基于室内轮胎加速下落法的排水沥青路面降噪吸声性能研究

麦 剑，孟宪东，李力豪，赵立东，何杰忠

(1. 广州高速运营管理有限公司，广东 广州 510030；2. 中路交建(北京)工程材料技术有限公司，北京 100088)

0 引言

随着国内道路交通的大规模建设，交通环境噪声污染也愈发严重。《中国环境噪声污染防治报告》中，环境噪声检测部门对国内省会城市开展了道路交通噪声监测，报告中指出全国城市昼间区域受交通噪声影响比例为21.7%，2020年直辖市、省会城市和计划单列市道路交通噪声昼间平均等效声级为68.0 dB(A)[1-2]。同时研究表明[3]，受交通噪声影响，房地产、工商等企业的生产效率和经济效益都有不同程度的下降，有人估算交通噪声升高1 dB，土地的价值将降低0.08%～1.26%。文献[4]表明通过采用合适的路面结构降低交通噪声是改善城市环境中噪声污染最为经济的方法。

道路交通噪声的主要原因在于轮胎-路面噪声，削弱轮胎-路面噪声的关键措施在于源头控制。从声学角度来讲，轮胎与路面产生的噪声可以通过空隙吸收，进而降低噪声等级，这也正是多空隙沥青混凝土能够减小噪声的主要机理[5]。Gardziejczyk等[6-7]进行的现场近距离测试结果表明，OGFC路面相比AC路面的交通噪声要降低3～6 dB。文献表明排水沥青路面具有比较高的空隙率和良好的表面构造，与普通路面相比有明显的降噪效果，特别是在雨天，降噪效果更为明显。

众多研究表明，多空隙排水沥青路面可以有效减小轮胎-路面噪声，但对其降噪吸声特性的研究较少。对于路面材料，通常用吸声系数来表征其吸声性能(即吸收与入射声能的比值)[10]。本研究通过改进的室内轮胎加速下落法测试对比排水沥青路面单、双层以及普通AC路面的轮胎-路面噪声，采用驻波管法研究排水沥青路面吸声特性，测试其吸声系数，并分析空隙率参数对吸声系数的影响，得出空隙率参数与吸声系数间的数据模型并验证。

1 室内测试轮胎-路面噪声

室内噪声测试采用轮胎下落法进行试验研究。轮胎下落法是通过对道路路面噪声发生原理进行室内模拟而进行的噪声测试和评价的方法[11]。采用轮胎下落法模拟路面噪声，设置不同测试点距离模拟近轮、半车道和一个车道的噪声。

试验步骤为：使一个标准小型汽车轮胎从光滑斜坡的顶端下滑，轮胎会撞击位于斜坡底端的车辙板试件，在距离声源不同距离处使用声级计记录撞击过程中的轮胎/路面噪声信号，通过分贝仪对各车辙板试件进行A计权声压级和1/3倍频程频谱测试，以分析轮胎冲击路面板瞬间的噪声特性。试验现场如图1所示。

试验装置如图2所示，斜坡长100 cm，顶端高60 cm，倾角为30°，试验在距离声源1 m(近轮距离)、1.9 m(半车道宽)和3.75 m(一车道宽)这3个位置分别放置一台声级计。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[12]的要求制备车辙板试件。试验对象为不同类型的PAC混合料车辙板试件共20块，以及作为对照组的AC混合料车辙板试件3块。斜坡底端高10 cm，双层10 cm 厚度的车辙板可直接放置于斜坡底端，单层4 cm 厚度的车辙板试件下需垫木板保证与斜坡底端平齐，如图2所示。测试轮胎是气压为0.2 N/mm2的标准小型汽车轮胎，轮毂尺寸为38.1 cm(15英寸)，重量约为28 kg。

图2 轮胎加速下落法斜坡示意图

1.1 A计权声压级分析

比较4 cm厚PAC试件和AC-13试件，如图3所示。图中S-I～S-V为4 cm厚单层PAC试件，其中PAC试件I～V的设计空隙率依次为16%，18%，20%，22%，24%，AC-13试件的设计空隙率为4%。由图3可以看出，相比传统密集配AC混合料，PAC混合料能显著降低噪声水平，且PAC试件的降噪能力随其与声源距离的增加而衰减。比较4 cm厚PAC试件噪声值与空隙率的关系，如图4所示。由图4可知，随着空隙率的衰减，单层PAC试件在3种距离条件下的噪声值均发生增长。

