公路降噪技術(shù)研發(fā)及創(chuàng)新

降噪路面技術(shù)

降噪路面材料的分類與性能

常規(guī)降噪路面

高速公路宜采用大空隙低噪聲瀝青路面。在大空隙路面不適用路段，如高溫地區(qū)、重載路段、丘陵山區(qū)、多風(fēng)沙地區(qū)等，則可以使用橡膠瀝青路面、密級配薄層罩面或密級配超薄罩面。采用橡膠瀝青路面、密級配薄層罩面或密級配超薄罩面時(shí)，在滿足表面抗滑性能要求的條件下，宜采用細(xì)粒式或砂粒式級配作為路面表面層混合料。

采用大空隙降噪路面時(shí)，可根據(jù)檢測所獲數(shù)據(jù)，繪制輪胎-路面噪聲聲壓級頻譜曲線，觀測輪胎-路面噪聲峰值大小及峰值所處的頻譜區(qū)間。根據(jù)大空隙降噪路面吸聲系數(shù)模擬曲線，宜選擇吸聲系數(shù)峰值頻率與輪胎-路面噪聲峰值頻率接近的路面結(jié)構(gòu)類型，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)定，交通流組成以小客車為主（小客車比例占90%）的路段，或交通噪聲主要由小客車引起的道路或車道，宜采用薄層或超薄大空隙瀝青路面結(jié)構(gòu)；交通流組成以大型貨車為主，或交通噪聲主要由大型貨車引起的道路或車道，宜采用單層或雙層大空隙路面。各車道的車型影響可按照相關(guān)方法確定。

大空隙降噪路面形式

新型高阻尼降噪路面

聚氨酯大空隙彈性路面等新型降噪路面形式需要經(jīng)過詳細(xì)的性能試驗(yàn)和專家論證，方可在實(shí)際工程中使用。為了進(jìn)一步降低交通噪聲中的低頻振動(dòng)噪聲，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以大空隙路面和聚氨酯大空隙彈性路面為基礎(chǔ)，根據(jù)低頻噪聲主要聲源和傳播特點(diǎn)，研發(fā)了高阻尼超彈大空隙路面。超彈大空隙路面由高彈特性的高聚物改性瀝青和骨料制備而成，通過改進(jìn)大空隙吸聲和阻尼減振材料結(jié)構(gòu)，優(yōu)化路面低頻吸聲特征。

不同降噪路面材料組成特點(diǎn)表

● 材料組成特點(diǎn)

大空隙路面、大空隙彈性路面、超彈大空隙路面，這三種降噪路面材料的組成特點(diǎn)如“不同降噪路面材料組成特點(diǎn)表”所示。其中，超彈大空隙路面將橡膠顆粒摻量限定在20%以內(nèi)，保證了路面結(jié)構(gòu)的耐久性；將膠結(jié)料由聚氨酯調(diào)整為高黏瀝青，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，對施工機(jī)械無特殊要求，更具施工可行性。

● 降噪效果分析

以公路常用的AC瀝青混凝土路面作為基準(zhǔn)，采用室內(nèi)輪胎下落法測試了AC-10、PAC-10、PEC-10和PERS-10等不同類型路面試件的輪胎-路面噪聲，測試結(jié)果如“不同類型試件噪聲測試結(jié)果圖”所示。

不同類型試件噪聲測試結(jié)果圖

由“不同類型試件噪聲測試結(jié)果圖”可知，與密級配AC-10混合料相比，PERS-10混合料能夠平均降低輪胎-路面噪聲7.5分貝，PAC-10混合料能夠平均降低輪胎-路面噪聲3.1分貝，PEC-10混合料能夠平均降低輪胎-路面噪聲5.1分貝。采用橡膠顆粒替代部分集料后，PEC-10混合料可比PAC-10混合料進(jìn)一步降低噪聲約2分貝，這表明彈性橡膠顆粒對降低振動(dòng)噪聲有利。

