不同铺设方式对木奇消音降噪能力的影响

沈亚鹏， 耿鹏， 蔡亚慧， 吴坤

(河南农业大学生命科学学院，河南 郑州 450002)

木奇(mulch)是指各类土壤覆盖物，并根据所用材料的不同分为有机覆盖物(organic mulch)和无机覆盖物(inorganic mulch)[1]。有机覆盖物是利用各种有机物料经过机器粉碎加工处理后制得的铺设于裸土或者栽培植物周围的覆盖物[2]。刘巧玲等[3]选取不同覆盖物对土壤的保水能力进行研究，发现5种覆盖材料的保水性能都优于空白对照。王琴等[4]采用稻草秸秆覆盖，对土壤温度以及植物萌发率进行比较，结果表明秸秆覆盖能够调节土壤温差，增加植物萌发率。裴跃峰等[5]探究了不同覆盖对土壤水热的影响，发现覆盖后土壤蓄水保墒效果优于对照。夏妮等[6]发现木奇可以有效提高土壤碱解氮、速效钾及有机质含量，且土壤含水量提高了23.6%。沈亚鹏等[7]研究发现，当木奇质量为1 g、pH值为3、温度20 ℃、振荡时间为60 min时木奇对苯酚的去除率可达65.9%。目前，相关研究多从木奇对土壤的理化性质、土壤微生物和植物生长的影响以及自身吸附能力变化等方面进行[8-10]，但对木奇的环保性能尤其是消音降噪能力关注不够。噪音是指妨碍人类正常生活并引起心理或生理变化的声音，长时间的噪音刺激会使人听力损伤。城市噪音污染问题已经严重影响了居民的日常生活，因此对噪音的控制已经迫在眉睫。城市噪音污染主要来源于生活噪音、工业噪音、施工噪音和交通噪音[11]。对城市噪音的治理策略有2种：一是控制声源，该方法对噪音污染治理直接有效，但较为复杂、涉及面广且成本较高，只适用于长期治理；二是在传播途径中进行控制，切断噪声传播途径，减弱噪音的传播，该方法见效快，多采用修建声屏障、防噪堤和绿化带等措施。其中，修建声屏障以及防噪堤适用范围较窄，而绿化带降噪最为简单易行，因此便于推广应用[12]。目前，对绿化带降噪的研究主要以不同树种对噪音吸纳能力研究为主[13]。迟磊[14]以不同行道树为研究对象，发现低分枝、冠幅大的阔叶林降噪能力较强。王春梅[15]发现绿化带降噪效果取决于树种、透光度、种植宽度和树冠高度等因素，同时在利用绿化带降噪时，林带需要有一定的宽度和密度才能达到较好降噪效果，并且存在平行高度衰减不如垂直高度衰减等问题。木奇作为有机物料，与普通树种类似，具有消音降噪的潜力，因此本研究将木奇应用于消音降噪中，探究木奇对噪音吸纳的能力，以填补木奇在消音降噪方面的空白，为消音降噪材料应用提供更多选择。

1 材料与方法

1.1 试验材料

发酵有机覆盖物木奇(mulch)，选用木材类有机废弃物，机器粉碎，发酵1 a，再经过染色，添加阻燃剂制成，由河南鼎易地景工程规划设计有限公司生产提供。将木奇过18目筛后置于105 ℃下放置24 h，以备使用。

1.2 仪器与设备

发音收音设备：Y410p计算机(联想控股股份有限公司)；测音设备：GM1352分贝计(深圳市聚茂源科技有限公司)；分析软件：Gold Wave 5.6，Audition 3.0。101-2A电热鼓风干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司)。

1.3 试验时间地点

试验时间为2018-05-11，试验地点为河南农业大学推广楼实验室，环境安静，无杂音干扰。

1.4 试验方法

1.4.1 木奇消音降噪最优条件筛选 参照迟磊[14]的试验方法，使用Audition 3.0软件制作频率为1 kHz的单频音，应用于试验。试验方式如图1所示，使用计算机为发音设备，以不铺设木奇为对照，经过不同处理后在监测点处经过计算机收音，然后使用分贝计测得试验音分贝值。木奇铺设方式为正方形。以木奇铺设处中心点前5 m放置发音设备。分别研究当铺设厚度为3 cm、监测点距离为5 m时不同铺设面积(1、2.25、4 m2)以及当铺设面积为1 m2、监测点距离为5 m时不同铺设厚度(3、6、9 cm)对木奇消音降噪能力的影响。最后考察在不同监测点(5、10 m)测定时木奇消音降噪效果，并进行最优降噪条件筛选。

