生態(tài)聲屏障設(shè)計(jì)與效果分析

周 方 李 雷 傅大放 李建平

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096)

(2江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，南京210028)

(3上海申華聲學(xué)設(shè)備有限公司，上海200000)

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，公路、鐵路交通也正在飛速發(fā)展.交通工程的修建在滿足中國(guó)發(fā)展壯大需要的同時(shí)，卻帶來(lái)了嚴(yán)重的噪聲污染問(wèn)題，各種交通道路的開(kāi)發(fā)建設(shè)與城鎮(zhèn)道路周邊的居民生活產(chǎn)生矛盾.據(jù)各大城市的環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明:目前多數(shù)大中城市噪聲超標(biāo)段平均達(dá)60%，受交通噪聲污染的面積已超過(guò)30%.全國(guó)大中城市中有3 390萬(wàn)人不同程度地受到公路交通噪聲的影響，其中2 700萬(wàn)人生活在晝間高于70 dB(A)、夜間高于55 dB(A)的公路交通噪聲嚴(yán)重污染的環(huán)境中［1］.

目前常用的道路交通噪聲降噪手段主要有聲屏障、降噪林帶2種.據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用聲屏障降噪效果可達(dá)10 dB以上.在公路兩側(cè)植樹(shù)綠化，也是防治交通噪聲的有效措施之一.據(jù)資料介紹，綠化林帶寬度大于10 m，可降低噪聲4～5 dB.

在當(dāng)代社會(huì)生態(tài)與環(huán)保越來(lái)越受到重視，道路設(shè)置聲屏障的同時(shí)，將降噪與植物結(jié)合已成為趨勢(shì).研究表明綠化林帶對(duì)人心理煩惱有較大的改善［2］.張瑋晨［3］提出在開(kāi)放式干線公路兩側(cè)結(jié)合坡度綠化設(shè)置生態(tài)屏障降低交通噪聲的建議，并運(yùn)用CadnaA軟件對(duì)不同屏障寬度、高度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合模擬.劉銀生等［4］詳細(xì)闡述了一種弧形生態(tài)聲屏障的隔音機(jī)理、結(jié)構(gòu)形式、聲屏障種植土的配比研究、植物的選擇等情況.本文設(shè)計(jì)了一種將吸聲降噪、景觀綠化有機(jī)結(jié)合的生態(tài)聲屏障，該生態(tài)聲屏障可有效降低噪聲18～35 dB.

1 聲屏障設(shè)計(jì)

1.1 生態(tài)聲屏障的設(shè)計(jì)原則

為了使聲屏障的降噪效果和生態(tài)性能有機(jī)結(jié)合，需要滿足以下幾種設(shè)計(jì)原則.

1)環(huán)保性.所設(shè)計(jì)的聲屏障必須滿足一定的降噪效果，在保證聲屏障吸聲和隔聲效果的同時(shí)，聲屏障的材料構(gòu)造應(yīng)滿足聲學(xué)性能、美觀、耐久、抗腐、防火、不產(chǎn)生其他污染等要求.

2)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.聲屏障要滿足一定的力學(xué)穩(wěn)定性能的要求.只有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定才能長(zhǎng)期使用，同時(shí)安全結(jié)構(gòu)穩(wěn)定才能保證道路安全.因此生態(tài)聲屏障能否投入到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的先決條件就是安全性.

3)養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便性.聲屏障一般是設(shè)置在車(chē)流量大的車(chē)道邊，簡(jiǎn)便的維護(hù)方式能避免道路非正常使用，維持交通通暢.因此在滿足基本性能的前提下，制造工藝和設(shè)備盡量簡(jiǎn)單高效，構(gòu)件盡量標(biāo)準(zhǔn)化.特別在維護(hù)時(shí)，應(yīng)力求技術(shù)簡(jiǎn)單，維護(hù)頻次低.

