聲屏障的發(fā)展歷程及其發(fā)展趨勢

相增輝，王雙閃，蘭桂柳，左百川，左洪運

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聲屏障的發(fā)展歷程及其發(fā)展趨勢

相增輝，王雙閃，蘭桂柳，左百川，左洪運

(江蘇佰家麗新材料科技有限公司，江蘇蘇州 215000)

伴隨著交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，交通噪聲已經(jīng)引起大家的關注，有效處理交通噪聲的辦法之一就是使用聲屏障。對于聲屏障的研究國外起步較早，國內(nèi)相對較為落后。總結了國內(nèi)外聲屏障的發(fā)展歷程，簡述了聲屏障的工作原理和聲屏障的類型，并指出今后聲屏障發(fā)展的趨勢和方向，為今后聲屏障的發(fā)展提供參考意見。

聲屏障；內(nèi)部結構；外部形態(tài)；吸聲處理

0 引言

近20年來，隨著工業(yè)和交通運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)噪聲、交通噪聲現(xiàn)已成為一個世界性的問題，它與水污染、大氣污染、固體廢棄物污染并稱為當今四大環(huán)境污染[1]。據(jù)全國的環(huán)境監(jiān)測報告顯示：約有17%的城市道路交通噪聲屬于中度污染、49%的城市內(nèi)交通噪聲屬于輕度污染。同時據(jù)世界衛(wèi)生組織報告，美國每年由于噪聲的影響帶來的損失接近40億美元[2]。

中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進程的不斷加快，城市與城市之間、城市內(nèi)部建立起了快捷的交通路線網(wǎng)。這些高速公路、城市道路等難免會穿越人口密集的居住區(qū)，就此產(chǎn)生的交通噪聲給道路附近居民的生活、工作和學習帶來了一定程度的干擾。倫敦在一次噪聲調(diào)查報告中表明：36%的倫敦人受到不同程度交通噪聲干擾，其中受飛機、鐵路、工業(yè)和建筑施工噪聲干擾的分別為9%、5%和7%，而在家聽到交通噪聲的人高達91%。德國有70%的人受到道路交通噪聲的干擾，日本38%的人生活在62 dB以上的交通噪聲中[3]。據(jù)研究表明：交通干線周圍的夜間交通噪聲達到65 dB時，對居民的睡眠有輕微影響；當交通噪聲達到69 dB時，周圍所有處于輕睡狀態(tài)的居民都會被驚醒；當交通噪聲達到74 dB時，除了處于酣睡狀態(tài)的人，其他居民均會被噪聲驚醒[3]。可見交通噪聲對沿線居民的影響非常大，并且危害人們的身心健康。

根據(jù)《公路環(huán)境保護設計規(guī)范》(JTG B04- 2010)，公路沿線聲環(huán)境敏感點的保護措施應根據(jù)敏感點的性質(zhì)、位置、規(guī)模、當?shù)貤l件及工程特點進行確定具體的施工方案。施工后需要滿足《聲環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3096-2008)的二類標準，即晝間小于60 dB，夜間小于50 dB。

據(jù)統(tǒng)計，日本城市中高速公路聲屏障設置率高達80%；香港公路修建了占總里程5%的聲屏障。其中搭建聲屏障是最直接有效地改善公路、鐵路沿線聲環(huán)境的辦法。國外發(fā)達國家用實際案例證明了搭建聲屏障的有益效果[4]。

1 聲屏障的工作原理及其組成

在噪聲源與受聲點之間插入一個具有足夠面密度的密實材料障礙物，使聲波在傳播過程中受到障礙物影響而引起明顯的衰減，這個障礙物就稱為聲屏障。

1.1 聲屏障的工作原理

當聲波遇到聲屏障時將沿著三條路徑傳播：一部分越過聲屏障頂端繞射到達受聲點；一部分穿透聲屏障到達受聲點；一部分在聲屏障壁面上產(chǎn)生反射。聲波通過聲屏障后聲能衰減的大小通常用插入損失來衡量，而插入損失主要取決于聲源發(fā)出的聲波沿這三條路徑傳播的聲能分配情況。

在聲源和接收點之間插入一個隔聲屏障，設屏障無限長，聲波只能從屏障上方繞射過去，從而形成一個聲影區(qū)。在這個聲影區(qū)內(nèi)，人們可以感到噪聲明顯減弱了，這就是聲屏障降噪。這個“聲影區(qū)”的大小與聲音的頻率有關，頻率越高，聲影區(qū)的范圍越大[5]。如圖1所示。

