一種路面吸聲系數(shù)的現(xiàn)場測試方法

劉勝楠，蔡俊，王亞晨，于曉娟，劉玲

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一種路面吸聲系數(shù)的現(xiàn)場測試方法

劉勝楠，蔡俊，王亞晨，于曉娟，劉玲

(上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240)

為了在不破壞路面結(jié)構(gòu)的條件下得到路面的吸聲性能，解決工程建成后的驗(yàn)收和測試問題，進(jìn)行了阻抗管的結(jié)構(gòu)改造，并搭建了阻抗管路面測試系統(tǒng)；以道路路面為研究主體，研究了密封材料對測試結(jié)果的影響；運(yùn)用傳遞函數(shù)法原理現(xiàn)場測試路面的吸聲系數(shù)，通過比對現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室路面樣品測試結(jié)果，評價阻抗管現(xiàn)場測試系統(tǒng)的可靠性和測試方法的可行性。研究結(jié)果表明，用橡皮泥做密封材料時，密封效果較好；路面測試系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)測吸聲系數(shù)曲線基本一致；現(xiàn)場實(shí)測吸聲系數(shù)與路面樣品吸聲系數(shù)差值不超過0.04，屬于誤差允許范圍內(nèi)，兩組吸聲系數(shù)在800 Hz以上比較吻合，差值小于0.002，在250~630 Hz范圍內(nèi)差值在0.02~0.038之間，且在此頻率范圍內(nèi)路面實(shí)測吸聲系數(shù)低于實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果。

道路工程；現(xiàn)場測試方法；阻抗管；路面吸聲系數(shù)；密封材料

0 引言

噪聲作為危害環(huán)境的四大污染之一，對人們的工作學(xué)習(xí)和身心健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，長時間暴露在噪聲中會引起聽力損傷、緊張焦慮、失眠等。交通工具運(yùn)行產(chǎn)生的交通噪聲對道旁的居民有很大的影響，是干擾生活環(huán)境的重要噪聲污染源，全國有70%以上的居民生活在噪聲超標(biāo)的環(huán)境中，且2008年我國就有不低于10%的城市道路交通噪聲大于70 dB。且隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車輛迅速增加，交通噪聲帶來的危害也越嚴(yán)重。交通噪聲的一個重要來源是輪胎噪聲，輪胎噪聲是輪胎和地面摩擦?xí)r激振車體振動產(chǎn)生的噪聲，噪聲大小與車速、路面材料的構(gòu)造密切相關(guān)[1-4]。因此近年來低噪聲路面材料成為研究熱點(diǎn)，不斷有新產(chǎn)品被投入使用。隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的加大投入，國內(nèi)越來越多的市政道路采用低噪聲路面，例如SMA-13阻尼瀝青路面、SDQP路面，而工程建成后的驗(yàn)收和測試成為亟待解決的問題[5-6]。關(guān)于路面吸聲系數(shù)的測試，國外已經(jīng)開始了現(xiàn)場測試的研究應(yīng)用，國內(nèi)多為混響室法和駐波比法等室內(nèi)研究[7]，本文將傳遞函數(shù)法理論用于路面吸聲系數(shù)的現(xiàn)場測試中，并搭建了相應(yīng)的測試系統(tǒng)，通過與實(shí)驗(yàn)室樣品進(jìn)行比較分析，證明了測試方法的可行性，從而實(shí)現(xiàn)在不破壞路面結(jié)構(gòu)的條件下得到路面的吸聲性能。

1 路面吸聲原理分析

路面的吸聲機(jī)理是，將路面看成一個具有剛性骨架的多孔型吸聲材料，當(dāng)聲波入射到路面時，一部分聲能進(jìn)入到路面孔隙，導(dǎo)致孔隙中的空氣受聲波激勵產(chǎn)生振動并散射聲波，由于摩擦和粘滯阻力的作用，這部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎蟊晃蘸秃纳8]；還有一部分聲能透射過路面結(jié)構(gòu)進(jìn)入道路基礎(chǔ)，另一部分聲能反射回空氣中，如圖1所示。

本次實(shí)驗(yàn)評價路面降噪性能的主要參數(shù)為吸聲系數(shù)，即路面材料吸收的聲能和入射到路面材料的總聲能的比值[9]：

通常，路面的孔隙結(jié)構(gòu)，如孔隙大小、孔隙率等對吸聲系數(shù)有很大的影響[10]。

2 實(shí)驗(yàn)儀器與方法設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及測試原理

本次實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)是基于北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SW422型阻抗管進(jìn)行改造的，實(shí)驗(yàn)室自行加工了10 mm厚鋼板以及密封基座。為避免管內(nèi)聲能的不必要損失，以及防止管外聲波傳進(jìn)管內(nèi)，阻抗管管壁材質(zhì)要求堅(jiān)硬，而且壁厚要達(dá)到內(nèi)徑尺寸的5%[11]。SW422型阻抗管主管內(nèi)徑為100 mm，由黑色硬質(zhì)鋁合金材料制成，且壁厚為7 mm，滿足上述要求。其吸聲測試頻率范圍為63~1600 Hz。測試時阻抗管垂直立在路面上，阻抗管靠近路面端連接兩個聲學(xué)傳感器(聲學(xué)精度I級)，如圖2 所示。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量(第2部分)：傳遞函數(shù)法(GB/T 18696.2-2002)》，阻抗管的測試原理為通過測量兩個固定位置的聲壓和計(jì)算兩個通道的傳遞函數(shù)得到測試樣品材料的吸聲系數(shù)[12]，如圖3所示。聲源為頂部揚(yáng)聲器在阻抗管內(nèi)模擬面聲源。

