微孔砂質(zhì)透水鋪裝材料吸聲降噪性能研究

唐 莉，劉東霞，尹紅燕

（重慶交通職業(yè)學(xué)院，重慶 402247）

1 引言

噪聲是指發(fā)聲體做無(wú)規(guī)則振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音，以波的形式在一定的介質(zhì)（如固體、液體、氣體）中進(jìn)行傳播。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和街道路網(wǎng)的不斷完善，路面噪音已經(jīng)成為無(wú)法忽視的問(wèn)題，它干擾人們的睡眠、正常工作和生活，容易引起情緒的波動(dòng)和記憶力的減退等，嚴(yán)重影響到附近居住區(qū)居民的身心健康。美國(guó)International Cellulose Corporation 公司研發(fā)的K-13Sprayer-on system 產(chǎn)品采用輕質(zhì)骨料，強(qiáng)度高，耐久性好，吸聲系數(shù)可達(dá)0.68，但價(jià)格昂貴[1]。我國(guó)對(duì)路面噪音也有較全面的研究，但大多集中于瀝青和水泥混凝土路面，如徐皓[2]研究了材料孔隙率和粒徑對(duì)吸聲降噪性能的影響規(guī)律。微孔透水鋪裝材料的特點(diǎn)是內(nèi)部存在大量連通且細(xì)微的孔隙，中高頻率的噪音在孔隙內(nèi)部反復(fù)折射后，聲波的能量逐漸被消耗和吸收，因而具有良好的吸聲降噪性能。本文在介紹微孔透水鋪裝材料制備的基礎(chǔ)上，采用JTZB 駐波管系統(tǒng)研究透水鋪裝材料不同粒徑范圍、孔隙率、孔徑、鋪裝厚度及材料含水率對(duì)吸聲性能的影響，以期為降噪路面的設(shè)計(jì)提供參考。

2 試驗(yàn)材料

2.1 原材料

以沙漠中的風(fēng)積砂為面層骨料，經(jīng)過(guò)水洗、篩分、高溫加工而成，其粒徑主要分布在70 目～200 目，不均勻系數(shù)約為1.35[3]，微孔生態(tài)透水材料對(duì)風(fēng)積砂的使用要求見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)積砂使用要求

為保證透水滲濾性能，膠凝劑用量不宜過(guò)多，需要選用具有較好粘結(jié)性能的膠凝劑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析，選用泰興廣樹(shù)化工科技生產(chǎn)的酚醛環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)-51為主要膠凝劑，其活性大、結(jié)構(gòu)緊密、耐熱性和耐化學(xué)品性能優(yōu)良。固化劑由山東德源環(huán)氧科技有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為DJ2421H，具有聚酰胺粘度高、柔韌性和抗腐蝕性良好、耐鹽霧強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。硅烷偶聯(lián)劑由曲阜晨光化工有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為SiLane TM-KH-570，密度為1.043g/cm3～1.053g/cm3，純度≥97%。著色劑來(lái)源于西安浩天生物工程有限公司。

2.2 試驗(yàn)制備

透水鋪裝材料按照質(zhì)量法計(jì)算材料配合比。用感量為0.1g的電子天平稱量骨料、水及其他添加劑，攪拌至均勻，時(shí)長(zhǎng)5min左右，然后摻入膠凝材料，使得原料黏結(jié)。試件規(guī)格（長(zhǎng)×寬×厚）為100mm×100mm×20mm，將攪拌好的原材料注入預(yù)制模具內(nèi)，振動(dòng)壓實(shí)10s～15s，脫模成型后進(jìn)入高溫養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行初期養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為90℃左右，養(yǎng)護(hù)20min，高溫養(yǎng)護(hù)后常溫養(yǎng)護(hù)28d。

2.3 試驗(yàn)方法

按照《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測(cè)量規(guī)范》（GBJ 88-85）和《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量》（GB/T 18696.1-2004）的相關(guān)規(guī)定，采用北京天裕德科技有限公司生產(chǎn)的TYD-ZB 型駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試法向入射聲波的吸聲系數(shù)。該系統(tǒng)采用了先進(jìn)軟件技術(shù)，調(diào)整了管的參數(shù)，利用計(jì)數(shù)機(jī)聲卡發(fā)聲，配套軟件自動(dòng)同步采集聲壓級(jí)，動(dòng)態(tài)圖形及數(shù)字顯示測(cè)試值，自動(dòng)計(jì)算吸聲系數(shù)，可有效消除次聲波的影響，同時(shí)生成吸聲特性曲線圖，并將計(jì)算結(jié)果和特性曲線轉(zhuǎn)存為生成報(bào)告所需的各種文件格式。圖1 為該駐波管吸音系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，主要由功率放大器、頻譜分析儀和駐波管組成，具有操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 TYD-ZB型駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

3 微孔透水材料的吸聲機(jī)理

微孔透水鋪裝材料的吸聲性能與其內(nèi)部眾多互聯(lián)互通的微孔隙有關(guān)，孔隙表面存在內(nèi)部阻尼對(duì)聲音有粘滯損耗的作用[4]。外界聲波輻射到微孔透水鋪裝材料面層時(shí)，一部分聲波經(jīng)材料表面反射后又繼續(xù)在空氣中傳播，一部分聲波進(jìn)入到透水材料的微小孔隙內(nèi)部。進(jìn)入微孔中的聲波在孔中傳播時(shí)，帶動(dòng)空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生黏滯和摩擦作用，使部分聲能逐漸轉(zhuǎn)化為熱能被消耗。在孔隙中的部分聲波經(jīng)反射后又重新回到空氣中，部分聲波通過(guò)在大量孔隙中反復(fù)傳播后，能量逐漸被消耗殆盡。因此，微孔材料具備吸聲降噪的能量[5]，內(nèi)部互聯(lián)互通的微孔越多，吸聲效果越好，如圖2 所示。

