城市隧道吸聲搪瓷鋼板試驗(yàn)研究及應(yīng)用

張忠宇，黃 俊，鄒鴻浩，李 奧，郭映飛

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

交通噪聲對人及周圍環(huán)境所產(chǎn)生的不良影響，已引起社會(huì)廣泛關(guān)注[1]。建設(shè)城市隧道可有效控制交通噪聲污染，但會(huì)產(chǎn)生其他相關(guān)問題。一方面，隧道結(jié)構(gòu)的封閉性不利于噪聲快速消散，交通噪聲經(jīng)壁面多次反射和疊加，噪聲聲壓級增大，混響時(shí)間長，易使人產(chǎn)生煩躁和緊張的情緒，該問題在人車混行隧道中表現(xiàn)尤為突出[2]。另一方面，交通噪聲能量集中通過隧道洞口進(jìn)行釋放，在隧道洞口處噪聲聲壓級顯著高于其他道路位置，這會(huì)影響隧道洞口周邊住宅、醫(yī)院、學(xué)校等建筑物(如有)的聲環(huán)境質(zhì)量。截至2020年年底，我國公路隧道達(dá)21 316座，總長21 999.3 km[3]，并且隧道規(guī)模仍處于快速增長階段，因此有必要對隧道的交通噪聲問題開展研究。

目前，隧道交通噪聲問題的研究主要集中于噪聲聲場計(jì)算和噪聲控制兩個(gè)方面[4-6]。其中噪聲控制方面一般可從聲源、傳播路徑以及影響對象3個(gè)角度提出解決對策，例如設(shè)置低噪聲路面[7]、吸聲板和隔聲屏(窗)等。同時(shí)根據(jù)隧道使用要求，可在隧道側(cè)壁采用多孔吸聲材料或共振吸聲結(jié)構(gòu)等方式降低噪聲[8]。近年來出現(xiàn)一系列具有隧道裝飾功能的隧道專用吸聲板，陳興等[8]在隧道內(nèi)壁鋪設(shè)8 cm 厚CEMCOM吸聲板，通過測試，隧道內(nèi)各1/3頻程上的混響時(shí)間比鋪設(shè)吸聲構(gòu)造前減少64%～84%，降噪量為4.7～8.5 dB，對頻率在200～800 Hz頻段內(nèi)的噪聲，降噪效果尤為顯著。王若蕙[9]對隧道內(nèi)壁鋪設(shè)穿孔FC吸聲板(纖維水泥吸聲板)進(jìn)行研究，該吸聲板對隧道內(nèi)混響時(shí)間的控制不明顯，降噪效果不突出。泡沫陶瓷由于具有防潮、耐高溫、耐腐蝕、阻燃防火、高強(qiáng)度且高硬度等特點(diǎn)，適用于室外惡劣環(huán)境，胡湘暉[10]將泡沫陶瓷應(yīng)用于地下通道降噪處理中，效果較好，材料吸聲系數(shù)可達(dá)0.50，但現(xiàn)場加工和安裝較為復(fù)雜，且材料不易清潔。黃學(xué)輝等[11]以膨脹珍珠巖為骨料，研發(fā)出一種新型阻燃吸聲材料，利用駐波管法測試了材料的吸聲性能，得到該材料的平均吸聲系數(shù)范圍為0.42～0.60，降噪系數(shù)為0.45～0.55。師利明[12]結(jié)合福建省飛鸞嶺隧道工程對比了4種吸聲方案，綜合考慮降噪效果和工程造價(jià)，推薦隧道內(nèi)采用性價(jià)比較高的微孔吸聲磚?，F(xiàn)有研究中的隧道用吸聲材料存在一定不足，如穿孔FC吸聲板降噪效果較差、泡沫陶瓷和膨脹珍珠巖材料強(qiáng)度較低、微孔吸聲磚的吸聲頻帶較窄等。此外，隧道內(nèi)裝飾材料除具有吸聲性能外，還應(yīng)具備防火、防潮、耐腐蝕、抗老化、環(huán)保美觀、便于施工等特點(diǎn)，因此須針對隧道裝飾用吸聲板開展進(jìn)一步研究。

搪瓷鋼板具有鋼板等基材堅(jiān)韌且抗沖擊的特性，又具有無機(jī)搪瓷層耐腐蝕、耐磨、不燃、易潔、美觀和無輻射等特點(diǎn)[13]，被廣泛應(yīng)用于隧道裝飾材料中。因搪瓷鋼板自身的降噪性能存在明顯缺陷，須對新型吸聲搪瓷鋼板開展研究。本研究針對5種吸聲搪瓷鋼板試件進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，并開展穿孔搪瓷鋼板+微穿孔鋁板(圓孔)的現(xiàn)場吸聲試驗(yàn)，分析并驗(yàn)證降噪措施的有效性，以供相關(guān)工程參考。

