聲屏障新型降噪材料的研究

文／胡陶 中鐵四局集團(tuán)市政工程有限公司 安徽合肥 230000

引言：

為了保護(hù)鐵路沿線居民的身心健康，夜間噪聲要控制在50dB 以下，我國目前修建的鐵路普遍都設(shè)置了聲屏障。早期的聲屏障多為H 型鋼及普通的水泥板為主體構(gòu)造，性能有限，經(jīng)過快速的發(fā)展，聲屏障材料和性能優(yōu)良有本質(zhì)上的提升。

1、隔聲機(jī)理

聲波遇到聲屏障會沿著三種路徑傳播（如圖1所示），一部分會越過聲屏障頂端繞射到達(dá)受聲點(diǎn)；一部分會穿透聲屏障到達(dá)受聲點(diǎn)；一部分會反射。聲波通過聲屏障后聲能衰減大小通常用插入損失來表示，而插入損失主要取決于聲源發(fā)出的聲波沿這三條路徑傳播的聲能分布情況。

圖1 聲波遇障礙物的傳播路徑

在聲源與聲波接收點(diǎn)之間插入一個聲屏障，假設(shè)聲屏障無限長，聲音只能從聲屏障頂端繞射過去，從而形成一個聲影區(qū)，在這個聲影區(qū)，人們會感到噪聲明顯減弱了，這就是降噪，這個聲影區(qū)的大小與聲音頻率的大小有關(guān)，頻率越高，聲影區(qū)的大小就越大。

降噪效果主要取決于噪聲的頻率成分與傳播行程差，而傳播行程差與聲屏障的高度、聲源和接收點(diǎn)相對于聲屏障的位置有關(guān)系，同時聲屏障的降噪效果也與聲屏障的形狀、構(gòu)造和吸聲吸能有關(guān)系。

2、吸隔聲材料分類

目前市場主要應(yīng)用的吸隔聲材料包括以下幾類：金屬類，混凝土類，玻璃鋼類，纖維類，多孔陶瓷類。

2.1 金屬吸隔聲材料

常用的金屬吸隔聲材料有金屬纖維材料及多孔泡沫金屬材料。其中金屬纖維材料有不銹鋼纖維，鋁纖維等，其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐高溫、耐水性好。多孔泡沫金屬材料目前較流行的為泡沫鋁，其優(yōu)點(diǎn)是吸聲性能穩(wěn)定，吸聲系數(shù)大于常用吸聲材料，對中低頻噪聲有良好的吸能能力。金屬纖維板和泡沫鋁吸聲板都可以直接暴露在空氣中，不需要護(hù)面穿孔板和填充物。但是他們易遭受有害物質(zhì)破壞，尤其在氯鹽的環(huán)境下，與基礎(chǔ)連接的部位更易遭受破壞。另外，金屬材料的隔聲屏單元結(jié)構(gòu)連接處容易產(chǎn)生噪聲泄漏。金屬聲屏障生產(chǎn)工藝需要嚴(yán)格控制，生產(chǎn)成本高，目前高鐵、公路、軌道交通使用的吸聲板多為此類，顏色采用RAL7001，顏色與建筑整體搭配效果較好，景觀效果也不錯。

我公司承建的武漢16 號線軌道交通工程聲屏障工程對傳統(tǒng)金屬吸聲板進(jìn)行了改造（如圖2所示），變化其面板、背板構(gòu)造，變成凹槽型，部分區(qū)段吸聲板內(nèi)部也增加中隔板提升吸聲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，顏色從上到下分為4 塊漸變色，由淺藍(lán)到深藍(lán)。通過項(xiàng)目實(shí)際呈現(xiàn)的景觀效果及運(yùn)營期人員乘車調(diào)查，反饋出凹槽型的設(shè)計能減少列車通過時乘客的眩暈感，顏色的設(shè)置沒有顯得突兀，也減少了灰色色調(diào)及單一構(gòu)造帶來的單調(diào)感，與環(huán)境高度契合。

