高速公路聲屏障優化設計的模擬計算研究

翟云波　王志瑞　馬迎春　葉穎

摘要：選取一種聲屏障作為研究對象，根據擬建高速公路周邊噪聲敏感點的分布特點，構建現實的模擬場景，利用Cadna/A噪聲模擬軟件建立聲屏障降噪預測模型，對該聲屏障設置參數進行了優化研究.研究結果發現：在現實的模擬場景中，當右側聲屏障長440 m高3.6 m，左側聲屏障長400 m高4.4 m時，該聲屏障不僅使所有敏感點達標，且實現了建設成本的最小化.

關鍵詞：模擬；預測；優化；噪聲污染

中圖分類號：X966 文獻標識碼：A

隨著高速公路的快速發展，交通噪聲影響了人們的生活質量，已經成為高速公路沿線居民關注的焦點_[1].作為一種經濟而有效的方法，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置參數，決定了聲屏障的降噪效果和建造成本，然而，當前的聲屏障設置參數并不合理，造成了聲屏障工程在中國難以廣泛使用.目前國內對聲屏障的研究主要集中在吸聲材料和聲屏障頂端結構_[2]，對聲屏障設置參數和工程經濟性考慮較少_[3].利用噪聲模擬軟件Cadna/A可以對聲屏障的設置參數進行優化設計，該軟件預測精度可靠，已經得到了專家學者的認可，徐志勝_[4]研究了Cadna/A軟件在高速鐵路聲環境影響評價中的應用，夏平_[5]等研究了用Cadna/A軟件預測橋梁交通噪聲及應用分析，李曉東_[6]等研究了Cadna/A軟件應用于聲屏障插入損失的計算.利用模型對聲屏障的優化設計研究多集中在聲屏障的結構，例如Min-Chie Chiu_[7]利用退火法模型對聲屏障的結構進行了優化研究，然而鮮有噪聲模擬軟件Cadna/A在擬建高速公路聲屏障設置參數的優化設計研究.

本研究以某擬建高速公路為例，建立交通噪聲預測模型，提出了一種優化設計方法，對聲屏障的設置參數進行了優化設計研究，該方法實現了降噪效果和經濟性能的雙重目的.

2模擬場景構建及模型優化設計

2.1模擬場景構建

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.

2.2模型優化設計與計算

2.2.1模型設計

聲屏障的設計參數包括聲屏障到路基的距離、聲屏障的長度和高度.作為一種常用的設計原則，聲屏障應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1.5～2.0 m之間，所以在本研究中取1.5 m.長度在聲屏障降噪效果和造價上起了重要作用，如果聲屏障長度過短，則由于聲波的直射和衍射作用導致聲屏障的實際降噪效果會比理論降噪效果差.為了降低交通噪聲的影響，聲屏障的建造長度應大于敏感區的長度.聲屏障高度對降噪效果有重要影響，是聲屏障設計的主要參數，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化設計對象，在聲屏障厚度一定的條件下以間接反應成本的建造面積為目標函數按（3）計算，聲屏障的降噪效果為主要的限制條件.

2.2.2 優化設計與計算

噪聲模擬軟件Cadna/A具有較強的計算模擬功能，可以同時模擬各類聲源的復合影響，通過輸入高速公路和聲屏障參數，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行優化設計研究.在圖2中可以看出，晝夜間只有第一排某些敏感點噪聲值超標，并且由于建筑物的遮蔽作用和距離的衰減會使得位于第一排建筑物之后的敏感點噪聲值達標，因此選取高速公路第一排建筑物為優化設計對象.為了得到未設置聲屏障時的噪聲污染狀況，經模擬，第一排建筑物的A計權聲壓級如表1所示.

從表1可以看出，晝間和夜間某些敏感點A計權聲壓級超過了標準值，在這些點中，晝間最大A計權聲壓級是72.3 dB（A），超出標準值2.3 dB（A），夜間最大A計權聲壓級是64.9 dB（A），超出標準值9.9 dB（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，必須設置聲屏障，且該聲屏障的最小降噪量為9.9 dB（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行了優化設計研究.

組合1，聲屏障剛好覆蓋敏感區，因此道路右側聲屏障長為370 m，左側聲屏障長為330 m.由于未設置聲屏障的路段直射及聲屏障兩端衍射作用，不管設置多高的聲屏障均不能使位于敏感區最外兩端的敏感點達標.