1 吸聲搪瓷鋼板室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試樣設(shè)計(jì)

根據(jù)吸聲機(jī)理的不同，吸聲體可分為多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)。多孔吸聲材料的吸聲原理是聲波在穿過具有大量相互貫通的開口孔吸聲材料時(shí)，由于空氣分子摩擦和黏滯阻力使聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而降低聲波強(qiáng)度。共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲原理是通過聲波引起各類板材的共振，將聲能轉(zhuǎn)化為薄板的動(dòng)能，從而降低聲波強(qiáng)度。根據(jù)吸聲原理，結(jié)合隧道使用環(huán)境，吸聲搪瓷鋼板試件信息如表1所示。穿孔搪瓷鋼板+玻璃棉、泡沫鋁等吸聲材料構(gòu)造示意如圖1所示。穿孔搪瓷鋼板+微穿孔鋁板構(gòu)造示意如圖2所示。

表1 吸聲搪瓷鋼板試件信息

1.2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)采用混響室法[14]，即通過吸聲材料對擴(kuò)散聲場內(nèi)的聲壓衰變曲線的影響，間接獲得材料的吸聲系數(shù)。該吸聲系數(shù)是根據(jù)無規(guī)入射獲得，入射方式與實(shí)際工程中所采用的方式較為接近，被廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)過程中。

在混響室內(nèi)設(shè)置穩(wěn)定的聲源激勵(lì)，激發(fā)出較多的簡正振動(dòng)方式，可在混響室內(nèi)建立接近于擴(kuò)散聲場的穩(wěn)定聲場，混響室內(nèi)的等效吸聲量A1與混響時(shí)間T的關(guān)系式為

(1)

式中，V為混響室容積，m3；c為混響室條件下聲音在空氣中的傳播速度，m/s；T為混響室的混響時(shí)間，s；m為混響室條件下的聲強(qiáng)衰減系數(shù)，m-1。

通過測量有無吸聲材料情況下的混響時(shí)間，可采用式(2)求得吸聲量的大小。

(2)

式中，ΔA為試件吸聲量，m2；T2為空場混響室條件下的混響時(shí)間，s；T1為放試件后混響室條件下的混響時(shí)間，s；c1為混響室條件下聲音在空氣中的傳播速度，m/s；c2為放試件后混響室條件下聲音在空氣中的傳播速度，m/s；m1為空場混響室條件下的聲強(qiáng)衰減系數(shù)，m-1；m2為放試件后混響室條件下的聲強(qiáng)衰減系數(shù)，m-1。

由于測量過程中，混響室內(nèi)溫度和濕度的變化較小，即認(rèn)為c1=c2且m1=m2，式(2)可簡化為

(3)

此時(shí)吸聲系數(shù)αs可表示為

(4)

式中，S為試件面積，m2。

1.3 試驗(yàn)步驟

根據(jù)《聲學(xué) 混響室吸聲測量》(GB/T 20247—2006)[14]的規(guī)范要求，試件寬度與長度比例為3∶4，試件距任一邊界距離大于1 m，試件邊界不平行于距其最近的房間邊界。

在混響室內(nèi)開展試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟為：①在軟件中選擇混響時(shí)間測試，測量空混響室的混響時(shí)間T1；②在混響室內(nèi)，按規(guī)范要求安裝測試材料，測量混響室的混響時(shí)間T2；③根據(jù)公式計(jì)算吸聲系數(shù)αs；④循環(huán)步驟②和步驟③，直至得到所有材料的混響時(shí)間。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)吸聲系數(shù)的定義要求，吸聲系數(shù)不得大于1，試驗(yàn)得到的試件在各頻段的吸聲系數(shù)大于1時(shí)取為1。試件1～試件5由相關(guān)技術(shù)成熟的廠家提供，噪聲頻率-材料吸聲系數(shù)曲線如圖3所示。

由圖3可知：

(1) 5種試件的吸聲特性接近，材料吸聲系數(shù)在噪聲低頻段、中頻段及高頻段的變化規(guī)律基本一致，對低頻噪聲的吸聲效果相比最好，中頻噪聲效果次之，高頻噪聲吸聲效果相比最差。隧道噪聲主要由車輛動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的低頻噪聲和輪胎與路面的中頻噪聲組成[15]，5種材料的吸聲系數(shù)曲線與隧道的噪聲頻譜特性吻合較好，典型隧道頻譜特性曲線[15]如圖4所示。

