不同鋪設(shè)方式對(duì)木奇消音降噪能力的影響

沈亞鵬， 耿鵬， 蔡亞慧， 吳坤

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

木奇(mulch)是指各類土壤覆蓋物，并根據(jù)所用材料的不同分為有機(jī)覆蓋物(organic mulch)和無機(jī)覆蓋物(inorganic mulch)[1]。有機(jī)覆蓋物是利用各種有機(jī)物料經(jīng)過機(jī)器粉碎加工處理后制得的鋪設(shè)于裸土或者栽培植物周圍的覆蓋物[2]。劉巧玲等[3]選取不同覆蓋物對(duì)土壤的保水能力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)5種覆蓋材料的保水性能都優(yōu)于空白對(duì)照。王琴等[4]采用稻草秸稈覆蓋，對(duì)土壤溫度以及植物萌發(fā)率進(jìn)行比較，結(jié)果表明秸稈覆蓋能夠調(diào)節(jié)土壤溫差，增加植物萌發(fā)率。裴躍峰等[5]探究了不同覆蓋對(duì)土壤水熱的影響，發(fā)現(xiàn)覆蓋后土壤蓄水保墑效果優(yōu)于對(duì)照。夏妮等[6]發(fā)現(xiàn)木奇可以有效提高土壤堿解氮、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量，且土壤含水量提高了23.6%。沈亞鵬等[7]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)木奇質(zhì)量為1 g、pH值為3、溫度20 ℃、振蕩時(shí)間為60 min時(shí)木奇對(duì)苯酚的去除率可達(dá)65.9%。目前，相關(guān)研究多從木奇對(duì)土壤的理化性質(zhì)、土壤微生物和植物生長(zhǎng)的影響以及自身吸附能力變化等方面進(jìn)行[8-10]，但對(duì)木奇的環(huán)保性能尤其是消音降噪能力關(guān)注不夠。噪音是指妨礙人類正常生活并引起心理或生理變化的聲音，長(zhǎng)時(shí)間的噪音刺激會(huì)使人聽力損傷。城市噪音污染問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了居民的日常生活，因此對(duì)噪音的控制已經(jīng)迫在眉睫。城市噪音污染主要來源于生活噪音、工業(yè)噪音、施工噪音和交通噪音[11]。對(duì)城市噪音的治理策略有2種：一是控制聲源，該方法對(duì)噪音污染治理直接有效，但較為復(fù)雜、涉及面廣且成本較高，只適用于長(zhǎng)期治理；二是在傳播途徑中進(jìn)行控制，切斷噪聲傳播途徑，減弱噪音的傳播，該方法見效快，多采用修建聲屏障、防噪堤和綠化帶等措施。其中，修建聲屏障以及防噪堤適用范圍較窄，而綠化帶降噪最為簡(jiǎn)單易行，因此便于推廣應(yīng)用[12]。目前，對(duì)綠化帶降噪的研究主要以不同樹種對(duì)噪音吸納能力研究為主[13]。遲磊[14]以不同行道樹為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)低分枝、冠幅大的闊葉林降噪能力較強(qiáng)。王春梅[15]發(fā)現(xiàn)綠化帶降噪效果取決于樹種、透光度、種植寬度和樹冠高度等因素，同時(shí)在利用綠化帶降噪時(shí)，林帶需要有一定的寬度和密度才能達(dá)到較好降噪效果，并且存在平行高度衰減不如垂直高度衰減等問題。木奇作為有機(jī)物料，與普通樹種類似，具有消音降噪的潛力，因此本研究將木奇應(yīng)用于消音降噪中，探究木奇對(duì)噪音吸納的能力，以填補(bǔ)木奇在消音降噪方面的空白，為消音降噪材料應(yīng)用提供更多選擇。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

發(fā)酵有機(jī)覆蓋物木奇(mulch)，選用木材類有機(jī)廢棄物，機(jī)器粉碎，發(fā)酵1 a，再經(jīng)過染色，添加阻燃劑制成，由河南鼎易地景工程規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司生產(chǎn)提供。將木奇過18目篩后置于105 ℃下放置24 h，以備使用。

1.2 儀器與設(shè)備

發(fā)音收音設(shè)備：Y410p計(jì)算機(jī)(聯(lián)想控股股份有限公司)；測(cè)音設(shè)備：GM1352分貝計(jì)(深圳市聚茂源科技有限公司)；分析軟件：Gold Wave 5.6，Audition 3.0。101-2A電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)。

1.3 試驗(yàn)時(shí)間地點(diǎn)

