瀝青混合料吸聲性能

王 輝， 董欣雨， 鄧 喬， 石 磊

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展使汽車(chē)數(shù)量與日俱增，噪聲污染日益突出.鋪筑低噪聲路面是降低道路交通噪聲的一種經(jīng)濟(jì)有效的工程措施.國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的低噪聲路面形式多種多樣，如多孔瀝青路面、骨架密實(shí)型低噪聲瀝青路面等，它們均有優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)條件[1-4].汽車(chē)噪聲主要來(lái)源于動(dòng)力系統(tǒng)的噪聲、輪胎與地面摩擦產(chǎn)生的噪聲以及車(chē)身與風(fēng)摩擦產(chǎn)生的噪聲[5-7]，其聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)發(fā)生不規(guī)則反射、折射和衍射等現(xiàn)象，會(huì)引起能量損耗[8]，這一損耗過(guò)程稱(chēng)為聲波的吸收.材料吸收聲波能力的大小可用吸聲系數(shù)表示[9].吸聲系數(shù)即材料吸收聲能與入射聲能的比值，它是表征瀝青混合料吸聲性能的一個(gè)重要指標(biāo)，目前可用管測(cè)法和混響室法測(cè)量[10-12].

本文采用雙傳聲器傳遞函數(shù)法測(cè)試瀝青混合料級(jí)配類(lèi)型、空隙率、試件厚度和噪聲頻率對(duì)其吸聲系數(shù)的影響，比較各類(lèi)瀝青混合料的吸聲性能，以探索其在各因素影響下的吸聲規(guī)律.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

瀝青采用70#A級(jí)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和橡膠瀝青.其中基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青檢驗(yàn)合格；橡膠瀝青中的橡膠粉以內(nèi)摻形式摻入，粒徑選用250μm(60目)，摻量(以瀝青質(zhì)量百分比計(jì))分別為15%，20%和25%，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.設(shè)計(jì)了瀝青混凝土混合料(AC-13)，瑪蹄脂碎石瀝青混合料(SMA-13)，開(kāi)級(jí)配抗滑磨耗層瀝青混合料(OGFC-13)和骨架密實(shí)型橡膠瀝青混合料(SDARC-13)4種瀝青混合料.各瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表1 橡膠瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

表2 瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

表3 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

Note：VV—air void；VMA—void in mineral aggregate；VFA—void filled with asphalt.

為比較不同級(jí)配類(lèi)型瀝青混合料吸聲系數(shù)的差異，在進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試之前，車(chē)轍板試件被切割成尺寸為80mm×80mm×20mm，80mm×80mm×40mm，80mm×80mm×60mm的棱柱體.

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 雙傳聲器測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual microphone measurement

汽車(chē)行駛產(chǎn)生的路面噪聲聲波入射到路面時(shí)，部分被路面反射，部分會(huì)入射到材料內(nèi)部.依靠路面材料空隙內(nèi)氣體分子間的黏滯阻力，聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮鼙缓纳?目前混響室法用于測(cè)量無(wú)規(guī)則入射聲波，理論上更接近于路面吸聲的實(shí)際情況，但它要求的試件面積較大；管測(cè)法分為駐波管法和傳遞函數(shù)法[13]，它要求的試件面積小，容易制作，也能夠準(zhǔn)確測(cè)量聲波法向入射時(shí)的吸聲系數(shù)，另外其中的傳遞函數(shù)法能夠一次測(cè)量多個(gè)頻率的吸聲系數(shù)，在測(cè)試效率上優(yōu)于駐波管法[14].因此本文采用雙傳聲器傳遞函數(shù)法來(lái)測(cè)試各類(lèi)瀝青混合料的吸聲系數(shù).雙傳聲器傳遞函數(shù)法主要通過(guò)測(cè)量固定在聲阻抗管中2個(gè)傳聲器處的聲壓值，計(jì)算2個(gè)傳聲器處的通道函數(shù)，得到聲波法向入射時(shí)的吸聲系數(shù)[15].雙傳聲器傳遞函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)主要由聲阻抗管(聲阻抗管由聲源、聲源筒和試件筒組成)、測(cè)量傳聲器、功率放大器和分析儀等組成，其測(cè)試原理圖見(jiàn)圖1.試驗(yàn)采用的聲阻抗管由湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載學(xué)院自主開(kāi)發(fā).聲阻抗管的驗(yàn)證試驗(yàn)如圖2所示.由圖2(a)可見(jiàn)，當(dāng)阻抗管的一端放置吸音棉時(shí)，聲波基本被吸收，吸聲系數(shù)接近于1；由圖2(b)可見(jiàn)，當(dāng)阻抗管的一端放置有機(jī)玻璃板時(shí)，大部分聲波被反射，吸聲系數(shù)接近于0.驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明該儀器能滿足吸聲系數(shù)測(cè)試要求.

圖2 聲阻抗管驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.2 Verification test of impedance tube

2 測(cè)試結(jié)果分析

因汽車(chē)行駛時(shí)噪聲峰值頻率一般在600～1200Hz，故將雙傳聲器傳遞函數(shù)法測(cè)試頻率控制在此范圍之內(nèi).瀝青混合料吸聲系數(shù)在不同噪聲頻率下的變化曲線見(jiàn)圖3.