(3)

令傳遞函數(shù)為

入射波的傳遞函數(shù)為

(5)

反射波的傳遞函數(shù)為

法向反射系數(shù)為

(7)

法向入射吸聲系數(shù)為

當(dāng)頻率測試范圍為63~500 Hz時，=0.3 m，測試范圍為250~1600 Hz時，=0.08 m。

從上述公式可知，系統(tǒng)的改造只需調(diào)整距離系數(shù)，就能得到與實(shí)驗(yàn)室測試一致的結(jié)果。

2.2 密封基座的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)阻抗管開口端需進(jìn)行密封基座改造，以防止聲能從管口與地面縫隙泄露。本實(shí)驗(yàn)中的密封基座是實(shí)驗(yàn)室自行加工的一個用于連結(jié)阻抗管與地面的設(shè)備，采用高密度硬質(zhì)鋁合金加工而成，其頂部外端加工成外螺紋狀，與阻抗管緊密連結(jié)，內(nèi)壁與阻抗管直徑相同，并配有橡膠密封圈，以保證與阻抗管管體的密封；底部有兩個環(huán)形凹槽，填入密封材料緊壓后以保證與地面之間的良好密封。密封基座除了能緊貼路面，構(gòu)成一個完整的空氣密閉結(jié)構(gòu)，還能為整個實(shí)驗(yàn)裝置提供支撐。圖4顯示了密封基座構(gòu)造，密封基座的螺紋是為了更好地固定阻抗管。表1列出了密封基座的基本參數(shù)。

表1 密封基座基本參數(shù)

2.3 密封材料的選擇

為保證完全密封，密封基座與路面之間必須使用足夠的密封材料，但密封材料過多則會擠壓進(jìn)阻抗管內(nèi)壁面上，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差。因此，每次實(shí)驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)人員都需除去擠進(jìn)阻抗管內(nèi)的密封材料。不同的密封材料密封效果不同，為了驗(yàn)證密封材料的性能，選取了凡士林、漿糊、橡皮泥、油泥四種密封材料做了一組對比實(shí)驗(yàn)，密封材料樣品如圖5所示。研究使用不同的密封材料分別進(jìn)行阻抗管路面吸聲系數(shù)的測試，測試結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用凡士林、漿糊、油泥做密封材料時，路面吸聲系數(shù)均出現(xiàn)不同程度負(fù)值，這說明密封效果不好，有一部分外部聲能進(jìn)入阻抗管，導(dǎo)致反射聲能大于入射聲能。而采用橡皮泥密封時，路面吸聲系數(shù)沒有負(fù)值，表明密封效果良好。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用橡皮泥做密封材料。

2.4 阻抗管現(xiàn)場測試方法

目前，國際上使用的路面吸聲系數(shù)的直接測試標(biāo)準(zhǔn)：ISO 13472-2，這種測試方法覆蓋的頻率范圍為63~1800 Hz，基本覆蓋了1/3倍頻程的頻率范圍(250 Hz~2 kHz)[14]。阻抗管現(xiàn)場測試系統(tǒng)示意圖如圖7所示。測試步驟如下，首先選取一段平整的路面，在路面上標(biāo)定測試點(diǎn)，清除測點(diǎn)地面孔隙中的小石子與灰塵，便于實(shí)驗(yàn)密封?？紤]到路面平均吸聲系數(shù)較低，一般小于0.15，因此需要對阻抗管的內(nèi)部聲強(qiáng)損失進(jìn)行校正。校正方法為，將阻抗管垂直放在光滑平坦、厚度至少為10 mm的鋼板上，測試鋼板的吸聲系數(shù)，然后將先前測得的路面吸聲系數(shù)減去鋼板的吸聲系數(shù)即為校正后的路面吸聲系數(shù)[15]。為減小誤差，本實(shí)驗(yàn)多次測量吸聲系數(shù)求平均值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)測試對象為常用水泥路面，選取了相距5 m的兩處水泥路面進(jìn)行實(shí)地測試，測試結(jié)果如圖8所示，測點(diǎn)1-1，1-2分別表示在測試點(diǎn)1處的兩次測試結(jié)果，測點(diǎn)2-1，2-2分別表示在測點(diǎn)2處的兩次測試結(jié)果。結(jié)果表明，同等路面條件下測得的吸聲系數(shù)曲線基本重合，測試穩(wěn)定性較高，證明阻抗管路面吸聲測試方法具有可靠性。通過打孔機(jī)鉆取測試點(diǎn)100 mm厚路面樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行阻抗管吸聲系數(shù)測試，同時通過空管測試及標(biāo)準(zhǔn)樣品測試進(jìn)行相應(yīng)的測量校準(zhǔn)。取出的路面樣品如圖9所示。

