高速公路聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)的模擬計(jì)算研究＊

翟云波，王志瑞，馬迎春，葉 穎

（1.湖南大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙 410015）

隨著高速公路的快速發(fā)展，交通噪聲影響了人們的生活質(zhì)量，已經(jīng)成為高速公路沿線居民關(guān)注的焦點(diǎn)[1].作為一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法，聲屏障成為控制高速公路交通噪聲的主要措施.長度、高度和位置是聲屏障重要的設(shè)置參數(shù)，決定了聲屏障的降噪效果和建造成本，然而，當(dāng)前的聲屏障設(shè)置參數(shù)并不合理，造成了聲屏障工程在中國難以廣泛使用.目前國內(nèi)對聲屏障的研究主要集中在吸聲材料和聲屏障頂端結(jié)構(gòu)[2]，對聲屏障設(shè)置參數(shù)和工程經(jīng)濟(jì)性考慮較少[3].利用噪聲模擬軟件Cadna／A可以對聲屏障的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該軟件預(yù)測精度可靠，已經(jīng)得到了專家學(xué)者的認(rèn)可，徐志勝[4]研究了Cadna／A軟件在高速鐵路聲環(huán)境影響評價(jià)中的應(yīng)用，夏平[5]等研究了用Cadna／A軟件預(yù)測橋梁交通噪聲及應(yīng)用分析，李曉東[6]等研究了Cadna／A軟件應(yīng)用于聲屏障插入損失的計(jì)算.利用模型對聲屏障的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究多集中在聲屏障的結(jié)構(gòu)，例如Min－Chie Chiu[7]利用退火法模型對聲屏障的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究，然而鮮有噪聲模擬軟件Cadna／A在擬建高速公路聲屏障設(shè)置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.

本研究以某擬建高速公路為例，建立交通噪聲預(yù)測模型，提出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對聲屏障的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，該方法實(shí)現(xiàn)了降噪效果和經(jīng)濟(jì)性能的雙重目的.

1 軟件計(jì)算模式

公路交通平均噪聲級Lm，E按（1）計(jì)算：

式中L（25）m為根據(jù)車流量、車型比例求出的單車道水平距離25m處的平均噪聲級，可由公式（2）求出；Dv為對不同最高限速的修正；Dstro為對不同道路表面的修正；Dstg為對道路坡度的修正.

平均聲級（Mean Level）L（25）m的條件為：水平距離25m，光滑瀝清道路表面限速100km／h，坡度＜5%，距道路表面平均2.25m的高度聲波自由傳播：

式中M為單車道每小時(shí)平均車流量.當(dāng)進(jìn)行多車道公路計(jì)算時(shí)最外部兩條車道的車流量為1／2M；P為卡車所占百分率（載重量＞2.8噸）.

2 模擬場景構(gòu)建及模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 模擬場景構(gòu)建

模擬場景為某高速公路，該高速公路為雙向六車道，路面寬度為36m，采用瀝青混凝土路面，車流量為25 000輛／d，其中小型車40%，中型車29%，大型車31%，設(shè)計(jì)時(shí)速為100km／h.噪聲敏感區(qū)為高速公路沿線居民區(qū)，環(huán)境背景噪聲低，周圍沒有大的聲源，因此交通噪聲是主要的噪聲源.敏感區(qū)位于高速公路兩側(cè)，道路右側(cè)敏感區(qū)長370m，左側(cè)長330m，因此設(shè)置的聲屏障必須考慮其吸聲系數(shù).經(jīng)過試驗(yàn)研究，該聲屏障吸聲性能良好，吸聲系數(shù)為0.82.敏感區(qū)所在城鎮(zhèn)位于4a類區(qū)，要求晝間LAeq≤70dB（A），夜間LAeq≤55dB（A）[8]，建筑物周圍聲場分布如圖1所示.在該圖中，不同顏色所代表的噪聲值不同（下同），交通噪聲晝夜間水平和垂直聲場分別如圖2和3所示.選取靠近高速公路的第一排建筑物進(jìn)行聲屏障的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，其中道路距第一排建筑物P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9，P10，P11的距離依次為27.0m，35.0m，50.5m，25.0m，26.0m，29.0m，25.0m，16.0m，17.5m，15.3m，20.0m，第一排建筑物高度依次為5.0m，6.0m，4.0m，7.0m，3.0m，3.5m，6.0m，5.0m，5.0m，4.0m，6.0m，第一排建筑物所設(shè)敏感點(diǎn)的高度依次為3.5m，4.0m，3.0m，4.0m，2.0m，2.5m，4.0m，3.5m，3.5m，3.0m，4.0m，所選敏感點(diǎn)都是在窗戶前0.5m處.