圖2 聲能傳播示意圖

根據(jù)能量守恒定律，入射聲能Ei、反射聲能Er、吸聲聲能Ea以及透射聲能Eτ之間的關(guān)系為：

評(píng)定材料吸聲性能的指標(biāo)主要有吸聲系數(shù)、平均吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)。其中，吸聲系數(shù)是被國(guó)際上用來(lái)評(píng)價(jià)材料吸聲性能的重要指標(biāo)，為吸收聲能與透射聲能之和占入射總聲能的比例，用α表示。

α 值越大，表示被轉(zhuǎn)化并吸聲的聲能比重越大，材料的吸聲性能越好[6]。

4 結(jié)果與分析

材料粒徑范圍、孔隙率、孔徑、孔的開(kāi)向、材料厚度和空氣流阻等都是影響微孔材料吸聲性能的關(guān)鍵因素[7]，下面分別對(duì)不同孔隙率、不同孔徑、不同厚度和不同含水率的微孔透水材料進(jìn)行吸聲測(cè)試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 孔隙率對(duì)吸聲性能的影響

選取試樣中孔隙率分別為12%、15%、18%的微孔透水材料，通過(guò)駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行吸聲試驗(yàn)。各組透水材料的吸聲系數(shù)如圖3所示。

圖3 不同孔隙率吸聲系數(shù)曲線

從圖3可以得知，孔隙率為12%～18%的微孔透水材料對(duì)頻率為400Hz～600Hz范圍內(nèi)的噪聲吸聲系數(shù)較高，對(duì)800Hz 以上的噪音吸聲效果較為一般，吸聲系數(shù)在0.3左右。其中，孔隙率為18%的微孔透水材料吸聲系數(shù)最大，但與其他兩組相比優(yōu)勢(shì)并不明顯。不同孔隙率的透水材料，因其骨料粒徑不同，對(duì)聲波輻射形成的流阻也各不相同。

4.2 孔徑對(duì)吸聲性能的影響

選取試樣中孔徑分別為50μm～150μm、150μm～250μm、250μm～350μm 的微孔透水材料，通過(guò)駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行吸聲試驗(yàn)。各組透水材料的吸聲系數(shù)如圖4所示。

圖4 不同孔徑吸聲系數(shù)曲線

從圖4可以得知，孔徑較大的透水材料消耗的聲能少，吸聲系數(shù)低；孔徑較小的透水材料吸收的聲能多，吸聲系數(shù)較高?？讖綖?0μm～150μm、150μm～250μm、250μm～350μm的微孔透水材料對(duì)頻率為400Hz～800Hz內(nèi)的噪聲吸聲系數(shù)最高，對(duì)800Hz 以上的噪音，隨著噪音頻率的提高，吸聲系數(shù)不斷減小。其中，孔徑為50μm～150μm的透水材料孔徑較小，孔隙更多，吸聲系數(shù)最大達(dá)到0.74。

4.3 材料厚度對(duì)吸聲性能的影響

選取試樣中厚度為60mm、80mm、100mm 的微孔透水材料，通過(guò)駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行吸聲試驗(yàn)。各組透水材料的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同厚度吸聲系數(shù)曲線

從圖5 可以得知，100mm 厚的微孔透水材料吸聲效果最好，吸聲系數(shù)最大為0.76，而厚度為60mm 的微孔透水材料，聲波進(jìn)入后能順暢通過(guò)，與孔壁的有效摩擦減小，因而能量損失較少，自然吸聲效果就差。因此，較厚的微孔透水材料吸聲性能較好，適當(dāng)增加材料厚度，可以有效改善微孔透水材料對(duì)低頻噪音的吸聲特性[8]。

4.4 材料含水率對(duì)吸聲性能的影響

選取試樣中含水率分別為5%、10%、15%的微孔透水材料，通過(guò)駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行吸聲試驗(yàn)。各組透水材料的吸聲系數(shù)如圖6所示。

圖6 不同含水率吸聲系數(shù)曲線

從圖6 可以得知，不同含水率的微孔透水材料對(duì)400Hz～1200Hz的噪音吸聲效果較好。其中，含水率為5%與含水率為10%的微孔透水材料對(duì)600Hz噪音吸聲系數(shù)最高，可達(dá)0.7 左右，整個(gè)吸聲曲線的走勢(shì)也較為相似；含水率為15%的微孔透水材料對(duì)噪音的吸收效果較為一般，最大吸聲系數(shù)僅為0.55。

5 結(jié)語(yǔ)

微孔生態(tài)透水材料因其內(nèi)部具有眾多細(xì)密而連通的孔隙，對(duì)路面噪聲的吸收效果較好。通過(guò)TYD-ZB型駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試法對(duì)微孔生態(tài)透水材料入射的聲波進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試，結(jié)果表明，微孔透水材料對(duì)頻率為400Hz～1000Hz 的噪音吸收效果較好，對(duì)低頻的聲音吸聲效果一般。微孔透水材料的孔隙率為18%、孔徑50μm～150μm、厚度100mm、含水率在10%以下時(shí)對(duì)400Hz～800Hz 的噪音吸聲效果最好，吸聲系數(shù)均在0.6以上。較大的孔隙率和較大的厚度可使聲波在吸聲材料內(nèi)部與孔隙壁發(fā)生多次反射和折射，聲波能量得到充分損耗，因此具有良好的吸聲性能。