基于高速公路噪聲頻譜特性的復(fù)合聲屏障技術(shù)應(yīng)用

陳宗娟,王昭月,隆燕妮,李鵬沖

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

高速公路的建設(shè)大大提高了人們出行的便捷度,帶動(dòng)了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,但同時(shí)也給臨路的居民造成了噪聲困擾。路邊設(shè)立聲屏障具有節(jié)約土地、降噪明顯等優(yōu)勢,是高速公路降噪措施的首選。

高速公路噪聲來源于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎與路面的摩擦等,具有一定規(guī)律的頻譜特性。頻譜指的是各頻率下的A聲級大小分布情況。明確高速公路噪聲峰值所處的頻率范圍和影響因素,才能有針對性地設(shè)計(jì)具有對應(yīng)頻譜降噪特點(diǎn)的聲屏障。影響高速公路頻譜特性的因素普遍認(rèn)為是車速、車型比、車流量和路面構(gòu)造[1]。高速公路車輛對高速公路的噪聲貢獻(xiàn)較大的聲能量頻段為63～2 000 Hz,車速增大時(shí),噪聲強(qiáng)度增加,聲能量頻段也向高頻移動(dòng)[2]。小型車的噪聲能量主要集中在1 000～2 000 Hz,而中型車的噪聲能量主要集中在500～2 000 Hz,對于大型車速度>60 km/h時(shí),噪聲能量主要分布在1 000 Hz以下的頻率范圍內(nèi),車流量越大聲壓級越大[3-4]。故基于高速公路頻譜特性——中低頻范圍的高效降噪的聲屏障更適合高速公路噪聲降噪。

李云濤等[5]采用工業(yè)廢渣作為聲屏障基本原料,使用膠凝溶劑高溫聚合成微粒吸聲材料,通過性能測試驗(yàn)證,該材料在200～5 000 Hz頻段內(nèi)具有良好的吸聲效果,兼具耐腐蝕、耐潮濕、防積水的特點(diǎn),適合廣西濕熱多雨的環(huán)境使用?；谝陨侠碚撗芯?本文對聲屏障進(jìn)行深入設(shè)計(jì),將“吸聲面板+空腔結(jié)構(gòu)+金屬隔聲背板”一體化成型的復(fù)合聲屏障技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目,通過實(shí)際案例探究基于高速公路頻譜特性的復(fù)合聲屏障技術(shù)在廣西高速公路上的應(yīng)用效果。

1 聲屏障材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用設(shè)置

1.1 聲屏障降噪原理及材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車所發(fā)出的噪聲遇到聲屏障后,一部分從聲屏障頂端繞射至受聲點(diǎn)(繞射聲),一部分穿透聲屏障到達(dá)受聲點(diǎn)(透射聲),一部分在聲屏障和車外殼或?qū)ο蚵暺琳现g多次反射再傳至受聲點(diǎn)(反射聲)。聲屏障的降噪效果主要由以上三條路徑的能量分配決定[6]。在聲屏障設(shè)計(jì)中,通過增加聲屏障高度和頂部設(shè)計(jì)來減小繞射聲的影響;通過增加聲屏障面板密度或厚度來減小透射聲,增加聲屏障的隔聲能力;通過在聲屏障靠路側(cè)附加吸聲結(jié)構(gòu)(如穿孔板、空腔共振等)來減小反射聲[7]。高速公路常途經(jīng)村莊、涵洞或隧道,常出現(xiàn)多輛大車并行或兩側(cè)平行聲屏障的情況,此時(shí)汽車產(chǎn)生的噪聲聲波容易在聲屏障與車、車與車之間不斷反射,導(dǎo)致道路噪聲大且影響路邊居民生活。因此采用“吸聲面板+空腔結(jié)構(gòu)+金屬隔聲背板”一體化成型的復(fù)合型聲屏障技術(shù),兼具吸聲、隔聲特點(diǎn),在保證基本隔聲效果的同時(shí)減小反射聲的產(chǎn)生,有利于高速公路噪聲控制。