圖2 藍(lán)色漸變金屬吸聲板與環(huán)境的適配

2.2 混凝土吸隔聲材料

混凝土吸隔聲材料歷史悠久，發(fā)展較快，它具有成本低、維護(hù)費(fèi)用低、堅(jiān)固、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，同時在色彩、形狀、形式和環(huán)保裝飾方面有很大自由度，是國內(nèi)外交通聲屏障中最常用的一種。傳統(tǒng)的混凝土聲屏障為普通反射式聲屏障，能夠降噪約5dB，它吸聲性能低，易開裂，自重大，給設(shè)計施工帶來很大的困難。新型多孔混凝土聲屏障擴(kuò)大了其在降噪領(lǐng)域的應(yīng)用。如混凝土木屑復(fù)合聲屏障，降噪系數(shù)能達(dá)到0.7 以上；混凝土橡膠顆粒復(fù)合聲屏障降噪系數(shù)能達(dá)到0.8 以上。在城市軌道交通上已有使用，滿足聲屏障耐久性能，增加二次利用，后期運(yùn)營后維護(hù)方便。

目前國內(nèi)在時速較低的鐵路及路基段應(yīng)用混凝土吸隔聲材料較多，我公司承建的合安鐵路HAZQ-1 標(biāo)聲屏障工程，采用混凝土吸聲板，較金屬類吸聲板來說，外觀美觀，不易損壞，在實(shí)際應(yīng)用中，我們變化了混凝土吸聲板的寬度及厚度，通過分貝儀測試，不同的厚度及寬度對降噪影響較小，且混凝土吸聲板降噪分貝在10 分貝以內(nèi)，可見混凝土吸聲板此類吸聲板的局限性較大，但通過改性混凝土吸聲材料補(bǔ)充其不足處，亦大有可為。

2.3 玻璃鋼吸隔聲材料

玻璃鋼聲屏障是指由玻璃鋼為主要材料組成的聲屏障。玻璃鋼聲屏障的結(jié)構(gòu)組成為：正面由工程塑料穿孔板護(hù)面，內(nèi)部采用憎水玻纖布或離心復(fù)合玻纖，背板為玻璃鋼擠拉型材。它自重輕，耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定，景觀效果好，后期維護(hù)方便，不變色、易清洗、受破壞后易更換等。目前存在耐候性差，耐紫外線性差的缺點(diǎn)，但玻璃鋼的材料發(fā)展較為迅猛，值得期待。

2.4 纖維吸隔聲材料

目前較為流行的無機(jī)纖維材料，如玻璃棉，巖棉，礦渣棉等，這些材料不僅有良好的吸聲能力，而且輕質(zhì)、耐腐蝕、燃燒性能及抗老化性能突出，但是無機(jī)纖維吸聲材料的缺點(diǎn)是在施工安裝的過程中因纖維性脆，破壞后料渣形成粉塵，有害環(huán)境且易對人體造成損害?？赏ㄟ^包裹性及耐久性好的保護(hù)材料及正面多孔板配合設(shè)計，來進(jìn)行優(yōu)化。

2.5 多孔陶瓷吸隔聲材料

多孔是聲屏障未來的一個發(fā)展趨勢，多孔陶瓷設(shè)計為陶瓷原料及相應(yīng)工藝制造而成的具有三維連通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料，具有高空隙率，高適應(yīng)性，耐腐蝕，抗熱震等特點(diǎn)，在不改變網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料的前提下，能適應(yīng)風(fēng)吹日曬雨淋冰雪等變化的自然環(huán)境，保證其正常使用功能。多孔陶瓷吸聲構(gòu)件在公路交通噪聲能量集中在200～1kHZ 具有良好的吸聲性能，能很好的吸收因反射而產(chǎn)生的混響聲，較好地減小聲屏障內(nèi)側(cè)行車道等區(qū)域的噪音。后期可以研究泡沫陶瓷在高頻段的吸聲能力表現(xiàn)，通過混合材料的使用，揚(yáng)長避短。

