高速公路高架段橋下反射聲識(shí)別及改善措施

許榮均，林太山，王瑜評(píng)，胡秀蘭，王聰貴，胡佩儀，楊熾宗，劉法親，吳阜龍

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高速公路高架段橋下反射聲識(shí)別及改善措施

許榮均1，林太山1，王瑜評(píng)1，胡秀蘭2，王聰貴2，胡佩儀2，楊熾宗3，劉法親3，吳阜龍3

(1. 臺(tái)灣海洋大學(xué)系統(tǒng)工程暨造船學(xué)系；2. 臺(tái)灣世曦工程顧問股份有限公司；3. 高速公路局北區(qū)工程處)

臺(tái)灣因?yàn)橹猩礁咚俟烦休d量逐年不足，擬通過興建汐五高架來解決交通擁堵問題。該工程雖然有效地解決了交通擁堵問題，但高架橋的橋腹反而變成了平面路段交通噪聲的反射面，使當(dāng)?shù)卦性肼晢栴}更加嚴(yán)重。文章通過聲源識(shí)別技術(shù)取得現(xiàn)場(chǎng)不同聲源的貢獻(xiàn)量，其中以反射聲為環(huán)境噪聲的主要增量來源?；谇笆雎曉醋R(shí)別結(jié)果，針對(duì)橋底反射聲設(shè)計(jì)了不同幾何形狀的橋底吸聲裝置(W型以及倒N型吸聲裝置)，兩種橋底吸聲裝置的聲學(xué)檢測(cè)結(jié)果顯示，W型以及倒N型吸聲裝置的斜入射吸聲性能較平面型吸聲板好。另外依據(jù)實(shí)測(cè)成果可知，進(jìn)行大型工程的噪聲改善前，通過聲源識(shí)別技術(shù)區(qū)分出主要和次要噪聲源，并針對(duì)噪聲源提出最佳的改善方案，可大幅提升改善工程的效益。

反射面；聲源鑒別；反射聲；吸聲性能

0 引言

臺(tái)灣因?yàn)橹猩礁咚俟烦休d量逐漸不敷使用，于1991年開始興建汐五高架(見圖1)，并于1997年全線通車，本路段通車后效益明顯，已有效地解決了交通擁堵問題。但本路段因采用高架結(jié)構(gòu)，且橋梁緊鄰中山高速公路平面路段，高架橋的橋腹反而變成了平面路段交通噪聲的反射面，平面路段的交通噪聲向民宅反射，造成民宅環(huán)境的噪聲增加，對(duì)居民產(chǎn)生困擾。

臺(tái)灣對(duì)于交通運(yùn)輸?shù)脑肼暪苤茦?biāo)準(zhǔn)日趨完善，為使汐五高架鄰近住宅區(qū)的環(huán)境噪聲符合標(biāo)準(zhǔn)，本路段的主管機(jī)關(guān)擬定了噪聲改善計(jì)劃，期望通過聲學(xué)儀器的檢測(cè)，找出主要噪聲源，并設(shè)計(jì)改善措施，使有限的工程經(jīng)費(fèi)達(dá)到最大的改善效益。

圖1 中山高速公路以及拓寬路段路線數(shù)據(jù)

1 環(huán)境現(xiàn)況與噪聲源識(shí)別

本文調(diào)查地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖2所示，建筑物旁為單行道道路，建筑物與高架橋距離約7.9 m，高架橋結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力I型梁以及鋼箱型梁。本文作者在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查期間，發(fā)現(xiàn)此地聲場(chǎng)環(huán)境極為復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)噪聲源可能有：直達(dá)聲、反射聲、繞射聲以及橋梁伸縮縫噪聲，這些噪聲的傳遞路徑示意如圖3所示。

