納米材料在道路聲屏障中的應(yīng)用探析

王 勤

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096； 江蘇交科能源科技發(fā)展有限公司，南京 210017)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、居民生活水平的提高，全國各類型機(jī)動車保有量劇增，而機(jī)動車帶來的一系列環(huán)境污染問題也日益顯著。其中，尾氣問題通過機(jī)動車排放標(biāo)準(zhǔn)的更新得到緩解，而噪聲問題一直因其機(jī)理復(fù)雜、防治技術(shù)難度高、污染事件隨機(jī)性高以及對居民健康影響難以評估和鑒定等特性，尚未形成系統(tǒng)的解決方案?，F(xiàn)階段主要采用加裝道路聲屏障的方法來吸收和阻隔車輛行駛帶來的噪聲，一定程度上降低了對城市道路和公路沿線居民的噪聲困擾。但市場上的聲屏障產(chǎn)品效果還未能達(dá)到預(yù)期，且我國關(guān)于道路交通噪聲的測量標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法相對老舊，已不能滿足現(xiàn)代社會發(fā)展的要求。因此，為推動環(huán)境保護(hù)工作，亟需在標(biāo)準(zhǔn)完善、隔聲技術(shù)和隔聲產(chǎn)品等方面有所突破，對噪聲污染問題進(jìn)行防治。本文將從交通噪聲的特性、聲屏障隔聲的原理和納米材料應(yīng)用后對聲屏障產(chǎn)品的技術(shù)性能提升等方面來尋求道路交通噪聲防治的新思路。

1 交通噪聲特性分析

1.1 交通噪聲的等效頻率問題

交通噪聲的等效頻率問題是噪聲分析和防治的關(guān)鍵，國內(nèi)外諸多科研工作者自1960年開始對此開展了深入的研究。1980年，Harris C M提出評估聲屏障的噪聲防治效果時可采用500 Hz等效頻率。1989年，章力等[1]針對趙仁興等[2]提出的我國道路交通噪聲分類頻譜開展計算和驗證后，建議我國道路交通噪聲采用400 Hz等效頻率。從20世紀(jì)90年代，我國開始采用500 Hz作為道路交通噪聲的等效頻率。2009年，邵鋼等[3]通過實測和理論計算得出，道路交通噪聲的等效頻率與車型、車速有很強(qiáng)的相關(guān)性，等效頻率在60～1 000 Hz 。

機(jī)動車經(jīng)過幾十年的發(fā)展，發(fā)動機(jī)、底盤、傳動、輪胎和車型結(jié)構(gòu)等汽車構(gòu)件的技術(shù)水平都得到了飛速提升，過去困擾學(xué)者的發(fā)動機(jī)噪聲問題如今已經(jīng)可以忽略不計，現(xiàn)在的道路交通噪聲主要來自車輛自身機(jī)械結(jié)構(gòu)隨行車顛簸產(chǎn)生的共振和碰撞，與輪胎在不同材質(zhì)路面上的摩擦和沖擊。路面的平整度對車輛行駛噪聲有著決定性的影響，因而提升道路的平整度是解決道路交通噪聲問題的有效手段，本文中不再贅述。從國內(nèi)外同類研究成果中可知，道路交通的噪聲頻率分布主要在50～6 000 Hz，對采用500 Hz作為道路交通噪聲的等效頻率是否還符合現(xiàn)代交通運輸裝備產(chǎn)生噪聲的特性進(jìn)行研究，能為道路交通噪聲污染防治和聲屏障產(chǎn)品的研發(fā)與制造提供參考和借鑒。

1.2 交通噪聲頻譜特性

在交通運輸部發(fā)布的《收費公路車輛通行費車型分類》(JT/T 489—2019)規(guī)定中，行駛在收費公路上的所有車輛被分為客車、貨車和專項作業(yè)車3大類別，其中客車有4類，貨車有5類，專項作業(yè)車有6類。按照載重噸位劃分，汽車總質(zhì)量小于6 t的為小型車，大于6 t的為大型車。一般而言，小型車的噪聲以中高頻率為主，多為胎噪和風(fēng)噪；大型車的噪聲以中低頻為主，自身結(jié)構(gòu)沖擊振動的噪聲比較多。由于車輛行駛噪聲的頻率會隨車速的增加而逐漸升高，噪聲強(qiáng)度也會隨之增大，因此，在不同的道路和行駛條件下，通行車輛車型和車速的不同，會導(dǎo)致交通噪聲頻譜范圍也有所不同。

由于噪聲是非穩(wěn)態(tài)的聲音能量，表征噪聲的強(qiáng)度一般采用Leq(等效連續(xù)噪聲等級)。根據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096—2008)的規(guī)定，Leq的單位是dB，計算公式為

(1)