降噪路面的設(shè)計(jì)與施工方法

降噪路面的設(shè)計(jì)

● 大空隙低噪聲瀝青路面結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)降噪路面結(jié)構(gòu)組合和大空隙混合料表層的厚度，可分為：

單層大空隙瀝青路面 大空隙混合料表層厚度不小于40毫米，且小于60毫米?；旌狭洗旨献畲罅讲灰舜笥?3毫米。

雙層大空隙瀝青路面 由集料最大粒徑較小的大空隙混合料上層和集料最大粒徑較大的大空隙混合料下層組成的雙層結(jié)構(gòu)。上層厚度宜為20毫米至40毫米，下層厚度宜為35毫米至60毫米。上層混合料粗集料最大粒徑不宜大于13毫米。上、下兩層的連通空隙率均不宜低于14%。

薄層大空隙瀝青路面 大空隙混合料表層厚度不小于25毫米，且小于40毫米。混合料粗集料最大粒徑不宜大于10毫米。

超薄大空隙瀝青路面 大空隙混合料表層厚度小于25毫米，不宜小于20毫米?；旌狭洗旨献畲罅讲灰舜笥?0毫米。

● 大空隙降噪路面結(jié)構(gòu)分車道組合設(shè)計(jì)

根據(jù)不同車道的交通流組成，可對不同車道分別進(jìn)行降噪路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)所有車道的噪聲水平均較高時(shí)，半幅全部采用大空隙降噪路面，各車道根據(jù)噪聲差異進(jìn)行分車道設(shè)計(jì)；當(dāng)部分車道的噪聲水平較高時(shí)，只須在高噪聲的車道設(shè)置大空隙降噪路面。進(jìn)行分車道設(shè)計(jì)時(shí)，在橫斷面上，橫坡高位車道的大空隙混合料底層標(biāo)高不得低于相鄰橫坡低位車道大空隙混合料底層標(biāo)高。

● 新型降噪路面組合方案

針對不同降噪需求和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，基于大空隙路面和新研發(fā)的超彈大空隙路面技術(shù)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出了四種不同的降噪路面組合方案。與常規(guī)的單層大空隙降噪路面相比，其余三種新型組合方案的技術(shù)特點(diǎn)對比如“不同組合方案降噪路面的特點(diǎn)對比表”所示。

新型降噪路面組合方案圖

不同組合方案降噪路面的特點(diǎn)對比表

● 其他低噪聲瀝青路面結(jié)構(gòu)方案

其他可采用的降噪路面結(jié)構(gòu)組合表層厚度包括：

橡膠瀝青路面 表層厚度不小于40毫米，且小于60毫米?；旌狭洗旨献畲罅讲灰舜笥?3毫米。

薄層罩面 表層厚度不小于25毫米，且小于40毫米?？刹捎玫募壟漕愋桶⊿MA-10、AC-10，或其他經(jīng)過論證的級配形式。

超薄罩面 表層厚度小于25毫米?？刹捎玫募壟漕愋桶⊿MA-5/10、AC-5/10，或其他經(jīng)過論證的級配形式。

降噪路面的施工

降噪路面施工前，施工單位須認(rèn)真檢查、核實(shí)施工路段現(xiàn)場情況，如發(fā)生必要的變更須及時(shí)上報(bào)。對于瀝青、集料等重要原材料應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量管理與檢查。工程施工應(yīng)采用動(dòng)態(tài)質(zhì)量管理，強(qiáng)化事前和過程控制。

對于分車道設(shè)計(jì)方案，應(yīng)進(jìn)行合理的施工組織、交通管制安排。對于不同方案同時(shí)施工的情況，應(yīng)合理安排拌和站生產(chǎn)次序，規(guī)劃運(yùn)輸路線，精細(xì)控制分車道養(yǎng)護(hù)的攤鋪與碾壓工藝、碾壓路線、碾壓次序等。宜引入信息化手段進(jìn)行施工過程控制及信息記錄。

