基于高速公路噪声频谱特性的复合声屏障技术应用

陈宗娟,王昭月,隆燕妮,李鹏冲

(广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

高速公路的建设大大提高了人们出行的便捷度,带动了地方经济的发展,但同时也给临路的居民造成了噪声困扰。路边设立声屏障具有节约土地、降噪明显等优势,是高速公路降噪措施的首选。

高速公路噪声来源于车辆发动机、轮胎与路面的摩擦等,具有一定规律的频谱特性。频谱指的是各频率下的A声级大小分布情况。明确高速公路噪声峰值所处的频率范围和影响因素,才能有针对性地设计具有对应频谱降噪特点的声屏障。影响高速公路频谱特性的因素普遍认为是车速、车型比、车流量和路面构造[1]。高速公路车辆对高速公路的噪声贡献较大的声能量频段为63～2 000 Hz,车速增大时,噪声强度增加,声能量频段也向高频移动[2]。小型车的噪声能量主要集中在1 000～2 000 Hz,而中型车的噪声能量主要集中在500～2 000 Hz,对于大型车速度>60 km/h时,噪声能量主要分布在1 000 Hz以下的频率范围内,车流量越大声压级越大[3-4]。故基于高速公路频谱特性——中低频范围的高效降噪的声屏障更适合高速公路噪声降噪。

李云涛等[5]采用工业废渣作为声屏障基本原料,使用胶凝溶剂高温聚合成微粒吸声材料,通过性能测试验证,该材料在200～5 000 Hz频段内具有良好的吸声效果,兼具耐腐蚀、耐潮湿、防积水的特点,适合广西湿热多雨的环境使用。基于以上理论研究,本文对声屏障进行深入设计,将“吸声面板+空腔结构+金属隔声背板”一体化成型的复合声屏障技术应用于实际项目,通过实际案例探究基于高速公路频谱特性的复合声屏障技术在广西高速公路上的应用效果。

1 声屏障材料结构设计及应用设置

1.1 声屏障降噪原理及材料结构设计

汽车所发出的噪声遇到声屏障后,一部分从声屏障顶端绕射至受声点(绕射声),一部分穿透声屏障到达受声点(透射声),一部分在声屏障和车外壳或对向声屏障之间多次反射再传至受声点(反射声)。声屏障的降噪效果主要由以上三条路径的能量分配决定[6]。在声屏障设计中,通过增加声屏障高度和顶部设计来减小绕射声的影响;通过增加声屏障面板密度或厚度来减小透射声,增加声屏障的隔声能力;通过在声屏障靠路侧附加吸声结构(如穿孔板、空腔共振等)来减小反射声[7]。高速公路常途经村庄、涵洞或隧道,常出现多辆大车并行或两侧平行声屏障的情况,此时汽车产生的噪声声波容易在声屏障与车、车与车之间不断反射,导致道路噪声大且影响路边居民生活。因此采用“吸声面板+空腔结构+金属隔声背板”一体化成型的复合型声屏障技术,兼具吸声、隔声特点,在保证基本隔声效果的同时减小反射声的产生,有利于高速公路噪声控制。

聚合微粒吸声材料技术在中低频范围内具有良好的吸声性能(吸声系数>0.6),是一项具有中低频高效吸声的多孔材料,孔隙率最高可达35%。聚合微粒吸声板内部具有相互贯通的缝隙,声波入射时,一部分声能被反射,另一部分声能在孔隙间转化为热量进而达到“吸声”的作用[8]。

因此,综合以往研究成果,选用30～50目粒径聚合微粒板作为吸声面板,搭配70 mm空腔组合的吸声结构来实现高速公路噪声的中低频吸声作用。声屏障背部采用1 mm镀锌板提高整体隔声效果,单块屏体的长×宽×厚尺寸为1 960 mm×500 mm×80 mm。吸声面板、空腔结构与镀锌板之间采用一体式结构(图1),增加整个构建的整体性,方便施工安装。