聚合微粒吸聲材料技術(shù)在中低頻范圍內(nèi)具有良好的吸聲性能(吸聲系數(shù)>0.6),是一項(xiàng)具有中低頻高效吸聲的多孔材料,孔隙率最高可達(dá)35%。聚合微粒吸聲板內(nèi)部具有相互貫通的縫隙,聲波入射時(shí),一部分聲能被反射,另一部分聲能在孔隙間轉(zhuǎn)化為熱量進(jìn)而達(dá)到“吸聲”的作用[8]。

因此,綜合以往研究成果,選用30～50目粒徑聚合微粒板作為吸聲面板,搭配70 mm空腔組合的吸聲結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高速公路噪聲的中低頻吸聲作用。聲屏障背部采用1 mm鍍鋅板提高整體隔聲效果,單塊屏體的長×寬×厚尺寸為1 960 mm×500 mm×80 mm。吸聲面板、空腔結(jié)構(gòu)與鍍鋅板之間采用一體式結(jié)構(gòu)(圖1),增加整個(gè)構(gòu)建的整體性,方便施工安裝。

圖1 聲屏障實(shí)際應(yīng)用成品圖及結(jié)構(gòu)圖

1.2 聲屏障應(yīng)用設(shè)置

蘭州至?？诟咚俟窂V西欽州至北海段改擴(kuò)建項(xiàng)目位于廣西欽州市、北海市境內(nèi),主線總里程為112 km,北海支線總里程為28 km。項(xiàng)目于2019年9月底開工,2022年8月通車。

根據(jù)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)文件可知,項(xiàng)目運(yùn)營后,北海支線的沿線集中居民區(qū)普遍出現(xiàn)聲環(huán)境質(zhì)量超標(biāo)的現(xiàn)象。本研究選定北海支線附近包家塘村設(shè)置復(fù)合吸聲屏障,聲屏障長度為1 045 m,高度為3 m。設(shè)置點(diǎn)位如圖2所示。

圖2 聲屏障設(shè)點(diǎn)布置圖

2 效果驗(yàn)證方法

2.1 材料隔聲量和吸聲系數(shù)評價(jià)

依據(jù)《聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲量測量 第3部分:建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實(shí)驗(yàn)室測量》(GB/T 19889.3-2005)和《聲學(xué) 混響室吸聲測量》(GB/T 20247-2006)的方法,測量聚合微粒聲屏障在各頻段的隔聲量及吸聲系數(shù)。

2.2 插入損失的測量

聲屏障的降噪效果一般用插入損失來評價(jià)。根據(jù)《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和技術(shù)規(guī)范》(HJT90-2004)中的間接法對復(fù)合聲屏障的插入損失進(jìn)行測量。

取聲屏障附近一臨路點(diǎn)位模擬測量聲屏障安裝前的噪聲狀況,另取一聲屏障后方點(diǎn)位作為聲屏障后方受聲點(diǎn),測量點(diǎn)位如圖3所示。根據(jù)式(1)對聲屏障插入損失進(jìn)行計(jì)算:

(a)空白對照點(diǎn)

IL=(Lref,a-Lref,b)-(Lr,a-Lr,b)

(1)

式中:Lref,b——在等效場所參考點(diǎn)處測量的聲屏障安裝前的A聲級(dB);

Lr,b——在等效場所受聲點(diǎn)處測量的聲屏障安裝前的A聲級(dB);

Lref,a——聲屏障安裝后參考點(diǎn)處的A聲級(dB);

Lr,a——聲屏障安裝后受聲點(diǎn)的A聲級(dB)。

同時(shí)對空白對照點(diǎn)及聲屏障后方受聲點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的1/1頻譜監(jiān)測,對比有、無聲屏障時(shí)的頻譜特點(diǎn)。

