聲屏障端部結(jié)構(gòu)對交通噪聲降噪效果的影響

閻春利，單賽男，張希棟

0 引言

道路交通噪聲是指機動車在道路上行駛時產(chǎn)生的噪聲。隨著我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，路面行駛的機動車數(shù)量急劇增加，道路擁堵和車輛的噪聲污染問題日益增加，道路交通噪聲也成為城市噪聲污染的主要來源［1-2］，因此，減少道路噪聲污染改善人們的生活環(huán)境是社會進步、科技發(fā)展的必然選擇。

目前針對道路交通噪聲的降噪方式主要分為3種：種植綠化帶降噪、修筑多孔隙瀝青路面和設(shè)置道路聲屏障。聲屏障是筑造在聲源和保護對象中間的一道屏障，它能夠有效的衰減傳播過程中的噪聲，從而降低到達保護區(qū)域的噪聲量［3-4］（一般能減小5～15 dB）。聲屏障的降噪原理主要是聲波傳播到音障時，利用材料本身的聲學特性反射聲音障礙，吸收及一系列干擾措施以防止聲波的持續(xù)傳播。聲屏障具有的優(yōu)點是占地面積小、建造位置靈活、對原有環(huán)境友好以及降噪效果佳。與低噪聲路面降噪技術(shù)相比較，聲屏障降噪技術(shù)更顯成熟，已在眾多范圍進行實際應(yīng)用并取得良好效果；與綠化帶降噪相比較，聲屏障降噪應(yīng)用范圍更廣，局限性更小，同時，聲屏障還具有節(jié)約土地、降噪明顯、采用拼裝式及可拆裝等優(yōu)點［5-8］。正因為聲屏障有這樣的優(yōu)點，所以采用它就成為治理城市道路交通噪聲的首選措施。

國內(nèi)外研究［9-13］發(fā)現(xiàn)，翻過聲屏障頂端繞射到達保護區(qū)測量點的聲壓比沒有聲屏障時的直達聲壓小。直接到達的聲壓與繞射到達的聲壓的聲級的差值，被稱作繞射聲衰減值，聲屏障的繞射聲衰減值是受聲點、發(fā)聲點、聲屏障的頻率和幾何關(guān)系的函數(shù)，是決定聲屏障降噪量的主要物理量［14-15］。因此出于對聲屏障降噪性能的進一步優(yōu)化及其作為道路設(shè)施的景觀美化角度考慮，對聲屏障端部結(jié)構(gòu)的研究與優(yōu)化已成為研究聲屏障降噪效果的重要內(nèi)容。

1 聲屏障端部設(shè)計

1.1 聲屏障規(guī)格設(shè)計依據(jù)

僅就聲學理論上來講，如果聲屏障的高度越高，降噪性能也就越好，但聲屏障的高度并不能無限延高［16-17］，甚至不能高于10 m，原因：一是成本，二是承重載荷的有限性，三是過高的道路聲屏障會對駕駛員造成壓抑的緊張心理，增加交通事故的發(fā)生率。根據(jù)之前的研究資料［18］：聲屏障高度在7 m以下工程造價經(jīng)濟性好，考慮風壓影響及防撞墻強度等因素，聲屏障高度不宜高于5 m。圖1為聲屏障高度與綜合效益（經(jīng)濟效益、社會效益、降噪效益等）關(guān)系圖，故本設(shè)計中聲屏障的高度H取值為4 m。

聲屏障的長度一般用保護對象長度加左右各50 m的方法確定。一般單件聲屏障取常規(guī)長度5 m/塊。聲屏障的厚度根據(jù)建筑強度要求取0.1 m。

1.2 不同端部結(jié)構(gòu)的聲屏障的初步設(shè)定

圖 1綜合效益與高度關(guān)系圖Fig.1 Relationship of comprehensive benefits and height

直板型聲屏障目前在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，但其結(jié)構(gòu)單一降噪效果一般，根據(jù)聲波的傳播規(guī)律，研究表明在直板型聲屏障的頂端進行改進，可以使噪聲源發(fā)出的噪聲能量有所衰減［18］。這樣聲屏障的高度沒有多大變化，成本增加不多，聲屏障的降噪效果卻增加明顯。論文主要研究直板型、T型、Y型、鹿角型聲屏障端部結(jié)構(gòu)的降噪效果。為了便于研究比較所有聲屏障的高度都設(shè)定為4 m，長度為5 m/塊，厚度為0.1 m。