聲屏障是用來遮擋聲源和接收點之間直達聲的措施。降噪效果主要取決于噪聲的頻率成分和傳播行程差，而傳播行程差與聲屏障的高度、聲源和接收點相對于聲屏障的位置有關系，同時聲屏障降噪效果也和聲屏障的形狀、構造和吸聲性能有關系[6]。

1.2 聲屏障的構造

聲屏障主要是由鋼結構立柱和吸、隔聲屏障板兩部分組成，立柱式聲屏障的主要受力構件通過高強彈簧卡子將其固定在H型立柱槽內(nèi)，形成隔聲屏障。

聲屏障的組成包括4部分，如圖2、3所示。分別是聲屏障路基、聲屏障板、透明屏體、頂部吸聲構造(圖2中為半圓吸聲圓柱)。其中半圓吸聲圓柱隨聲屏障的不同類型而變化。屏體是由聲屏障板、吸聲材料、支撐件和隔聲材料組合而成。其中聲屏障板通常是由鋁穿孔板制作而成，為了保證其具有一定的強度，其穿孔率通常小于20%。吸聲材料通常選用多孔吸聲材料，支撐件通常選用輕鋼龍骨，隔聲板通常選用鍍鋅鋼板。對于透明屏體通常是由兩部分組成，包括鋁合金邊框和加膜玻璃組合而成。

目前，國內(nèi)用于交通吸聲降噪的聲屏障主要包括金屬聲屏障、混凝土聲屏障、PC聲屏障、玻璃鋼聲屏障、無機纖維類聲屏障及多孔陶瓷聲屏障等。其中聲屏障中吸聲材料的使用及其性能的優(yōu)劣極大地影響著聲屏障的吸聲降噪能力。

2 聲屏障的分類

聲屏障按使用場合一般分為三類，分別是交通隔聲屏障、設備噪聲衰減隔聲屏障和工業(yè)廠房隔聲屏障；聲屏障按材質(zhì)分類又可分為：金屬聲屏障(如：金屬百葉、金屬篩網(wǎng)孔)、混凝土聲屏障(如：輕質(zhì)混凝土、高強混凝土)、PC聲屏障、玻璃鋼聲屏障等；按用途不同又可分為鐵路聲屏障、公路聲屏障、城市景觀聲屏障、居民區(qū)降噪聲屏障等[7]。

按類型不同可分為封閉式聲屏障和開放式聲屏障。其中封閉式聲屏障又可分為全封閉式聲屏障和半封閉式聲屏障。半封閉式聲屏障一般上面敞開，可以改善聲屏障內(nèi)部通風、采光等，并降低聲屏障的造價成本。全封閉式聲屏障上部也是封閉的，與道路結合形成一個貫通的隧道，其降噪能力遠遠大于開放式聲屏障。封閉式聲屏障比較適用于人口密集、離噪聲敏感點較近的區(qū)域，在高架上應用取得令人滿意的效果，其插入損失比開放式要增加2~5 dB，但造價要高得多。開放式聲屏障其造價成本相比封閉式聲屏障的成本要低，但適用范圍較為局限。開放式聲屏障主要通過對聲波進行反射和吸收的方式進行降噪，其主要適用于噪聲源較為集中、其噪聲頻率較高的情況[8]。

聲屏障按功能分為吸聲型聲屏障、隔聲型聲屏障和吸聲與隔聲混合型聲屏障。吸聲型聲屏障采用多孔吸聲材料或吸聲結構作面層，在降低路網(wǎng)兩側噪聲量的同時，可顯著改善路網(wǎng)上的聲環(huán)境。在道路兩旁同時設立吸聲型聲屏障其降噪效果顯而易見。隔聲型聲屏障的結構設計主要考慮了安全、耐久、易施工、自重輕以及周圍景觀協(xié)調(diào)等幾個方面。其主要由立柱焊接H型鋼、隔聲屏障單元板塊、連接件等組成。隔聲型聲屏障能有效隔絕噪聲污染，但其成本較高，且對安裝工藝要求較為嚴格，因此對噪聲控制有嚴格要求的工程可應用隔聲型聲屏障。吸聲和隔聲混合型聲屏障綜合了吸聲型聲屏障和隔聲型聲屏障的優(yōu)點，其不僅能起到降低交通噪聲的作用，還能開闊駕駛員的視野，減少對司機的壓迫感，同時能減少旅途勞累，就此減少交通事故的發(fā)生[9]。