4)減緩廊道效應(yīng)，減少不協(xié)調(diào)感.通過(guò)外觀造型設(shè)計(jì)、選用合適顏色、材料質(zhì)感和合理綠化等措施來(lái)彌補(bǔ)聲屏障墻對(duì)鄰近居民產(chǎn)生的不協(xié)調(diào)感.同時(shí)避免司機(jī)和乘客產(chǎn)生不同程度的壓抑、緊張和容易疲勞等不適感覺(jué).選用適宜當(dāng)?shù)丨h(huán)境、氣候并與生態(tài)型聲屏障結(jié)構(gòu)搭配協(xié)調(diào)的植物.

1.2 生態(tài)聲屏障的設(shè)計(jì)

1.2.1 聲屏障主體設(shè)計(jì)

聲屏障主體由內(nèi)置吸聲材料的2層吸聲板組合而成，2層吸聲板通過(guò)兩端的H型鋼與內(nèi)部的彈簧卡保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.聲屏障的種植單元由鋁板打造成三棱柱形狀，三棱柱一個(gè)側(cè)面不設(shè)置鋼板，而用來(lái)放置土壤和植物.形成三棱柱的其他2個(gè)側(cè)面的角度為60°，這樣可以在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)盡量加大植物生長(zhǎng)基質(zhì)的面積.集水槽同樣用鋼板制作而成，集水槽形狀為倒梯形，這樣既可以容納水分又起到了Y形頂端結(jié)構(gòu)的降噪效果.種植單元利用抽芯鉚釘固定在聲屏障主體側(cè)面.集水槽利用螺栓固定在聲屏障主體頂部.

1.2.2 聲屏障給排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

生態(tài)聲屏障的給排水系統(tǒng)主要由集水槽、位于種植單元中部的排水孔、輸配水管道組成.在聲屏障主體頂部設(shè)置用于收集雨水的集雨槽及立于聲屏障主體外側(cè)的豎直導(dǎo)水管，豎直導(dǎo)水管的上部與集雨槽底部相通，在豎直導(dǎo)水管的下部連接有水平導(dǎo)水管且豎直導(dǎo)水管的下部與水平導(dǎo)水管的一端連接，在水平導(dǎo)水管的另一端上連接有布水管，水平導(dǎo)水管位于集雨槽與頂層降噪單元之間.為了不讓植物存水過(guò)多而產(chǎn)生水澇現(xiàn)象，在每個(gè)種植單元的3/4處打孔，以供多余的水分及時(shí)排走.所設(shè)計(jì)的生態(tài)聲屏障如圖1所示.

圖1 生態(tài)聲屏障

2 RAYNOISE軟件模擬降噪效果

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外已使用應(yīng)用軟件對(duì)聲屏障的降噪效果進(jìn)行數(shù)值模擬，保證了降噪研究的方便、快捷和準(zhǔn)確［5－9］.

大型聲場(chǎng)模擬軟件系統(tǒng)RAYNOISE是由比利時(shí)聲學(xué)設(shè)計(jì)公司研發(fā)的，它可以較準(zhǔn)確地對(duì)敞開(kāi)空間、封閉空間以及半閉空間的聲傳播物理過(guò)程進(jìn)行模擬.本文利用聲學(xué)軟件RAYNOISE對(duì)生態(tài)聲屏障和直立型聲屏障的降噪效果進(jìn)行比較，通過(guò)軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)生態(tài)聲屏障的降噪效果進(jìn)行模擬評(píng)測(cè).

2.1 聲屏障計(jì)算機(jī)仿真條件設(shè)定

通過(guò)利用RAYNOISE軟件對(duì)生態(tài)型聲屏障在不同距離、不同高度的降噪效果進(jìn)行仿真模擬，來(lái)分析其降噪特點(diǎn).選取直立型聲屏障作為對(duì)比屏障，2種屏障高度同為3 m.