大空隙降噪路面分車道施工

應(yīng)用效果與實(shí)際案例

自2013年起，由創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研發(fā)的多種結(jié)構(gòu)降噪路面累計(jì)在四川應(yīng)用46.2公里，在江蘇應(yīng)用158.2公里，在河北應(yīng)用1.8公里，總應(yīng)用規(guī)模超過200公里，降噪效果達(dá)到3分貝至7分貝。提出的協(xié)同降噪設(shè)計(jì)方法，在江蘇省鹽靖高速應(yīng)用10.3公里。對通車不同年限的大空隙降噪路面降噪效果進(jìn)行了持續(xù)跟蹤評估。加鋪單層大空隙降噪路面之后，平均可以降低交通噪聲約3分貝；加鋪雙層大空隙降噪路面之后，平均可以降低交通噪聲約7分貝。隨著通車時(shí)間延長，降噪效果有所衰減，但是通車3年后，仍有2分貝至5分貝的降噪效果。

新型聲屏障技術(shù)

聲屏障的結(jié)構(gòu)與材料

結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

在滿足聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)合理考慮聲屏障的材料、厚度及其他相關(guān)因素。

聲屏障結(jié)構(gòu)應(yīng)符合《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測量規(guī)范》（HJ/T 90）、《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）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017）、《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD 30）、《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD 60）等的相關(guān)規(guī)定。

聲屏障結(jié)構(gòu)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)的基本組合和正常使用極限狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。聲屏障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)考慮自重、風(fēng)荷載、側(cè)向土壓力等。透明隔聲屏的窗框、窗扇規(guī)格應(yīng)根據(jù)抗風(fēng)壓強(qiáng)度、撓度聲屏障結(jié)構(gòu)方案的結(jié)果進(jìn)行選擇。

結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)應(yīng)驗(yàn)算風(fēng)荷載作用下的可靠性，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009）規(guī)定，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)采用50年一遇的基本風(fēng)壓（每平方米0.75千牛）。沿海臺(tái)風(fēng)地區(qū)可根據(jù)路段實(shí)際情況，選擇合適的設(shè)計(jì)風(fēng)壓。

材料設(shè)計(jì)

在滿足聲學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，應(yīng)按照立柱、隔聲屏體、吸聲屏體、密封膠條這四部分的材料性能分別進(jìn)行聲屏障材料的選擇。

聲屏障立柱材料性能應(yīng)符合《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）的相關(guān)規(guī)定。

聲屏障吸聲屏體聲學(xué)結(jié)構(gòu)由隔聲板和吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)組成。吸聲材料宜采用無機(jī)纖維等多孔性吸聲材料，如玻璃棉、泡沫鋁、鋁纖維板，以及木絲混凝土板等。屏障聲學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有防潮(水)性能，保證在高濕度或淋雨雪水環(huán)境中，其吸隔聲性能不受影響。聲屏障隔聲屏體若采用透明材料，宜選用有機(jī)合成透明材料(如亞克力板)或夾膠玻璃板。聲屏障隔聲屏體材料性能應(yīng)符合《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）的相關(guān)規(guī)定。聲屏障密封膠條材料性能應(yīng)符合《建筑門窗、幕墻用密封膠條》（GB/T 24498）的相關(guān)規(guī)定。

聲屏障的設(shè)計(jì)原理與性能評價(jià)

為保證聲屏障整體吸聲值在達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的同時(shí)滿足試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了三種不同吸聲結(jié)構(gòu)吸聲板，不同類型聲屏障的性能評價(jià)如下所述。

擴(kuò)散體吸聲板構(gòu)件

在高密度纖維板正面開立體三角墻，背面開圓孔的結(jié)構(gòu)吸聲材料，飾面噴漆，背貼防火吸聲布。具體尺寸應(yīng)嚴(yán)格按構(gòu)造圖紙尺寸加工，誤差不得大于2毫米。利用混響法測試擴(kuò)散屏體的吸聲系數(shù)，相比普通屏體吸聲系數(shù)可提高30%。整體降噪系數(shù)NRC大于0.8，隔聲量大于26分貝。

