声屏障新型降噪材料的研究

文／胡陶 中铁四局集团市政工程有限公司 安徽合肥 230000

引言：

为了保护铁路沿线居民的身心健康，夜间噪声要控制在50dB 以下，我国目前修建的铁路普遍都设置了声屏障。早期的声屏障多为H 型钢及普通的水泥板为主体构造，性能有限，经过快速的发展，声屏障材料和性能优良有本质上的提升。

1、隔声机理

声波遇到声屏障会沿着三种路径传播（如图1所示），一部分会越过声屏障顶端绕射到达受声点；一部分会穿透声屏障到达受声点；一部分会反射。声波通过声屏障后声能衰减大小通常用插入损失来表示，而插入损失主要取决于声源发出的声波沿这三条路径传播的声能分布情况。

图1 声波遇障碍物的传播路径

在声源与声波接收点之间插入一个声屏障，假设声屏障无限长，声音只能从声屏障顶端绕射过去，从而形成一个声影区，在这个声影区，人们会感到噪声明显减弱了，这就是降噪，这个声影区的大小与声音频率的大小有关，频率越高，声影区的大小就越大。

降噪效果主要取决于噪声的频率成分与传播行程差，而传播行程差与声屏障的高度、声源和接收点相对于声屏障的位置有关系，同时声屏障的降噪效果也与声屏障的形状、构造和吸声吸能有关系。

2、吸隔声材料分类

目前市场主要应用的吸隔声材料包括以下几类：金属类，混凝土类，玻璃钢类，纤维类，多孔陶瓷类。

2.1 金属吸隔声材料

常用的金属吸隔声材料有金属纤维材料及多孔泡沫金属材料。其中金属纤维材料有不锈钢纤维，铝纤维等，其优点是强度高、耐高温、耐水性好。多孔泡沫金属材料目前较流行的为泡沫铝，其优点是吸声性能稳定，吸声系数大于常用吸声材料，对中低频噪声有良好的吸能能力。金属纤维板和泡沫铝吸声板都可以直接暴露在空气中，不需要护面穿孔板和填充物。但是他们易遭受有害物质破坏，尤其在氯盐的环境下，与基础连接的部位更易遭受破坏。另外，金属材料的隔声屏单元结构连接处容易产生噪声泄漏。金属声屏障生产工艺需要严格控制，生产成本高，目前高铁、公路、轨道交通使用的吸声板多为此类，颜色采用RAL7001，颜色与建筑整体搭配效果较好，景观效果也不错。

我公司承建的武汉16 号线轨道交通工程声屏障工程对传统金属吸声板进行了改造（如图2所示），变化其面板、背板构造，变成凹槽型，部分区段吸声板内部也增加中隔板提升吸声板结构强度，颜色从上到下分为4 块渐变色，由浅蓝到深蓝。通过项目实际呈现的景观效果及运营期人员乘车调查，反馈出凹槽型的设计能减少列车通过时乘客的眩晕感，颜色的设置没有显得突兀，也减少了灰色色调及单一构造带来的单调感，与环境高度契合。

图2 蓝色渐变金属吸声板与环境的适配

2.2 混凝土吸隔声材料

混凝土吸隔声材料历史悠久，发展较快，它具有成本低、维护费用低、坚固、耐久性好等优点，同时在色彩、形状、形式和环保装饰方面有很大自由度，是国内外交通声屏障中最常用的一种。传统的混凝土声屏障为普通反射式声屏障，能够降噪约5dB，它吸声性能低，易开裂，自重大，给设计施工带来很大的困难。新型多孔混凝土声屏障扩大了其在降噪领域的应用。如混凝土木屑复合声屏障，降噪系数能达到0.7 以上；混凝土橡胶颗粒复合声屏障降噪系数能达到0.8 以上。在城市轨道交通上已有使用，满足声屏障耐久性能，增加二次利用，后期运营后维护方便。