2.1.1 聲源條件

根據(jù)實(shí)際工程情況，高速公路噪聲超標(biāo)路段多為多車(chē)道、大車(chē)流量.因此進(jìn)行聲屏障RAYNOISE軟件仿真模擬時(shí)，設(shè)定聲源線6條，聲源線之間距離為4 m，聲源線離地高度為1.2 m，聲屏障離最近聲源線距離為4.5 m，距路邊緣2.5 m.根據(jù)實(shí)際交通噪聲頻率特點(diǎn)，選取頻率為125～4 000 Hz的倍頻程聲源作為聲源線的頻率范圍.同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，噪聲聲功率級(jí)在各個(gè)頻率都采用平均聲功率級(jí)89.8 dB.

2.1.2 環(huán)境條件及聲屏障位置

RAYNOISE軟件的一個(gè)特點(diǎn)是可以針對(duì)模型性質(zhì)定義其聲學(xué)特性，本次模擬地面假設(shè)設(shè)置為瀝青路面.為了更符合道路噪聲對(duì)道路兩邊居民影響的實(shí)際情況，選取垂直于道路和聲屏障的立面上進(jìn)行聲壓級(jí)分布.

聲屏障模擬仿真布置如圖2所示.圖中右側(cè)6條線代表線聲源，聲源強(qiáng)度為82.3 dB;中部黑色帶為聲屏障;聲屏障長(zhǎng)度方向中間位置的網(wǎng)格面為敏感面域，高度為30 m，寬度為50 m.

圖2 聲屏障降噪模擬布置圖

2.2 RAYNOISE軟件模擬降噪效果分析

2.2.1 無(wú)聲屏障時(shí)噪聲分布

圖3是未設(shè)置隔聲屏障時(shí)交通噪聲傳播的情況，環(huán)境特點(diǎn)、聲源特性與模擬對(duì)象保持一致.RAYNOISE軟件通過(guò)顏色分布表示不同聲壓級(jí)的分布情況.

圖3 無(wú)聲屏障聲場(chǎng)分布圖

由表1可見(jiàn)，隨著距離和高度的增加，噪聲聲壓級(jí)逐漸降低.觀察高度為4 m時(shí)，距離50 m處的聲壓級(jí)比距離0 m處的聲壓級(jí)降低7.36 dB，此為模擬環(huán)境的自然噪聲衰減量.

表1 不同高度無(wú)聲屏障時(shí)聲壓級(jí)分布 dB

2.2.2 生態(tài)聲屏障、直立型聲屏障噪聲傳播對(duì)比

為了分析生態(tài)聲屏障的降噪效果，模擬3 m高生態(tài)聲屏障與同樣高度直立型聲屏障的聲場(chǎng).

圖4是生態(tài)聲屏障和直立型聲屏障RAYNOISE軟件噪聲模擬聲壓級(jí)分布圖.聲壓級(jí)最大和最小值分別為78.05，48.76 dB.由圖可見(jiàn)，2 種結(jié)構(gòu)聲屏障的噪聲分布類似，聲屏障背后的聲影區(qū)噪聲分布圖顯示為深色，說(shuō)明聲壓級(jí)較低且離聲屏障越遠(yuǎn)聲壓級(jí)越低;聲屏障上部的非聲影區(qū)噪聲分布圖顯示，離聲屏障10 m范圍為淺色，向左依次變淺，說(shuō)明聲屏障上方聲影區(qū)外聲壓級(jí)隨距離而變低.

圖4 聲壓級(jí)分布圖

由表2可以看出，生態(tài)聲屏障在長(zhǎng)度40 m內(nèi)的各個(gè)位置上和直立型聲屏障相比降噪效果更好，同時(shí)在距離聲屏障越近的位置生態(tài)聲屏障的插入損失較大.在50 m位置出現(xiàn)個(gè)別位置生態(tài)聲屏障插入損失較小，這是因?yàn)槁暡ㄔ诘竭_(dá)較遠(yuǎn)距離時(shí)高頻聲波已經(jīng)被阻擋或吸收，而低頻聲波因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)較大，聲屏障效果微弱;同時(shí)空氣介質(zhì)吸收量較少.

