道路斜角式聲屏障的設(shè)計與反射噪聲控制

文劍鋒，蔣嚴(yán)波

道路斜角式聲屏障的設(shè)計與反射噪聲控制

文劍鋒1，蔣嚴(yán)波2

（1.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南長沙410000；2.廣西壯族自治區(qū)公路橋梁工程總公司，廣西南寧530001）

目前我國的道路聲屏障設(shè)計主要解決噪聲的直接污染，對噪聲的繞射污染、噪聲的透射污染作了部分考慮。而對于噪聲的反射污染考慮相對較少；同時從聲屏障結(jié)構(gòu)形式上看，以直立式為主。這不可避免地在一定程度上惡化了行車區(qū)域內(nèi)的聲環(huán)境和視覺環(huán)境。本文針對上述問題，提出了道路斜角式聲屏障的解決方案，在滿足繞射和透射污染的控制基礎(chǔ)上，解決對反射噪聲的控制問題。并通過對斜角式聲屏障最優(yōu)降噪效益角度的分析，初步完成了斜角式聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

道路；噪聲控制；道路斜角式聲屏障；反射噪聲；降噪效益角度

引言

道路兩側(cè)未設(shè)聲屏障時，交通噪聲直接到達接受點，形成噪聲的直接污染；噪聲點與接受點之間設(shè)置了聲屏障以后，聲波的傳播可以通過以下幾種途徑到達接受點形成間接污染：越過聲屏障頂部的噪聲繞射污染、聲屏障的噪聲反射污染、以及穿過聲屏障的噪聲污染透射。噪聲繞射污染主要與聲屏障的垂直高度有關(guān)；噪聲透射污染主要與聲屏障的材料性質(zhì)有關(guān)；而噪聲反射污染不僅與聲屏障的垂直高度、聲屏障的材料性質(zhì)有關(guān)，更主要的取決于聲屏障的幾何構(gòu)造。

本文根據(jù)目前我國道路噪聲防護的優(yōu)缺點分析，提出道路斜角式聲屏障，在滿足傳統(tǒng)聲屏障繞射和透射污染控制的基礎(chǔ)上，解決傳統(tǒng)聲屏障忽略對反射噪聲的控制的問題，并通過對斜角式聲屏障最優(yōu)降噪效益角度的分析，初步完成了斜角式聲屏障的設(shè)計。

1 道路聲屏障現(xiàn)狀

1.1 聲屏障的發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)交通噪聲所采用的防護分直立式聲屏障、半封閉式聲屏障以及全封閉式聲屏障三種類型。對公路或城市道路，主要采用前兩種聲屏障形式。

1.2 目前道路用聲屏障存在的設(shè)計缺陷

傳統(tǒng)道路聲屏障，主要解決噪聲直接污染，通過設(shè)置聲屏障的垂直高度來控制噪聲的繞射污染。對于噪聲的反射污染和透射污染的考慮較少，存在以下缺陷。

1.2.1 忽略對反射噪聲的控制

目前的降噪模型，聲波在兩側(cè)聲屏障之間的反射所形成的噪聲。首先，當(dāng)?shù)缆穬蓚?cè)設(shè)置，聲波會在兩側(cè)聲屏障之間產(chǎn)生反射現(xiàn)象，降低行車的安全性和舒適性。其次，反射聲波越過聲屏障頂端，在道路兩側(cè)聲屏障外產(chǎn)生噪聲污染，與繞射噪聲和透射噪聲共同構(gòu)成間接噪聲。

1.2.2 彎道處行車視距的充分度

聲屏障的設(shè)置顯然會影響到道路交通的行車視距，在道路平面上的彎道處布置聲屏障有可能造成彎道內(nèi)側(cè)行車視線不足。

1.2.3 舒適度與采光量

傳統(tǒng)聲屏障，在行車區(qū)域產(chǎn)生光影區(qū)，司機易產(chǎn)生視覺錯覺，影響行車安全。同時，單調(diào)的墻、板，會給人們造成壓抑感，而非透明材料的聲屏障，會影響汽車司乘人員的視線。

2 道路斜角式聲屏障的設(shè)計

文獻［1］曾按聲學(xué)元件的不同提出了擴散反射型和吸聲共振型兩類模型。但在目前的技術(shù)情況下，聲屏障材料的實際吸聲系數(shù)1-|Rθ|2不等于1，能量反射系數(shù)|Rθ|2不等于0［2］。故用這種理論提出的模型有其局限性。筆者根據(jù)斯涅耳（Snell）定律，首次提出了斜角式聲屏障的概念，通過對聲屏障平面與地面的夾角——降噪效益角度進行理論推導(dǎo)，實現(xiàn)降噪效果的優(yōu)化控制。