試驗(yàn)時(shí)間為2018-05-11，試驗(yàn)地點(diǎn)為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)推廣樓實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境安靜，無雜音干擾。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 木奇消音降噪最優(yōu)條件篩選 參照遲磊[14]的試驗(yàn)方法，使用Audition 3.0軟件制作頻率為1 kHz的單頻音，應(yīng)用于試驗(yàn)。試驗(yàn)方式如圖1所示，使用計(jì)算機(jī)為發(fā)音設(shè)備，以不鋪設(shè)木奇為對(duì)照，經(jīng)過不同處理后在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處經(jīng)過計(jì)算機(jī)收音，然后使用分貝計(jì)測(cè)得試驗(yàn)音分貝值。木奇鋪設(shè)方式為正方形。以木奇鋪設(shè)處中心點(diǎn)前5 m放置發(fā)音設(shè)備。分別研究當(dāng)鋪設(shè)厚度為3 cm、監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離為5 m時(shí)不同鋪設(shè)面積(1、2.25、4 m2)以及當(dāng)鋪設(shè)面積為1 m2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離為5 m時(shí)不同鋪設(shè)厚度(3、6、9 cm)對(duì)木奇消音降噪能力的影響。最后考察在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)(5、10 m)測(cè)定時(shí)木奇消音降噪效果，并進(jìn)行最優(yōu)降噪條件篩選。

注：a：發(fā)音設(shè)備；b：5 m處檢測(cè)點(diǎn)；c：10 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

1.4.2 試驗(yàn)音特性分析 根據(jù)1.4.1試驗(yàn)結(jié)果，采集收集到的單頻音，經(jīng)過Gold Wave 5.6軟件對(duì)1 kHz的單頻音進(jìn)行有關(guān)波形、頻譜和柱線的圖形分析，以不鋪設(shè)木奇作為對(duì)照，測(cè)定木奇處理后試驗(yàn)音特性變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 木奇消音降噪最優(yōu)條件篩選

2.1.1 鋪設(shè)面積對(duì)木奇降噪能力的影響 當(dāng)鋪設(shè)厚度為3 cm、監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離為5 m時(shí)，考察不同鋪設(shè)面積(1、2.25、4 m2)對(duì)木奇降噪能力的影響，空白對(duì)照為不鋪設(shè)木奇，結(jié)果如圖2所示。試驗(yàn)對(duì)照背景音為86.4 dB，隨著鋪設(shè)面積的增加，試驗(yàn)音的分貝值在緩慢下降，由77.8 dB降低為74.5 dB，在4 m2鋪設(shè)面積處最低為70.1 dB。在1 m2鋪設(shè)面積處木奇降噪能力為8.6 dB，隨著鋪設(shè)面積的增加，在4 m2鋪設(shè)面積時(shí)降噪能力達(dá)到最大值16.3 dB。木奇鋪設(shè)面積越大，消音降噪能力越強(qiáng)。

圖2 木奇鋪設(shè)面積對(duì)降低噪音強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of mulch laying area on reducing noise intensity

2.1.2 鋪設(shè)厚度對(duì)木奇降噪能力的影響 在鋪設(shè)面積為1 m2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離為5 m情況下設(shè)置不同木奇鋪設(shè)厚度(3、6、9 cm)研究木奇的降噪能力，結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)對(duì)照背景音為86.4 dB，隨著鋪設(shè)厚度的增加，試驗(yàn)音的噪音強(qiáng)度值在緩慢下降，由77.8 dB降低為72.3 dB，在9 cm鋪設(shè)厚度處最低為67.6 dB。在3 cm鋪設(shè)厚度木奇降噪能力為8.6 dB，隨著鋪設(shè)厚度的增加，在9 cm鋪設(shè)厚度時(shí)降噪能力達(dá)到最大為18.8 dB。

圖3 木奇鋪設(shè)厚度對(duì)降低噪音強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of mulch laying thickness on reducing noise intensity

2.1.3 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離對(duì)木奇降噪能力的影響 設(shè)置不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離(5、10 m)測(cè)定木奇的降噪能力，結(jié)果如表1所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離為5 m處試驗(yàn)背景音為86.4 dB，試驗(yàn)音為77.8 dB，降低值為8.6 dB。監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離為10 m處試驗(yàn)背景音為77.2 dB，試驗(yàn)音為65.6 dB，降低值為5.1 dB。相比之下，在10 m處試驗(yàn)音絕對(duì)值較低，但降低值低于5 m處降低值，推測(cè)是因?yàn)樽匀凰p導(dǎo)致10 m處空白對(duì)照較5 m處低，所以衰減值低。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離對(duì)降低噪音強(qiáng)度的影響Table 1 Effect of monitoring point distance on reducing noise intensity