2.3 居民住宅的噪聲影響驗(yàn)證

按照《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3096)要求開展監(jiān)測。取包家塘臨路1排3處房屋作為聲屏障效果驗(yàn)證點(diǎn),分別命名為“包家塘1”“包家塘2”“包家塘3”,此3處點(diǎn)位分別靠近聲屏障起始點(diǎn)、中部及尾部。臨路一排的房屋建筑最易受到交通噪聲的影響,也是聲屏障的主要保護(hù)對象。在此3處點(diǎn)位的監(jiān)測截面圖如下頁圖4所示。另取聲屏障外一點(diǎn)作為對照點(diǎn),模擬聲屏障安裝前的噪聲狀況。

(a)包家塘1

3 結(jié)果及討論

3.1 聲屏障隔聲量和吸聲系數(shù)表征

吸聲系數(shù)α為吸收聲能與入射聲能之比,評價(jià)聲屏障整體效果通常采用降噪系數(shù)NRC和計(jì)權(quán)隔聲量Rw來表示。復(fù)合聲屏障隔聲量及吸聲系數(shù)表征結(jié)果如表1所示。由表1可見,隨著頻率的增加,聲屏障隔聲量逐漸提高,吸聲系數(shù)先升高后下降,在315～1 600 Hz之間的吸聲系數(shù)均>0.6。聲屏障吸聲系數(shù)峰值為1.03,對應(yīng)的頻率為630 Hz。

表1 聲屏障的隔聲量和吸聲系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)《建筑隔聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50121)評價(jià)計(jì)權(quán)隔聲量,結(jié)果為Rw=33 dB。經(jīng)過250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz四個(gè)頻帶吸聲系數(shù)的平均值計(jì)算得到復(fù)合聲屏障的降噪系數(shù)(NRC),結(jié)果為NRC=0.7。該復(fù)合聲屏障技術(shù)的聲學(xué)性能遠(yuǎn)超過《公路聲屏障 第4部分:聲學(xué)材料技術(shù)要求及檢測方法》(JT/T 646.4)所規(guī)定的聲屏障降噪系數(shù)NRC>0.6,隔聲量≥26 dB的要求,說明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)合聲屏障技術(shù)符合國家對聲屏障材料的要求,可投入實(shí)際工程進(jìn)行運(yùn)用。

3.2 插入損失的測量

在兩種車流量情況下,用間接法測量復(fù)合聲屏障在各頻率下的插入損失。車流量分別為工況一(大、中、小車流量分別為126輛/h、58輛/h、672輛/h)及工況二(大、中、小車流量分別為106輛/h、74輛/h、886輛/h)。插入損失測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 復(fù)合聲屏障在各頻率下的插入損失測量結(jié)果曲線圖

由圖5可知,在16～125 Hz的低頻區(qū),聲屏障插入損失在0～4 dB左右;在125～2 000 Hz的中低頻區(qū)間內(nèi),插入損失為4～9.5 dB左右;在2 000～6 000 Hz的中高頻區(qū)間內(nèi)插入損失在0～8 dB左右;當(dāng)頻率>6 000 Hz時(shí),插入損失為負(fù)值,出現(xiàn)聲壓級增加的現(xiàn)象。在2 000 Hz以下的中低頻范圍,復(fù)合聲屏障技術(shù)具有良好的降噪效果,插入損失峰值位于500 Hz和2 000 Hz處,分別為9.5 dB和8 dB左右,說明復(fù)合聲屏障對中低頻的噪聲具有顯著的降噪效果。本研究設(shè)計(jì)的聲屏障在安裝后達(dá)到了針對中頻噪聲降噪的設(shè)計(jì)預(yù)期,甚至在2 000～6 000 Hz的中高頻也有顯著的降噪效果。

