国内外高速公路声屏障研究进展

何晓云　王立璇　陈亚鹏　李琰　程艳坤

摘 要：汇总了当下国内外常用的声屏障发展情况，结合声屏障降噪原理，从材料和结构形式入手，介绍了多种常用声屏障的优缺点，以期为相关研究提供参考。

关键词：声屏障；材料；结构形式；降噪原理

中图分类号：U491.9+1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.063

声屏障是降低公路噪声的一种主要设施。从20世纪60年代开始，国外已经研究了声屏障降噪的实际效果、声屏障的结构形式和材料选择。现阶段，虽然我国道路声屏障处于快速发展阶段，但是，对声屏障的研究和应用都比较晚。本文从材料选择和结构形式入手，介绍了国内外声屏障的最新发展。

1 声屏障原理

声波在空气中传播时遇到声屏障，会产生反射、透射和绕射3种不同的情况。反射是指一部分声波在声屏障壁面发生反射，如图1所示；透射是指一部分声波穿透声屏障到达受声点；绕射是指一部分声波越过声屏障顶端到达受声点。声源发出的声波沿着上述3条道路传播的声能分配决定了声屏障的插入损失。当声波与声屏障的壁面相遇时，绕射沿声屏障边缘产生，并在屏障后面形成声影区，如图2所示，声影区的范围就是声屏障的降噪效果范围。如果位于声影区内的噪声级小于未设置声屏障时的噪声级，就达到了降噪的效果。这也就是声屏障的基本原理。

图1 声波传播路径

图2 声波绕射路径

2 声屏障材料研究

如果从声屏障材料的角度研究分析，声屏障一般分为混凝土、有机玻璃、泡沫金属和光伏等种类。

2.1 混凝土声屏障

混凝土声屏障是国内外交通声屏障中最常用的一种。该声屏障主要的优点是成本低、人工等维护费用低，并且坚固、牢靠，同时，兼顾色彩度、形状和文理装饰等方面的自由度。王武祥等人详细研究了吸声隔声砌块、超轻陶粒砌块和单元式吸声砌块在隔声声屏障中的应用。范锦忠分别比较了陶粒混凝土

砌块、玻璃穿孔板、玻璃钢穿孔聚笨夹层板，并发现用于道路声屏障的陶粒混凝土砌块吸声功能最好。陆季平在研究德国、法国、瑞士等国外的混凝土声屏障时发现，混凝土多采用多孔、微孔、添加颗粒等结构。这几种结构使混凝土吸声屏障具有良好的吸声性能，并且外形美观、耐候性好，在欧美作为交通声屏障被广泛使用。

2.2 有机玻璃声屏障

有机玻璃声屏障一般为透明隔声屏障，透明声屏障在很大程度上可以减少驾驶员的空间压抑感。与混凝土声屏障相比，其景观效果也改善了很多。上海申华声学装备有限公司与同济大学合作研制的吸声屏体主要由2层间距为120 mm的PC板组成，现已被应用于上海内环线高架道路和延安路高架桥上，其平均隔声量为23.5 dB。徐碧华等人在研究上海外环线同济路段采用双层玻璃的声屏障时发现，该声屏障平均隔音量为30 dB以上，使用后可降低噪声5～10 dB，并且造型美观、安全耐用。国外采用聚甲基丙烯酸酯材料做声屏障，其隔声量达到32～34 dB，能够满足声屏障隔声的要求，同时，还具有较好的景观效果。但是，因为用聚甲基丙烯酸酯、钢化玻璃等材料制成的透明声屏障造价比较高，所以，仅可用于某些对透明度有特别要求的特殊地段，并不宜普遍推广使用。

2.3 泡沫金属声屏障

泡沫金属声屏障使用的材料质量轻、透明、易安装、隔声性能好，能够满足可持续发展的环境要求，所以，近年来被广泛使用。梁李斯等人研究沈阳高速公路声屏障时发现，闭孔泡沫铝声屏障与普通百叶声屏障相比，降噪效果明显；同济大学声学研究所龚农斌采用在泡沫铝板背面复合薄膜形成复合板吸声结构，可以大幅提升其低频吸声性能。由此可知，泡沫铝板是一种综合性能优异的吸声材料。在采用薄膜复合的吸声结构形成各种噪声控制器件后，其声学性能并不亚于常规的纤维性和多孔性阻性吸声材料。

