利用膨脹珍珠巖吸聲的公路隧道局部降噪研究

王永東 劉洋 趙海平 劉曉 蔣海濤

摘要：為解決公路隧道內(nèi)噪聲較大的難題，以關(guān)中環(huán)線將軍嶺隧道為例，通過理論分析和聲學(xué)軟件RAYNOISE構(gòu)建了混凝土路面噪聲分布模型，并分析了隧道內(nèi)聲壓級分布狀況。隨后以膨脹珍珠巖作為吸聲材料，在隧道尺寸和聲源位置確定的前提下，模擬了不同噪聲頻率下吸聲材料在不同鋪設(shè)位置的降噪效果，將不同因素控制下的降噪效果進(jìn)行對比，得到了利用膨脹珍珠巖來進(jìn)行隧道降噪時較有利的布置位置。結(jié)果表明：吸聲材料的降噪效果與噪音頻率有關(guān)，膨脹珍珠巖對中高頻率噪聲的降噪效果較好，當(dāng)噪音頻率為500 Hz時膨脹珍珠巖的降噪效果最好，1 000 Hz次之，63 Hz最差;利用膨脹珍珠巖進(jìn)行隧道降噪，工況1（全壁面鋪設(shè)）效果最好，500 Hz時平均降噪值為6.78 dB，比工況3（拱頂及隧道壁垂直向上3 m拱腰部位鋪設(shè)）高2.28 dB，比工況2（邊墻3 m以下部位鋪設(shè)）高4.3 dB。

關(guān) 鍵 詞：

公路隧道; 局部降噪; 膨脹珍珠巖; 噪聲頻率; 幾何聲學(xué); 數(shù)值模擬分析

中圖法分類號： U453.82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.026

1 研究背景

隧道是半封閉性結(jié)構(gòu)物，聲波在隧道內(nèi)會經(jīng)過多次傳播與反射，交通噪聲在隧道內(nèi)具有非常顯著的匯聚作用，從而使得隧道內(nèi)部的噪聲衰減緩慢[1]，噪聲強度也遠(yuǎn)高于隧道外部，特別是對于長大公路隧道來說，隧道內(nèi)部噪聲的影響范圍更廣、影響程度更大。隧道內(nèi)的高分貝噪聲環(huán)境不僅會給駕駛員帶來緊張和焦慮情緒，影響駕駛員的注意力和反應(yīng)速度，增加行車安全隱患，而且會對隧道養(yǎng)護(hù)工作人員的聽力及正常交流產(chǎn)生影響?！堵暛h(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[2]中要求高速公路兩側(cè)的噪聲強度在晝間不大于70 dB，夜間不大于55 dB。因此，當(dāng)長大公路隧道內(nèi)的噪音強度高于該標(biāo)準(zhǔn)值時，就應(yīng)該采取相應(yīng)的降噪措施。

隧道噪音一直是影響隧道使用舒適度的重要因素之一，近年來國內(nèi)外學(xué)者通過各種方式不斷進(jìn)行研究。Li等[3-4]基于虛源法與能法，考慮波的相干性及空氣對聲波的吸收作用提出預(yù)測長空間內(nèi)聲場衰減的模型;褚華峰[5]基于幾何聲學(xué)理論，運用RAYNOISE軟件研究了不同車型、車速和列車行駛狀態(tài)下隧道內(nèi)外的聲場分布;朱文等[6]通過對重慶真武山隧道、中梁山隧道、北碚隧道、西山坪隧道進(jìn)行現(xiàn)場測量，研究了水泥路面與瀝青路面噪聲聲壓級與頻譜特性的不同，并對隧道噪音進(jìn)行了聲波識別;Ma等[7]基于3條隧道的現(xiàn)場實測結(jié)果，認(rèn)為當(dāng)隧道內(nèi)交通量為100輛/h時，隧道內(nèi)平均噪聲達(dá)到95 dB，隧道外噪聲在70 dB左右;王衛(wèi)東等[8]對比分析了隧道內(nèi)鋪設(shè)降噪材料前后的噪聲情況，提出在隧道內(nèi)設(shè)置吸聲材料來降低隧道噪音;史小麗[9]研究了隧道內(nèi)不同位置、不同數(shù)量的吸聲材料對隧道降噪的影響，并給出了吸聲材料的最佳布置方案和使用數(shù)量;張雪峰等[10-12]從聲音的波動特性入手研究了點聲源下隧道內(nèi)的噪聲場分布，后又基于聲波干涉理論對隧道主動降噪聲場進(jìn)行了研究，給出了主動聲源的最佳布置位置。