图1 声屏障实际应用成品图及结构图

1.2 声屏障应用设置

兰州至海口高速公路广西钦州至北海段改扩建项目位于广西钦州市、北海市境内,主线总里程为112 km,北海支线总里程为28 km。项目于2019年9月底开工,2022年8月通车。

根据项目环境影响评价文件可知,项目运营后,北海支线的沿线集中居民区普遍出现声环境质量超标的现象。本研究选定北海支线附近包家塘村设置复合吸声屏障,声屏障长度为1 045 m,高度为3 m。设置点位如图2所示。

图2 声屏障设点布置图

2 效果验证方法

2.1 材料隔声量和吸声系数评价

依据《声学建筑和建筑构件隔声量测量 第3部分:建筑构件空气声隔声的实验室测量》(GB/T 19889.3-2005)和《声学 混响室吸声测量》(GB/T 20247-2006)的方法,测量聚合微粒声屏障在各频段的隔声量及吸声系数。

2.2 插入损失的测量

声屏障的降噪效果一般用插入损失来评价。根据《声屏障声学设计和技术规范》(HJT90-2004)中的间接法对复合声屏障的插入损失进行测量。

取声屏障附近一临路点位模拟测量声屏障安装前的噪声状况,另取一声屏障后方点位作为声屏障后方受声点,测量点位如图3所示。根据式(1)对声屏障插入损失进行计算:

(a)空白对照点

IL=(Lref,a-Lref,b)-(Lr,a-Lr,b)

(1)

式中:Lref,b——在等效场所参考点处测量的声屏障安装前的A声级(dB);

Lr,b——在等效场所受声点处测量的声屏障安装前的A声级(dB);

Lref,a——声屏障安装后参考点处的A声级(dB);

Lr,a——声屏障安装后受声点的A声级(dB)。

同时对空白对照点及声屏障后方受声点进行连续的1/1频谱监测,对比有、无声屏障时的频谱特点。

2.3 居民住宅的噪声影响验证

按照《声环境质量标准》(GB3096)要求开展监测。取包家塘临路1排3处房屋作为声屏障效果验证点,分别命名为“包家塘1”“包家塘2”“包家塘3”,此3处点位分别靠近声屏障起始点、中部及尾部。临路一排的房屋建筑最易受到交通噪声的影响,也是声屏障的主要保护对象。在此3处点位的监测截面图如下页图4所示。另取声屏障外一点作为对照点,模拟声屏障安装前的噪声状况。

(a)包家塘1

3 结果及讨论

3.1 声屏障隔声量和吸声系数表征

吸声系数α为吸收声能与入射声能之比,评价声屏障整体效果通常采用降噪系数NRC和计权隔声量Rw来表示。复合声屏障隔声量及吸声系数表征结果如表1所示。由表1可见,随着频率的增加,声屏障隔声量逐渐提高,吸声系数先升高后下降,在315～1 600 Hz之间的吸声系数均>0.6。声屏障吸声系数峰值为1.03,对应的频率为630 Hz。

表1 声屏障的隔声量和吸声系数计算结果表

根据《建筑隔声评价标准》(GB/T 50121)评价计权隔声量,结果为Rw=33 dB。经过250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz四个频带吸声系数的平均值计算得到复合声屏障的降噪系数(NRC),结果为NRC=0.7。该复合声屏障技术的声学性能远超过《公路声屏障 第4部分:声学材料技术要求及检测方法》(JT/T 646.4)所规定的声屏障降噪系数NRC>0.6,隔声量≥26 dB的要求,说明该结构设计的复合声屏障技术符合国家对声屏障材料的要求,可投入实际工程进行运用。

3.2 插入损失的测量

在两种车流量情况下,用间接法测量复合声屏障在各频率下的插入损失。车流量分别为工况一(大、中、小车流量分别为126辆/h、58辆/h、672辆/h)及工况二(大、中、小车流量分别为106辆/h、74辆/h、886辆/h)。插入损失测量结果如图5所示。