圖2 項(xiàng)目所在路段環(huán)境現(xiàn)況

圖3 改善路段噪聲源以及聲音傳播路徑示意

為了了解中山高速各交通噪聲的傳播路徑，以及其對(duì)敏感建筑物不同樓層的影響，在本路段某戶民宅的1樓(高度低于路面聲屏障)、3樓(高度與路面聲屏障高度相近)、5樓(高于路面聲屏障高度)進(jìn)行數(shù)組聲學(xué)攝影分析儀測(cè)量(見圖4)及噪聲源識(shí)別，期望通過識(shí)別結(jié)果獲知敏感建筑物的主要環(huán)境噪聲源，并對(duì)其提出改善措施，以降低對(duì)鄰近住戶的噪聲干擾。

通過數(shù)組聲學(xué)攝影分析儀獲取各噪聲源的噪聲級(jí)大小，相關(guān)結(jié)果如表1與圖5所示，由表1可知改善地點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)的主要噪聲源為橋底板的反射聲以及平面段的繞射聲。繞射聲的解決方案可通過加高聲屏障來解決，而來自橋底的反射聲則可通過橋底安裝吸聲板進(jìn)行降噪，加高聲屏障在工程技術(shù)上并無難度，故下文將針對(duì)橋底吸聲板進(jìn)行簡(jiǎn)介。

圖4 聲學(xué)攝影分析儀

表1 計(jì)劃路段橋下交通噪聲源識(shí)別結(jié)果(單位：dB(A))

圖5 現(xiàn)場(chǎng)噪聲源識(shí)別照片

2 橋底反射聲改善措施設(shè)計(jì)

依據(jù)文獻(xiàn)[1]，橋下吸聲板面板外形有平面型及凸形面(W型、圓筒等)兩大類。中山高速公路噪聲經(jīng)此兩類吸聲板的一次反射或二次反射后，聲波會(huì)朝向敏感建筑物(如圖6所示)。為降低橋下反射聲聲級(jí)及改變其傳播方向，本文建議吸聲板面板采用倒Ｎ型(如圖7所示)，入射聲與吸聲體斜邊平行，中山高架上的聲音多數(shù)能量經(jīng)二次吸收，即使有殘余的能量也是傳向橋下，使反射至敏感建筑物的噪聲級(jí)最小化。

圖6 橋下W型吸聲板聲波反射路徑

圖7 橋下倒Ｎ型吸聲板聲波反射路徑

3 橋底吸聲裝置聲學(xué)性能測(cè)試

為了分析吸聲面板外形吸聲系數(shù)的變化，作為本計(jì)劃的設(shè)計(jì)參考，仍以日本常見的面板型、W型，以及本工作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的倒N型吸聲裝置進(jìn)行吸聲板樣品反射系數(shù)調(diào)查測(cè)量，采用的測(cè)量方法為日本國(guó)土交通省推薦的吸聲材料測(cè)試方法，相關(guān)測(cè)試內(nèi)容說明如下。

本方法主要通過揚(yáng)聲器分別以四種不同的角度0°(垂直入射)、15°(p/12)、30°(p/6)、45°(p/4)斜向往測(cè)試體發(fā)出脈沖信號(hào)，并通過麥克風(fēng)測(cè)量從硬質(zhì)面和測(cè)試樣品反射回來的聲信號(hào)(反射聲)與從揚(yáng)聲器發(fā)出的聲信號(hào)(直達(dá)聲)。最后從時(shí)域信號(hào)中分離直達(dá)聲和反射聲，并求出只從測(cè)試樣品來的反射聲與從硬質(zhì)面來的反射聲的能量比，從而得到斜入射吸聲系數(shù)。

測(cè)試過程中，本方法在半徑為3 m的垂直方向的圓周上布點(diǎn)，進(jìn)行不同角度的測(cè)試，其中入射角度在0°之外的角度測(cè)量時(shí)，聲源和麥克風(fēng)法向?qū)ΨQ布置在圓周上，而在0°，聲源布置在離硬質(zhì)地面3 m處，麥克風(fēng)布置在離硬質(zhì)地面2.5 m處，設(shè)置吸聲板在硬質(zhì)地面時(shí)，聲源、麥克風(fēng)的配置也以硬質(zhì)地面為基準(zhǔn)(如圖8所示)。