可以看出，針對隧道降噪問題，上述學(xué)者通過理論分析、現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬等方法研究了隧道內(nèi)噪音的分布特性，多數(shù)學(xué)者提出了在隧道內(nèi)鋪設(shè)吸聲材料來降低隧道噪音強度的優(yōu)化方案。現(xiàn)行隧道吸聲材料多在建筑常用多孔吸聲材料的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)[13]，如聚氨酯復(fù)合吸聲材料[14]、泡沫陶瓷[15]等，這些改進(jìn)材料吸聲能力強，吸聲系數(shù)可達(dá)到0.7以上，但耐候性差、研制成本高，很難在隧道工程中得到大面積運用，故而價格低廉的膨脹珍珠巖材料得到了人們的青睞。膨脹珍珠巖水泥復(fù)合吸聲材料[16]、吸聲砂漿[17]等珍珠巖基復(fù)合材料不僅吸聲能力強，而且相對環(huán)保、耐火性強，是隧道降噪的理想材料，但膨脹珍珠巖密度大，鋪設(shè)時對施工要求較高。本文基于局部降噪理念，以膨脹珍珠巖降噪材料為例，從幾何聲學(xué)理論出發(fā)，研究在隧道內(nèi)不同位置鋪設(shè)吸聲材料的降噪效果，從中選出最為有利的鋪設(shè)位置，以期能為公路隧道降噪技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

2 局部降噪理念

“局部降噪”這一理念的提出和運用首先出現(xiàn)在石油天然氣工業(yè)噪聲治理中，通過在噪聲空間一定區(qū)域內(nèi)設(shè)置吸聲材料或特定的降噪結(jié)構(gòu)來降低建筑物內(nèi)的噪聲，從而使建筑物內(nèi)的聲環(huán)境條件滿足人們的日常需求。在隧道運營中，可以在車輛主要行駛路徑和檢修道上方檢修區(qū)等位置鋪設(shè)吸聲材料來降低隧道噪聲，從而使得隧道內(nèi)的噪音強度滿足規(guī)范要求，達(dá)到局部降噪的目的。

3.3 仿真分析及試驗對比

在聲壓級監(jiān)測斷面1的右行車道中心設(shè)置一個點聲源，聲源形式設(shè)為聲源1，研究小型車進(jìn)入隧道時隧道內(nèi)的噪音分布狀況，如圖5所示。當(dāng)車輛進(jìn)入隧道時，隧道橫斷面高壓聲場的分布具有明顯的不同，隨著車輛進(jìn)入隧道，隧道內(nèi)聲場從出口到入口經(jīng)歷了發(fā)散、聚焦、左右分布、均勻分布的變化。入口處聲場橫截面呈現(xiàn)出明顯的發(fā)散分布特征，噪聲強度場存在明顯的分層現(xiàn)象，噪聲強度由聲源向四周逐漸降低，而隨著噪聲繼續(xù)傳播，聲音向隧道中心聚焦，高壓聲區(qū)由右行車道中心線逐漸靠近隧道中心，到隧道中部時，聚焦現(xiàn)象消失，高壓聲區(qū)向隧道右側(cè)轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)左右分層現(xiàn)象，而當(dāng)聲音傳播至隧道出口時，聲場已基本分布均勻，不存在明顯的高壓聲區(qū)。沿著隧道縱向，噪聲衰減很快，入口處的高壓聲區(qū)噪聲強度集中在85.66～87.35 dB，至監(jiān)測斷面3（距聲源100 m）時，高壓聲區(qū)噪聲強度已衰減至56.54～57.47 dB，此時的噪音強度對隧道內(nèi)通行車輛及工作人員已基本不產(chǎn)生影響。從隧道入口至隧道出口（500 m），最大噪聲強度由88.87 dB衰減到38.17 dB，噪聲衰減率達(dá)到了57%，隧道出口的噪音強度遠(yuǎn)低于規(guī)范的要求。由此可見，對于單車通行的隧道，其內(nèi)部噪音分布情況是可以接受的。