組合2，為減弱聲屏障兩端的衍射和未設置聲屏障路段的直射作用，因此需要在聲屏障兩端各增加10 m，此時道路右側聲屏障長為390 m，左側聲屏障長為350 m.經模擬，當道路右側聲屏障設置高度為6.5 m，道路左側型聲屏障設置高度為9.0 m時，敏感區所有敏感點均達標，夜間最高噪聲值為55 dB（A），面向公路一側的聲屏障面積F=390 m×6.5 m+350 m×9 m=5 685 m2.

盡管組合2可以使敏感區所有敏感點達標，但是聲屏障的高度設置過高，對駕駛者、周圍居民產生視覺和心理壓抑，并且居民采光比較困難.為此，本課題對組合3進行模擬研究.當聲屏障兩端再增加10 m時，此時道路右側聲屏障長為410 m，左側聲屏障長為370 m.經模擬，當道路右側聲屏障設置高度為4.2 m，道路左側聲屏障設置高度為5.1 m時，敏感區所有敏感點達標，夜間最大噪聲值為55 dB（A），面向公路一側的聲屏障面積F=410 m×4.2 m+370 m×5.1 m= 3 609 m2.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生視覺和心理壓抑，而且降低了建造成本.

從圖4中可以看出組合2到組合3時，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時建造面積最小，隨著組合的增加建造面積增加，因此可以認為組合5的建造面積最小，即建造成本最小.

3結果分析

聲屏障的降噪效果主要取決于聲源發出的聲波沿反射、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”.“聲影區”的大小和聲屏障的有效高度及長度有關，位于“聲影區”內的噪聲級低于未設置聲屏障時的噪聲級.一般聲屏障“聲影區”內降噪效果在5～12 dB（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，由于聲屏障設置長度和敏感區的長度相等，未設置聲屏障的路段距最外的4個敏感點的距離較近，此時聲波的直射作用大于衍射及透射作用之和，直射作用起主導作用，使得某些敏感點位于“聲影區”之外，因此無論聲屏障設置多高，最外兩個敏感點均不能達標.為了減弱聲波的直射作用，使最外兩個敏感點位于“聲影區”之內，需要增加聲屏障的長度.通過比較組合2和3的目標函數，發現隨著聲屏障兩端各增加10 m，右側聲屏障高度降低了2.3 m，左側聲屏障降低了3.9 m，建造面積降低了2 076 m2.這說明聲屏障兩端各增加10 m的長度，聲波的直射作用有了較大的削減，逐漸會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263 m2.比較組合4和5，發現建造面積降低了2 m2，這兩組數值相差很小.比較組合5和6的目標函數，發現隨著聲屏障長度的增加，聲屏障的設置高度將不變化.這說明在組合5中聲波對敏感點的直射作用忽略不計，全部敏感點均處在“聲影區”，只考慮聲波的衍射及透射作用，此時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對降噪效果和經濟的最優化產生較大影響.

4結論

1）本課題選取一種聲屏障作為優化研究對象，經噪聲模擬軟件Cadna/A模擬實際的場景，該型聲屏障取右側聲屏障長440 m高3.6 m，左側聲屏障長400 m高4.4 m組合時，可以有效降低高速公路交通噪聲對其沿線區域的聲環境質量的影響，且可實現工程造價最小化.

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

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用價值，通過對聲屏障進行優化設計，可以為我國高速公路聲屏障實現最優化提供理論指導.

參考文獻

[1]姚陽，屠書榮.高速公路沿線植物聲屏障設計與應用研究[J] .安徽農業科學，2011，39（17）：10544-10546.

[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] .中國安全生產科學技術，2011，7（7）：57-60.

[3]趙春來，馬心坦，郭志軍.公路聲屏障的參數分析與優化設計[J] .河南科技大學學報：自然科學版，2010，31（4）：23-27.

[4]徐志勝.Cadna /A 軟件在高速鐵路聲環境影響評價中的應用[J].環境工程技術學報，2011，1（6）：517-525.

[5]夏平，徐碧華，宣燕.用Cadna/A軟件預測橋梁交噪聲及應用分析[J] .應用聲學，2007，26（4）：208-212.

[6]李曉東，龔輝. Cadna/A軟件應用于聲屏障插入損失的計算[J] . 上海船舶運輸科學研究所學報，2008，31（1）：48-51.

[7]MINCHIE CHIU.Optimization of equipment allocation and soundbarriers shape in a multinoise plant by using simulated annealing[J] . Noise &Vibration Worldwide，2009，40（7）：23-35.

[8]環境保護部.GB 3096-2008聲環境質量標準[S].北京：中國環境科學出版社，2008.