（1）直板型聲屏障

選取直板型聲屏障的厚度 D=0.1 m，高度L=4.0 m，如圖2所示。

圖2 直板型聲屏障規(guī)格參數(shù)Fig.2 Upright noise barrier parameters

（2）T型聲屏障、Y型聲屏障

選取 T 型聲屏障的寬度 W=1.0 m；Y 型的臂長P=0.5 m，兩臂與水平方向成 30°。如圖3所示，由于現(xiàn)場的地面為一般的剛性路面，吸聲效果很小可忽略不計，因此仿真過程將地面設(shè)置為全反射的地面，這樣就不用考慮地面吸聲對聲屏障插入損失的影響。

（3）鹿角型聲屏障

鹿角型聲屏障如圖4所示，長角0.5 m，上面的小短角高0.1 m，與長角垂直，厚度均取0.1 m。

圖3 T型、Y型聲屏障規(guī)格參數(shù)Fig.3 T and Y type noise barrier parameters

1.3 聲屏障材料設(shè)定

4種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案高度相同，都為4 m，主要區(qū)別在于頂部結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計方案采用反射—吸聲—透光的聲屏障，聲屏障底部為通孔鋁吸聲板，其整體尺寸為2 000 mm×5 000 mm×100 mm，吸聲板厚度為10 mm；中間結(jié)構(gòu)為雙層夾膠玻璃，形成雙層均質(zhì)薄板結(jié)構(gòu)，內(nèi)中空，透光，單板尺寸為：1 000 mm×5 000 mm×40 mm頂部為鋁質(zhì)薄板結(jié)構(gòu)，尺寸為1 000 mm×5 000 mm×100 mm。聲屏障部件材料質(zhì)量及屬性見表1和表2。

表1 各部件材料質(zhì)量Tab.1 Materials and mass of parts

表2 所用材料屬性表Tab.2 Character of materials

2 聲屏障聲學性能分析

Virtual Lab軟件上對4種聲屏障端部結(jié)構(gòu)進行模擬建模、網(wǎng)格劃分、定義流體材料及流體屬性。其中，噪聲源設(shè)置為非穩(wěn)態(tài)線聲源，網(wǎng)格大小10 mm，網(wǎng)格單元為Linear，流體材料為Air，聲速傳播在勻質(zhì)空氣中進行，聲速為v=340 m/s，溫度為20℃，空氣密度為1.225 kg/m3，統(tǒng)一受聲點的位置，通過加載阻抗邊界條件來進行模擬的。

2.1 聲屏障降噪效果模擬比較

如圖 5所示，4種不同結(jié)構(gòu)的聲屏障在噪聲頻率為 500 Hz 時，由4張聲壓級幅值云圖可以看出，聲波在傳播過程中受到了聲屏障明顯的干擾，直板型聲屏障（圖5（a））的降噪效果相對來說有所體現(xiàn)但其實不夠明顯，T型聲屏障（圖5（b））和Y型聲屏障（圖5（c））降噪效果相對明顯，鹿角型聲屏障（圖5（d））的降噪效果最明顯，從聲影區(qū)的聲壓級云圖分析4種聲屏障的降噪效果，鹿角型最好，Y 型及T型次之，直板型最差。

