國內外高速公路聲屏障研究進展

何曉云　王立璇　陳亞鵬　李琰　程艷坤

摘 要：匯總了當下國內外常用的聲屏障發(fā)展情況，結合聲屏障降噪原理，從材料和結構形式入手，介紹了多種常用聲屏障的優(yōu)缺點，以期為相關研究提供參考。

關鍵詞：聲屏障；材料；結構形式；降噪原理

中圖分類號：U491.9+1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.063

聲屏障是降低公路噪聲的一種主要設施。從20世紀60年代開始，國外已經研究了聲屏障降噪的實際效果、聲屏障的結構形式和材料選擇?，F(xiàn)階段，雖然我國道路聲屏障處于快速發(fā)展階段，但是，對聲屏障的研究和應用都比較晚。本文從材料選擇和結構形式入手，介紹了國內外聲屏障的最新發(fā)展。

1 聲屏障原理

聲波在空氣中傳播時遇到聲屏障，會產生反射、透射和繞射3種不同的情況。反射是指一部分聲波在聲屏障壁面發(fā)生反射，如圖1所示；透射是指一部分聲波穿透聲屏障到達受聲點；繞射是指一部分聲波越過聲屏障頂端到達受聲點。聲源發(fā)出的聲波沿著上述3條道路傳播的聲能分配決定了聲屏障的插入損失。當聲波與聲屏障的壁面相遇時，繞射沿聲屏障邊緣產生，并在屏障后面形成聲影區(qū)，如圖2所示，聲影區(qū)的范圍就是聲屏障的降噪效果范圍。如果位于聲影區(qū)內的噪聲級小于未設置聲屏障時的噪聲級，就達到了降噪的效果。這也就是聲屏障的基本原理。

圖1 聲波傳播路徑

圖2 聲波繞射路徑

2 聲屏障材料研究

如果從聲屏障材料的角度研究分析，聲屏障一般分為混凝土、有機玻璃、泡沫金屬和光伏等種類。

2.1 混凝土聲屏障

混凝土聲屏障是國內外交通聲屏障中最常用的一種。該聲屏障主要的優(yōu)點是成本低、人工等維護費用低，并且堅固、牢靠，同時，兼顧色彩度、形狀和文理裝飾等方面的自由度。王武祥等人詳細研究了吸聲隔聲砌塊、超輕陶粒砌塊和單元式吸聲砌塊在隔聲聲屏障中的應用。范錦忠分別比較了陶?；炷?/p>

砌塊、玻璃穿孔板、玻璃鋼穿孔聚笨夾層板，并發(fā)現(xiàn)用于道路聲屏障的陶?；炷疗鰤K吸聲功能最好。陸季平在研究德國、法國、瑞士等國外的混凝土聲屏障時發(fā)現(xiàn)，混凝土多采用多孔、微孔、添加顆粒等結構。這幾種結構使混凝土吸聲屏障具有良好的吸聲性能，并且外形美觀、耐候性好，在歐美作為交通聲屏障被廣泛使用。

2.2 有機玻璃聲屏障

有機玻璃聲屏障一般為透明隔聲屏障，透明聲屏障在很大程度上可以減少駕駛員的空間壓抑感。與混凝土聲屏障相比，其景觀效果也改善了很多。上海申華聲學裝備有限公司與同濟大學合作研制的吸聲屏體主要由2層間距為120 mm的PC板組成，現(xiàn)已被應用于上海內環(huán)線高架道路和延安路高架橋上，其平均隔聲量為23.5 dB。徐碧華等人在研究上海外環(huán)線同濟路段采用雙層玻璃的聲屏障時發(fā)現(xiàn)，該聲屏障平均隔音量為30 dB以上，使用后可降低噪聲5～10 dB，并且造型美觀、安全耐用。國外采用聚甲基丙烯酸酯材料做聲屏障，其隔聲量達到32～34 dB，能夠滿足聲屏障隔聲的要求，同時，還具有較好的景觀效果。但是，因為用聚甲基丙烯酸酯、鋼化玻璃等材料制成的透明聲屏障造價比較高，所以，僅可用于某些對透明度有特別要求的特殊地段，并不宜普遍推廣使用。

2.3 泡沫金屬聲屏障

泡沫金屬聲屏障使用的材料質量輕、透明、易安裝、隔聲性能好，能夠滿足可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境要求，所以，近年來被廣泛使用。梁李斯等人研究沈陽高速公路聲屏障時發(fā)現(xiàn)，閉孔泡沫鋁聲屏障與普通百葉聲屏障相比，降噪效果明顯；同濟大學聲學研究所龔農斌采用在泡沫鋁板背面復合薄膜形成復合板吸聲結構，可以大幅提升其低頻吸聲性能。由此可知，泡沫鋁板是一種綜合性能優(yōu)異的吸聲材料。在采用薄膜復合的吸聲結構形成各種噪聲控制器件后，其聲學性能并不亞于常規(guī)的纖維性和多孔性阻性吸聲材料。