車流量小幅度變化,未明顯改變聲屏障插入損失在各頻率上的分布情況,說明聲屏障選材及空間組成結(jié)構(gòu)為決定聲屏障插入損失的主要控制因素,車流量、車型比等交通變化情況僅使各頻段插入損失小幅度波動(dòng)。在頻率>6 000 Hz時(shí),聲屏障插入損失出現(xiàn)負(fù)值(-6 dB),可能是由于間接法測量導(dǎo)致的誤差[9],但高頻噪聲往往不是主要的高速公路噪聲的主要貢獻(xiàn)者,其略微增加對總體交通噪聲影響不大。

同時(shí),對空白對照點(diǎn)及聲屏障后方受聲點(diǎn)連續(xù)頻譜監(jiān)測,得到20 min內(nèi)對照點(diǎn)及聲屏障后方的頻譜特性,結(jié)果見圖6。由圖6直觀地表現(xiàn)出復(fù)合聲屏障技術(shù)在63～4 000 Hz范圍內(nèi)具有明顯的降噪作用,尤其在250～2 000 Hz的中低頻范圍內(nèi),A聲級降低幅度最大(插入損失在5～10 dB左右),同樣也證明了在實(shí)際應(yīng)用中復(fù)合聲屏障技術(shù)基于中低頻的同頻降噪作用,與高速公路頻譜特性相吻合。

(a)工況一

3.3 居民住宅的噪聲影響驗(yàn)證

聲屏障建設(shè)后,本研究對包家塘1、包家塘2、包家塘3的點(diǎn)位進(jìn)行晝間現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果如表2所示。以對照點(diǎn)模擬未設(shè)立聲屏障時(shí)的居民區(qū)受交通噪聲影響下的環(huán)境噪聲值,以住宅對照值和居民樓實(shí)測值的差值為聲屏障對住宅的降噪效果。

表2 居民區(qū)噪聲值實(shí)測結(jié)果表

由表2各點(diǎn)位的監(jiān)測結(jié)果對比表明,經(jīng)過聲屏障的降噪作用,噪聲值在實(shí)際居民樓可降低4.2～11.1 dB,比普遍聲屏障降噪效果更好(3～5 dB)[10-11],這也與敏感點(diǎn)具體方位、建筑物形態(tài)、聲屏障實(shí)際建設(shè)效果等因素有關(guān)。不少聲屏障存在明顯縫隙,如燈柱與聲屏障結(jié)合處、聲屏障與橋欄板頂面之間、預(yù)留通道門(逃生出口)縫隙等,聲屏障的縫隙或破損會導(dǎo)致聲屏障實(shí)際插入損失降低[12]?？傮w來說,復(fù)合聲屏障的設(shè)置進(jìn)一步優(yōu)化了高速公路臨路村莊(特別是臨路一排居民樓)的噪聲環(huán)境,復(fù)合聲屏障具有降噪作用明顯,兼具環(huán)境美觀特點(diǎn)。

4 結(jié)語

(1)采用30～50目粒徑、8 mm厚度面板與70 mm空腔組合的復(fù)合聲屏障技術(shù)在315～1 600 Hz之間的吸聲系數(shù)均>0.6,計(jì)權(quán)隔聲量Rw=33 dB,降噪系數(shù)NRC=0.7。

(2)實(shí)地測量結(jié)果表示,在2 000 Hz以下的中低頻范圍,復(fù)合聲屏障插入損失為4～9.5 dB,插入損失峰值位于500 Hz和2 000 Hz處,分別為9.5 dB和8 dB左右。本研究設(shè)計(jì)的聲屏障在安裝后達(dá)到了針對中頻高速公路頻譜同頻降噪的設(shè)計(jì)預(yù)期,甚至在2 000～6 000 Hz的中高頻也有顯著的降噪效果。

(3)臨路村莊加設(shè)聲屏障后,居民樓具有4.2～11.1 dB的降噪作用,復(fù)合聲屏障技術(shù)對于臨路住宅區(qū)的聲環(huán)境起到明顯優(yōu)化作用。