2.2 木奇最優(yōu)鋪設(shè)條件篩選

同時(shí)設(shè)置不同鋪設(shè)面積(1、2.25、4 m2)與不同鋪設(shè)厚度(3、6、9 cm)，在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離(5、10 m)檢測(cè)試驗(yàn)音噪音強(qiáng)度值，以篩選最優(yōu)鋪設(shè)條件，結(jié)果如圖4。當(dāng)鋪設(shè)面積為1 m2、木奇鋪設(shè)厚度為3 cm、監(jiān)測(cè)點(diǎn)與鋪設(shè)區(qū)距離為5 m時(shí)試驗(yàn)音噪音強(qiáng)度值為77.8 dB，絕對(duì)值對(duì)最高；當(dāng)鋪設(shè)面積為4 m2、木奇鋪設(shè)厚度為9 cm、監(jiān)測(cè)點(diǎn)與鋪設(shè)區(qū)距離為10 m時(shí)，試驗(yàn)音噪音強(qiáng)度值為59.5 dB，絕對(duì)值最低。而在鋪設(shè)面積為1 m2、木奇鋪設(shè)厚度為3 cm、監(jiān)測(cè)點(diǎn)與鋪設(shè)區(qū)距離為10 m時(shí)試驗(yàn)音降低噪音強(qiáng)度值為5.1 dB最低，當(dāng)鋪設(shè)面積為4 m2、木奇鋪設(shè)厚度為9 cm、監(jiān)測(cè)點(diǎn)與鋪設(shè)區(qū)距離為5 m時(shí)，降低噪音強(qiáng)度值為24.1 dB。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)當(dāng)鋪設(shè)面積為4 m2、木奇鋪設(shè)厚度為9 cm時(shí)降噪效果最好。由此可知隨著鋪設(shè)面積的增加，試驗(yàn)音噪音強(qiáng)度值呈下降趨勢(shì)，噪音強(qiáng)度降低值上升；隨著鋪設(shè)厚度的增加，試驗(yàn)音噪音強(qiáng)度值呈下降趨勢(shì)，噪音強(qiáng)度降低值上升；在鋪設(shè)厚度與鋪設(shè)面積相同時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔5 m時(shí)試驗(yàn)音噪音強(qiáng)度值較間隔10 m處高，降低值較間隔10 m處高。

圖4 不同鋪設(shè)條件下木奇的降噪效果Fig.4 Noise reduction effect of mulch under

2.3 試驗(yàn)音特性分析

根據(jù)2.2的研究結(jié)果，分別在5、10 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)收集鋪設(shè)厚度為9 cm、鋪設(shè)面積為4 m2時(shí)試驗(yàn)音，對(duì)木奇的降噪效果進(jìn)行了波形、頻譜和柱線分析。

2.3.1 單頻音噪音源波形、頻譜和柱線分析 以沒有經(jīng)過降噪處理的試驗(yàn)單頻音為對(duì)照，波形、頻譜和柱線圖分別見圖5—圖7。試驗(yàn)音所用的單頻音波形始終保持在-0.5～0.5之間，相對(duì)穩(wěn)定；試驗(yàn)音頻譜峰值恒定不變，頻率一致，為1 kHz單頻音；柱線圖中頻率在1 kHz處峰頂值為-18。

圖5 試驗(yàn)音波形圖Fig.5 The waveform diagram of the experimental sound

圖6 試驗(yàn)音頻譜圖Fig.6 The spectrum of the experimental sound

2.3.2 相距5 m試驗(yàn)降噪音波形、頻譜和柱線分析 當(dāng)鋪設(shè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)相距5 m時(shí)，波形、頻譜和柱線圖分別見圖8—圖10。經(jīng)過木奇降噪處理的單頻音在波形、頻譜和柱線圖與試驗(yàn)前的單頻音區(qū)別較大。降噪音波形的波動(dòng)幅度相對(duì)于試驗(yàn)音明顯降低，數(shù)值保持在-0.1～0.1之間，數(shù)值相對(duì)恒定；在頻譜圖中每個(gè)波動(dòng)之間波峰與波谷之間差距極大，間距受到強(qiáng)烈的干擾，排列雜亂無序；在柱線圖中受到其他音的影響，圖9中1 kHz處的峰頂值來表示木奇降噪后的數(shù)據(jù)，為-57，相比于單頻音降低了39%。

圖7 試驗(yàn)音柱線圖Fig.7 The column chart of the experimental sound

圖8 5 m時(shí)降噪音波形圖Fig.8 The waveform diagram of noise reduction at 5 m

2.3.3 相距10 m試驗(yàn)降噪音波形、頻譜、柱線分析 當(dāng)鋪設(shè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)相距10 m時(shí)，經(jīng)過木奇降噪后的單頻音波形、頻譜、柱線圖分別見圖11—圖13。經(jīng)過木奇降噪處理的單頻音在波形、頻譜和柱線圖與試驗(yàn)前的單頻音區(qū)別較大。降噪音的波形的波動(dòng)幅度相對(duì)于試驗(yàn)音明顯降低，數(shù)指保持在-0.1～0.1之間，比相距5 m時(shí)的降噪音波形圖數(shù)值略低，數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定；在頻譜圖中每個(gè)波動(dòng)之間波峰與波谷之間差距極大，間距受到更強(qiáng)烈的干擾，排列雜亂無序；在柱線圖中受到其他音的影響，以圖12中1 kHz處的峰頂值來表示木奇降噪后的數(shù)據(jù)為-76，比單頻音低了58%。