2.1 斜角式聲屏障的聲學(xué)原理

如圖1所示，在道路的兩側(cè)布置聲屏障后，聲波在傳播的過程中遇到聲屏障平面，會按照斯涅爾定律發(fā)生反射，入射線與反射線的夾角隨入射點位置的升高而增大，傳播到界面的聲波就會被分解成許多比較弱的反射聲波。在聲屏障界面與地平面之間設(shè)置一個斜角，并根據(jù)斯涅爾定律確定該斜角（本文將其定義為降噪效益角度）的范圍，使聲屏障接受面上的大部分聲波經(jīng)一次反射后即進入聲屏障頂部上空，從而屏蔽直射聲波，又減少因設(shè)置聲屏障而在行車線內(nèi)外所產(chǎn)生的大量反射聲波，隔聲構(gòu)件稱為斜角式聲屏障。

圖1 斜角式聲屏障

2.2 道路等效聲源高度、等效車身高度的規(guī)定

等效聲源的高度根據(jù)道路上行駛車輛的車型比、各類型車輛的平均聲功率級和各類型車輛的聲源高度統(tǒng)計資料，按如下辦法綜合確定。［3］

道路等效聲源高度Hs按下式計算：

Hs=1.5B+1.0S+0.8L

式中：B——普通汽車、載重汽車、鉸接車比例%；

S——小客車比例%；

L——小汽車比例%。

道路等效車身高度Hm按下式計算：

Hm=4B+2S+1.6L

式中：B——普通汽車、載重汽車、鉸接車比例%；

S——小客車比例%；

L——小汽車比例%。

2.3 斜角式聲屏障的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

道路斜角式聲屏障的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，除確定聲屏障的位置、聲屏障的高度以及聲屏障的有效長度，還需設(shè)計聲屏障斜角。

2.3.1 斜角式聲屏障的位置、設(shè)計接受點

傳統(tǒng)理論在聲屏障位置的布置問題上，主要考慮了行車安全和道路景觀等因素，一般根據(jù)需要設(shè)置聲屏障地段的具體情況而定。國外規(guī)定［4］，聲屏障距行車道邊的最小距離（包括路肩）約9.0m。我國一般規(guī)定聲屏障中心線距路肩邊緣不小于2.0m［3］。斜角式聲屏障的位置，參照傳統(tǒng)聲屏障位置的設(shè)置。接受點一般根據(jù)道路兩側(cè)建筑物噪聲敏感點的調(diào)查資料。

2.3.2 斜角式聲屏障高度的確定

設(shè)計時在滿足噪音衰減量的前提下，應(yīng)努力使屏障的高度既經(jīng)濟又合理。同時，為了降低聲屏障的風(fēng)荷載，聲障板（墻）的高度一般不宜超過5m［5］。斜角式聲屏障的垂直高度設(shè)計亦采用這一方法。

2.3.3 斜角式聲屏障有效長度的確定

道路聲屏障有效長度的確定應(yīng)當(dāng)滿足聲源經(jīng)過聲屏障頂端繞射傳至接收點的聲級值遠(yuǎn)高于聲源在聲屏障范圍以外傳至接收點的聲級值的設(shè)計原則。聲屏障的有效長度應(yīng)大于其保護對象沿道路方向的長度，同時兼顧保護對象的性質(zhì)、規(guī)模和聲屏障的造價等因素［6］。

2.3.4 斜角式聲屏障的角度設(shè)計

斜角式聲屏障的角度設(shè)計是其降噪設(shè)計的關(guān)鍵。在不影響繞射、透射噪聲控制的條件下，通過斜角式聲屏障的角度設(shè)計來實現(xiàn)道路行車線內(nèi)、道路兩側(cè)的反射噪聲的控制，這個角度的范圍稱為降噪效益角度范圍。反射噪聲污染的控制，通過聲屏障斜角來實現(xiàn)。根據(jù)所需控制范圍，可分為行車線內(nèi)的反射噪聲控制和行車線外反射噪聲控制。

行車線內(nèi)反射噪聲污染控制角度推導(dǎo)，計算圖示見圖2。

圖2 線內(nèi)反射噪聲控制效益角度E的推導(dǎo)