2.2 聲壓級頻率響應(yīng)曲線

頻率響應(yīng)曲線是受聲點在不同頻率下聲壓值構(gòu)成曲線，反應(yīng)出在不同頻率范圍（100～3 000 Hz）內(nèi)聲壓值的變化趨勢。在場點網(wǎng)格上選取聲屏障上一點代表受聲點的位置，分別計算出4種不同結(jié)構(gòu)聲屏障聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)曲線，如圖6（a）～（d）所示。由圖6可知，聲屏障在經(jīng)過降噪以后的聲壓控制在80 dB以內(nèi)，這基本滿足交通干線道路兩側(cè)交通噪聲可達70 dB的要求，故這4種結(jié)構(gòu)的聲屏障的設(shè)計合理。

2.3 插入損失曲線

聲屏障降噪效果用插入損失來評價，其定義為在保持噪聲源、地形、地面和氣候條件不變的情況下安裝聲屏障前后在受聲點處測得聲壓級之差。

交通噪聲主要來自于汽車噪聲，而汽車噪聲頻率多集中在200～2 000 Hz，仿真分析時設(shè)置噪聲頻率為100～3 000 Hz，包含了主要噪聲頻率。插入損失曲線如圖7所示。

圖5 聲屏障場點聲壓分布云圖Fig.5 Sound pressure cloud in noise barrier field

圖6 聲壓級頻率響應(yīng)曲線Fig.6 Frequency response curve of sound pressure level

仿真數(shù)據(jù)結(jié)果分析：從以上4種聲屏障的插入損失曲線總體對比可知，當噪聲頻率小于 200Hz時，直板型、T型、Y型和鹿角型聲屏障的降噪效果均不顯著，低頻聲波的波長較長，更容易越過聲屏障端部，符合了聲屏障噪聲繞射的衰減規(guī)律，其中 Y型聲屏障的降噪效果最明顯。隨著噪聲頻率的不斷增大，當噪聲頻率在中頻范圍時，聲屏障的作用逐漸顯著。其中直板型和T型降噪效果差些，Y型和鹿角型降噪效果最佳；噪聲在高頻范圍時鹿角型聲屏障的效果達到最佳狀態(tài)。當計算頻率進入中高頻區(qū)時，4種結(jié)構(gòu)聲屏障的插入損失都達到峰值見表3。

表3 插入損失峰值表Tab.3 Insertion loss peak table

這4種結(jié)構(gòu)的聲屏障在材料的設(shè)置上全部采用頂端為鋁質(zhì)薄板結(jié)構(gòu)，在聲屏障頂端不覆蓋吸聲材料的情況下，Y型和鹿角型端部結(jié)構(gòu)的聲屏障降噪效果方面有較大的優(yōu)勢；4種結(jié)構(gòu)聲屏障的插入損失峰值差距并不太大，基本集中出現(xiàn)在1 000～2 300 Hz；4 種聲屏障在 800～2 400 Hz降噪效果都可以達到道路交通噪聲控制要求。

3 結(jié)論

論文依據(jù)聲屏障的降噪原理，設(shè)計了4種不同端部結(jié)構(gòu)的聲屏障，通過仿真比較不同型式的聲屏障端部結(jié)構(gòu)的降噪效果，結(jié)論如下：

（1）當噪聲頻率為 500 Hz 時，由聲壓級幅值云圖得出，聲波在傳播過程中受到了聲屏障明顯的干擾，直板型聲屏障由于缺少端部結(jié)構(gòu)，降噪效果不夠明顯。

（2）4種結(jié)構(gòu)的聲屏障在經(jīng)過降噪以后的聲壓控制在80 dB以內(nèi)，這基本滿足交通干線道路兩側(cè)噪聲可達70 dB的要求，說明這4種結(jié)構(gòu)的聲屏障均符合聲屏障的設(shè)計要求；Y型和鹿角型結(jié)構(gòu)的聲屏障降噪效果方面有較大的優(yōu)勢。在聲屏障結(jié)構(gòu)的選擇上，可以根據(jù)具體的道路車型、車流量及車速確定噪聲頻率范圍后進行選擇。

（3）論文數(shù)據(jù)尚缺少實驗驗證，這是后續(xù)研究工作的重點。

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