圖9 5 m時(shí)降噪音頻譜圖Fig.9 The spectrum diagram of noise reductionat 5 m

圖10 5 m時(shí)降噪音柱線圖Fig.10 The column chart of noise reductionat 5 m

圖11 10 m時(shí)降噪音波形圖Fig.11 The waveform diagram of noise reductionat 5 m

通過將5 m處和10 m處降噪音特性圖對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)波形圖中波動(dòng)幅度顯著降低，頻率圖中波峰與波谷之間相對(duì)變化大，柱線圖中1 kHz處峰值明顯降低。其次10 m處波動(dòng)幅度較5 m處低，柱線圖中峰值更低。所以鋪設(shè)木奇可以有效消減噪音的傳播能量，并且10 m處試驗(yàn)音絕對(duì)值與5 m處低，與之前結(jié)果相符。

圖12 10 m時(shí)降噪音頻譜圖Fig.12 The spectrum diagram of noise reductionat 5 m

圖13 10 m時(shí)降噪音柱線圖Fig.13 The column chart of noise reductionat 5 m

3 結(jié)論與討論

綠化帶降噪是城市噪音治理的主要手段之一，喬木、灌木和草坪等有機(jī)物[16]都能有效降低噪音，而木奇是有機(jī)物經(jīng)粉碎后發(fā)酵處理得到的土壤表面覆蓋物，本身也屬于有機(jī)物，因此具有消音降噪的能力，但目前并沒有相關(guān)方面的研究，所以本研究探究了木奇消音降噪能力，發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)木奇能夠有效降低噪音強(qiáng)度，最高降低24.1 dB。

木奇具有消音降噪能力，鋪設(shè)面積與鋪設(shè)厚度越大，噪聲強(qiáng)度越低，降低值越高。經(jīng)木奇處理后試驗(yàn)音波形圖、頻譜圖和柱形圖都出現(xiàn)較大變化，處理后波形圖振幅明顯降低，頻譜圖中波峰與波谷之間差距較大，頻率無序，柱形圖中出現(xiàn)其他干擾音，但在1 kHz頂峰值明顯降低，說明單頻音經(jīng)過木奇處理后頻率發(fā)生變化，響度明顯降低，因此木奇能夠吸收噪音。遲磊[14]研究行道樹降噪中發(fā)現(xiàn)經(jīng)行道樹后試驗(yàn)音波峰與波谷之間相對(duì)變化大，間距受干擾性強(qiáng)，排列無序。本試驗(yàn)結(jié)果與該研究結(jié)果一致，推測(cè)是木奇與植物具有近似的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致降噪機(jī)理類似。植物降噪是植物樹葉表面具有氣孔能夠吸收聲能，另外，植物內(nèi)部導(dǎo)管具有微穿孔板諧振腔吸聲結(jié)構(gòu)特征[17]。木奇由有機(jī)物經(jīng)發(fā)酵而來，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔，因此吸收聲能效果較強(qiáng)，同時(shí)，木奇本身粒徑大小對(duì)消音降噪影響不大。

王春梅等[15]發(fā)現(xiàn)以不同層次的灌木和喬木組成的密集綠籬建造效果最好，其中不同結(jié)構(gòu)的降噪效果有所區(qū)別，復(fù)合樹種降噪能力較好。多層次多樹種結(jié)合降噪是未來研究趨勢(shì)，通過鋪設(shè)喬木、灌木以及草坪，形成多層次的立體空間結(jié)構(gòu)，更有效減弱噪音的傳播。該研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)草坪高度為0.5 m，距聲源距離為10 m時(shí)，衰減值為10 dB。而在本研究中，木奇鋪設(shè)面積為4 m2，鋪設(shè)高度為9 cm，距聲源距離為10 m時(shí)，噪音衰減值為24.1 dB，降噪效果遠(yuǎn)高于普通草坪。在實(shí)際應(yīng)用中，為保證草坪降噪效果，草坪沿路種植時(shí)寬度不能低于12 m，但受限于綠化帶寬度，常常遠(yuǎn)低于理論降噪值，無法滿足降噪要求，而木奇則不存在這樣的問題。因此，木奇可以取代草坪，與喬木和灌木相結(jié)合來達(dá)到更好的降噪效果。