圖8 斜入射測(cè)試儀器配置[2-3]

圖9 斜入射信號(hào)處理方法

Fig.9 Oblique incident signal processing method

本文共試作了平板型、W型，以及倒N型三種吸聲面板，如圖10所示，吸聲材料相關(guān)結(jié)構(gòu)形式及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情形如圖11所示。

圖10 吸聲裝置側(cè)視及剖面圖

平板型吸聲板

倒N型吸聲板

W型吸聲板

三種類型吸聲裝置的平均斜入射吸聲系數(shù)比較結(jié)果如圖12所示。測(cè)試數(shù)值與日本文獻(xiàn)相近，倒N型吸聲板在315 Hz以上頻段平均斜入射吸聲系數(shù)均達(dá)到0.9以上。三種吸聲裝置中以倒N型吸聲板的平均吸聲系數(shù)及低頻吸聲效果最好，其構(gòu)造主要為改變聲波傳遞路徑，目的使敏感接收點(diǎn)所接收到的反射能量較小。因此參照平均斜入射吸聲系數(shù)的檢測(cè)結(jié)果，以及計(jì)劃路段中山高速聲波傳遞路徑，與兩側(cè)敏感受體所在區(qū)位關(guān)系，針對(duì)超標(biāo)路段增設(shè)的橋下吸聲板，建議采用倒N型吸聲板。

圖12 不同外形之橋下吸聲板平均斜入射吸聲系數(shù)比較

4 降噪措施之效果預(yù)估

依據(jù)前述的噪聲源識(shí)別結(jié)果，改善地點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)的主要噪聲源為橋底板的反射聲以及平面段交通噪聲的繞射聲。繞射聲可通過加高聲屏障的方式來解決，而來自橋底的反射聲則可通過橋底吸聲板進(jìn)行降噪，本文利用聲場(chǎng)模擬軟件Cadna A評(píng)估降噪方案，其結(jié)果如圖13所示，其中紅色代表聲壓級(jí)大于73 dB(A)，藍(lán)色代表聲壓級(jí)介于73～70 dB(A)，綠色代表聲壓級(jí)小于70 dB(A)。本評(píng)估方案采用的降噪措施為橋下吸聲板加上聲屏障(直立5 m，弧形1.5 m)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)(如表2所示)，本路段在改善前，81%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)交通噪聲超過陸上運(yùn)輸系統(tǒng)噪聲管制標(biāo)準(zhǔn)值73 dB(A)(夜間)，11%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)介于70～73 dB(A)之間，聲壓級(jí)小于70 dB(A)占全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的8%；在采用改善措施后，所有測(cè)點(diǎn)均不超出73 dB(A)(夜間)，43%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)介于70～73 dB(A)，其余測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)均小于70 dB(A)，這說明改造后本路段所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的交通噪聲均已符合陸上運(yùn)輸系統(tǒng)噪聲的管制標(biāo)準(zhǔn)[1-4]；另外，經(jīng)統(tǒng)計(jì)顯示：本路段降噪效果小于3 dB的監(jiān)測(cè)點(diǎn)占9%，降噪效果介于3～5 dB的監(jiān)測(cè)點(diǎn)占13%，降噪效果大于5 dB的監(jiān)測(cè)點(diǎn)占78%，這表明本改善路段在采用橋下吸聲板+聲屏障(直立5 m，弧形1.5 m)后，降噪效果顯著。