3、新型聲屏障材料金屬中空復(fù)合板、泡沫金屬的應(yīng)用和發(fā)展

聲屏障在材料使用上的發(fā)展趨勢是輕質(zhì)、透明加筋、優(yōu)吸隔聲、高強(qiáng)度、易安裝且施工先進(jìn)化程度高。同時滿足對環(huán)境無污染、便于回收等可持續(xù)性發(fā)展要求。目前發(fā)展出兩種材料可以用于隔聲屏障的制作，它們具有上述各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。分別是金屬中空復(fù)合板和泡沫鋁材料。

隨著軋制技術(shù)的發(fā)展，金屬中空復(fù)合板的材料特性能更好地體現(xiàn)出來，在保留聲屏障材料的輕質(zhì)優(yōu)點(diǎn)下，提高了機(jī)械強(qiáng)度及防腐性能，在建筑、交通等領(lǐng)域應(yīng)用頗廣。金屬中空復(fù)合板分為三層，面板為多金屬材料，背板以鋁金屬為主，中間層為工程塑料（或其他改性材料）制作而成。鋁金屬材料為主，重量較輕，易于切邊、鉆孔、彎折等改造加工，同等級要求下，極大地增加了有效空間，降低成本；新型軋制技術(shù)下的復(fù)合構(gòu)造，強(qiáng)度、抗震性能突出；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在-40℃到80℃環(huán)境下主要功能不受影響；良好的吸隔聲性能、防火性能，滿足目前聲屏障用材料B1 級別的等級要求。以上這些特點(diǎn)使它在道路隔聲屏障方面應(yīng)用具有良好的前景。目前存在的問題是價格較高，隨著這種板材的逐步應(yīng)用和規(guī)?；a(chǎn)，成本逐步降低，在道路隔聲屏障方面將會得到推廣應(yīng)用，具有良好的前景。

泡沫鋁吸聲板和目前常用的纖維質(zhì)吸聲材料相比，具有強(qiáng)度高，剛度大，耐候性好等特點(diǎn)，成型效果好，阻燃、透水性能、耐高溫、經(jīng)受較大氣流沖刷等，同時安裝固定方便，使用壽命長，并且可回收利用，不會形成固體廢棄物對環(huán)境產(chǎn)生污染等特點(diǎn)。經(jīng)性能測試表明，泡沫鋁板在空腔為100mm 時的降噪系數(shù)能達(dá)到0.6 以上。同時，經(jīng)噴灰和噴水試驗(yàn)表明，噴灰和噴水對材料的吸聲性能影響不大。噴灰后反而使泡沫鋁高頻吸聲性能得到增強(qiáng)。由于泡沫鋁易于安裝、耐腐蝕性強(qiáng),因此用于戶外隔聲屏障是良好的吸聲材料。

由于泡沫鋁優(yōu)異的綜合性能，使得其將在道路噪聲控制等方面產(chǎn)生得到廣泛應(yīng)用。目前泡沫鋁在上海、武漢等地已經(jīng)開始應(yīng)用于隔聲屏障的建設(shè)，同時武漢市軌道交通16 號線也采用單層泡沫鋁、雙層泡沫鋁兩種形式作為吸聲材料，通過環(huán)評測試，隔聲效果突出?，F(xiàn)行的泡沫鋁制備方法存在著成本高昂、效率低下、孔隙率提升難等諸多不利因素。隨著泡沫鋁材料在道路聲屏障的推廣應(yīng)用，將極大促進(jìn)制備工藝的快速發(fā)展，從而促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。吸聲型聲屏障是聲屏障未來的發(fā)展趨勢，隨著吸聲型聲屏障的應(yīng)用，研制高性能的吸聲材料，是道路聲屏障發(fā)展的方向;新型聲屏障的吸聲隔聲材料的應(yīng)用應(yīng)該考慮可持續(xù)發(fā)展和對環(huán)境的影響，是聲屏障材料具有環(huán)境友好的特征。