2.4 光伏声屏障

随着太阳能光伏发电系统的推广，光伏发电应用领域也在不断扩大。在高速道路两边安装光伏组件，一方面，能够达到降低噪声、发电的目的；另一方面，能进一步降低光伏系统的发电成本。由此可知，光伏声屏障的研究和应用有巨大的发展前景和市场潜力。20世纪80年代末，欧美等国开始研究和建造光伏声屏障系统，并致力于在多条高速公路上实践应用。1989年，瑞士沿A13高速公路安装了第一套太阳光伏声屏障系统；1998-12，荷兰在高速公路旁运行太阳电池组件组成的光伏声屏障系统，取得了很好的效果。尹忠莉等人在研究光伏声屏障时指出，如果按路面宽24 m、总长50 000 km的高速公路计算，可利用的总面积达1 200 km2（S=0.024×50 000=1 200 km2）。如果将光伏模块安装在阳光充足的地区，每平方米最高效的光伏模块每年将发电1 000 kW·h。按平均每平方米发电量为200 kW·h、可利用面积为1 000 km2计算，则全年发电量为2×1011 kW·h，相当于3个三峡水电站的发电量。

3 声屏障结构形式

除了声屏障的材料构成，声屏障的结构形式也对降噪效果有很大的影响。目前，在用的结构形式有直立形、Y形、倒L形、T形、箭形、折板形或圆弧顶端形。此外，还有较为复杂的鹿角型，如图3所示。

3.1 直立式声屏障

在众多结构声屏障中，形式最简单的就是直立式声屏障，它结构简单、降噪效果比较弱。刘延等人通过对声屏障的仿真研究发现，直立形声屏障比T形、Y形声屏障降噪效果弱5～7 dB。

3.2 T形声屏障

1980年，May和Osman等人首先得出“T形屏障比普通屏障具有更好的声学性能”的结论；而Hothersall等人采用数值计算和缩尺模拟试验方法研究得出，相对于高度相同的普通屏障，T形屏障插入损失增大2～3 dB。

3.3 圆弧顶端形声屏障

毛东兴等人对带有顶部吸声柱体的微穿孔声屏障做了模型试验，并将这种声屏障应用于城市高架道路上。现场测量结果表明，这种声屏障可以达到7 dB（A）的降噪效果。宋国平等人现场监测轻质材料弧形声屏障，噪声声级减少了5～12 dB（A）。

3.4 Y形及鹿角形声屏障

Y形结构降噪效果比较好，与直立式结构相比，在采用刚性材料和吸声材料时，分别可增加插入损失2.9 dB和3.4 dB；鹿角形结构是通过对Y形结构的优化发展而来的，设计者在Y形结构的上部内侧添加2个分支来完成。这种结构能够再次屏蔽噪声，并且降噪效果优于Y形。

目前，广泛使用鹿角形结构的国家是日本，其降噪效果显著。但是，陈继浩等人在声屏障结构研究中指出，Y形和鹿角形结构的表面不覆盖吸声材料时，其附加插入损失有较大的优势。如果在表面覆盖吸声材料后，Y形和鹿角形声屏障与其他形状的顶部结构相比，降噪效果就没有什么优势了。与T形结构相比，鹿角形顶端结构要复杂一些。目前，在这方面我国还处于起步阶段。

4 结束语

随着我国公路事业的迅猛发展，公路交通噪声污染也成为了环境治理的重点，而现有的声屏障拥有量已经非常大了。虽然声屏障的材料和结构形式多种多样，但它们只是在外观上作了改变，功能上、原理上并无本质区别。因此，如何有效利用城市干道旁边的建筑物外围护结构，使其在兼具风景墙功能的同时也能在吸声、吸尘方面发挥功效，将是今后声屏障发展的重要方向。

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〔编辑：白洁〕