目前国内在时速较低的铁路及路基段应用混凝土吸隔声材料较多，我公司承建的合安铁路HAZQ-1 标声屏障工程，采用混凝土吸声板，较金属类吸声板来说，外观美观，不易损坏，在实际应用中，我们变化了混凝土吸声板的宽度及厚度，通过分贝仪测试，不同的厚度及宽度对降噪影响较小，且混凝土吸声板降噪分贝在10 分贝以内，可见混凝土吸声板此类吸声板的局限性较大，但通过改性混凝土吸声材料补充其不足处，亦大有可为。

2.3 玻璃钢吸隔声材料

玻璃钢声屏障是指由玻璃钢为主要材料组成的声屏障。玻璃钢声屏障的结构组成为：正面由工程塑料穿孔板护面，内部采用憎水玻纤布或离心复合玻纤，背板为玻璃钢挤拉型材。它自重轻，耐腐蚀，化学性能稳定，景观效果好，后期维护方便，不变色、易清洗、受破坏后易更换等。目前存在耐候性差，耐紫外线性差的缺点，但玻璃钢的材料发展较为迅猛，值得期待。

2.4 纤维吸隔声材料

目前较为流行的无机纤维材料，如玻璃棉，岩棉，矿渣棉等，这些材料不仅有良好的吸声能力，而且轻质、耐腐蚀、燃烧性能及抗老化性能突出，但是无机纤维吸声材料的缺点是在施工安装的过程中因纤维性脆，破坏后料渣形成粉尘，有害环境且易对人体造成损害。可通过包裹性及耐久性好的保护材料及正面多孔板配合设计，来进行优化。

2.5 多孔陶瓷吸隔声材料

多孔是声屏障未来的一个发展趋势，多孔陶瓷设计为陶瓷原料及相应工艺制造而成的具有三维连通的网状结构材料，具有高空隙率，高适应性，耐腐蚀，抗热震等特点，在不改变网状结构材料的前提下，能适应风吹日晒雨淋冰雪等变化的自然环境，保证其正常使用功能。多孔陶瓷吸声构件在公路交通噪声能量集中在200～1kHZ 具有良好的吸声性能，能很好的吸收因反射而产生的混响声，较好地减小声屏障内侧行车道等区域的噪音。后期可以研究泡沫陶瓷在高频段的吸声能力表现，通过混合材料的使用，扬长避短。

3、新型声屏障材料金属中空复合板、泡沫金属的应用和发展

声屏障在材料使用上的发展趋势是轻质、透明加筋、优吸隔声、高强度、易安装且施工先进化程度高。同时满足对环境无污染、便于回收等可持续性发展要求。目前发展出两种材料可以用于隔声屏障的制作，它们具有上述各项优点。分别是金属中空复合板和泡沫铝材料。

随着轧制技术的发展，金属中空复合板的材料特性能更好地体现出来，在保留声屏障材料的轻质优点下，提高了机械强度及防腐性能，在建筑、交通等领域应用颇广。金属中空复合板分为三层，面板为多金属材料，背板以铝金属为主，中间层为工程塑料（或其他改性材料）制作而成。铝金属材料为主，重量较轻，易于切边、钻孔、弯折等改造加工，同等级要求下，极大地增加了有效空间，降低成本；新型轧制技术下的复合构造，强度、抗震性能突出；环境适应性强，在-40℃到80℃环境下主要功能不受影响；良好的吸隔声性能、防火性能，满足目前声屏障用材料B1 级别的等级要求。以上这些特点使它在道路隔声屏障方面应用具有良好的前景。目前存在的问题是价格较高，随着这种板材的逐步应用和规模化生产，成本逐步降低，在道路隔声屏障方面将会得到推广应用，具有良好的前景。

泡沫铝吸声板和目前常用的纤维质吸声材料相比，具有强度高，刚度大，耐候性好等特点，成型效果好，阻燃、透水性能、耐高温、经受较大气流冲刷等，同时安装固定方便，使用寿命长，并且可回收利用，不会形成固体废弃物对环境产生污染等特点。经性能测试表明，泡沫铝板在空腔为100mm 时的降噪系数能达到0.6 以上。同时，经喷灰和喷水试验表明，喷灰和喷水对材料的吸声性能影响不大。喷灰后反而使泡沫铝高频吸声性能得到增强。由于泡沫铝易于安装、耐腐蚀性强,因此用于户外隔声屏障是良好的吸声材料。