(2) 背襯吸聲材料(玻璃棉和泡沫鋁)試件的吸聲系數(shù)在各噪聲頻段均大于背襯微穿孔共振結(jié)構(gòu)(微穿孔鋁板)試件的吸聲系數(shù)。試件1～試件5的降噪系數(shù)分別為0.92、0.92、0.84、0.72和0.77，各試件降噪性能差異并不明顯，均具備吸聲裝飾功能。

(3) “穿孔搪瓷鋼板+玻璃棉”與“穿孔搪瓷鋼板+泡沫鋁”的吸聲效果較接近，“穿孔搪瓷鋼板+玻璃棉”的吸聲系數(shù)略大于“穿孔搪瓷鋼板+泡沫鋁”的吸聲系數(shù)。

(4) 試件1與試件2的主要差異為搪瓷鋼板與其后的空腔厚度(除試件2外，其余試件搪瓷鋼板后的空腔厚度均為100 mm)，兩試件在吸聲特性以及降噪系數(shù)等方面沒有明顯差異，說明空腔厚度增大對吸聲材料類試件的吸聲性能影響不明顯。

(5) 試件4和試件5采用了較易獲取的兩種微穿孔鋁板，主要區(qū)別在于孔型及微孔布置形式。二者吸聲特性接近，當(dāng)噪聲頻率小于1 600 Hz時(shí)，試件5的吸聲系數(shù)大于試件4；當(dāng)噪聲頻率大于1 600 Hz 時(shí)，試件4的吸聲系數(shù)大于試件5。由于試件5在噪聲中低頻段的吸聲優(yōu)勢，其降噪系數(shù)值大于試件4。

2 吸聲搪瓷鋼板現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 工程概況

江蘇省泰州市永定路快速化改造工程?hào)|起泰高高速公路，西接長江大道，以隧道形式下穿東風(fēng)路、海陵南路和鼓樓南路。線路全長為12.7 km，按城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，道路為雙向六車道，其中永定路一號(hào)隧道全長為1 043 m，暗埋段長為680 m；永定路二號(hào)隧道全長為512 m，暗埋段長為160 m。隧道暗埋段采用單層雙孔矩形結(jié)構(gòu)，隧道埋深范圍為0.6～3.2 m，典型隧道斷面形式如圖5所示。

永定路一號(hào)隧道和二號(hào)隧道位于泰州市海陵區(qū)，隧道周邊環(huán)境示意如圖6所示，周邊區(qū)域以住宅區(qū)、金融區(qū)和文化區(qū)為主，隧道周邊區(qū)域?qū)β暛h(huán)境質(zhì)量要求較高。

2.2 隧道吸聲搪瓷鋼板選型

為改善隧道洞口處的聲環(huán)境質(zhì)量，工程人員進(jìn)行隧道降噪設(shè)計(jì)。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，5種試件的降噪系數(shù)按順序分別為0.92、0.92、0.84、0.72和0.77，均具有較好的吸聲降噪性能。工程應(yīng)用中，吸聲搪瓷鋼板除應(yīng)具有良好的降噪性能外，還應(yīng)考慮安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性以及施工便利性等特性需求。經(jīng)比選，選定“穿孔搪瓷鋼板+微穿孔鋁板(圓孔)”的試件5應(yīng)用于本工程，并開展相關(guān)現(xiàn)場試驗(yàn)。隧道暗埋段吸聲搪瓷鋼板布置如圖7所示。吸聲搪瓷鋼板比選內(nèi)容如表2所示。

表2 吸聲搪瓷鋼板比選內(nèi)容

2.3 現(xiàn)場試驗(yàn)

混響時(shí)間是評價(jià)隧道噪聲環(huán)境及降噪效果的綜合指標(biāo)，是指在室內(nèi)聲音已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，中斷或停止聲源的發(fā)聲，平均聲能密度自原始值衰變到其百萬分之一所需要的時(shí)間?；祉憰r(shí)間取決于空間尺寸與形狀以及吸音表面的數(shù)量、質(zhì)量和位置。結(jié)構(gòu)的吸音性能越好，其混響時(shí)間越短。

為驗(yàn)證“穿孔搪瓷鋼板+微穿孔鋁板(圓孔)”的實(shí)際降噪效果，分別進(jìn)行隧道安裝搪瓷鋼板前后的現(xiàn)場混響時(shí)間試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