圖1 建筑物周圍聲場分布圖Fig.1 Sound field distribution of buildings

圖2 水平聲場分布圖Fig.2 Sound field distribution of ground surface

從圖2和3中可以看出，不同顏色代表的噪聲值的大小不同，交通噪聲對周邊居民產(chǎn)生了巨大的影響.在水平方向上，隨著距離的增加，噪聲值隨之減小，位于建筑物后面的噪聲值小于位于其他地方的噪聲值；在垂直方向上，噪聲值隨著高度的增加而減少.

圖3 垂直聲場分布圖Fig.3 Sound field distribution of height

2.2 模型優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.2.1 模型設(shè)計(jì)

聲屏障的設(shè)計(jì)參數(shù)包括聲屏障到路基的距離、聲屏障的長度和高度.作為一種常用的設(shè)計(jì)原則，聲屏障應(yīng)該最大程度接近噪聲源，越近其降噪效果越好，但是為了保障行車安全，聲屏障到路基的距離在1.5～2.0m之間，所以在本研究中取1.5m.長度在聲屏障降噪效果和造價(jià)上起了重要作用，如果聲屏障長度過短，則由于聲波的直射和衍射作用導(dǎo)致聲屏障的實(shí)際降噪效果會(huì)比理論降噪效果差.為了降低交通噪聲的影響，聲屏障的建造長度應(yīng)大于敏感區(qū)的長度.聲屏障高度對降噪效果有重要影響，是聲屏障設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，決定了降噪效果.因此在本研究中選取聲屏障的長度和高度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)對象，在聲屏障厚度一定的條件下以間接反應(yīng)成本的建造面積為目標(biāo)函數(shù)按（3）計(jì)算，聲屏障的降噪效果為主要的限制條件.

式中L右為道路右側(cè)聲屏障的長度，H右為右側(cè)聲屏障高度；L左為道路左側(cè)聲屏障長度，H左為左側(cè)聲屏障高度.目標(biāo)函數(shù)F為相同聲屏障厚度下面向高速公路一側(cè)的建造面積.

2.2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算

噪聲模擬軟件Cadna／A具有較強(qiáng)的計(jì)算模擬功能，可以同時(shí)模擬各類聲源的復(fù)合影響，通過輸入高速公路和聲屏障參數(shù)，可利用噪聲模擬軟件Cadna／A對聲屏障不同長度和高度的組合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.在圖2中可以看出，晝夜間只有第一排某些敏感點(diǎn)噪聲值超標(biāo)，并且由于建筑物的遮蔽作用和距離的衰減會(huì)使得位于第一排建筑物之后的敏感點(diǎn)噪聲值達(dá)標(biāo)，因此選取高速公路第一排建筑物為優(yōu)化設(shè)計(jì)對象.為了得到未設(shè)置聲屏障時(shí)的噪聲污染狀況，經(jīng)模擬，第一排建筑物的A計(jì)權(quán)聲壓級如表1所示.

表1 敏感點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級Tab.1 A－weighted sound pressure level of noise－sensitive points

從表1可以看出，晝間和夜間某些敏感點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級超過了標(biāo)準(zhǔn)值，在這些點(diǎn)中，晝間最大A計(jì)權(quán)聲壓級是72.3dB（A），超出標(biāo)準(zhǔn)值2.3dB（A），夜間最大A計(jì)權(quán)聲壓級是64.9dB（A），超出標(biāo)準(zhǔn)值9.9dB（A），該值即為聲屏障降噪的最小值.為了保證居民免受噪聲的污染，必須設(shè)置聲屏障，且該聲屏障的最小降噪量為9.9dB（A）.為得到最佳長度和高速組合，本研究對6組不同長度和高度的組合進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.

組合1，聲屏障剛好覆蓋敏感區(qū)，因此道路右側(cè)聲屏障長為370m，左側(cè)聲屏障長為330m.由于未設(shè)置聲屏障的路段直射及聲屏障兩端衍射作用，不管設(shè)置多高的聲屏障均不能使位于敏感區(qū)最外兩端的敏感點(diǎn)達(dá)標(biāo).

組合2，為減弱聲屏障兩端的衍射和未設(shè)置聲屏障路段的直射作用，因此需要在聲屏障兩端各增加10m，此時(shí)道路右側(cè)聲屏障長為390m，左側(cè)聲屏障長為350m.經(jīng)模擬，當(dāng)?shù)缆酚覀?cè)聲屏障設(shè)置高度為6.5m，道路左側(cè)型聲屏障設(shè)置高度為9.0m時(shí)，敏感區(qū)所有敏感點(diǎn)均達(dá)標(biāo)，夜間最高噪聲值為55dB（A），面向公路一側(cè)的聲屏障面積F＝390m×6.5m＋350m×9m＝5 685m2.