RAYNOISE中線聲源的聲壓級功率是由該線聲源上的n個點聲源功率疊加而來，考慮到隧道行車的實際情況，取點聲源數(shù)量為10，點聲源間距為50 m，按2.2節(jié)設(shè)置聲學(xué)邊界條件和噪聲源強，隧道模擬雙車道按照小型車、中型車和大型車共設(shè)置6條相互獨立的線聲源，線聲源持續(xù)作用下隧道內(nèi)各監(jiān)測斷面的聲壓級分布情況基本一致，故以聲壓級監(jiān)測斷面1為例研究不同噪音頻率下隧道內(nèi)車輛持續(xù)通行時的噪音分布狀況，如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)不同頻率下“噪聲優(yōu)勢車型”不同，63 Hz時聲源等效中心位置最高，約1.8 m，此時大型車噪聲占優(yōu)，高聲壓區(qū)主要分布在距離地面1.0～2.0 m拱腰范圍內(nèi)，橫截面平均噪聲強度約78.65 dB;500 Hz時有2個聲源中心，聲源等效中心位置距離地面分別約0.3 m和0.8 m，此時中、小型車噪聲占優(yōu)，高聲壓區(qū)集中在0.2～1.6 m，橫截面平均噪聲強度約79.14 dB;1 000 Hz時聲源等效中心位置最低，此時小型車噪聲占優(yōu)，高聲壓區(qū)主要分布在距離地面0.1～0.8 m拱腰范圍內(nèi)，橫截面平均噪聲強度約80.66 dB，可見隧道內(nèi)噪聲強度隨噪聲頻率增加，高頻率聲波產(chǎn)生的噪音強度更大。隧道內(nèi)聲場沿路面中線對稱分布，從同一行車道上3條線聲源等效中心向四周發(fā)散，其中63 Hz時聲源等效中心位置最高，高聲壓區(qū)分布擴散范圍最廣。低聲壓區(qū)主要集中于拱頂部位及隧道壁邊界上，相鄰頻段低聲壓區(qū)噪聲強度相差1.00 dB左右。相比于單車同行，線聲源作用下的隧道噪音更高，分布差異性更大，其中以1 000 Hz為最，此頻率下聲壓級最大值達(dá)到了89.13 dB，比最小值高17.54 dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范的要求，有必要采取必要的降噪措施。

為確保所建立計算模型的準(zhǔn)確性，基于現(xiàn)場試驗對模型進(jìn)行了驗證?，F(xiàn)場實測選址在陜西107省道關(guān)中環(huán)線將軍嶺隧道，隧道全長999.56 m，車流量適中，適合進(jìn)行隧道噪音現(xiàn)場測量。測量時間從07：00持續(xù)到20：00，07：00～09：00和18：00～20：00時間段內(nèi)隧道內(nèi)的交通量較小，車輛間距較大，其他車輛對單車噪聲的干擾性很小，此時可以測試不同車型經(jīng)過時各測點的等效聲壓級。整條隧道共設(shè)置4個測點，測點1位于隧道入口外50 m;測點2位于隧道入口內(nèi)100 m;測點3位于隧道中間位置;測點4離隧道出口內(nèi)100 m處，測點高度均為1.6 m，測量過程中各測點同步采集。通過對不同車型的實測交通噪聲進(jìn)行頻譜分析，可以發(fā)現(xiàn)大型車的噪聲強度隨聲音頻率的降低大體呈上升趨勢，頻率越低，噪聲強度越高，高強噪聲主要集中在125 Hz以下的低頻段，而中小型車的噪音強度隨噪音頻率增大先增后減，大體呈現(xiàn)中間高兩邊低的發(fā)展趨勢，高強噪聲主要集中在500～1 000 Hz頻段。125 Hz以下的低頻段內(nèi)大型車的噪聲聲壓級高于中小型車，其最高聲壓級達(dá)到88.5 dB，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)變化趨勢與丁真真[20]的研究結(jié)果基本一致。實測過程中各車型以測點2聲壓級最高，如圖7所示。

