jì)算公式為

表1 聲屏障工程及高速公路交通狀況調(diào)查T(mén)ab.1 The investigation of noise barriers and highway traffic

聲屏障設(shè)計(jì)中，一般要求透射聲能與繞射聲衰減差值大于10 dB；本次監(jiān)測(cè)選定的聲屏障皆為公路單側(cè)聲屏障，路肩與受聲點(diǎn)間無(wú)其它障礙物存在，故插入損失計(jì)算不考慮透射聲、反射聲修正和障礙物衰減。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

結(jié)果表明，聲屏障理論插入損失與實(shí)際監(jiān)測(cè)值存在一定偏差，部分聲屏障實(shí)際降噪量較低，不能滿(mǎn)足路線(xiàn)兩側(cè)敏感點(diǎn)的聲環(huán)境質(zhì)量要求，這說(shuō)明聲屏障在設(shè)計(jì)或施工過(guò)程中存在不足之處。結(jié)合相關(guān)聲屏障工程實(shí)例和文獻(xiàn)資料，認(rèn)為導(dǎo)致聲屏障理論、實(shí)際插入損失不一致的主要原因如下：

2.1 噪聲源頻譜特性的影響

交通噪聲的頻率特性是公路聲屏障設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。為簡(jiǎn)化聲屏障理論插入損失的計(jì)算，通常選定500 Hz為噪聲源等效頻率[2]。該頻率值由20世紀(jì)80年代末Harris C.M提出[3,4]，并一直在我國(guó)沿用至今。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣系統(tǒng)等主要發(fā)聲部件不斷更新?lián)Q代，同時(shí)我國(guó)交通道路的設(shè)計(jì)車(chē)速、交通量也不斷提高，這導(dǎo)致交通噪聲頻譜和等效頻率也與以往發(fā)生較大變化。從對(duì)省內(nèi)部分高速公路的噪聲頻譜分析來(lái)看，大部分交通噪聲源等效頻率在750 Hz～1 000 Hz范圍內(nèi)，與部分學(xué)者的研究結(jié)論一致[5]。聲屏障插入損失計(jì)算模型不能準(zhǔn)確反映聲源的頻譜特性，等效頻率取值偏低，必然會(huì)導(dǎo)致插入損失預(yù)測(cè)值產(chǎn)生偏差。

將表1中等效頻率數(shù)值替代500 Hz，帶入繞射聲衰減量計(jì)算公式，分析等效頻率取值對(duì)插入損失的影響。結(jié)果如表3所示。

計(jì)算結(jié)果表明，采用500 Hz作為高速公路噪聲源等效頻率，導(dǎo)致理論插入損失偏小0.5～1.3 dB。研究還發(fā)現(xiàn)，連徐K7、寧靖鹽K12路段，在50～5 000 Hz頻譜范圍內(nèi)取任意頻率值為等效頻率，都會(huì)導(dǎo)致A計(jì)權(quán)聲級(jí)插入損失的計(jì)算出現(xiàn)較大誤差。對(duì)于這種性質(zhì)的噪聲頻譜，等效頻率的確定沒(méi)有意義，應(yīng)根據(jù)聲源倍頻帶或1／3倍頻帶的中心頻率計(jì)算插入損失。

2.2 車(chē)流量及車(chē)速的影響

噪聲預(yù)測(cè)和聲屏障繞射衰減量的計(jì)算，通常將車(chē)輛流聲源視為無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)聲源。但在車(chē)流量較低的情況下，車(chē)輛不能連續(xù)通過(guò)聲屏障設(shè)置路段。此時(shí)，噪聲源為波動(dòng)性較大的間斷流聲源或點(diǎn)聲源。根據(jù)交通噪聲預(yù)測(cè)的相關(guān)研究，在車(chē)流量達(dá)到1 000輛/h以上時(shí)，車(chē)輛流聲源方可視為無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)聲源[6]。參照車(chē)流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，部分省內(nèi)高速公路的聲屏障設(shè)計(jì)不能完全套用現(xiàn)有規(guī)范，需對(duì)等效連續(xù)A聲級(jí)計(jì)算模式進(jìn)行修正。