干涉型吸聲板構(gòu)件

采用耐候橡膠吸聲板作為主要吸聲材料，按一定的吸聲結(jié)構(gòu)固定在金屬背板及龍骨上形成吸聲板，背板及龍骨均采用1.0毫米厚的鍍鋅鋼板，表面須進(jìn)行噴塑防腐處理。具體尺寸應(yīng)嚴(yán)格按構(gòu)造圖紙尺寸加工，誤差不得大于2毫米。耐候橡膠吸聲板的吸聲系數(shù)不小于0.6，干涉頂端結(jié)構(gòu)聲屏障，在半消聲室下測量插入損失，400赫茲至1200赫茲頻段插入損失大于8分貝，1200赫茲至2000赫茲頻段插入損失大于13分貝，2000赫茲至5000赫茲頻段插入損失大于18分貝。

菱孔結(jié)構(gòu)吸聲板構(gòu)件

采用鋁合金面板壓制成菱孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充聚酯吸聲體，背板采用2.0毫米厚的鋁合金板并進(jìn)行表面噴塑防腐處理。根據(jù)構(gòu)造圖紙確定具體尺寸，誤差不得大于2毫米。填充吸聲體的吸聲系數(shù)不小于0.8，菱孔結(jié)構(gòu)吸聲板構(gòu)件吸聲系數(shù)不小于0.6，隔聲量大于26分貝。同時(shí)，吸聲板應(yīng)用的道路內(nèi)側(cè)空間聲場不均勻度小于8分貝，相比平板式屏體，減少由于車體和屏體間反射導(dǎo)致的繞射聲1分貝至2分貝。

三種屏體材料的計(jì)權(quán)隔聲量和平均吸聲系數(shù)如“屏體材料計(jì)權(quán)隔聲量和平均吸聲系數(shù)表”所示。由測試結(jié)果可知，干涉型吸聲板具有最好的隔聲性能，菱孔結(jié)構(gòu)吸聲板具有最高的吸聲系數(shù)，特別是對低頻噪聲的吸收性能較好，能夠與降噪路面形成更好的吸聲頻率互補(bǔ)。此外，菱孔結(jié)構(gòu)吸聲板的隔聲性能略低于干涉型吸聲板。擴(kuò)散體吸聲板的隔聲量為三者最低，但也高于30分貝，其吸聲系數(shù)要高于干涉型吸聲板。

屏體材料計(jì)權(quán)隔聲量和平均吸聲系數(shù)表

現(xiàn)有的三種屏體，未進(jìn)行特殊的頂端形式設(shè)計(jì)。如采用不同形式的頂端設(shè)計(jì)，降噪功能將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。已有研究表明，當(dāng)鹿角形頂端結(jié)構(gòu)面層采用擴(kuò)散體形式時(shí)，能夠進(jìn)一步增加吸聲效果。根據(jù)測試結(jié)果，增加吸聲量可達(dá)20%。如進(jìn)行不同的屏體和頂端組合，可通過模型和測試明確聲屏障降噪性能。

應(yīng)用案例與技術(shù)評估

2021年11月，在江蘇省G1515鹽靖高速綜合降噪試驗(yàn)段中，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在靖鹽方向k160+510～k160+000段開展了三種新型聲屏障的現(xiàn)場應(yīng)用工作。擴(kuò)散體、干涉型、菱孔結(jié)構(gòu)吸聲板結(jié)構(gòu)聲屏障首尾相連，實(shí)施長度均為170米，其中路基段434米，橋梁段76米。