考慮景觀要求，適合道路聲屏障用的透明材料應(yīng)該得到大量應(yīng)用和發(fā)展，亞克力板及聚碳酸酯板的應(yīng)用也漸漸在聲屏障的領(lǐng)域大放光彩。常用的聚甲基丙烯酸甲酯板采用澆注改性聚甲基丙烯酸甲酯板材以及一體化防碎片脫落的聚酰胺纖維構(gòu)成，具有防墜落功能的聲屏障專用加筋板，兼具隔聲、視覺、環(huán)保一體化要求，亦可以通過高分子聚合來滿足特殊性能要求。常用聚碳酸酯板采用實(shí)心雙面抗紫外線耐力板，柔韌性及抗沖擊能力好，長時間下透光率表現(xiàn)良好（如圖3所示）。

圖3 亞克力板及聚碳酸酯板的應(yīng)用

透明材料和其他類型材料的結(jié)合使用，不但改善了司機(jī)的視野和空間壓抑感，同時也使聲屏障的景觀效果更加突出，使聲屏障更好地融入人居環(huán)境。

4、吸隔聲材料發(fā)展展望

目前市場上現(xiàn)有的吸聲材料，由于自身存在的缺點(diǎn)，適用范圍受到很大的限制，因此如果繼續(xù)走單一材料結(jié)構(gòu)的模式，其發(fā)展將會遇到很大的困難。今后吸聲材料有幾個大的發(fā)展方向。

4.1 改性混凝土吸聲材料

針對混凝土吸聲材料的缺點(diǎn)，用高分子類材料進(jìn)行改性，增強(qiáng)其吸聲能力，減輕材料自重，同時改善混凝土材料本身的易開裂等問題，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。我公司承建的深圳至茂名鐵路JMZQ-2 標(biāo)工程，與中鐵四院、華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、西南交通大學(xué)積極開展技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)新投入的ECC 混凝土隔聲板，獲國家專利，與金屬吸聲板相比，保證強(qiáng)度及耐久性的同時，降低造價28%，現(xiàn)場同步實(shí)施的試驗(yàn)段，反饋的結(jié)果為后續(xù)新型降噪材料的研究提供了很好的實(shí)踐數(shù)據(jù)。

4.2 高分子粘彈性吸聲材料

高分子粘彈性吸聲材料，能將吸收的聲能，轉(zhuǎn)化為熱能耗散，同時高分子材料的彈性越好，吸聲吸能越突出，主要有橡膠和互傳聚合物網(wǎng)絡(luò)材料等。

4.3 高分子復(fù)合吸聲材料

從材料設(shè)計角度出發(fā)，通過混合，填充填料等方式，將高分子聚合物和金屬材料或者無機(jī)材料有機(jī)結(jié)合；從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā)，通過將多孔吸聲、阻尼吸聲和共振吸聲合理匹配，實(shí)現(xiàn)對噪聲的最大程度吸聲。

4.4 廢舊橡膠吸聲材料

我國每年產(chǎn)生大量的廢舊橡膠，其中很大部分都可以重復(fù)利用，如廢丁腈膠，這些橡膠本身具有較好的阻尼性能，通過對他們進(jìn)行材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以成為優(yōu)異的吸聲材料。對它們的回收利用會產(chǎn)生較大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)語：

聲屏障的發(fā)展已經(jīng)是較為成熟的階段，各種新型材料及構(gòu)造形式在日新月異的技術(shù)下變得可能。本文從研究現(xiàn)狀以及公司實(shí)際案例出發(fā)，淺析了聲屏障降噪材料的現(xiàn)狀及未來的運(yùn)用。在經(jīng)過噪聲測試、振動研究等問題后，也提出了一些新的研究方向，包括新型材料應(yīng)用、新舊結(jié)合、舊物利用，希望能緊跟時代的潮流，創(chuàng)造出與自然和諧、滿足社會需求的聲屏障材料。