假設(shè)在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，車(chē)輛連續(xù)依次通過(guò)聲屏障路段。當(dāng)車(chē)流量低于1 000輛/h，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)只有部分時(shí)段為噪聲源有效存在時(shí)間，其余時(shí)段內(nèi)認(rèn)為無(wú)交通噪聲。依據(jù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則―聲環(huán)境（HJ 2.4-2009）公路噪聲預(yù)測(cè)模式，預(yù)測(cè)聲屏障安裝前的受聲點(diǎn)等效連續(xù)A聲級(jí)，并參照有關(guān)文獻(xiàn)中的修正模式[7]，分析車(chē)流量、車(chē)速對(duì)插入損失的影響。計(jì)算方法如下：

表2 聲屏障理論及實(shí)際插入損失值Tab.2 Theoretical and actual insertion loss of noise barriers

表3 等效頻率對(duì)理論插入損失的影響Tab.3 Influence of equivalent frequency to insertion loss1

式中L1為聲屏障安裝前受聲點(diǎn)的噪聲預(yù)測(cè)值；Lb為噪聲背景值；ΔLd為表4中修正后理論插入損失；x為車(chē)流量與1 000輛/h的比值。計(jì)算結(jié)果如表四所示。

分析表明，在低車(chē)流量下將車(chē)輛流視為無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)聲源，將導(dǎo)致理論插入損失偏高0.5～3.2 dB。偏差量不僅與車(chē)流量有關(guān)，同時(shí)也受路肩高差、聲屏障高度、敏感點(diǎn)到路肩距離等因素的影響。為探討車(chē)流量對(duì)理論插入損失的單因素影響，以寧滬K204―K205路段聲屏障為例，計(jì)算相同車(chē)型比、不同車(chē)流量下無(wú)限長(zhǎng)聲屏障的理論插入損失修正值。為便于分析討論，不考慮地面吸聲衰減等物理量的影響。

圖2 不同車(chē)流量下的聲屏障插入損失Fig.2 Insertion loss under different traffic flow

圖2 為聲屏障理論插入損失在低車(chē)流量情況下的修正圖。從圖可見(jiàn)，在車(chē)流量500～1 000輛/h區(qū)間，插入損失偏差值小于1.1 dB，考慮到遮蔽角的修正，偏差在可以接受范圍內(nèi)；在車(chē)流量200～500輛/h區(qū)間，插入損失急劇下降，偏差值在1.1～4.5 dB之間。我省部分在建高速公路的近期（2013～2016年）車(chē)流量預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，夜間絕對(duì)車(chē)流量在280～650輛/h范圍內(nèi)，對(duì)理論插入損失進(jìn)行修正是有必要的。夜間車(chē)輛流不能視為無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)聲源，這可能也是導(dǎo)致某些交通項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)和聲屏障設(shè)計(jì)工作中，敏感點(diǎn)夜間噪聲預(yù)測(cè)值比監(jiān)測(cè)值偏高的原因之一。

2.3 屏體結(jié)構(gòu)型式的影響

聲屏障的吸聲、隔聲材料及其厚度是決定其聲學(xué)性能的重要指標(biāo)。調(diào)研結(jié)果表明，聲屏障工程的普遍結(jié)構(gòu)型式為：頂端、底端為吸聲屏體，以玻璃鋼、膨脹珍珠巖、鋁合金等為材料；中部為隔聲屏體，一般以PC板為材料。部分聲屏障PC隔聲板設(shè)計(jì)厚度不足，存在一定程度的透聲現(xiàn)象，以沿江K50路段為例，該段聲屏障工程地面以上全部為8 mm厚PC隔聲板，實(shí)際監(jiān)測(cè)降噪量?jī)H為4.1 dB。聲屏障透射聲降低量ΔLt及傳聲損失計(jì)算[8]如下

式中m為PC板面密度（Kg/m2），TL為傳聲損失。

根據(jù)聲屏障設(shè)計(jì)規(guī)范要求，當(dāng)TL-ΔLd＞10 dB時(shí)，ΔLt可忽略不計(jì)。按照該路段聲屏障幾何尺寸，計(jì)算得最大繞射聲衰減量ΔLd=18.5 dB，PC板密度取1.2 kg/m3，則PC板設(shè)計(jì)厚度需大于11 mm時(shí)，方可不考慮透射聲的影響。