綜合降噪試驗(yàn)段環(huán)境噪聲監(jiān)測布點(diǎn)圖

聲屏障插入損失是衡量聲屏障實(shí)際降噪效果的主要指標(biāo)。將同一噪聲源分別放置在屏障前后，在同一受聲點(diǎn)上先后測定噪聲聲壓級，二者之差即為聲屏障插入損失。研究分別在聲屏障前的路肩處和受聲點(diǎn)位置進(jìn)行噪聲監(jiān)測，監(jiān)測布點(diǎn)位置如“綜合降噪試驗(yàn)段環(huán)境噪聲監(jiān)測布點(diǎn)圖”所示，計(jì)算了不同聲屏障的插入損失，損失如“聲屏障工程插入損失值匯總表”所示。由測試結(jié)果可知，三種聲屏障的插入損失排序分別為菱孔結(jié)構(gòu)吸聲板大于干涉型吸聲板，干涉型吸聲板大于擴(kuò)散體吸聲板，即菱孔結(jié)構(gòu)吸聲板聲屏障具有最佳的降噪功能，平均降噪11.8分貝，干涉型吸聲板和擴(kuò)散體吸聲板聲屏障降噪水平分別為9.7分貝和7.8分貝。

有源降噪技術(shù)

有源降噪原理與控制方法

有源降噪技術(shù)是基于聲波疊加原理的一種電聲控制技術(shù)，利用數(shù)字信號處理器生成與噪聲源信號相位相反、幅值相同的聲音信號，與噪聲源反向抵消達(dá)到降噪目的，對低頻噪聲降噪效果明顯。交通噪聲有源降噪的原理，即在公路兩側(cè)安裝有源降噪節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過傳聲器采集公路交通噪聲，將采集的噪聲經(jīng)過運(yùn)算單元進(jìn)行處理，通過喇叭發(fā)出同幅度反相位的聲音，與交通噪聲進(jìn)行抵消從而降低交通噪聲。

交通噪聲有源降噪示意圖

設(shè)備及系統(tǒng)配置

有源降噪模塊主要包括揚(yáng)聲器、傳聲器和主機(jī)三部分，一般搭配聲屏障使用，以提升聲屏障的整體降噪性能。聲屏障有效高度設(shè)計(jì)是聲屏障設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，要想降低敏感目標(biāo)噪聲，敏感目標(biāo)須在聲屏障的聲影區(qū)內(nèi)，而聲影區(qū)范圍大小與聲屏障高度有直接關(guān)系。實(shí)施有源降噪措施后，將相應(yīng)提高聲屏障的有效高度，其工作流程如下：

聲屏障與有源降噪模塊安裝示意圖

原有聲屏障通過阻斷（屏蔽）交通噪聲的傳播路徑，形成一個(gè)聲影區(qū)。

交通噪聲會(huì)在聲屏障頂端聚集形成新的繞射聲源。

在聲屏障頂端設(shè)置有源降噪模塊，發(fā)射反聲消減繞射聲，擴(kuò)大聲影區(qū)的面積并形成一個(gè)干涉區(qū)。

擴(kuò)大的聲影區(qū)與形成的干涉區(qū)就是降噪效果疊加后的降噪?yún)^(qū)域，從而提升聲屏障整體降噪性能。

應(yīng)用案例與技術(shù)評估

室外降噪評估

在室外平整路基段，利用白噪聲和交通噪聲開展室外效果測試。一般情況下，室外安裝測試長度為30米，最近處的居民點(diǎn)到路肩的距離為20米。測量結(jié)果表明，距離中心線20米處的有源降噪模塊可降低聲壓幅值50%，插入損失為3分貝。

工程現(xiàn)場降噪評估

有源聲屏障首次在我國南沙大橋降噪工程安裝實(shí)施，其中雙層有源模塊實(shí)施長度240米，單層有源模塊實(shí)施長度180米。根據(jù)測量結(jié)果可知，在距離聲屏障10米處，有源模塊可達(dá)到約1分貝的降噪效果。

室外屏障20米中心線處測量結(jié)果圖