聲屏障的設計要充分考慮高架道路、城市輕軌、鐵路的風載、交通車輛的撞擊安全和全天候的露天防腐等問題。同時也要求其外形美觀大方、制作精致，運輸、安裝方便，且造價要低，使用壽命長。所以要根據(jù)道路噪聲和周圍環(huán)境的實際情況，選擇合適類型的聲屏障[10]。

3 聲屏障的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

聲屏障的研究在國外起步較早，美、日、法等國在上世紀60年代就已經(jīng)開展了聲屏障理論方面的研究，并實施了很多工程。在聲屏障材料方面，美國20世紀70年代修建聲屏障的材料50%以上是混凝土砌塊或板材，直到80年代開始大量采用吸聲類聲屏障[11]。因為資金問題，我國很長時間未能采用專用的降噪聲屏障，直到1992年貴州省貴黃高速公路上安裝了百米實驗性聲屏障。這就是我國將聲屏障應用于道路上的首個案例。隨后國內(nèi)外各大城市紛紛修建聲屏障來控制城市交通噪聲污染。至20世紀末，僅上海市的內(nèi)環(huán)線、成都路高架及楊浦大橋接線部分就有13個區(qū)段約5.5 km修建了聲屏障。其他城市相繼采用修建聲屏障的方法來處理交通噪聲[12]。

3.1 聲屏障的發(fā)展歷程

早在1976年，Rawlins A. D[13]首次提出，附在剛性障板邊緣上的“聲學軟表面”能阻礙聲屏障頂部繞射聲的傳播。隨后May D. N于1980年提出將吸聲材料添加于聲屏障的表面，能擴大聲屏障的作用，提高聲屏障聲影區(qū)的范圍[14]。后來Alfredson R. j、Fujiwara. k相繼于1995年和1998年研發(fā)出“軟表面”結構聲屏障，這些聲屏障的一個共同特征是：在原聲屏障邊緣上邊附著一層或一個帶管狀“聲學軟表面”的結構[15]。在1999年，Watts, G. R驗證了聲屏障表面添加吸聲材料可以降低反射聲和混響聲，達到了擴大聲屏障的聲影區(qū)，改善道路周邊的聲環(huán)境[16]。

1980年May和Osman等人首次提出了T形聲屏障[17]。并且Hothersall等人于1991在此理論基礎上用計算機和縮尺模擬實驗驗證了T形聲屏障的插入損失量比普通聲屏障的插入損失量要大2~3 dB[18]。1991年Fujiwara和Furuta分別從理論、縮尺驗證了頂部有吸音體的T形聲屏障可有效降低聲屏障頂部聲壓，從而減小聲屏障背后衍射區(qū)2~3 dB聲壓值[19]。

Crombie[20]和Shima[21]等人先后于1995年和1996年運用邊界元和縮尺模型預測并驗證了Y形聲屏障能增加其插入損失，同時指出在垂直型聲屏障頂部附加板，形成“叉形”結構，不僅能提高聲屏障的降噪效果，而且能降低聲屏障的高度，從而節(jié)約費用。

Ise[22]和Omoto[23]等人分別于1991年和1993年先后驗證了有源聲屏障對降低聲影區(qū)的聲壓級(主要是低頻噪聲)有較大的附加衰減。同時指出聲源間隔必須小于聲波波長的一半，且次級聲源應盡可能地靠近初級聲源，就能取得較好的降噪效果。

3.2 國內(nèi)外聲屏障的發(fā)展現(xiàn)狀

1989年，美國聲屏障就達到了1158.48 km，總投資63.5億元；1987年德國修建的公路聲屏障總長度達到500 km。1990年日本修建的道路隔聲屏障總長度就有1660 km，其中高速公路聲屏障長為455.5 km，占高速公路總長度的12%。至2006年底，全美已經(jīng)建成的公路聲屏障約5000 km；日本已建成約1600 km公路聲屏障，其城市高速道路的聲屏障設置率已達到80%[23]。