注：a：发音设备；b：5 m处检测点；c：10 m处监测点。

1.4.2 试验音特性分析 根据1.4.1试验结果，采集收集到的单频音，经过Gold Wave 5.6软件对1 kHz的单频音进行有关波形、频谱和柱线的图形分析，以不铺设木奇作为对照，测定木奇处理后试验音特性变化。

2 结果与分析

2.1 木奇消音降噪最优条件筛选

2.1.1 铺设面积对木奇降噪能力的影响 当铺设厚度为3 cm、监测点距离为5 m时，考察不同铺设面积(1、2.25、4 m2)对木奇降噪能力的影响，空白对照为不铺设木奇，结果如图2所示。试验对照背景音为86.4 dB，随着铺设面积的增加，试验音的分贝值在缓慢下降，由77.8 dB降低为74.5 dB，在4 m2铺设面积处最低为70.1 dB。在1 m2铺设面积处木奇降噪能力为8.6 dB，随着铺设面积的增加，在4 m2铺设面积时降噪能力达到最大值16.3 dB。木奇铺设面积越大，消音降噪能力越强。

图2 木奇铺设面积对降低噪音强度的影响Fig.2 Effect of mulch laying area on reducing noise intensity

2.1.2 铺设厚度对木奇降噪能力的影响 在铺设面积为1 m2、监测点距离为5 m情况下设置不同木奇铺设厚度(3、6、9 cm)研究木奇的降噪能力，结果如图3所示。试验对照背景音为86.4 dB，随着铺设厚度的增加，试验音的噪音强度值在缓慢下降，由77.8 dB降低为72.3 dB，在9 cm铺设厚度处最低为67.6 dB。在3 cm铺设厚度木奇降噪能力为8.6 dB，随着铺设厚度的增加，在9 cm铺设厚度时降噪能力达到最大为18.8 dB。

图3 木奇铺设厚度对降低噪音强度的影响Fig.3 Effect of mulch laying thickness on reducing noise intensity

2.1.3 不同监测点距离对木奇降噪能力的影响 设置不同监测点距离(5、10 m)测定木奇的降噪能力，结果如表1所示。监测点距离为5 m处试验背景音为86.4 dB，试验音为77.8 dB，降低值为8.6 dB。监测点距离为10 m处试验背景音为77.2 dB，试验音为65.6 dB，降低值为5.1 dB。相比之下，在10 m处试验音绝对值较低，但降低值低于5 m处降低值，推测是因为自然衰减导致10 m处空白对照较5 m处低，所以衰减值低。

表1 监测点距离对降低噪音强度的影响Table 1 Effect of monitoring point distance on reducing noise intensity

2.2 木奇最优铺设条件筛选

同时设置不同铺设面积(1、2.25、4 m2)与不同铺设厚度(3、6、9 cm)，在不同监测点距离(5、10 m)检测试验音噪音强度值，以筛选最优铺设条件，结果如图4。当铺设面积为1 m2、木奇铺设厚度为3 cm、监测点与铺设区距离为5 m时试验音噪音强度值为77.8 dB，绝对值对最高；当铺设面积为4 m2、木奇铺设厚度为9 cm、监测点与铺设区距离为10 m时，试验音噪音强度值为59.5 dB，绝对值最低。而在铺设面积为1 m2、木奇铺设厚度为3 cm、监测点与铺设区距离为10 m时试验音降低噪音强度值为5.1 dB最低，当铺设面积为4 m2、木奇铺设厚度为9 cm、监测点与铺设区距离为5 m时，降低噪音强度值为24.1 dB。经验证试验当铺设面积为4 m2、木奇铺设厚度为9 cm时降噪效果最好。由此可知随着铺设面积的增加，试验音噪音强度值呈下降趋势，噪音强度降低值上升；随着铺设厚度的增加，试验音噪音强度值呈下降趋势，噪音强度降低值上升；在铺设厚度与铺设面积相同时，监测点间隔5 m时试验音噪音强度值较间隔10 m处高，降低值较间隔10 m处高。

图4 不同铺设条件下木奇的降噪效果Fig.4 Noise reduction effect of mulch under

2.3 试验音特性分析

根据2.2的研究结果，分别在5、10 m监测点收集铺设厚度为9 cm、铺设面积为4 m2时试验音，对木奇的降噪效果进行了波形、频谱和柱线分析。

2.3.1 单频音噪音源波形、频谱和柱线分析 以没有经过降噪处理的试验单频音为对照，波形、频谱和柱线图分别见图5—图7。试验音所用的单频音波形始终保持在-0.5～0.5之间，相对稳定；试验音频谱峰值恒定不变，频率一致，为1 kHz单频音；柱线图中频率在1 kHz处峰顶值为-18。