图5 复合声屏障在各频率下的插入损失测量结果曲线图

由图5可知,在16～125 Hz的低频区,声屏障插入损失在0～4 dB左右;在125～2 000 Hz的中低频区间内,插入损失为4～9.5 dB左右;在2 000～6 000 Hz的中高频区间内插入损失在0～8 dB左右;当频率>6 000 Hz时,插入损失为负值,出现声压级增加的现象。在2 000 Hz以下的中低频范围,复合声屏障技术具有良好的降噪效果,插入损失峰值位于500 Hz和2 000 Hz处,分别为9.5 dB和8 dB左右,说明复合声屏障对中低频的噪声具有显著的降噪效果。本研究设计的声屏障在安装后达到了针对中频噪声降噪的设计预期,甚至在2 000～6 000 Hz的中高频也有显著的降噪效果。

车流量小幅度变化,未明显改变声屏障插入损失在各频率上的分布情况,说明声屏障选材及空间组成结构为决定声屏障插入损失的主要控制因素,车流量、车型比等交通变化情况仅使各频段插入损失小幅度波动。在频率>6 000 Hz时,声屏障插入损失出现负值(-6 dB),可能是由于间接法测量导致的误差[9],但高频噪声往往不是主要的高速公路噪声的主要贡献者,其略微增加对总体交通噪声影响不大。

同时,对空白对照点及声屏障后方受声点连续频谱监测,得到20 min内对照点及声屏障后方的频谱特性,结果见图6。由图6直观地表现出复合声屏障技术在63～4 000 Hz范围内具有明显的降噪作用,尤其在250～2 000 Hz的中低频范围内,A声级降低幅度最大(插入损失在5～10 dB左右),同样也证明了在实际应用中复合声屏障技术基于中低频的同频降噪作用,与高速公路频谱特性相吻合。

(a)工况一

3.3 居民住宅的噪声影响验证

声屏障建设后,本研究对包家塘1、包家塘2、包家塘3的点位进行昼间现场监测的结果如表2所示。以对照点模拟未设立声屏障时的居民区受交通噪声影响下的环境噪声值,以住宅对照值和居民楼实测值的差值为声屏障对住宅的降噪效果。

表2 居民区噪声值实测结果表

由表2各点位的监测结果对比表明,经过声屏障的降噪作用,噪声值在实际居民楼可降低4.2～11.1 dB,比普遍声屏障降噪效果更好(3～5 dB)[10-11],这也与敏感点具体方位、建筑物形态、声屏障实际建设效果等因素有关。不少声屏障存在明显缝隙,如灯柱与声屏障结合处、声屏障与桥栏板顶面之间、预留通道门(逃生出口)缝隙等,声屏障的缝隙或破损会导致声屏障实际插入损失降低[12]。总体来说,复合声屏障的设置进一步优化了高速公路临路村庄(特别是临路一排居民楼)的噪声环境,复合声屏障具有降噪作用明显,兼具环境美观特点。

4 结语

(1)采用30～50目粒径、8 mm厚度面板与70 mm空腔组合的复合声屏障技术在315～1 600 Hz之间的吸声系数均>0.6,计权隔声量Rw=33 dB,降噪系数NRC=0.7。

(2)实地测量结果表示,在2 000 Hz以下的中低频范围,复合声屏障插入损失为4～9.5 dB,插入损失峰值位于500 Hz和2 000 Hz处,分别为9.5 dB和8 dB左右。本研究设计的声屏障在安装后达到了针对中频高速公路频谱同频降噪的设计预期,甚至在2 000～6 000 Hz的中高频也有显著的降噪效果。

(3)临路村庄加设声屏障后,居民楼具有4.2～11.1 dB的降噪作用,复合声屏障技术对于临路住宅区的声环境起到明显优化作用。