國外聲屏障發(fā)展迅猛，國內(nèi)聲屏障的發(fā)展早在20世紀70年代已經(jīng)開展。其中1985年姚白歐等人就提出在減少交通路面噪聲的同時安裝聲屏障可以有效的減少交通噪聲[25]；21世紀，研究人員在前人的基礎上不斷發(fā)展創(chuàng)新，2011年梁李斯等人提出并設計出用閉孔泡沫鋁板制成的聲屏障，其性能優(yōu)于普通百葉聲屏障，尤其在20~630 Hz頻段降噪效果更佳[26]；2013年葉穎[27]等人設計出了兼具美觀、實用的模塊化生態(tài)聲屏障，該類聲屏障通過調(diào)節(jié)植物的搭配、土壤配比等特點，適用于不同的交通噪聲環(huán)境；2014年耿傳智[28]等人驗證了聲屏障表面帶有圓形凸起和表面帶有三角形凸起，提高凸起的高度可以提高聲屏障的降噪性能。2014年何金平[29]指出針對低層建筑物(別墅)周邊進行降噪，該類降噪方法是通過周圍添加圍墻，同時圍墻上方再添加聲屏障的方式。這種設計方式是從實際情況出發(fā)，根據(jù)降噪原理設計出的具有高效降噪效果的成功實例。由此可見聲屏障正在走向功能化、生態(tài)化、專一化的道路。

綜上所述，國外聲屏障發(fā)展迅速，覆蓋面廣。我國吸取國外聲屏障發(fā)展的經(jīng)驗，迅速發(fā)展聲屏障行業(yè)，不僅傳承了國外聲屏障發(fā)展的優(yōu)點，還促使國內(nèi)聲屏障領域發(fā)展走向多元化、生態(tài)化的道路。

4 聲屏障的發(fā)展趨勢

國內(nèi)外一系列的工程應用實例表明聲屏障在改善環(huán)境聲質(zhì)量方面是最經(jīng)濟、最有效的降噪工程設施。產(chǎn)品的防腐年限要達到15年以上；聲屏障可選擇多種色彩和造型進行組合且要與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，形成亮麗的風景線；聲屏障為裝配式施工，提高工作效率，縮短施工時間，節(jié)約施工和人工費用；并且與其他制品并行安裝，易于維修，更新方便；設計聲屏障時還要考慮以下因素：輕便—產(chǎn)品輕便可減輕高架高架橋的承重負荷，可降低結構造價；防火—采用的產(chǎn)品熔點要高，完全滿足環(huán)保和防火規(guī)范的要求；高強度—在結構設計時要充分考慮風荷載，通過生產(chǎn)線壓制凹槽增加強度；防水、防塵—材料設計時要使其處于任何環(huán)境中都不受環(huán)境因素影響其吸聲性能；耐用—產(chǎn)品的強度足夠，保證產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下性能不受影響的同時也要有一定的生命年限。

綜上所述，造型美觀、安裝快捷方便、產(chǎn)品輕便、防水、防塵、耐用、強度高的聲屏障，它將是未來城市交通聲屏障的發(fā)展方向[30]。

5 結語

隨著人們環(huán)境保護意識的不斷提高，公路建設及運營期間所產(chǎn)生的噪聲越來越引起人們的重視。因此對于公路項目中噪聲污染防治措施不僅要根據(jù)實際情況，因地制宜采取降噪措施，保護公路周邊環(huán)境，達到理想的降噪效果。同時聲屏障選用材料必須符合現(xiàn)行環(huán)保要求，應能防腐、防潮(水)、防老化、防塵、防火，且不會造成二次污染。聲屏障的色彩要既能保證美觀效果，也要與周圍景觀協(xié)調(diào)，又要能增加司乘人員的舒適度，確保行車安全，從而達到較好的環(huán)境效益和社會效益。

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Development process and trend of noise barrier

XIANGZeng-hui, WANG Shuang-shan, LAN Gui-liu, ZUO Bai-chuan, ZUO Hong-yun

(Jiangsu Burgeree New Technology Materials CO.,LTO,Suzhou 215000, Jiangsu, China)

With the rapid development of transport, the traffic noise has draw more and more people to pay attention. The effective method to reduce the noise is using noise barrier. The noise barrier study in developed countries is earlier than that in China. Therefore, the development histories of noise barrier, operating principles and the types of noise barrier both at home and abroad are summarized in this paper. Also, the future trend and direction of development in noise barrier are pointed out. The materials included in this article are to provide a reference for future noise barrier development.

noise barrier; internal structure; external form; sound absorption treatment

TB533

A

1000-3630(2016)-01-0058-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.013

2015-02-19;

2015-04-26

相增輝(1981－), 男, 河北人, 聲學設計工程師, 研究方向為聲學材料的研發(fā)及應用。

王雙閃, E-mail: baijialiwang@126.com