調(diào)研過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，由于未能及時(shí)清洗和維護(hù)，部分聲屏障屏體發(fā)生老化，金屬構(gòu)件銹蝕，不僅影響聲屏障聲學(xué)性能[9]，同時(shí)也存在著安全隱患（如寧滬K256聲屏障）。個(gè)別聲屏障施工出現(xiàn)較大質(zhì)量瑕疵，基礎(chǔ)梁、承臺(tái)與吸聲屏體間存在空隙（如沿江K 50聲屏障）；珍珠膨脹巖層間水泥砂漿涂抹不均勻，也會(huì)導(dǎo)致屏體局部出現(xiàn)縫隙（沿江K 53―K 54聲屏障）。根據(jù)縫隙對(duì)構(gòu)件隔聲影響的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算圖表，5～20 mm縫隙會(huì)對(duì)聲屏障造成1～3 dB隔聲下降量[9]。

表4 車(chē)流量對(duì)插入損失的影響Tab.4 Influence of traffic to insertion loss

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)聲屏障工程的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和聲學(xué)性能評(píng)價(jià)，探討了聲屏障降噪效果與理論計(jì)算值出現(xiàn)偏差的原因，定量分析了插入損失計(jì)算模型與實(shí)際情況的差別，為今后省內(nèi)高速公路聲屏障工程的設(shè)計(jì)提供以下參考借鑒：

（1）根據(jù)聲屏障設(shè)置路段的交通噪聲頻譜特性，合理選取聲源等效頻率。依據(jù)交通噪聲頻譜無(wú)法取得有效的等效頻率時(shí)，建議采用聲源倍頻帶或1／3倍頻帶的中心頻率計(jì)算插入損失。對(duì)于尚未通車(chē)路段，可根據(jù)高速公路設(shè)計(jì)車(chē)速、車(chē)型比和已建成路段類(lèi)比預(yù)測(cè)其等效頻率。普遍認(rèn)為，小型車(chē)比例提高，車(chē)速增大，等效頻率向高頻方向移動(dòng)；

（2）對(duì)于低車(chē)流量下的噪聲源強(qiáng)和聲屏障插入損失預(yù)測(cè)，需根據(jù)實(shí)際車(chē)流量和車(chē)速對(duì)等效連續(xù)A聲級(jí)計(jì)算公式中的積分時(shí)間進(jìn)行合理修正。低交通量情況下的噪聲預(yù)測(cè)模型有待進(jìn)一步探討研究；

（3）保證屏體材料的質(zhì)量，安裝前對(duì)屏體進(jìn)行防老化、防銹蝕處理。根據(jù)目標(biāo)降噪量的要求，對(duì)隔聲板等局部構(gòu)件加厚。注重施工細(xì)節(jié)和日常維護(hù)，對(duì)于不同型式的聲屏障，依據(jù)屏體的幾何尺寸及其與聲源、受聲點(diǎn)的位置關(guān)系，準(zhǔn)確計(jì)算繞射聲程差，以得到更精確合理的繞射聲衰減量。

[1]HJ/T90-2004，聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)量規(guī)范[S].

[2]HJ 2.4-2009．環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則―聲環(huán)境[S].

[3]Harris C.M.,Handbook of noise control,2nd ed.,Me-Graw.HillBook Co.,N.Y.[m],1979,p.3-1-16.

[4]章力，鄭長(zhǎng)聚.聲屏障對(duì)交通噪聲的A計(jì)權(quán)聲插入損失[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1989，(2)：265-271.

[5]邵鋼，俞悟周.道路交通噪聲等效頻率的研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2009，(10)：201-202.

[6]鄭耀斌，周兆駒.高車(chē)流量公路聲屏障繞射衰減理論模型與計(jì)算[J].噪聲振動(dòng)與控制，2005，(4)：35-39.

[7]周兆駒，盧偉玲.低車(chē)流量下高速公路聲屏障插入損失的分析計(jì)算[J].噪聲與振動(dòng)控制，2005，(4)：35-28.

[8]馬大猷.噪聲與振動(dòng)控制手冊(cè)[M].北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[9]吳浩，譚昌明，張建.四川省高速公路聲屏障工程回顧評(píng)價(jià)[C].四川省首屆環(huán)境影響評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.成都：四川省環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)，2009.7-14.