道路斜角式声屏障的设计与反射噪声控制

文剑锋，蒋严波

道路斜角式声屏障的设计与反射噪声控制

文剑锋1，蒋严波2

（1.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410000；2.广西壮族自治区公路桥梁工程总公司，广西南宁530001）

目前我国的道路声屏障设计主要解决噪声的直接污染，对噪声的绕射污染、噪声的透射污染作了部分考虑。而对于噪声的反射污染考虑相对较少；同时从声屏障结构形式上看，以直立式为主。这不可避免地在一定程度上恶化了行车区域内的声环境和视觉环境。本文针对上述问题，提出了道路斜角式声屏障的解决方案，在满足绕射和透射污染的控制基础上，解决对反射噪声的控制问题。并通过对斜角式声屏障最优降噪效益角度的分析，初步完成了斜角式声屏障的结构设计。

道路；噪声控制；道路斜角式声屏障；反射噪声；降噪效益角度

引言

道路两侧未设声屏障时，交通噪声直接到达接受点，形成噪声的直接污染；噪声点与接受点之间设置了声屏障以后，声波的传播可以通过以下几种途径到达接受点形成间接污染：越过声屏障顶部的噪声绕射污染、声屏障的噪声反射污染、以及穿过声屏障的噪声污染透射。噪声绕射污染主要与声屏障的垂直高度有关；噪声透射污染主要与声屏障的材料性质有关；而噪声反射污染不仅与声屏障的垂直高度、声屏障的材料性质有关，更主要的取决于声屏障的几何构造。

本文根据目前我国道路噪声防护的优缺点分析，提出道路斜角式声屏障，在满足传统声屏障绕射和透射污染控制的基础上，解决传统声屏障忽略对反射噪声的控制的问题，并通过对斜角式声屏障最优降噪效益角度的分析，初步完成了斜角式声屏障的设计。

1 道路声屏障现状

1.1 声屏障的发展现状

目前国内交通噪声所采用的防护分直立式声屏障、半封闭式声屏障以及全封闭式声屏障三种类型。对公路或城市道路，主要采用前两种声屏障形式。

1.2 目前道路用声屏障存在的设计缺陷

传统道路声屏障，主要解决噪声直接污染，通过设置声屏障的垂直高度来控制噪声的绕射污染。对于噪声的反射污染和透射污染的考虑较少，存在以下缺陷。

1.2.1 忽略对反射噪声的控制

目前的降噪模型，声波在两侧声屏障之间的反射所形成的噪声。首先，当道路两侧设置，声波会在两侧声屏障之间产生反射现象，降低行车的安全性和舒适性。其次，反射声波越过声屏障顶端，在道路两侧声屏障外产生噪声污染，与绕射噪声和透射噪声共同构成间接噪声。

1.2.2 弯道处行车视距的充分度

声屏障的设置显然会影响到道路交通的行车视距，在道路平面上的弯道处布置声屏障有可能造成弯道内侧行车视线不足。

1.2.3 舒适度与采光量

传统声屏障，在行车区域产生光影区，司机易产生视觉错觉，影响行车安全。同时，单调的墙、板，会给人们造成压抑感，而非透明材料的声屏障，会影响汽车司乘人员的视线。

2 道路斜角式声屏障的设计

文献［1］曾按声学元件的不同提出了扩散反射型和吸声共振型两类模型。但在目前的技术情况下，声屏障材料的实际吸声系数1-|Rθ|2不等于1，能量反射系数|Rθ|2不等于0［2］。故用这种理论提出的模型有其局限性。笔者根据斯涅耳（Snell）定律，首次提出了斜角式声屏障的概念，通过对声屏障平面与地面的夹角——降噪效益角度进行理论推导，实现降噪效果的优化控制。

2.1 斜角式声屏障的声学原理

如图1所示，在道路的两侧布置声屏障后，声波在传播的过程中遇到声屏障平面，会按照斯涅尔定律发生反射，入射线与反射线的夹角随入射点位置的升高而增大，传播到界面的声波就会被分解成许多比较弱的反射声波。在声屏障界面与地平面之间设置一个斜角，并根据斯涅尔定律确定该斜角（本文将其定义为降噪效益角度）的范围，使声屏障接受面上的大部分声波经一次反射后即进入声屏障顶部上空，从而屏蔽直射声波，又减少因设置声屏障而在行车线内外所产生的大量反射声波，隔声构件称为斜角式声屏障。

图1 斜角式声屏障

2.2 道路等效声源高度、等效车身高度的规定

等效声源的高度根据道路上行驶车辆的车型比、各类型车辆的平均声功率级和各类型车辆的声源高度统计资料，按如下办法综合确定。［3］

道路等效声源高度Hs按下式计算：

Hs=1.5B+1.0S+0.8L

式中：B——普通汽车、载重汽车、铰接车比例%；

S——小客车比例%；

L——小汽车比例%。

道路等效车身高度Hm按下式计算：

Hm=4B+2S+1.6L

式中：B——普通汽车、载重汽车、铰接车比例%；

S——小客车比例%；

L——小汽车比例%。

2.3 斜角式声屏障的结构参数设计

道路斜角式声屏障的结构参数设计，除确定声屏障的位置、声屏障的高度以及声屏障的有效长度，还需设计声屏障斜角。

2.3.1 斜角式声屏障的位置、设计接受点

传统理论在声屏障位置的布置问题上，主要考虑了行车安全和道路景观等因素，一般根据需要设置声屏障地段的具体情况而定。国外规定［4］，声屏障距行车道边的最小距离（包括路肩）约9.0m。我国一般规定声屏障中心线距路肩边缘不小于2.0m［3］。斜角式声屏障的位置，参照传统声屏障位置的设置。接受点一般根据道路两侧建筑物噪声敏感点的调查资料。