表2 生態(tài)型與直立型聲屏障插入損失

由表2可見(jiàn)，在高度大于4 m時(shí)聲屏障的插入損失都隨著距離的增加而增大.RAYNOISE軟件以幾何聲學(xué)作為理論基礎(chǔ)，插入損失直接表現(xiàn)為繞射聲衰減［10］，同時(shí)由下式:可知，聲衰減與聲程差成正比，而聲程差隨距離增加而變大，因此插入損失也隨之變大.式中，f為聲波頻率，Hz;δ為聲程差，m;c為聲速，m/s.

從仿真模擬結(jié)果可見(jiàn)，生態(tài)聲屏障具有較好的降噪效果.這是因?yàn)樵肼曉趥鞑r(shí)聲波被生態(tài)聲屏障上的種植單元阻擋，從而增大了生態(tài)聲屏障的插入損失.

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 聲屏障插入損失的測(cè)量方法

按照GB/T 19884—2005《聲學(xué)各種戶外聲屏障插入損失的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定》的規(guī)定，本次實(shí)驗(yàn)采用間接法對(duì)生態(tài)聲屏障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，由于聲屏障安裝前的聲壓級(jí)無(wú)法測(cè)量，因此采用等效于安裝前聲屏障位置的替代點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)量估計(jì).參考點(diǎn)與接收點(diǎn)的半自由場(chǎng)聲壓級(jí)之差計(jì)算如下:

式中，Lref，B為參考點(diǎn)安裝前的聲壓級(jí)(替代點(diǎn));Lref，A為參考點(diǎn)安裝后的聲壓級(jí);Lr，B為接收點(diǎn)安裝前的聲壓級(jí)(替代點(diǎn));Lr，A為接收點(diǎn)安裝后的聲壓級(jí);Cr和C'rr為接收點(diǎn)不同類型的修正因子.

間接測(cè)得的聲屏障插人損失D'IL的計(jì)算式為

本次測(cè)試聲屏障高度為3 m，受聲點(diǎn)距離聲屏障1 m，高1 m，聲源距離聲屏障1.75 m，高1 m，如圖5所示.

圖5 聲屏障位置示意圖(單位:m)

3.2 測(cè)量結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)采用白噪聲、粉紅噪聲2種聲源進(jìn)行測(cè)量，每種聲源測(cè)得4組數(shù)據(jù)(未加入聲屏障前受聲點(diǎn)、參考點(diǎn)，加入聲屏障后受聲點(diǎn)、參考點(diǎn))，通過(guò)式(1)計(jì)算得到在16～16 000 Hz的倍頻程中心的聲屏障A計(jì)權(quán)插入損失值，結(jié)果如圖6所示.

圖6 白噪聲與粉紅噪聲下生態(tài)聲屏障插入損失

由圖6可以看出，生態(tài)聲屏障的插入損失隨著頻率的增加逐漸增大，特別是在頻率大于500 Hz之后插入損失可以達(dá)到14 dB以上，A計(jì)權(quán)平均插入損失為18.3 dB.圖中顯示，噪聲在高頻段降噪效果較好，而在低頻段的降噪效果有限.這是因?yàn)樵诘皖l段聲波波長(zhǎng)較易發(fā)生衍射，從而導(dǎo)致聲屏障對(duì)低頻段噪聲的降噪效果較差.

4 結(jié)論

1)本文提出了一種新型生態(tài)聲屏障，并介紹了具體屏障結(jié)構(gòu).這種特殊結(jié)構(gòu)可以為種植植物提供載體，從而形成有一定規(guī)模的景觀效果.

2)通過(guò)RAYNOISE軟件模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)量可知，生態(tài)聲屏障對(duì)噪聲的降噪效果可達(dá)到18～35 dB.

3)生態(tài)聲屏障是一種較為新型的事物，在實(shí)際工程實(shí)施中還可能存在一些問(wèn)題.例如雨水澆灌系統(tǒng)的控制與維護(hù)、植物生長(zhǎng)適應(yīng)性等問(wèn)題都需要解決.

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