式中，L為t時刻的瞬時聲級；T為規(guī)定的測量時間段。

根據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096—2008)的要求，噪聲檢測使用測量儀器精度為2型及2型以上的積分平均聲級計或環(huán)境噪聲自動監(jiān)測儀器，性能均需符合GB 3785和GB/T 17181的規(guī)定。因此，研究團(tuán)隊選取城市道路和高速公路路段，在晚高峰時段采用B & K 2245-E型聲級計(1級精度)分別測量了30 minLeq頻譜。其中，城市道路選擇5處測量點，均布設(shè)在主干道路單側(cè)的人行道路緣石內(nèi)15 m處，測量高度為2 m。為保證測試路段車輛處于相對勻速行駛狀態(tài)，測量點距雙側(cè)十字路口均大于100 m。在雙向6車道高速公路正常行車路段選擇2個測量點，避開橋梁和閘道，布設(shè)在路測護(hù)欄位置，高度超出路面2 m，距離收費站2 km以上。測量參數(shù)及等效頻率計算結(jié)果如表1所示。

表1 測量參數(shù)及等效頻率計算結(jié)果

經(jīng)測量后得到各路段的Leq頻譜，單車噪聲頻譜如圖1所示，城市道路噪聲頻譜如圖2所示，高速公路噪聲頻譜如圖3所示。分析測量后得到的數(shù)據(jù)，可歸納出道路噪聲的幾個特性：①小型車的平均聲壓等級比大型車低16.3 dB；②車速在40～100 km/h 時，大型車和小型車的高頻段聲壓等級會隨著車速的增高而提升，3 000～6 500 Hz頻段的平均聲壓等級提高10 dB左右；③同樣車速條件下，大型車占比從7%提升至70%以上時，其聲壓等級提升9 dB左右，主要頻率范圍從50～700 Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?00～1 500 Hz；④與城市道路相比，高速公路噪聲頻譜數(shù)據(jù)更平滑，主要頻率范圍為100～3 000 Hz，但等效頻率卻有所降低。由此可知，城市道路的噪聲情況更復(fù)雜，道路交通噪聲與其他背景噪聲交織后，其噪聲頻譜特性發(fā)生較大改變。

由表1可知，不同路段等效頻率的區(qū)間較寬，等效頻率會隨車速的增長而升高，所測路段的等效頻率結(jié)果均大于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)500 Hz的數(shù)值。由圖1～圖3可知，噪聲頻譜會隨車速的增大而趨向高頻段，行駛車輛中小型車占比越高，噪聲頻譜的高頻段聲壓等級也越高；而行駛車輛中大型車占比越高，噪聲頻譜的總聲壓等級會線性提升。

通過上述試驗發(fā)現(xiàn)不同車型、車速對噪聲強(qiáng)度和噪聲頻率有影響，同時也發(fā)現(xiàn)不同路段和路況條件會導(dǎo)致道路交通噪聲的等效頻率范圍發(fā)生較大變化?，F(xiàn)今道路交通噪聲的等效頻率已經(jīng)在550～900 Hz,與我國目前還在采用的500 Hz標(biāo)準(zhǔn)不相符，說明車輛的平均車速和小型車的占比相對30年前已發(fā)生較大變化。在新的等效頻率范圍下，須在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和設(shè)計參數(shù)等方面對用于防治噪聲污染的聲屏障產(chǎn)品做相應(yīng)的優(yōu)化。

2 道路聲屏障隔聲的原理分析與思考

2.1 聲屏障隔聲的基本原理

聲音在傳播過程中遇到屏障物，因介質(zhì)特性阻抗的變化，部分聲能會被屏障物反射回來，入射聲波的一部分被屏障物吸收，另一部分可以透過屏障物傳播到另一空間去，透射聲波僅是入射聲波的一部分。聲波被屏障介質(zhì)反射與吸收，從而起到降低噪聲傳播的效果。聲波遇屏障物的傳播特性如圖4所示，其特性滿足下列公式：

E0=Eβ+Eα+Eτ

(2)

(3)

(4)

式中，β是反射系數(shù)；E0是入射聲波能量；Eβ是反射聲波能量；Eα是折射及吸收的聲波能量；Eτ是透射聲波能量；τ是透射系數(shù)；ρ1、ρ2是不同介質(zhì)的密度；c1、c2是不同介質(zhì)中聲音的傳播速度。

在道路這類開放場景下，噪聲在經(jīng)過聲屏障時，不僅發(fā)生反射和透射，還會出現(xiàn)繞射現(xiàn)象。因此，設(shè)計道路聲屏障產(chǎn)品不僅要考慮材質(zhì)吸聲、隔聲的效果，還要考慮在結(jié)構(gòu)形式上減少繞射現(xiàn)象的發(fā)生，使聲影區(qū)域盡可能大，做到在合理控制造價的前提下，有效降低更多區(qū)域噪聲。