圖3 瀝青混合料吸聲系數(shù)在不同噪聲頻率下的變化曲線Fig.3 Variation curves of sound absorption coefficient with frequency of asphalt mixtures

2.1 瀝青混合料類(lèi)型的影響

由圖3可見(jiàn)：OGFC-13瀝青混合料吸聲系數(shù)的峰值最大，6cm厚的OGFC-13瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值高達(dá)0.83，是同厚度AC-13，SMA-13和SDARC-13(橡膠粉摻量25%)瀝青混合料的2.0，1.8和1.3倍；隨著試件厚度的減小，OGFC-13瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值高出倍數(shù)相應(yīng)增大，2cm厚的OGFC-13瀝青混合料試件吸聲系數(shù)峰值為0.74，是同厚度AC-13，SMA-13和SDARC-13(橡膠粉摻量25%)瀝青混合料的3.5，3.1和1.9倍；相比密級(jí)配瀝青混合料(AC-13，SMA-13和SDARC-13)，開(kāi)級(jí)配瀝青混合料(OGFC-13)表現(xiàn)出更優(yōu)秀的吸聲性能.主要因?yàn)楹笳邇?nèi)部分布著相互貫通的空隙，當(dāng)聲波入射到該材料表面時(shí)，會(huì)沿著貫通的空隙發(fā)生折射和衍射，對(duì)聲波的能量有相當(dāng)程度的損耗；而前3類(lèi)均為密實(shí)型瀝青混合料，連通的空隙率較小，聲波的能量損耗較小.

2.2 瀝青混合料厚度的影響

由圖3還可見(jiàn)：當(dāng)瀝青混合料厚度由2cm增至4cm時(shí)，瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的頻率向低頻方向移動(dòng)；當(dāng)瀝青混合料厚度由4cm增至6cm時(shí)，其吸聲系數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的頻率稍向高頻方向移動(dòng)，但仍小于厚度為2cm的瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值所對(duì)應(yīng)的頻率，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)增加瀝青混合料厚度有利于低頻噪聲的吸收；瀝青混合料厚度為 2～6cm時(shí)，厚度越大，其吸聲系數(shù)越大，這是由于瀝青混合料厚度增加使得聲波入射后經(jīng)過(guò)的空隙通道長(zhǎng)度隨之增加，在空隙內(nèi)發(fā)生折射和衍射次數(shù)增多，損耗了更多的能量，對(duì)聲波的吸收能力增大；當(dāng)瀝青混合料厚度從4cm 增至6cm時(shí)，其吸聲系數(shù)增大幅度明顯減小，說(shuō)明瀝青混合料的吸聲性能可能受到空氣流阻的影響，并不會(huì)無(wú)限地隨著瀝青混合料厚度的增加而增強(qiáng).

2.3 頻率的影響

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)瀝青混合料厚度為2，4cm時(shí)，各類(lèi)瀝青混合料吸聲系數(shù)出現(xiàn)了多個(gè)峰值，規(guī)律性較差，但總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)試件厚度為6cm時(shí)，各類(lèi)瀝青混合料隨頻率呈現(xiàn)出較好的規(guī)律性，其吸聲系數(shù)均先隨著頻率的增大而增大至峰值(均集中在800Hz附近)，然后隨著頻率的進(jìn)一步增大而逐漸減小.

2.4 瀝青混合料空隙率的影響

不同空隙率瀝青混合料的吸聲系數(shù)峰值變化如圖4所示.

圖4 不同空隙率瀝青混合料的吸聲系數(shù)峰值變化Fig.4 Peak value of sound absorption coefficient of asphalt mixtures with different air voids

由圖4可見(jiàn)：OGFC-13瀝青混合料的空隙率為20.60%，高出其他瀝青混合料4.2～5.3倍，表現(xiàn)出最優(yōu)的吸聲性能；SDARC-13瀝青混合料空隙率為4.50%～4.90%，雖遠(yuǎn)小于OGFC-13瀝青混合料，但比AC-13和SMA-13瀝青混合料空隙率稍大，其吸聲系數(shù)峰值也相對(duì)較高，且隨著橡膠粉摻量的增加而增大，這主要是由于橡膠粉在瀝青混合料中能形成絮狀的多空隙結(jié)構(gòu)，并改善了瀝青混合料的柔性性能，從而提高了其吸聲性能；AC-13和SMA-13瀝青混合料試件空隙率較小，其中后者吸聲系數(shù)峰值比前者略高出0.03～0.05，兩者平均吸聲系數(shù)基本持平.

3 結(jié)論

(1)OGFC-13瀝青混合料的吸聲性能優(yōu)于AC-13，SMA-13和SDARC-13橡膠瀝青混合料，且厚度為2cm的OGFC-13瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值高出其他3類(lèi)瀝青混合料1.9～3.5倍，說(shuō)明開(kāi)級(jí)配瀝青混合料吸聲性能優(yōu)于密級(jí)配瀝青混合料.

(2)空隙率是影響瀝青混合料吸聲性能的重要因素.隨著空隙率的增大，瀝青混合料的吸聲性能也出現(xiàn)大幅度提升.

(3)橡膠粉的摻入對(duì)瀝青混合料的吸聲性能有一定的改善作用.隨著橡膠粉摻量的增加，SDARC-13瀝青混合料的吸聲系數(shù)呈小幅升高，吸聲性能有所提高.

(4)瀝青混合料吸聲性能的優(yōu)劣與試件厚度有關(guān)，在一定厚度范圍內(nèi)，厚度越大，吸聲性能越好，尤其是對(duì)低頻噪聲的吸收.超過(guò)某一厚度范圍時(shí)再增加厚度對(duì)瀝青混合料吸聲性能的提高效果不再明顯.瀝青混合料吸聲性能的優(yōu)劣還與聲波頻率有關(guān)，只有在一定的頻率范圍內(nèi)才會(huì)表現(xiàn)出較好的吸聲性能.

致謝：感謝湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載學(xué)院王剛教授及其科研團(tuán)隊(duì)為本文提供的相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備和幫助.