城市隧道吸声搪瓷钢板试验研究及应用

张忠宇，黄 俊，邹鸿浩，李 奥，郭映飞

(苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

交通噪声对人及周围环境所产生的不良影响，已引起社会广泛关注[1]。建设城市隧道可有效控制交通噪声污染，但会产生其他相关问题。一方面，隧道结构的封闭性不利于噪声快速消散，交通噪声经壁面多次反射和叠加，噪声声压级增大，混响时间长，易使人产生烦躁和紧张的情绪，该问题在人车混行隧道中表现尤为突出[2]。另一方面，交通噪声能量集中通过隧道洞口进行释放，在隧道洞口处噪声声压级显著高于其他道路位置，这会影响隧道洞口周边住宅、医院、学校等建筑物(如有)的声环境质量。截至2020年年底，我国公路隧道达21 316座，总长21 999.3 km[3]，并且隧道规模仍处于快速增长阶段，因此有必要对隧道的交通噪声问题开展研究。

目前，隧道交通噪声问题的研究主要集中于噪声声场计算和噪声控制两个方面[4-6]。其中噪声控制方面一般可从声源、传播路径以及影响对象3个角度提出解决对策，例如设置低噪声路面[7]、吸声板和隔声屏(窗)等。同时根据隧道使用要求，可在隧道侧壁采用多孔吸声材料或共振吸声结构等方式降低噪声[8]。近年来出现一系列具有隧道装饰功能的隧道专用吸声板，陈兴等[8]在隧道内壁铺设8 cm 厚CEMCOM吸声板，通过测试，隧道内各1/3频程上的混响时间比铺设吸声构造前减少64%～84%，降噪量为4.7～8.5 dB，对频率在200～800 Hz频段内的噪声，降噪效果尤为显著。王若蕙[9]对隧道内壁铺设穿孔FC吸声板(纤维水泥吸声板)进行研究，该吸声板对隧道内混响时间的控制不明显，降噪效果不突出。泡沫陶瓷由于具有防潮、耐高温、耐腐蚀、阻燃防火、高强度且高硬度等特点，适用于室外恶劣环境，胡湘晖[10]将泡沫陶瓷应用于地下通道降噪处理中，效果较好，材料吸声系数可达0.50，但现场加工和安装较为复杂，且材料不易清洁。黄学辉等[11]以膨胀珍珠岩为骨料，研发出一种新型阻燃吸声材料，利用驻波管法测试了材料的吸声性能，得到该材料的平均吸声系数范围为0.42～0.60，降噪系数为0.45～0.55。师利明[12]结合福建省飞鸾岭隧道工程对比了4种吸声方案，综合考虑降噪效果和工程造价，推荐隧道内采用性价比较高的微孔吸声砖。现有研究中的隧道用吸声材料存在一定不足，如穿孔FC吸声板降噪效果较差、泡沫陶瓷和膨胀珍珠岩材料强度较低、微孔吸声砖的吸声频带较窄等。此外，隧道内装饰材料除具有吸声性能外，还应具备防火、防潮、耐腐蚀、抗老化、环保美观、便于施工等特点，因此须针对隧道装饰用吸声板开展进一步研究。

搪瓷钢板具有钢板等基材坚韧且抗冲击的特性，又具有无机搪瓷层耐腐蚀、耐磨、不燃、易洁、美观和无辐射等特点[13]，被广泛应用于隧道装饰材料中。因搪瓷钢板自身的降噪性能存在明显缺陷，须对新型吸声搪瓷钢板开展研究。本研究针对5种吸声搪瓷钢板试件进行室内试验，并开展穿孔搪瓷钢板+微穿孔铝板(圆孔)的现场吸声试验，分析并验证降噪措施的有效性，以供相关工程参考。

1 吸声搪瓷钢板室内试验

1.1 试样设计

根据吸声机理的不同，吸声体可分为多孔吸声材料和共振吸声结构。多孔吸声材料的吸声原理是声波在穿过具有大量相互贯通的开口孔吸声材料时，由于空气分子摩擦和黏滞阻力使声能转化为热能，从而降低声波强度。共振吸声结构的吸声原理是通过声波引起各类板材的共振，将声能转化为薄板的动能，从而降低声波强度。根据吸声原理，结合隧道使用环境，吸声搪瓷钢板试件信息如表1所示。穿孔搪瓷钢板+玻璃棉、泡沫铝等吸声材料构造示意如图1所示。穿孔搪瓷钢板+微穿孔铝板构造示意如图2所示。

表1 吸声搪瓷钢板试件信息

1.2 试验原理

试验采用混响室法[14]，即通过吸声材料对扩散声场内的声压衰变曲线的影响，间接获得材料的吸声系数。该吸声系数是根据无规入射获得，入射方式与实际工程中所采用的方式较为接近，被广泛应用于试验过程中。