图5 试验音波形图Fig.5 The waveform diagram of the experimental sound

图6 试验音频谱图Fig.6 The spectrum of the experimental sound

2.3.2 相距5 m试验降噪音波形、频谱和柱线分析 当铺设点与监测点相距5 m时，波形、频谱和柱线图分别见图8—图10。经过木奇降噪处理的单频音在波形、频谱和柱线图与试验前的单频音区别较大。降噪音波形的波动幅度相对于试验音明显降低，数值保持在-0.1～0.1之间，数值相对恒定；在频谱图中每个波动之间波峰与波谷之间差距极大，间距受到强烈的干扰，排列杂乱无序；在柱线图中受到其他音的影响，图9中1 kHz处的峰顶值来表示木奇降噪后的数据，为-57，相比于单频音降低了39%。

图7 试验音柱线图Fig.7 The column chart of the experimental sound

图8 5 m时降噪音波形图Fig.8 The waveform diagram of noise reduction at 5 m

2.3.3 相距10 m试验降噪音波形、频谱、柱线分析 当铺设点与监测点相距10 m时，经过木奇降噪后的单频音波形、频谱、柱线图分别见图11—图13。经过木奇降噪处理的单频音在波形、频谱和柱线图与试验前的单频音区别较大。降噪音的波形的波动幅度相对于试验音明显降低，数指保持在-0.1～0.1之间，比相距5 m时的降噪音波形图数值略低，数值相对稳定；在频谱图中每个波动之间波峰与波谷之间差距极大，间距受到更强烈的干扰，排列杂乱无序；在柱线图中受到其他音的影响，以图12中1 kHz处的峰顶值来表示木奇降噪后的数据为-76，比单频音低了58%。

图9 5 m时降噪音频谱图Fig.9 The spectrum diagram of noise reductionat 5 m

图10 5 m时降噪音柱线图Fig.10 The column chart of noise reductionat 5 m

图11 10 m时降噪音波形图Fig.11 The waveform diagram of noise reductionat 5 m

通过将5 m处和10 m处降噪音特性图对比分析，发现波形图中波动幅度显著降低，频率图中波峰与波谷之间相对变化大，柱线图中1 kHz处峰值明显降低。其次10 m处波动幅度较5 m处低，柱线图中峰值更低。所以铺设木奇可以有效消减噪音的传播能量，并且10 m处试验音绝对值与5 m处低，与之前结果相符。

图12 10 m时降噪音频谱图Fig.12 The spectrum diagram of noise reductionat 5 m

图13 10 m时降噪音柱线图Fig.13 The column chart of noise reductionat 5 m

3 结论与讨论

绿化带降噪是城市噪音治理的主要手段之一，乔木、灌木和草坪等有机物[16]都能有效降低噪音，而木奇是有机物经粉碎后发酵处理得到的土壤表面覆盖物，本身也属于有机物，因此具有消音降噪的能力，但目前并没有相关方面的研究，所以本研究探究了木奇消音降噪能力，发现铺设木奇能够有效降低噪音强度，最高降低24.1 dB。

木奇具有消音降噪能力，铺设面积与铺设厚度越大，噪声强度越低，降低值越高。经木奇处理后试验音波形图、频谱图和柱形图都出现较大变化，处理后波形图振幅明显降低，频谱图中波峰与波谷之间差距较大，频率无序，柱形图中出现其他干扰音，但在1 kHz顶峰值明显降低，说明单频音经过木奇处理后频率发生变化，响度明显降低，因此木奇能够吸收噪音。迟磊[14]研究行道树降噪中发现经行道树后试验音波峰与波谷之间相对变化大，间距受干扰性强，排列无序。本试验结果与该研究结果一致，推测是木奇与植物具有近似的结构导致降噪机理类似。植物降噪是植物树叶表面具有气孔能够吸收声能，另外，植物内部导管具有微穿孔板谐振腔吸声结构特征[17]。木奇由有机物经发酵而来，内部结构疏松多孔，因此吸收声能效果较强，同时，木奇本身粒径大小对消音降噪影响不大。

王春梅等[15]发现以不同层次的灌木和乔木组成的密集绿篱建造效果最好，其中不同结构的降噪效果有所区别，复合树种降噪能力较好。多层次多树种结合降噪是未来研究趋势，通过铺设乔木、灌木以及草坪，形成多层次的立体空间结构，更有效减弱噪音的传播。该研究发现，当草坪高度为0.5 m，距声源距离为10 m时，衰减值为10 dB。而在本研究中，木奇铺设面积为4 m2，铺设高度为9 cm，距声源距离为10 m时，噪音衰减值为24.1 dB，降噪效果远高于普通草坪。在实际应用中，为保证草坪降噪效果，草坪沿路种植时宽度不能低于12 m，但受限于绿化带宽度，常常远低于理论降噪值，无法满足降噪要求，而木奇则不存在这样的问题。因此，木奇可以取代草坪，与乔木和灌木相结合来达到更好的降噪效果。