盡管組合2可以使敏感區(qū)所有敏感點(diǎn)達(dá)標(biāo)，但是聲屏障的高度設(shè)置過高，對駕駛者、周圍居民產(chǎn)生視覺和心理壓抑，并且居民采光比較困難.為此，本課題對組合3進(jìn)行模擬研究.當(dāng)聲屏障兩端再增加10m時(shí)，此時(shí)道路右側(cè)聲屏障長為410m，左側(cè)聲屏障長為370m.經(jīng)模擬，當(dāng)?shù)缆酚覀?cè)聲屏障設(shè)置高度為4.2m，道路左側(cè)聲屏障設(shè)置高度為5.1m時(shí)，敏感區(qū)所有敏感點(diǎn)達(dá)標(biāo)，夜間最大噪聲值為55dB（A），面向公路一側(cè)的聲屏障面積F＝410m×4.2m＋370m×5.1m＝3 609m2.較組合2，組合3的聲屏障高度有了較大的降低，一定程度上緩解了周圍居民產(chǎn)生視覺和心理壓抑，而且降低了建造成本.

采用同樣的方法，對組合4進(jìn)行模擬研究，右側(cè)聲屏障長430m，左側(cè)聲屏障390m時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)右側(cè)聲屏障高3.7m，左側(cè)聲屏障高為4.5m時(shí)，敏感區(qū)所有敏感點(diǎn)達(dá)標(biāo)，夜間最大噪聲值為55dB（A），面向公路一側(cè)的聲屏障面積F＝430m×3.7m＋390 m×4.5m＝3 346m2.較組合3，雖然組合4聲屏障兩端的長度各增加10m，但聲屏障的高度降低了0.5m，說明隨著聲屏障長度的增加，聲波的直射作用在減弱.因此在組合5中聲屏障兩端各增加5m，即右側(cè)聲屏障長440m，左側(cè)聲屏障長400m，當(dāng)右側(cè)聲屏障高3.6m，左側(cè)聲屏障高4.4m時(shí)，敏感區(qū)所有敏感點(diǎn)達(dá)標(biāo)，夜間最大噪聲值為55dB（A），面向公路一側(cè)的聲屏障面積F＝440m×3.6m＋400 m×4.4m＝3 344m2，發(fā)現(xiàn)組合5的建造面積僅比組合4少了2m2.在組合6中，在聲屏障兩端繼續(xù)增加5m，即右側(cè)聲屏障長450m，左側(cè)聲屏障長410m，經(jīng)模擬，右側(cè)仍需要設(shè)置高為3.6m的聲屏障，左側(cè)聲屏障高度為4.4m，這說明聲屏障兩端的直射作用可以忽略不計(jì)，此時(shí)已經(jīng)增加了10m的建造成本，如果繼續(xù)增加聲屏障長度，聲屏障的高度仍不會(huì)改變.不同組合建造面積的比較如表2所示，不同組合時(shí)的建造面積折線圖如圖4所示（由于組合1建造面積無窮大，因此折線圖從組合2開始畫起）.

表2 不同組合的比較Tab.2 Comparison of different groups

圖4 不同組合時(shí)的建造面積比較Fig.4 Comparison of different groups

從圖4中可以看出組合2到組合3時(shí)，建造面積有了較大的減少，隨著組合的增加，建造面積在緩慢減少，組合5時(shí)建造面積最小，隨著組合的增加建造面積增加，因此可以認(rèn)為組合5的建造面積最小，即建造成本最小.

3 結(jié)果分析

聲屏障的降噪效果主要取決于聲源發(fā)出的聲波沿反射、透射、衍射三條路徑聲能分配，聲源輻射的聲波在聲屏障后形成“聲影區(qū)”.“聲影區(qū)”的大小和聲屏障的有效高度及長度有關(guān)，位于“聲影區(qū)”內(nèi)的噪聲級低于未設(shè)置聲屏障時(shí)的噪聲級.一般聲屏障“聲影區(qū)”內(nèi)降噪效果在5～12dB（A）之間，噪聲有了明顯衰減.通過以上晝夜間聲場分布圖，可以得知不同顏色代表的噪聲級不同，顏色越深噪聲級越大，隨著距道路距離的增大，噪聲級減小，位于建筑物后面的噪聲值小于位于其他地方的噪聲值.組合1，由于聲屏障設(shè)置長度和敏感區(qū)的長度相等，未設(shè)置聲屏障的路段距最外的4個(gè)敏感點(diǎn)的距離較近，此時(shí)聲波的直射作用大于衍射及透射作用之和，直射作用起主導(dǎo)作用，使得某些敏感點(diǎn)位于“聲影區(qū)”之外，因此無論聲屏障設(shè)置多高，最外兩個(gè)敏感點(diǎn)均不能達(dá)標(biāo).為了減弱聲波的直射作用，使最外兩個(gè)敏感點(diǎn)位于“聲影區(qū)”之內(nèi)，需要增加聲屏障的長度.通過比較組合2和3的目標(biāo)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著聲屏障兩端各增加10m，右側(cè)聲屏障高度降低了2.3m，左側(cè)聲屏障降低了3.9m，建造面積降低了2 076m2.這說明聲屏障兩端各增加10m的長度，聲波的直射作用有了較大的削減，逐漸會(huì)被聲波的衍射及透射作用所取代.比較組合3和4，隨著聲屏障的長度的增加，建造面積降低了263m2.比較組合4和5，發(fā)現(xiàn)建造面積降低了2m2，這兩組數(shù)值相差很小.比較組合5和6的目標(biāo)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著聲屏障長度的增加，聲屏障的設(shè)置高度將不變化.這說明在組合5中聲波對敏感點(diǎn)的直射作用忽略不計(jì)，全部敏感點(diǎn)均處在“聲影區(qū)”，只考慮聲波的衍射及透射作用，此時(shí)得到的聲屏障建造面積最小.所以聲屏障不同長度和高度的組合會(huì)對降噪效果和經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化產(chǎn)生較大影響.