2.3.2 斜角式声屏障高度的确定

设计时在满足噪音衰减量的前提下，应努力使屏障的高度既经济又合理。同时，为了降低声屏障的风荷载，声障板（墙）的高度一般不宜超过5m［5］。斜角式声屏障的垂直高度设计亦采用这一方法。

2.3.3 斜角式声屏障有效长度的确定

道路声屏障有效长度的确定应当满足声源经过声屏障顶端绕射传至接收点的声级值远高于声源在声屏障范围以外传至接收点的声级值的设计原则。声屏障的有效长度应大于其保护对象沿道路方向的长度，同时兼顾保护对象的性质、规模和声屏障的造价等因素［6］。

2.3.4 斜角式声屏障的角度设计

斜角式声屏障的角度设计是其降噪设计的关键。在不影响绕射、透射噪声控制的条件下，通过斜角式声屏障的角度设计来实现道路行车线内、道路两侧的反射噪声的控制，这个角度的范围称为降噪效益角度范围。反射噪声污染的控制，通过声屏障斜角来实现。根据所需控制范围，可分为行车线内的反射噪声控制和行车线外反射噪声控制。

行车线内反射噪声污染控制角度推导，计算图示见图2。

图2 线内反射噪声控制效益角度E的推导

斜角式声屏障投影宽度L0，其高度为Hb，则可建立如下关系：

由反三角函数得：

同理，β推理得：

由α、β与E的关系得效益角度为：

按照式（4）对部分线内降噪效益角度计算。

从行车线外反射噪声污染控制角度推导，计算图示见图3。接受点（假设地平面为同一高度）的高度为Ha，入射点a点到b′的水平距离为2L0+L2，建如下关系：

图3 线外反射噪声控制效益角度E的推导

又因为声源点的高度为Hs，到入射点a水平距离为L1+L2/ 2，建如下关系：

由反三角函数得：

由反三角函数得：

由α、β与E的关系得效益角度为：

按照式（9）进行部分线外降噪效益角度计算。

2.4 斜角式声屏障与传统直立式声屏障隔声效果的比较

通过计算和分析，采用与其它类型声屏障相同构造材料、厚度、高度的斜角式声屏障，隔声量增大。直立式声屏障、半封闭式声屏障（竖直部分）是当斜角式声屏障的斜角E等于90°时的一种特殊几何形式。

3 斜角式声屏障的优缺点分析

3.1 反射噪声的有效控制

行车线内反射噪声的控制：道路两侧设立斜角式声屏障，声波会在两侧声屏障之间产生反射现象，声波在声屏障之间经过少数几次反射后便进入声屏障顶端区域。降低了行车区域内的噪声强度，提高行车安全性和舒适性。

行车线外反射噪声的控制：反射声波影响区的下边界位置抬高，在声影区内的影响范围缩小，当斜角为降噪效益角度时，影响范围消失，这对于道路两侧的声敏感地带的降噪效果提高。

3.2 其它性能优化

斜角式声屏障在弯道处的行车视距比传声屏障的行车视距要长，利于行车安全。斜角式声屏障的几何形状为向上敞开的喇叭形，在行车区域所产生的光线阴影区小，改善视觉环境。

3.3 斜角式声屏障的缺点及解决方案

斜角式声屏障的理论占地面积较传统声屏障的用地面积增大。对此，可以充分开发利用其投影面地下空间，配合市政公用设施建设，实现土地资源综合利用。

4 结论

本文针对目前我国道路噪声控制措施存在的缺陷 （忽略了对反射噪声的处理、恶化了行车区域声环境和视觉环境，不利于交通安全与舒适），首次提出了“道路斜角式声屏障”，在满足绕射和透射噪声污染控制的基础上，利用倾斜的声屏障将反射噪声声能疏散于声屏障顶部空中，从而达到治理反射噪声的目的。

本文通过道路斜角式声屏障的位置、垂直高度、有效长度以及其最优降噪角度确定原则的确定，初步完成道路斜角式声屏障的结构设计。

［1］杨满宏，罗宏剑.不同声学元件在公路声屏障中的应用.环境工程，1999（6）：41～53.

［2］马大酋.现代声学理论基础.科学出版社，2002.

［3］交通部行业标准.公路声屏障设计与施工技术规范.人民交通出版社，2004.

［4］CinnyFinch，EnvironmentalResearch：HelpingHighwayImprovethe QualityofLife，PublicRoads，Spring1995.

［5］章 力，郑长聚.用菲涅耳半波带法计算声屏障的插入损失.声学学报，1988（5）：299～335.

［6］张新华，天新浩，刘达德.160km/h准高速铁路桥梁声屏障声学设计.噪声与振动控制，1999（1）：30～34.

U291.12

A

2095-2066（2016）29-0193-02

2016-9-30

文剑锋（1984-），男，工程师，本科，主要从事水工建筑设计和公路设计工作。