將小型車噪聲源（聲源1） 作用下聲壓級監(jiān)測面2內(nèi)不同噪聲頻率下各測點等效聲壓級仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比，如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，實測噪聲強度稍高于模擬結(jié)果，這是因為聲壓級測試具有隨時間和空間變換的偶然性，在進(jìn)行現(xiàn)場噪聲強度測量時不能有效排除外界干擾噪聲如車輛喇叭聲（在數(shù)值建模時汽車正常勻速行駛，不考慮在行駛過程中暫?；蝤Q笛）等的影響，而仿真模擬則是處在一個相對理想的環(huán)境中。對比兩者的發(fā)展趨勢可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實測結(jié)果噪聲分布情況基本保持一致，可以驗證該仿真模型的實用性。

4 局部降噪工況設(shè)定及結(jié)果分析

研究表明，在膨脹珍珠巖厚度為5 cm時，噪聲頻率為63，125，250，500，1 000，2 000 Hz時對應(yīng)的吸聲系數(shù)分別為0.16，0.46，0.64，0.48，0.56，0.56[9]。根據(jù)隧道模型的特點，忽略吸聲材料厚度的影響，只考慮材料布置位置對隧道降噪效果的影響。設(shè)定工況1為在隧道內(nèi)壁全部鋪設(shè)膨脹珍珠巖;工況2在隧道兩邊從路面開始沿邊墻鋪設(shè)高度為3.0 m的膨脹珍珠巖;工況3在隧道拱頂及拱腰位置（從地面起算垂直高度3.0 m以上部位）布置膨脹珍珠巖。隧道路面和隧道內(nèi)壁面未布置膨脹珍珠巖的位置均設(shè)定為水泥混凝土材料，吸聲系數(shù)按上文設(shè)定。

丁真真[20]、汪贇等[21]的研究表明：小型車噪聲的峰值中心頻率為1 000 Hz;中型車噪聲的峰值中心頻率為500 Hz;大型車噪聲的峰值中心頻率為63 Hz。當(dāng)汽車行駛速度大于40 km/h時，小中型車產(chǎn)生的噪聲能量主要集中在1 000～2 000 Hz;當(dāng)車速在60 km/h以下時，大型車產(chǎn)生的噪音能量主要集中在250 Hz以下范圍內(nèi)。基于此，本文主要研究噪聲頻率為63，500，1 000 Hz時膨脹珍珠巖在隧道內(nèi)不同布置位置的降噪效果。改變隧道內(nèi)降噪材料的鋪設(shè)位置，可得到工況1，2，3作用下隧道的噪聲分布情況，與不采取降噪措施時的隧道噪音強度相比，不同工況下各聲壓級監(jiān)測面的噪音強度均有不同程度的降低，取各監(jiān)測面觀測點聲壓級降低值的算數(shù)平均值作為該聲壓級監(jiān)測面的聲壓級降低值，則平均噪聲降低值變化情況如圖9所示。

可以發(fā)現(xiàn)，噪音頻率對吸聲材料的降噪效果有較大的影響。對本文選取的膨脹珍珠巖來說，在噪音頻率為500 Hz時降噪效果最好，1 000 Hz次之，63 Hz最差。在各種工況中，噪聲頻率為500 Hz和1 000 Hz時降噪效果比較接近，平均噪音降低值隨距離的變化趨勢也基本相同，都具有先升后降再升的趨勢，這種現(xiàn)象在工況1條件下表現(xiàn)得尤為明顯。工況1作用下膨脹珍珠巖的降噪效果最好，在該工況下，頻率在500 Hz和1 000 Hz時噪音平均降低值隨距離的變化趨勢幾乎完全一致，500 Hz頻率下的平均噪音降低最高值為6.78 dB，比1 000 Hz高0.49 dB，比63 Hz高4.06 dB，這是由聲波的波動特性和膨脹珍珠巖基材料的物理構(gòu)造決定的。珍珠巖是多孔無機材料，材料內(nèi)部存在大量相互連通的空隙與孔洞，傳入氣孔的聲波一方面會裹挾空氣運動與孔壁產(chǎn)生摩擦，在空氣黏滯作用和熱傳遞作用下，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗;另一方面，未被消耗的聲波會在氣孔內(nèi)迂回的發(fā)生反射或散射，部分聲能反射回聲場所在空氣中，其余的反射回材料內(nèi)部，引起孔壁振動，聲波與材料這樣反復(fù)地交互作用，達(dá)成動態(tài)平衡時，部分聲能就被材料所吸收。而高頻噪聲相比于低頻噪聲震動快，空氣介質(zhì)疏密變化次數(shù)頻繁，微孔內(nèi)空氣的動能-熱能轉(zhuǎn)換快，聲能消耗大，故而降噪效果好。因而對中小型車輛通行較多的隧道，采用膨脹珍珠巖基材料降噪是極為可行的。