4 結(jié) 論

1）本課題選取一種聲屏障作為優(yōu)化研究對象，經(jīng)噪聲模擬軟件Cadna／A模擬實(shí)際的場景，該型聲屏障取右側(cè)聲屏障長440m高3.6m，左側(cè)聲屏障長400m高4.4m組合時(shí)，可以有效降低高速公路交通噪聲對其沿線區(qū)域的聲環(huán)境質(zhì)量的影響，且可實(shí)現(xiàn)工程造價(jià)最小化.

2）在需要設(shè)置聲屏障的路段，聲屏障的設(shè)置長度必須大于敏感區(qū)的長度，否則未設(shè)置聲屏障路段噪聲直射和衍射作用會(huì)使聲屏障的實(shí)際降噪效果比理論降噪效果低，因此在需要設(shè)置聲屏障的路段應(yīng)因地制宜，綜合利用地形優(yōu)勢.

3）通過以上分析得知，噪聲模擬軟件Cadna／A在擬建高速公路降噪措施中具有很好的應(yīng)用價(jià)值，通過對聲屏障進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以為我國高速公路聲屏障實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化提供理論指導(dǎo).

[1] 姚陽，屠書榮.高速公路沿線植物聲屏障設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（17）：10544－10546.YAO Yang，TU Shu－rong.Study on design and application of plant acoustic barrier along highway[J].Journal of Anhui Agir Sci，2011，39（17）：10544－10546.（In Chinese）

[2] 呂春麗，范磊，王明賢.廢硅橡膠二次裂解渣制多孔吸聲材料的研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7（7）：57－60.LV Chun－li，F(xiàn)AN Lei，WANG Ming－xian.Research on porous sound－absorbing materials by the secondary cracking fraction of cracked residue of waste silicone rubbers[J].Journal of Safety Science and Technology，2011，7（7）：57－60.（In Chinese）

[3] 趙春來，馬心坦，郭志軍.公路聲屏障的參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（4）：23－27.ZHAO Chun－lai，MA Xin－tan，GUO Zhi－jun.Analysis and design optimization noise barrier of parameter along expressway[J].Journal of Henan University of Science and Technology：Natural Science，2010，31（4）：23－27.（In Chinese）

[4] 徐志勝.Cadna／A軟件在高速鐵路聲環(huán)境影響評價(jià)中的應(yīng)用[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，1（6）：517－525.XU Zhi－sheng.Study on adaptability of cadna／A in high－speed railway noise environmental impact assessment[J].Journal of Environmental Engineering Technology，2011，1（6）：517－525.（In Chinese）

[5] 夏平，徐碧華，宣燕.用Cadna／A軟件預(yù)測橋梁交噪聲及應(yīng)用分析[J].應(yīng)用聲學(xué)，2007，26（4）：208－212.XIA Ping，XU Bi－h(huán)ua，XUAN Yan.Prediction and applicabily analysis of bridge traffic noise by using cadna／A[J].Applied Acoustics，2007，26（4）：208－212.（In Chinese）

[6] 李曉東，龔輝.Cadna／A軟件應(yīng)用于聲屏障插入損失的計(jì)算[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2008，31（1）：48－51.LI Xiao－dong，GONG Hui.Application of cadna／A software in insertion loss calculation of noise barrier[J].Journal of SSSRI，2008，31（1）：48－51.（In Chinese）

[7] MIN－CHIE CHIU.Optimization of equipment allocation and sound－barriers shape in a multi－noise plant by using simulated annealing[J].Noise ＆Vibration Worldwide，2009，40（7）：23－35.

[8] 環(huán)境保護(hù)部.GB 3096－2008聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2008.Ministry of Environmental Protection.GB 3096－2008Environmental quality standard for noise[S].Beijing：China Environmental Science Press，2008.（In Chinese）