2.4 光伏聲屏障

隨著太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣，光伏發(fā)電應用領域也在不斷擴大。在高速道路兩邊安裝光伏組件，一方面，能夠達到降低噪聲、發(fā)電的目的；另一方面，能進一步降低光伏系統(tǒng)的發(fā)電成本。由此可知，光伏聲屏障的研究和應用有巨大的發(fā)展前景和市場潛力。20世紀80年代末，歐美等國開始研究和建造光伏聲屏障系統(tǒng)，并致力于在多條高速公路上實踐應用。1989年，瑞士沿A13高速公路安裝了第一套太陽光伏聲屏障系統(tǒng)；1998-12，荷蘭在高速公路旁運行太陽電池組件組成的光伏聲屏障系統(tǒng)，取得了很好的效果。尹忠莉等人在研究光伏聲屏障時指出，如果按路面寬24 m、總長50 000 km的高速公路計算，可利用的總面積達1 200 km2（S=0.024×50 000=1 200 km2）。如果將光伏模塊安裝在陽光充足的地區(qū)，每平方米最高效的光伏模塊每年將發(fā)電1 000 kW·h。按平均每平方米發(fā)電量為200 kW·h、可利用面積為1 000 km2計算，則全年發(fā)電量為2×1011 kW·h，相當于3個三峽水電站的發(fā)電量。

3 聲屏障結構形式

除了聲屏障的材料構成，聲屏障的結構形式也對降噪效果有很大的影響。目前，在用的結構形式有直立形、Y形、倒L形、T形、箭形、折板形或圓弧頂端形。此外，還有較為復雜的鹿角型，如圖3所示。

3.1 直立式聲屏障

在眾多結構聲屏障中，形式最簡單的就是直立式聲屏障，它結構簡單、降噪效果比較弱。劉延等人通過對聲屏障的仿真研究發(fā)現(xiàn)，直立形聲屏障比T形、Y形聲屏障降噪效果弱5～7 dB。

3.2 T形聲屏障

1980年，May和Osman等人首先得出“T形屏障比普通屏障具有更好的聲學性能”的結論；而Hothersall等人采用數值計算和縮尺模擬試驗方法研究得出，相對于高度相同的普通屏障，T形屏障插入損失增大2～3 dB。

3.3 圓弧頂端形聲屏障

毛東興等人對帶有頂部吸聲柱體的微穿孔聲屏障做了模型試驗，并將這種聲屏障應用于城市高架道路上?，F(xiàn)場測量結果表明，這種聲屏障可以達到7 dB（A）的降噪效果。宋國平等人現(xiàn)場監(jiān)測輕質材料弧形聲屏障，噪聲聲級減少了5～12 dB（A）。

3.4 Y形及鹿角形聲屏障

Y形結構降噪效果比較好，與直立式結構相比，在采用剛性材料和吸聲材料時，分別可增加插入損失2.9 dB和3.4 dB；鹿角形結構是通過對Y形結構的優(yōu)化發(fā)展而來的，設計者在Y形結構的上部內側添加2個分支來完成。這種結構能夠再次屏蔽噪聲，并且降噪效果優(yōu)于Y形。

目前，廣泛使用鹿角形結構的國家是日本，其降噪效果顯著。但是，陳繼浩等人在聲屏障結構研究中指出，Y形和鹿角形結構的表面不覆蓋吸聲材料時，其附加插入損失有較大的優(yōu)勢。如果在表面覆蓋吸聲材料后，Y形和鹿角形聲屏障與其他形狀的頂部結構相比，降噪效果就沒有什么優(yōu)勢了。與T形結構相比，鹿角形頂端結構要復雜一些。目前，在這方面我國還處于起步階段。

4 結束語

隨著我國公路事業(yè)的迅猛發(fā)展，公路交通噪聲污染也成為了環(huán)境治理的重點，而現(xiàn)有的聲屏障擁有量已經非常大了。雖然聲屏障的材料和結構形式多種多樣，但它們只是在外觀上作了改變，功能上、原理上并無本質區(qū)別。因此，如何有效利用城市干道旁邊的建筑物外圍護結構，使其在兼具風景墻功能的同時也能在吸聲、吸塵方面發(fā)揮功效，將是今后聲屏障發(fā)展的重要方向。

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〔編輯：白潔〕