道路聲屏障的噪聲傳播特性如圖5所示。

由圖5(a)和圖5(b)可知，觀測點區(qū)域不僅能檢測到透射的聲波，也能檢測到繞射的聲波，繞射聲波會使聲影區(qū)域進(jìn)一步縮小。由圖5(c)可知，在路幅較窄的區(qū)域，雙側(cè)聲屏障的設(shè)立還會使聲波在反射后發(fā)生二次透射和繞射，加大了聲屏障隔聲設(shè)計的難度。

2.2 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和交通噪聲控制目標(biāo)建議

在生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096—2008)規(guī)定中，根據(jù)區(qū)域的使用功能特點和環(huán)境質(zhì)量要求，聲環(huán)境功能區(qū)分為以下5種類型：

(1) 0類聲環(huán)境功能區(qū)：指康復(fù)療養(yǎng)區(qū)等特別需要安靜的區(qū)域。

(2) 1類聲環(huán)境功能區(qū)：指以居民住宅、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育、科研設(shè)計、行政辦公為主要功能，需要保持安靜的區(qū)域。

(3) 2類聲環(huán)境功能區(qū)：指以商業(yè)金融和集市貿(mào)易為主要功能，或者居住、商業(yè)、工業(yè)混雜，需要維護(hù)住宅安靜的區(qū)域。

(4) 3類聲環(huán)境功能區(qū)：指以工業(yè)生產(chǎn)和倉儲物流為主要功能，需要防止工業(yè)噪聲對周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響的區(qū)域。

(5) 4類聲環(huán)境功能區(qū)：指交通干線兩側(cè)一定距離之內(nèi)，需要防止交通噪聲對周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響的區(qū)域，包括4a類和4b類兩種類型。4a類為高速公路、一級公路、二級公路、城市快速路、城市主干路、城市次干路、城市軌道交通(地面段)以及內(nèi)河航道兩側(cè)區(qū)域；4b類為鐵路干線兩側(cè)區(qū)域。

環(huán)境噪聲限值如表2所示。

表2 環(huán)境噪聲限值 dB(A)

按上述標(biāo)準(zhǔn)，道路沿線的居住噪聲限值可按4a類取值，即晝間70 dB、夜間55 dB。但隨著我國城鎮(zhèn)化率的不斷提高，很多居住小區(qū)與高速公路、干線公路以及城市主干道的距離較近，這些道路交通噪聲對居民的生活和身心健康造成較多的困擾。為給居民提供更舒適的居住環(huán)境，防治噪聲污染，建議道路沿線的居住噪聲限值以2類聲環(huán)境功能區(qū)為控制標(biāo)準(zhǔn)，即晝間60 dB、夜間50 dB。

2.3 聲屏障性能隔聲仿真與結(jié)構(gòu)建議

假設(shè)晝間交通噪聲源的強(qiáng)度為100 dB，道路中心線距路側(cè)建筑物為30 m，建筑物高度為10 m，聲屏障高度為3 m，且采用直立雙層鋼板結(jié)構(gòu)，隔聲量為20 dB。經(jīng)仿真計算后發(fā)現(xiàn)，未采用聲屏障時，建筑物區(qū)域的平均噪聲等級達(dá)到75 dB以上，采用聲屏障后，建筑物區(qū)域的平均噪聲等級下降到55 dB左右，表明初步達(dá)到控制效果。噪聲傳播仿真如圖6所示，加入聲屏障后噪聲傳播仿真如圖7所示。

仿真結(jié)果表明聲屏障對道路交通噪聲有較好的隔聲作用，值得推廣，但隔聲效果仍有待提高。

單層均勻材質(zhì)隔聲頻率特性曲線如圖8所示。單層材質(zhì)的隔聲材料易與噪聲頻率產(chǎn)生吻合效應(yīng)，會大幅度降低隔聲效果，因而，隔聲材料的固有頻率應(yīng)避開與噪聲頻率發(fā)生共振和吻合的頻段。高剛度、大質(zhì)量的材料吻合頻率較低，如不同厚度的常見金屬材質(zhì)，其吻合頻率在500～3 000 Hz；柔軟、輕薄的材質(zhì)吻合頻率較高，如厚度小于1 cm的石膏板，其吻合頻率在5 000～10 000 Hz，更加柔軟的材料吻合頻率更高。因此，綜合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和吻合頻率兩方面因素，建議采用“肉夾饃”結(jié)構(gòu)設(shè)計聲屏障，以提升整個聲屏障隔聲的有效頻率區(qū)間。在高鐵采用的聲屏障結(jié)構(gòu)中，兩側(cè)是金屬結(jié)構(gòu)的框架，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能，中間由發(fā)泡材料填充，保證吸聲和隔聲效果[4]。高鐵聲屏障結(jié)構(gòu)如圖9所示。