图3 单层PAC试件噪声水平

图4 单层PAC试件噪声水平与空隙率的关系

类似地比较10 cm厚PAC试件和AC试件的噪声数据，考虑排水沥青路面施工实际情况，PAC试件成型采用3种方式：(1)10 cm厚单层PAC-13试件，即一次性铺筑10 cm厚PAC-13排水沥青混合料成型试件；(2)双层PAC试件，即先铺筑6 cm厚PAC-13后待试件降至室温，喷洒黏层后再铺筑4 cm厚PAC-13后成型；(3)双层联铺PAC试件，即铺筑6 cm厚PAC-13后不喷洒黏层直接铺筑PAC-13排水沥青混合料成型。噪声水平比较结果如图5所示，图中S-1～S-5为10 cm厚单层PAC试件，D-1～D-5为双层PAC试件，DL-1～DL-5为双层联铺PAC试件。其中PAC试件1～5的设计空隙率依次为16%，18%，20%，22%，24%，AC试件的设计空隙率为4%，可知不同类型的PAC混合料均能显著降低噪声水平，且PAC试件的降噪能力随其与声源距离的增加而衰减。此外对3类10 cm厚PAC试件在3种距离条件下的噪声水平进行了比较，结果均为：双层<双层联铺<10 cm厚单层。

图5 10 cm厚PAC试件噪声水平

若将不同距离条件下，10 cm厚PAC试件的噪声水平与空隙率联系起来，对于10 cm厚PAC试件，其总体噪声水平随空隙率衰减而提高。近轮条件下，3类PAC试件噪声等级的差异最明显。此外，通过不同空隙率下3种距离的噪声等级的平均值来比较3类10 cm厚PAC试件噪声等级与空隙率的关系，可知3类PAC试件的噪声水平都随空隙率衰减而提高。双层排水路面的降噪性能最优，单层排水路面相对较差，分析原因为：排水沥青路面厚度越大，声音在路面内部空隙的传播路径越长，衰减越明显，进而降噪性能越好。

1.2 1/3倍频程频谱分析

以中心频率为横坐标，声压级为纵坐标，作出噪声频谱按照1/3倍频程划分标准的噪声声压分布图，可以直观地了解噪声的频谱特点，这种分析方法称为噪声的1/3倍频程频谱分析[13]。

采用1/3倍频程频谱数据的分析结果表明，所有试件的1/3倍频程频谱曲线都存在先增后减的过程，都在某一频带的中心频率上达到极值，高幅值的声压级基本集中在80～315 Hz的频率范围内。此外，在3种距离条件下，所有试件的噪声峰值频率基本都在200 Hz以内，均属于低频噪声。限于试验条件，试验轮胎速度远不及实际路面上的行车速度，其对试件产生的噪声主体为振动噪声而并非来自对空气压缩释放产生的“泵吸效应”。

图6(a)、图6(b)中给出了10 cm厚单层和双层试件在3种距离条件下的噪声频谱平均值，从图中可以看出，PAC试件的峰值噪声及对应频率都比较集中，且不随空隙率的衰减而变化。综合各试件噪声频谱峰值数据，其排序为：双层<双层联铺<10 cm厚单层。另外，对于10 cm厚PAC试件，尽管试件之间的频谱曲线较为集中，但仍可以发现：(1)PAC试件的噪声频谱幅值一般都小于AC试件；(2)PAC试件在小于160 Hz的频谱较为集中，频率大于160 Hz后噪声水平随空隙率衰减而提高。

图6 PAC试件噪声频谱

2 排水沥青路面吸声特性研究

传递函数法[14-16]是一种用于测定多孔路面吸声系数的快捷方便的方法，应用传递函数原理进行吸声系数测定，其原理为利用信号发生器产生声源，将声源放置在物体表面正上方，传声器放置在声源与道路表面之间，基于传递函数评价信号发生的输出与传声器的输出。

本研究利用传递函数法进行法向入射条件下吸声材料的吸声系数测定，过程涉及驻波管使用、两个传声器的位置和数字频率分析系统，装置如图7和图8所示。

图7 沥青混合料试件测定吸声系数

图8 加工试件测定吸声系数

所有车辙板试件的吸声系数曲线按照方案均分为5类。实际交通噪声的频率范围一般都在500～1 500 Hz之间[17-18]，均处于驻波管的工作频率范围内，因此本研究只截取300～1 700 Hz频率范围内的数据进行分析。

不同类型的车辙板吸声系数曲线差异较大。对比4 cm厚和10 cm厚PAC单层车辙板吸声系数曲线如图9所示。PAC试件的平均吸声系数均随空隙率的衰减而减小，在空隙率较小时，单层PAC试件的吸声系数都较小，吸声曲线发展较平缓；当空隙率大于20%时，两者的吸声系数曲线形状均表现为中间凸起的单峰型；其区别在于4 cm厚单层PAC试件吸声系数峰值频率在1 100 Hz附近，而10 cm厚单层PAC试件吸声系数峰值频率在800 Hz附近。两种试件的吸声峰对应频率正好处于交通噪声的常见频率范围内，故对缓解交通噪声十分有益。另外，比较双层或双层联铺PAC车辙板吸声系数数据与10 cm厚单层PAC试件数据相近，表明室内试验中双层、双层联铺及10 cm厚单层PAC铺筑工艺对吸声系数影响较小。

图9 PAC试件车辙板吸声系数曲线

3 空隙参数对排水沥青路面吸声系数的影响

3.1 数字图像的获取和处理

采用国内工业CT扫描设备(详见图10)获取图像，使用VG Studio MAX 2.0对所有扫描试件切片图像进行了三维重构，利用Matlab对CT扫描图像进行了一系列的图像处理操作，实现了对空隙、集料颗粒(含砂浆)两种材质的分类。以典型试件S-II试件为例，其CT扫描图像和三维重构效果如图11和图12所示。