安裝降噪材料前后隧道洞口、中心處的混響時(shí)間曲線如圖8所示。

由圖8可知：

(1) 安裝降噪材料(吸聲搪瓷鋼板)前，隧道中的混響時(shí)間普遍偏長，隧道中心處的混響時(shí)間比洞口處的混響時(shí)間長；隧道內(nèi)低頻噪聲的混響間較長，隧道中心處低頻噪聲的混響時(shí)間最長達(dá)24.4 s。

(2) 安裝降噪材料后，隧道中的混響時(shí)間顯著縮短，且隧道洞口處與中心處的混響時(shí)間較為接近。

(3) 安裝降噪材料后，隧道洞口處的混響時(shí)間平均縮短4.6 s，160 Hz以下的混響時(shí)間縮短最明顯，可達(dá)15.2 s，全頻帶混響時(shí)間縮短到3 s以下，200 Hz以上的混響時(shí)間控制在2 s以內(nèi)。

(4) 安裝降噪材料后，隧道中心處的混響時(shí)間平均縮短7.2 s，315 Hz以下的混響時(shí)間縮短最明顯，可達(dá)22.9 s，全頻帶混響時(shí)間縮短到5 s以下，200 Hz以上的混響時(shí)間控制在2 s以內(nèi)。

根據(jù)隧道平均自由程進(jìn)行推算[6]，安裝降噪材料前后隧道吸聲系數(shù)曲線如圖9所示。

由圖9可知：

(1) 安裝降噪材料前，隧道吸聲系數(shù)隨著噪聲頻率的變化近似呈線性增大。

(2) 安裝降噪材料后，隧道吸聲系數(shù)隨著噪聲頻率的增大，表現(xiàn)出先增大后減小，再近似呈線性增大的規(guī)律。

(3) 安裝降噪材料后，隧道各頻段的吸聲系數(shù)顯著增大，吸聲系數(shù)平均增大0.12，對于低頻(200～315 Hz)噪聲吸聲效果較為顯著。

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)得到隧道吸聲系數(shù)，參考《城市隧道噪聲控制技術(shù)規(guī)程》(DGJ32/TJ 216—2016)[6]，對因隧道通車導(dǎo)致的噪聲增量進(jìn)行預(yù)測，分別預(yù)測采取降噪措施前后的噪聲增量，兩者差值即為安裝降噪材料后的預(yù)期降噪量。

安裝降噪材料前后隧道的預(yù)測噪聲增量曲線如圖10所示，降噪處理后全頻帶預(yù)期降噪量明顯提升，平均預(yù)期降噪量約為7.4 dB；200～315 Hz頻段內(nèi)的降噪效果尤為明顯，平均預(yù)期降噪量約為9.9 dB，最大可達(dá)11.7 dB。

3 結(jié)論

結(jié)合城市隧道實(shí)際需求，開展了5種吸聲搪瓷鋼板試驗(yàn)研究，并在永定路一號(hào)隧道和二號(hào)隧道中進(jìn)行應(yīng)用，介紹了吸聲搪瓷鋼板從降噪性能試驗(yàn)、材料選型到工程應(yīng)用的全過程，主要結(jié)論如下。

(1) 開展試驗(yàn)的5種吸聲搪瓷鋼板均具有較好的吸聲性能，試件1～試件5的降噪系數(shù)分別為0.92、0.92、0.84、0.72和0.77。綜合比選5種試件的降噪性能、耐久性、經(jīng)濟(jì)性及施工便利性，“穿孔搪瓷鋼板+微穿孔鋁板(圓孔)”的試件5具有較為均衡的工程性能，并將試件5用于現(xiàn)場試驗(yàn)。

(2) 隧道安裝吸聲搪瓷鋼板后，隧道洞口處與隧道中心處的混響時(shí)間顯著縮短，隧道洞口處的全頻帶混響時(shí)間縮短到3 s以下；隧道中心處全頻帶混響時(shí)間縮短到5 s以下；同時(shí)隧道洞口處與中心處的噪聲混響時(shí)間差異顯著縮小。

(3) 隧道安裝吸聲搪瓷鋼板后，隧道各頻段的吸聲系數(shù)平均增大0.12，降噪處理后全頻帶的平均預(yù)期降噪量約為7.4 dB。200～315 Hz頻段內(nèi)降噪效果尤為明顯，平均預(yù)期降噪量約為9.9 dB，最大可達(dá)11.7 dB。