3 納米材料在聲屏障中的應(yīng)用思路

3.1 常見納米發(fā)泡材料簡介

常見的納米發(fā)泡材料有納米海綿、納米橡塑等，其物理特性類似，都具有柔軟、耐曲繞、耐寒、耐熱、阻燃、防水、導(dǎo)熱系數(shù)低、減振、吸聲等優(yōu)良的材料性能，且不含纖維粉塵，不會滋生霉菌等有害物質(zhì)，能有效避免生化污染。納米發(fā)泡材料如圖10所示。使用納米發(fā)泡材料來制作聲屏障的填充層尤為合適，既能大幅度降低聲屏障的自身重量和造價，又能提升隔聲效果[5]。

納米海綿(密胺泡綿)又稱三聚氰胺泡沫塑料，具有難燃性、高溫穩(wěn)定性和柔韌性。納米海綿的網(wǎng)格長徑比在10～20，其極高的孔隙率特征(密度為6 kg/m3的泡綿的孔隙率高達(dá)97%以上)使得聲波能方便、有效地進(jìn)入泡沫體的深層，并轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)格的振動能被消耗和吸收掉，同時，高孔隙率使納米海綿能有效地消除反射波，尤其是對低頻噪聲的吸收特性，使之適合在道路交通噪聲場景中使用。

納米橡塑材料是以橡膠和聚氯乙烯為主要原料的混合發(fā)泡材料，經(jīng)混煉、密煉、連續(xù)式擠出、加熱發(fā)泡、冷卻分切等工藝制作而成，具備導(dǎo)熱系數(shù)低、防火阻燃性能好、防潮阻濕、減振降噪、環(huán)保健康、使用壽命長等性能，表觀密度大于120 kg/m3，壓縮強(qiáng)度大于25 kPa，適合應(yīng)用在有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的場景，可以在提供優(yōu)質(zhì)吸聲特性的基礎(chǔ)上，同時具備較好的力學(xué)特性。

3.2 納米發(fā)泡材料聲學(xué)特性簡析

納米發(fā)泡材料屬于多孔吸聲材料，內(nèi)部存在大量相互連通的細(xì)微空隙，當(dāng)材料表面受到聲波入射時，一部分入射聲波被反射，另一部分入射聲波進(jìn)入材料內(nèi)部繼續(xù)向前傳播?；诩{米發(fā)泡材料的多孔特性，微孔隙結(jié)構(gòu)會使更多的聲波進(jìn)入材料內(nèi)部，大幅度降低反射和透射聲波量，而進(jìn)入內(nèi)部的聲波會激發(fā)孔隙中的空氣，使其產(chǎn)生振動，振動的空氣與發(fā)泡材料本體之間產(chǎn)生摩擦，將機(jī)械波中的能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到吸聲的目的。納米發(fā)泡材料微觀結(jié)構(gòu)如圖11所示。納米尺度下的發(fā)泡材料孔隙率大幅度上升，吸聲能力進(jìn)一步提升，而纖維孔隙結(jié)構(gòu)吸收聲波后會產(chǎn)生較多的熱量，熱量堆積會產(chǎn)生熱島效應(yīng)，該效應(yīng)是否會降低材料的吸聲能力，有待進(jìn)一步實驗驗證[6]。

據(jù)國內(nèi)某高校聲學(xué)實驗室實測的一款納米發(fā)泡棉吸聲特性的結(jié)果可知，厚度大于10 cm的發(fā)泡棉可有效吸收500 Hz以上的聲波，吸聲系數(shù)可達(dá)0.9以上，對2 000 Hz以上聲波，吸聲系數(shù)近似1，通常吸聲系數(shù)高于0.56的材料就屬于高吸聲系數(shù)材料。由該實驗可知，該款納米發(fā)泡棉作為聲屏障的填充層，正好彌補(bǔ)金屬骨架低頻共振和中高頻吻合效應(yīng)的不足，能有效覆蓋500～6 000 Hz頻段。發(fā)泡棉吸聲特性頻譜如圖12所示。

4 結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)代交通環(huán)境中噪聲的等效頻率發(fā)生了變化，高于仍在采用的500 Hz經(jīng)驗數(shù)值，亟需優(yōu)化。聲屏障的布設(shè)能夠有效降低道路周邊的噪聲等級，但聲屏障需要科學(xué)設(shè)計，其外形、布設(shè)位置、材質(zhì)都對吸聲和防繞射能力有著較大的影響。為提升吸聲效果，聲屏障自身宜采用多層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充高吸聲系數(shù)材料。而納米發(fā)泡材料有著極優(yōu)異的吸聲性能，特別適合作為聲屏障的填充層，在防治道路交通噪聲領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間。