斜角式聲屏障投影寬度L0，其高度為Hb，則可建立如下關(guān)系：

由反三角函數(shù)得：

同理，β推理得：

由α、β與E的關(guān)系得效益角度為：

按照式（4）對部分線內(nèi)降噪效益角度計算。

從行車線外反射噪聲污染控制角度推導(dǎo)，計算圖示見圖3。接受點（假設(shè)地平面為同一高度）的高度為Ha，入射點a點到b′的水平距離為2L0+L2，建如下關(guān)系：

圖3 線外反射噪聲控制效益角度E的推導(dǎo)

又因為聲源點的高度為Hs，到入射點a水平距離為L1+L2/ 2，建如下關(guān)系：

由反三角函數(shù)得：

由反三角函數(shù)得：

由α、β與E的關(guān)系得效益角度為：

按照式（9）進行部分線外降噪效益角度計算。

2.4 斜角式聲屏障與傳統(tǒng)直立式聲屏障隔聲效果的比較

通過計算和分析，采用與其它類型聲屏障相同構(gòu)造材料、厚度、高度的斜角式聲屏障，隔聲量增大。直立式聲屏障、半封閉式聲屏障（豎直部分）是當(dāng)斜角式聲屏障的斜角E等于90°時的一種特殊幾何形式。

3 斜角式聲屏障的優(yōu)缺點分析

3.1 反射噪聲的有效控制

行車線內(nèi)反射噪聲的控制：道路兩側(cè)設(shè)立斜角式聲屏障，聲波會在兩側(cè)聲屏障之間產(chǎn)生反射現(xiàn)象，聲波在聲屏障之間經(jīng)過少數(shù)幾次反射后便進入聲屏障頂端區(qū)域。降低了行車區(qū)域內(nèi)的噪聲強度，提高行車安全性和舒適性。

行車線外反射噪聲的控制：反射聲波影響區(qū)的下邊界位置抬高，在聲影區(qū)內(nèi)的影響范圍縮小，當(dāng)斜角為降噪效益角度時，影響范圍消失，這對于道路兩側(cè)的聲敏感地帶的降噪效果提高。

3.2 其它性能優(yōu)化

斜角式聲屏障在彎道處的行車視距比傳聲屏障的行車視距要長，利于行車安全。斜角式聲屏障的幾何形狀為向上敞開的喇叭形，在行車區(qū)域所產(chǎn)生的光線陰影區(qū)小，改善視覺環(huán)境。

3.3 斜角式聲屏障的缺點及解決方案

斜角式聲屏障的理論占地面積較傳統(tǒng)聲屏障的用地面積增大。對此，可以充分開發(fā)利用其投影面地下空間，配合市政公用設(shè)施建設(shè)，實現(xiàn)土地資源綜合利用。

4 結(jié)論

本文針對目前我國道路噪聲控制措施存在的缺陷 （忽略了對反射噪聲的處理、惡化了行車區(qū)域聲環(huán)境和視覺環(huán)境，不利于交通安全與舒適），首次提出了“道路斜角式聲屏障”，在滿足繞射和透射噪聲污染控制的基礎(chǔ)上，利用傾斜的聲屏障將反射噪聲聲能疏散于聲屏障頂部空中，從而達到治理反射噪聲的目的。

本文通過道路斜角式聲屏障的位置、垂直高度、有效長度以及其最優(yōu)降噪角度確定原則的確定，初步完成道路斜角式聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

［1］楊滿宏，羅宏劍.不同聲學(xué)元件在公路聲屏障中的應(yīng)用.環(huán)境工程，1999（6）：41～53.

［2］馬大酋.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ).科學(xué)出版社，2002.

［3］交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路聲屏障設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范.人民交通出版社，2004.

［4］CinnyFinch，EnvironmentalResearch：HelpingHighwayImprovethe QualityofLife，PublicRoads，Spring1995.

［5］章 力，鄭長聚.用菲涅耳半波帶法計算聲屏障的插入損失.聲學(xué)學(xué)報，1988（5）：299～335.

［6］張新華，天新浩，劉達德.160km/h準(zhǔn)高速鐵路橋梁聲屏障聲學(xué)設(shè)計.噪聲與振動控制，1999（1）：30～34.

U291.12

A

2095-2066（2016）29-0193-02

2016-9-30

文劍鋒（1984-），男，工程師，本科，主要從事水工建筑設(shè)計和公路設(shè)計工作。