图10 CT扫描仪

图11 CT扫描试件切片图像

图12 沥青混合料试件三维重构模型

3.2 样品空隙参数测定

综合考虑沥青混合料种类、吸声系数水平等因素，选取11个样品进行CT扫描和图像分析，厚度为4 cm 和10 cm的样品各一半。采用VG Studio MAX 2.0对三维模型中的体素个数进行统计，并利用图像精度将体素个数换算为实际体积大小，从而分别得到空隙、沥青砂浆和粗集料颗粒的总体积。空隙平均参数及其引申参数见表1。

表1 混合料样品空隙参数

VG Studio所得空隙数据表明，PAC试件单位高度(mm)的空隙数量在250个左右，其中体积小于1 mm3的空隙数量较为庞大，占总数量的85%以上。通过CT扫描以及三维重构计算得到的沥青混合料计算空隙率比实测空隙率小，这主要是因为沥青混合料中含有部分CT扫描不能识别出的细小空隙，从而使计算空隙率有较大的偏差。设计空隙率越小，计算空隙率与设计空隙率的差值越大。

3.3 吸声系数预测模型

(1)相关性分析

通过构造多维参数的相关系数矩阵，可评价各参数间的相关性。通过表2中数据可以考察各参数与吸声系数平均值的相关性。对于n个试件的p个指标有对应参数xij(i=1,2,…,n；j=1,2,…,p)，构成原始矩阵Xn×p，其相关性分析步骤如下：

①构造原始变量xij的标准化矩阵，即使同一指标下的原始参数减去其均值再除以其标准差，构成新的标准化矩阵Y。

以上步骤可通过Excel的数据分析模块来实现，所得相关系数矩阵见表2。

表2 空隙参数相关系数矩阵

从表2中数据可知，与吸声系数相关性较高的参数(>0.5)依次为设计空隙率、计算空隙率、空隙总体积、空隙平均体积、空隙总表面积以及空隙平均表面积。这说明最影响排水路面吸声性能的参数是宏观的空隙率；从微观角度来说，空隙的平均体积是微观空隙参数中对吸声性能影响最大的因子，而影响最小的是球度。本研究选定相关性最高的5个参数作为构建吸声系数预测模型的自变量，其中计算空隙率与设计空隙率相关度极高，且无本质区别，故只考虑设计空隙率。

(2)吸声系数模型建立

利用Excel自带的多元回归功能，建立排水沥青路面沥青混合料吸声系数均值与所选定空隙参数的关系，所得回归模型为：

α=-0.423+0.025 4u1-0.013u2+7.158×10-7u2u3-1.878×10-6u1u3+0.05u4，

(1)

式中，α为排水沥青路面混合料吸声系数；u1为空隙平均体积；u2为空隙平均表面积；u3为样品空隙个数；u4为试件设计空隙率。

3.4 吸声模型准确性验证

为进一步验证吸声系数计算模型的准确性，现将表1中10种排水沥青路面试件中上述4个空隙参数代入模型得到吸声系数的预测值，分析吸声系数实测值与模型预测值之间的相关性，如图13所示。

图13 吸声系数实测值与模型预测值的相关性

吸声系数预测值与实测值对比可知，吸声模型的预测吸声系数与驻波管试验的实测吸声系数大小接近，两者差值的绝对值小于0.035。经计算两组数据的相关系数R2=0.929，结果表明预测值与实测值有较高的相关性，该吸声系数预测模型可有效反映排水沥青路面的吸声特性并准确预测其吸声系数。同时吸声模型是根据排水沥青路面体积参数数据建立的，不适用于AC类密级配混合料。

4 结论

(1)采用改进的室内轮胎加速下落法，在3种距离条件下使用声级计测定噪声的A计权声压级和1/3倍频程频谱，结果表明排水沥青路面的噪声值较传统路面降低2～5 dB(A)，降噪能力随声源距离的增加而衰减，随空隙率增大而提高。3类10 cm厚排水沥青路面试件的噪声水平顺序为：双层<双层联铺<10 cm 厚单层。

(2)采用驻波管双传递函数法测定排水沥青路面试件吸声系数曲线，PAC试件的平均吸声系数均随空隙率的衰减而减小，单层排水沥青路面的吸声系数曲线呈现“单峰型”。4 cm厚单层排水沥青路面试件的吸声峰在1 100 Hz附近；10 cm厚单层排水沥青路面试件的吸声峰左移至800 Hz附近。两种试件的吸声峰对应频率处于交通噪声的常见频率范围内，对缓解交通噪声有益。

(3)通过CT扫描和三维重构软件，得到PAC试件的空隙参数，建立吸声系数预测模型，运用该模型计算所得的吸声系数与驻波管法实测值具有较高的相关性，验证了吸声系数模型预测排水沥青路面吸声特性的准确性。