在混响室内设置稳定的声源激励，激发出较多的简正振动方式，可在混响室内建立接近于扩散声场的稳定声场，混响室内的等效吸声量A1与混响时间T的关系式为

(1)

式中，V为混响室容积，m3；c为混响室条件下声音在空气中的传播速度，m/s；T为混响室的混响时间，s；m为混响室条件下的声强衰减系数，m-1。

通过测量有无吸声材料情况下的混响时间，可采用式(2)求得吸声量的大小。

(2)

式中，ΔA为试件吸声量，m2；T2为空场混响室条件下的混响时间，s；T1为放试件后混响室条件下的混响时间，s；c1为混响室条件下声音在空气中的传播速度，m/s；c2为放试件后混响室条件下声音在空气中的传播速度，m/s；m1为空场混响室条件下的声强衰减系数，m-1；m2为放试件后混响室条件下的声强衰减系数，m-1。

由于测量过程中，混响室内温度和湿度的变化较小，即认为c1=c2且m1=m2，式(2)可简化为

(3)

此时吸声系数αs可表示为

(4)

式中，S为试件面积，m2。

1.3 试验步骤

根据《声学 混响室吸声测量》(GB/T 20247—2006)[14]的规范要求，试件宽度与长度比例为3∶4，试件距任一边界距离大于1 m，试件边界不平行于距其最近的房间边界。

在混响室内开展试验，试验步骤为：①在软件中选择混响时间测试，测量空混响室的混响时间T1；②在混响室内，按规范要求安装测试材料，测量混响室的混响时间T2；③根据公式计算吸声系数αs；④循环步骤②和步骤③，直至得到所有材料的混响时间。

1.4 试验结果分析

根据吸声系数的定义要求，吸声系数不得大于1，试验得到的试件在各频段的吸声系数大于1时取为1。试件1～试件5由相关技术成熟的厂家提供，噪声频率-材料吸声系数曲线如图3所示。

由图3可知：

(1) 5种试件的吸声特性接近，材料吸声系数在噪声低频段、中频段及高频段的变化规律基本一致，对低频噪声的吸声效果相比最好，中频噪声效果次之，高频噪声吸声效果相比最差。隧道噪声主要由车辆动力系统产生的低频噪声和轮胎与路面的中频噪声组成[15]，5种材料的吸声系数曲线与隧道的噪声频谱特性吻合较好，典型隧道频谱特性曲线[15]如图4所示。

(2) 背衬吸声材料(玻璃棉和泡沫铝)试件的吸声系数在各噪声频段均大于背衬微穿孔共振结构(微穿孔铝板)试件的吸声系数。试件1～试件5的降噪系数分别为0.92、0.92、0.84、0.72和0.77，各试件降噪性能差异并不明显，均具备吸声装饰功能。

(3) “穿孔搪瓷钢板+玻璃棉”与“穿孔搪瓷钢板+泡沫铝”的吸声效果较接近，“穿孔搪瓷钢板+玻璃棉”的吸声系数略大于“穿孔搪瓷钢板+泡沫铝”的吸声系数。

(4) 试件1与试件2的主要差异为搪瓷钢板与其后的空腔厚度(除试件2外，其余试件搪瓷钢板后的空腔厚度均为100 mm)，两试件在吸声特性以及降噪系数等方面没有明显差异，说明空腔厚度增大对吸声材料类试件的吸声性能影响不明显。

(5) 试件4和试件5采用了较易获取的两种微穿孔铝板，主要区别在于孔型及微孔布置形式。二者吸声特性接近，当噪声频率小于1 600 Hz时，试件5的吸声系数大于试件4；当噪声频率大于1 600 Hz 时，试件4的吸声系数大于试件5。由于试件5在噪声中低频段的吸声优势，其降噪系数值大于试件4。

2 吸声搪瓷钢板现场试验

2.1 工程概况

江苏省泰州市永定路快速化改造工程东起泰高高速公路，西接长江大道，以隧道形式下穿东风路、海陵南路和鼓楼南路。线路全长为12.7 km，按城市快速路标准建设，设计时速为80 km/h，道路为双向六车道，其中永定路一号隧道全长为1 043 m，暗埋段长为680 m；永定路二号隧道全长为512 m，暗埋段长为160 m。隧道暗埋段采用单层双孔矩形结构，隧道埋深范围为0.6～3.2 m，典型隧道断面形式如图5所示。