圖13 改善路段與預(yù)估結(jié)果

表2 噪音改善結(jié)果百分比預(yù)估

備注：表格中數(shù)值代表介于該音量間的檢測(cè)點(diǎn)之百分比。

5 結(jié)論

本文通過聲學(xué)攝影機(jī)對(duì)噪聲改善地點(diǎn)進(jìn)行聲源識(shí)別，識(shí)別結(jié)果顯示該處的噪聲源主要為橋腹反射聲。依據(jù)此結(jié)果，本文以改變聲音傳遞路徑的方式設(shè)計(jì)出W型以及倒N型吸聲板，并利用日本國(guó)土交通省推薦的吸聲材料測(cè)試方法，針對(duì)新設(shè)計(jì)的吸聲板進(jìn)行測(cè)試。實(shí)測(cè)效果顯示，兩種吸聲板的吸聲系數(shù)均比平面型吸聲板高，其中又以倒N型吸聲板的效果最好。因此未來該計(jì)劃路段的高架橋梁裝配此吸聲板后，可大幅降低該處的橋底反射聲。

[1] 臺(tái)灣高速公路局北區(qū)工程處. 高架橋梁下噪音改善設(shè)施規(guī)畫設(shè)計(jì)服務(wù)工作期末報(bào)告[R]. 2016.

[2] 福原博篤. 道路交通騒音. 鐵道騒音の低減手法－斜入射吸音率で評(píng)価する吸音材とその施工法[C]//振動(dòng)道路與軌噪音改善工程規(guī)劃設(shè)計(jì)最新技術(shù)研習(xí)會(huì), 2009.

[3] 田中俊光, 杉本理恵, 木下伸一, 等. 騒音低減効果の大きな高架道路里面吸聲板の開発[J]. 神戸制鋼技報(bào), 1999, 49(2): 69-73.Toshimitsu Tanaka, Rie Sugimoto, Shinichi Kinoshita, et al. Development of highly effective sound absorbing panel for the underside of elevated roads[J]. 神戸制鋼技報(bào), 1999, 49(2): 69-73.

[4] 環(huán)境保護(hù)署. 陸上運(yùn)輸系統(tǒng)噪音管制標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2013.Environmental Protection Administration. Noise control standard for ground transportation systems[S]. 2013.

Identification and improvement of reflected sound field under the elevated sections of a freeway

XU Rong-jun1, LIN Tai-shan1, WANG Yu-ping1, HU Xiu-lan2, WANG Cong-gui2,HU Pei-yi2, YANG Chi-zong3, LIU Fa-qin3, WU Fu-long3

(1. Department of Naval Architecture, Taiwan Ocean University; 2. CECI Engineering Consultants, Inc.;3. Nothern Region Engineering Office, TANFB)

In order to enhance the carrying capacity of Zhongshan freeway, Taiwan had construct elevated freeway sections from Xizhi to Wugu. Although the project effectively solved the traffic congestions, the bottom portion of the bridges became noise reflecting surfaces and resulted in a much more severe noise problem. In this paper, the sound source identification technology using acoustic camera has been used, and the contribution of different sources of sound has been identified. The result indicates that the reflecting portion of noise is the primary source of the traffic noise. Based on this result, this paper designed two sound-absorbing devices with different geometry (W and N type) for bridge bottom surface, and from the test results, it was confirmed that the absorption coefficients for oblique incidence of these two types of devices are better than the plane surface type. In addition, it is suggested that the sound source identification technique be used to locate primary noise sources before large-scale noise abatement projects initiates, and thus optimal noise reduction methods can be proposed, and therefore greatly enhance the benefit of noise abatement projects.

reflection surface; sound source identification; reflecting sound; absorbing performance

TB551

A

1000-3630(2017)-03-0276-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.014

2017-02-14;

2017-04-18

許榮均(1958－), 男, 臺(tái)灣臺(tái)中人, 美國(guó)麻省理工學(xué)院博士, 教授, 研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)分析與量測(cè)、聲場(chǎng)預(yù)測(cè)與量測(cè)、吸隔聲裝置之設(shè)計(jì)與開發(fā)等。

許榮均, E-mail: rjs@mail.ntou.edu.tw