阻抗管現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室樣品測試結(jié)果的比較見圖10。

結(jié)果表明，兩者吸聲系數(shù)的峰值均出現(xiàn)在500 Hz，峰值相差0.027。兩者吸聲系數(shù)的差值小于0.04，小于測試允許誤差。兩者吸聲系數(shù)在800 Hz以上比較吻合，差值小于0.02；在250~630 Hz頻率范圍內(nèi)差值在0.02~0.038之間，且路面實(shí)測吸聲系數(shù)低于實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果。經(jīng)研究分析，現(xiàn)場實(shí)測時，由于周邊中低頻振動可通過地面?zhèn)鬟f、空氣輻射進(jìn)入阻抗管內(nèi)部，導(dǎo)致該頻段反射聲能增加，根據(jù)公式(1)，實(shí)測吸聲系數(shù)在該頻段范圍內(nèi)偏低。

4 結(jié)語

(1) 方便快捷地評價路面噪聲是低噪聲路面研究的重要問題之一，本文基于傳遞函數(shù)法原理，搭建了一套實(shí)地測試路面吸聲系數(shù)的阻抗管測試系統(tǒng)，提出了阻抗管適用于路面吸聲的改造結(jié)構(gòu)，可在不破壞路面結(jié)構(gòu)的條件下得到路面的吸聲系數(shù)，為今后工程的實(shí)際應(yīng)用提供了理論和實(shí)驗(yàn)支持。

(2) 本文討論了不同密封材料對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，測試結(jié)果表明，使用橡皮泥密封時，路面吸聲系數(shù)無負(fù)值，表明橡皮泥密封效果良好。

(3) 為驗(yàn)證該測試方法的可行性和測試系統(tǒng)的可靠性，本文基于對兩個地點(diǎn)的現(xiàn)場實(shí)測，發(fā)現(xiàn)同等路面條件下測得的吸聲系數(shù)曲線基本重合，測試穩(wěn)定性較高，證明阻抗管路面吸聲測試方法具有可靠性最佳。由此可知這套測試系統(tǒng)對于大面積路面在原理上可行，在實(shí)際應(yīng)用中簡便易操作。

(4) 為驗(yàn)證該測試方法的準(zhǔn)確性，本文做了幾組對比測試，發(fā)現(xiàn)路面實(shí)測結(jié)果與樣品測試結(jié)果差值小于0.04，小于測試允許誤差。兩者在800 Hz以上高度吻合，差值小于0.002；在250~630 Hz范圍內(nèi)差值在0.02~0.038之間，且路面實(shí)測結(jié)果低于實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果。這是由于周圍環(huán)境振動可通過地面?zhèn)鬟f，導(dǎo)致中低頻段反射聲能增加，造成現(xiàn)場實(shí)測吸聲系數(shù)偏小。因此本測試方法如何提高在中低頻區(qū)域的測試精度值得進(jìn)一步深入研究。

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A field test method of pavement absorption coefficient

LIU Sheng-nan,CAI Jun,WANG Ya-chen,YU Xiao-juan,LIU Ling

(School of Environmental Science and Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

In order to get the pavement soundabsorption coefficient without damaging the pavement structure, and to solve the problem of acceptance and test after the completion of some projects, the impedance tube structure is remolded, and the impedance tube test system is constructed. In the test, the pavement ischosen as the research subject, the influence of sealing material on the test results is studied. The pavement sound absorption coefficient istested according to the principle of the transfer function. Meanwhile, the feasibility of the measurement method and reliability of the measurement system with impedance tube was evaluated by comparing the field measurement results withthe laboratory results. The study results show that there is good sealing effect when the silly putty is used as seal material. The field measured sound absorption coefficient curves look alike. The difference of field measured sound absorption coefficient withthe soundabsorption coefficient of the sample pavement is less than 0.04 which is in the range of acceptable error, and they match better at the frequency more than 800 Hz, where the difference is less than 0.002. In the 250-630 Hz frequency range 250-630 Hz, the sound absorption coefficient of field measurement is lower than that that tested in laboratory,and the difference is between 0.02~0.038.

road engineering; field test method; impedance tube; pavement sound absorption coefficient; sealing material

U416.06

A

1000-3630(2015)-06-0535-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.013

2015-01-05;

2015-04-20

劉勝楠(1990－), 女, 河南信陽人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樵肼曃廴究刂啤?/p>

蔡俊, E-mail: juncai@sjtu.edu.cn