永定路一号隧道和二号隧道位于泰州市海陵区，隧道周边环境示意如图6所示，周边区域以住宅区、金融区和文化区为主，隧道周边区域对声环境质量要求较高。

2.2 隧道吸声搪瓷钢板选型

为改善隧道洞口处的声环境质量，工程人员进行隧道降噪设计。根据室内试验结果可知，5种试件的降噪系数按顺序分别为0.92、0.92、0.84、0.72和0.77，均具有较好的吸声降噪性能。工程应用中，吸声搪瓷钢板除应具有良好的降噪性能外，还应考虑安全性、耐久性、经济性以及施工便利性等特性需求。经比选，选定“穿孔搪瓷钢板+微穿孔铝板(圆孔)”的试件5应用于本工程，并开展相关现场试验。隧道暗埋段吸声搪瓷钢板布置如图7所示。吸声搪瓷钢板比选内容如表2所示。

表2 吸声搪瓷钢板比选内容

2.3 现场试验

混响时间是评价隧道噪声环境及降噪效果的综合指标，是指在室内声音已达稳定状态后，中断或停止声源的发声，平均声能密度自原始值衰变到其百万分之一所需要的时间。混响时间取决于空间尺寸与形状以及吸音表面的数量、质量和位置。结构的吸音性能越好，其混响时间越短。

为验证“穿孔搪瓷钢板+微穿孔铝板(圆孔)”的实际降噪效果，分别进行隧道安装搪瓷钢板前后的现场混响时间试验。

2.4 试验结果分析

安装降噪材料前后隧道洞口、中心处的混响时间曲线如图8所示。

由图8可知：

(1) 安装降噪材料(吸声搪瓷钢板)前，隧道中的混响时间普遍偏长，隧道中心处的混响时间比洞口处的混响时间长；隧道内低频噪声的混响间较长，隧道中心处低频噪声的混响时间最长达24.4 s。

(2) 安装降噪材料后，隧道中的混响时间显著缩短，且隧道洞口处与中心处的混响时间较为接近。

(3) 安装降噪材料后，隧道洞口处的混响时间平均缩短4.6 s，160 Hz以下的混响时间缩短最明显，可达15.2 s，全频带混响时间缩短到3 s以下，200 Hz以上的混响时间控制在2 s以内。

(4) 安装降噪材料后，隧道中心处的混响时间平均缩短7.2 s，315 Hz以下的混响时间缩短最明显，可达22.9 s，全频带混响时间缩短到5 s以下，200 Hz以上的混响时间控制在2 s以内。

根据隧道平均自由程进行推算[6]，安装降噪材料前后隧道吸声系数曲线如图9所示。

由图9可知：

(1) 安装降噪材料前，隧道吸声系数随着噪声频率的变化近似呈线性增大。

(2) 安装降噪材料后，隧道吸声系数随着噪声频率的增大，表现出先增大后减小，再近似呈线性增大的规律。

(3) 安装降噪材料后，隧道各频段的吸声系数显著增大，吸声系数平均增大0.12，对于低频(200～315 Hz)噪声吸声效果较为显著。

根据现场试验得到隧道吸声系数，参考《城市隧道噪声控制技术规程》(DGJ32/TJ 216—2016)[6]，对因隧道通车导致的噪声增量进行预测，分别预测采取降噪措施前后的噪声增量，两者差值即为安装降噪材料后的预期降噪量。

安装降噪材料前后隧道的预测噪声增量曲线如图10所示，降噪处理后全频带预期降噪量明显提升，平均预期降噪量约为7.4 dB；200～315 Hz频段内的降噪效果尤为明显，平均预期降噪量约为9.9 dB，最大可达11.7 dB。

3 结论

结合城市隧道实际需求，开展了5种吸声搪瓷钢板试验研究，并在永定路一号隧道和二号隧道中进行应用，介绍了吸声搪瓷钢板从降噪性能试验、材料选型到工程应用的全过程，主要结论如下。

(1) 开展试验的5种吸声搪瓷钢板均具有较好的吸声性能，试件1～试件5的降噪系数分别为0.92、0.92、0.84、0.72和0.77。综合比选5种试件的降噪性能、耐久性、经济性及施工便利性，“穿孔搪瓷钢板+微穿孔铝板(圆孔)”的试件5具有较为均衡的工程性能，并将试件5用于现场试验。

(2) 隧道安装吸声搪瓷钢板后，隧道洞口处与隧道中心处的混响时间显著缩短，隧道洞口处的全频带混响时间缩短到3 s以下；隧道中心处全频带混响时间缩短到5 s以下；同时隧道洞口处与中心处的噪声混响时间差异显著缩小。

(3) 隧道安装吸声搪瓷钢板后，隧道各频段的吸声系数平均增大0.12，降噪处理后全频带的平均预期降噪量约为7.4 dB。200～315 Hz频段内降噪效果尤为明显，平均预期降噪量约为9.9 dB，最大可达11.7 dB。