在同一噪音頻率的工況1，2，3中，工況1的降噪效果最好，工況3次之，工況2最差。工況1，2作用下，在噪音頻率為500 Hz和1 000 Hz時平均噪音降低值隨著距離隧道入口的距離均呈現(xiàn)出明顯先升后降再升的趨勢，噪音降低峰值出現(xiàn)在隧道中部左右，工況3的變化趨勢則相對滯后，降噪峰值出現(xiàn)在距離隧道出口300 m位置處。隧道噪音降低的“中峰”現(xiàn)象是因為在車輛駛?cè)胨淼赖倪^程中，傳入隧道的噪聲能量不斷被隧道內(nèi)壁鋪設(shè)的吸聲材料吸收，在隧道中間部位吸收量達(dá)到峰值，隨著車輛行駛到中部，噪聲能量積聚無法擴散，從而大部分能量會被吸聲材料吸收，進(jìn)而出現(xiàn)較大的降噪量，但一旦超過材料性能極限，降噪效果就會變差。

在3種噪聲頻率中，工況1降噪效果最大，在噪聲頻率為500 Hz時，工況1的噪音最大降低值為6.78 dB，工況3為4.50 dB，工況2為2.48 dB。工況3（隧道拱頂及地面3.0 m以上拱腰部位）降噪效果較工況2（從路面開始沿邊墻鋪設(shè)3.0 m）好，這可能和隧道建筑輪廓有關(guān)，由于隧道內(nèi)反射聲波不易消散并且隧道頂面的弧形結(jié)構(gòu)對聲波有匯聚效果，在隧道頂面鋪設(shè)降噪材料有利于減少匯聚聲波的聲能量，從而減小隧道的噪聲“聚焦”現(xiàn)象，反射聲波的能量能夠得到最大程度的消減。故而將吸聲材料鋪設(shè)在拱頂時能更有效地降低噪音。

5 結(jié) 論

（1） 吸聲材料的降噪效果與噪音頻率有關(guān)，膨脹珍珠巖對中高頻率的噪音場降噪效果較好。當(dāng)噪音頻率為500 Hz時降噪效果最好，1 000 Hz次之，63 Hz最差。噪聲頻率集中在500～1 000 Hz時，采用膨脹珍珠巖的隧道降噪效果略有區(qū)別，相差不大。

（2） 在隧道內(nèi)鋪設(shè)吸聲材料時，較為有利的布置位置是隧道拱頂及地面3.0 m以上拱腰位置（工況3）。 隧道內(nèi)全部鋪設(shè)吸聲材料（工況1） 的降噪效果最好，但費用最高;隧道兩邊從路面開始沿隧道壁鋪設(shè)高度為3.0 m的吸聲材料（工況2） 降噪效果最差;隧道拱頂及地面3.0 m以上拱腰位置（工況3） 最為經(jīng)濟，降噪效果也相對較好。500 Hz頻率下，工況1的降噪平均值為6.78 dB，工況3降噪平均值為4.50 dB，工況2的降噪平均值為2.48 dB。

（3） 本文在進(jìn)行模擬計算時假定隧道內(nèi)的同種類型的車輛具有相同的車速和頻率，而實際上車輛在隧道內(nèi)行駛時的速度與振動頻率大不相同，多組不同頻率與移動速度的混合聲源作用下隧道內(nèi)噪聲場分布規(guī)律尚未研究。同時，本文是基于三心圓式隧道內(nèi)進(jìn)行隧道降噪研究，但隧道形狀眾多，除了三心圓，還有矩形、圓形以及圓形結(jié)合直墻、曲墻等，噪音在其他不同結(jié)構(gòu)尺寸與隧道斷面形狀內(nèi)的分布方式和噪音優(yōu)化有待于進(jìn)一步研究。

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（編輯：胡旭東）