由于泡沫铝优异的综合性能，使得其将在道路噪声控制等方面产生得到广泛应用。目前泡沫铝在上海、武汉等地已经开始应用于隔声屏障的建设，同时武汉市轨道交通16 号线也采用单层泡沫铝、双层泡沫铝两种形式作为吸声材料，通过环评测试，隔声效果突出。现行的泡沫铝制备方法存在着成本高昂、效率低下、孔隙率提升难等诸多不利因素。随着泡沫铝材料在道路声屏障的推广应用，将极大促进制备工艺的快速发展，从而促进产业的发展[2]。吸声型声屏障是声屏障未来的发展趋势，随着吸声型声屏障的应用，研制高性能的吸声材料，是道路声屏障发展的方向;新型声屏障的吸声隔声材料的应用应该考虑可持续发展和对环境的影响，是声屏障材料具有环境友好的特征。

考虑景观要求，适合道路声屏障用的透明材料应该得到大量应用和发展，亚克力板及聚碳酸酯板的应用也渐渐在声屏障的领域大放光彩。常用的聚甲基丙烯酸甲酯板采用浇注改性聚甲基丙烯酸甲酯板材以及一体化防碎片脱落的聚酰胺纤维构成，具有防坠落功能的声屏障专用加筋板，兼具隔声、视觉、环保一体化要求，亦可以通过高分子聚合来满足特殊性能要求。常用聚碳酸酯板采用实心双面抗紫外线耐力板，柔韧性及抗冲击能力好，长时间下透光率表现良好（如图3所示）。

图3 亚克力板及聚碳酸酯板的应用

透明材料和其他类型材料的结合使用，不但改善了司机的视野和空间压抑感，同时也使声屏障的景观效果更加突出，使声屏障更好地融入人居环境。

4、吸隔声材料发展展望

目前市场上现有的吸声材料，由于自身存在的缺点，适用范围受到很大的限制，因此如果继续走单一材料结构的模式，其发展将会遇到很大的困难。今后吸声材料有几个大的发展方向。

4.1 改性混凝土吸声材料

针对混凝土吸声材料的缺点，用高分子类材料进行改性，增强其吸声能力，减轻材料自重，同时改善混凝土材料本身的易开裂等问题，扩大其应用范围。我公司承建的深圳至茂名铁路JMZQ-2 标工程，与中铁四院、华中科技大学、武汉理工大学、西南交通大学积极开展技术攻关，研发新投入的ECC 混凝土隔声板，获国家专利，与金属吸声板相比，保证强度及耐久性的同时，降低造价28%，现场同步实施的试验段，反馈的结果为后续新型降噪材料的研究提供了很好的实践数据。

4.2 高分子粘弹性吸声材料

高分子粘弹性吸声材料，能将吸收的声能，转化为热能耗散，同时高分子材料的弹性越好，吸声吸能越突出，主要有橡胶和互传聚合物网络材料等。

4.3 高分子复合吸声材料

从材料设计角度出发，通过混合，填充填料等方式，将高分子聚合物和金属材料或者无机材料有机结合；从结构设计角度出发，通过将多孔吸声、阻尼吸声和共振吸声合理匹配，实现对噪声的最大程度吸声。

4.4 废旧橡胶吸声材料

我国每年产生大量的废旧橡胶，其中很大部分都可以重复利用，如废丁腈胶，这些橡胶本身具有较好的阻尼性能，通过对他们进行材料设计、结构设计，可以成为优异的吸声材料。对它们的回收利用会产生较大的社会效益和经济效益。

结语：

声屏障的发展已经是较为成熟的阶段，各种新型材料及构造形式在日新月异的技术下变得可能。本文从研究现状以及公司实际案例出发，浅析了声屏障降噪材料的现状及未来的运用。在经过噪声测试、振动研究等问题后，也提出了一些新的研究方向，包括新型材料应用、新旧结合、旧物利用，希望能紧跟时代的潮流，创造出与自然和谐、满足社会需求的声屏障材料。