瀝青混凝土路面噪音產(chǎn)生機(jī)理與影響因素分析

戴 倩

(重慶市迎龍建筑工程有限公司)

1 路面噪音產(chǎn)生分析

車輛在道路上行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，由于車輛數(shù)量軸重等信息差異較大，因此交通噪音屬于非穩(wěn)態(tài)信息，車輛輪胎和車體耦合效應(yīng)產(chǎn)生的噪音和輪胎直接輻射出來(lái)的噪音形成了路面和輪胎之間的噪聲。路面噪聲產(chǎn)生的機(jī)理十分復(fù)雜，主要從噪聲的產(chǎn)生和增強(qiáng)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.1 噪音產(chǎn)生機(jī)理

(1)輪胎振動(dòng)

車輛行駛過程中，輪胎擠壓變形過程中和路面之間產(chǎn)生的粘滯力和切向力使得外胎滑移變形最終導(dǎo)致輪胎振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。路面凹凸不平特征加劇振動(dòng)效應(yīng)，使得噪聲效應(yīng)更加強(qiáng)烈。

(2)空氣泵效應(yīng)

如圖1 所示，車輛行駛過程中，車輪擠壓時(shí)，車輪紋理空腔與路面接觸擠壓后形成具有一定壓力的空氣后噴出產(chǎn)生聲音，當(dāng)車輪起開時(shí)，輪胎恢復(fù)變形，隨即形成一定的真空度，此時(shí)位于輪胎后方的空氣被吸入產(chǎn)生噪音，形成空氣泵效應(yīng)。

圖1 車輪和路面擠壓時(shí)的空氣泵效應(yīng)示意圖

(3)空氣擾動(dòng)噪聲

空氣擾動(dòng)噪聲是指汽車高速行駛狀態(tài)下，汽車輪胎與路面之間產(chǎn)生空氣渦流改變空氣壓力，進(jìn)而產(chǎn)生擾動(dòng)噪聲。

(4)滑－粘效應(yīng)

汽車行駛過程中，加速前進(jìn)與減速剎車在所難免，當(dāng)汽車加速過程中，當(dāng)牽引力作用產(chǎn)生的切向力大于摩擦力時(shí)，輪胎和路面出現(xiàn)滑移，產(chǎn)生噪聲。汽車減速或者緊急停車時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生滑移，進(jìn)而形成尖銳的聲音和振動(dòng)。

1.2 噪音增強(qiáng)機(jī)理

(1)號(hào)筒效應(yīng)

所謂號(hào)筒效應(yīng)就是對(duì)噪音的放大作用，進(jìn)而提高噪聲的輻射效率。如圖2 所示，汽車輪胎和底面形成半封閉類似喇叭筒的形式，車輪與路面的接觸面就是聲源，在聲波的多次反射效應(yīng)下產(chǎn)生放大效應(yīng)。有研究表明，當(dāng)聲音頻率大于300 Hz 時(shí)，號(hào)筒效應(yīng)能夠使噪音提高10 dB。

圖2 輪胎與路面之間的號(hào)筒效應(yīng)

(2)腔體共振

輪胎和路面的接觸區(qū)域形成的腔體，在汽車行駛過程中，腔體產(chǎn)生的共振效應(yīng)越強(qiáng)烈，噪音提高幅度越大，而腔體共振受到路面的構(gòu)造深度以及平整度的影響。

2 混合料類型對(duì)噪音的影響

瀝青混合料和路面之間產(chǎn)生噪音影響因素較多，根據(jù)《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測(cè)量規(guī)范》(GB J88－85)，采用駐波管法進(jìn)行測(cè)試。不同的瀝青混合料類型對(duì)其噪音吸收特性的影響不同。采用符合規(guī)范要求的原材料，按照規(guī)范級(jí)配設(shè)計(jì)AC－13 型和SMA－13 型瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)分析。將設(shè)計(jì)好的瀝青混合料制作直徑為96 mm，厚度為4 cm 的試件進(jìn)行吸聲系數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同混合料類型的噪音吸收特性

由表1 可知，SMA 型瀝青混合料的噪音吸收頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AC 型瀝青混合料，SMA 幾乎在所有頻率內(nèi)的吸聲系數(shù)較為均衡，而AC 性瀝青混合料吸聲系數(shù)較大的頻段范圍為1 250～2 000 Hz。SMA－13 型瀝青混合料的吸聲效率為321.8%·Hz，相當(dāng)于AC－13 瀝青混合料的2.43 倍。SMA－13 型瀝青混合料的平均吸聲系數(shù)為18.9%，而AC－13 型瀝青混合料為9.8%，僅為SMA－13 瀝青混合料的0.52 倍。此外，由于兩種不同混合料的噪音吸收頻率相差較大，當(dāng)聲音頻率小于1 000 Hz 時(shí)，SMA－13 瀝青混合料的吸聲效率為137.8%·Hz，而AC－13 的吸聲效率為0.0%·Hz，而且AC－13 型瀝青混合料的吸聲系數(shù)均小于10%。由于一部分聲波通過不同類型材料的孔隙進(jìn)入材料內(nèi)部，另一部分在從表面反射出去，孔隙較大的混合料類型對(duì)聲波的吸收效果較好，因此產(chǎn)生的噪聲影響相對(duì)較小。

3 混合料孔隙率對(duì)噪音的影響

從第2 節(jié)不同類型混合料對(duì)噪音的影響已經(jīng)可以看出混合料的孔隙對(duì)噪音會(huì)有較大影響，為了進(jìn)一步研究孔隙率對(duì)噪音的影響特征，通過馬歇爾試驗(yàn)，制備5 種不同孔隙率大小的試件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同混合料孔隙率的噪音吸收特性

由表2 可知，隨著混合料孔隙的增加，材料的吸聲系數(shù)先增加后降低，呈現(xiàn)凸型曲線變化特征，吸聲系數(shù)較大的入聲頻率范圍在500～1 000 Hz 之間。當(dāng)孔隙率在20%左右時(shí)，材料的吸聲系數(shù)的增加率發(fā)生轉(zhuǎn)折。當(dāng)孔隙率從14.5%增加到24.6%時(shí)，平均吸聲系數(shù)提高了8.4 個(gè)百分點(diǎn)。頻率＜1 000 Hz 吸聲效率則從139.4% ·Hz 增加到270.8%·Hz，提高了131.4%·Hz。對(duì)于總體吸收效率來(lái)講，隨著材料孔隙率的增加，其聲音吸收效率逐漸增大，然后逐漸降低。由此可見，在一定范圍內(nèi)合理增加瀝青混合料的孔隙率，將會(huì)有利于提高路面對(duì)聲音的吸收特性，降低噪音的輻射和影響。

4 集料粒徑對(duì)噪音的影響

由于集料粒徑大小對(duì)輪胎和路面接觸面的實(shí)際區(qū)域大小有直接影響，因此對(duì)集料粒徑對(duì)噪音的影響進(jìn)行研究十分必要。在于孔隙率為12.8%的SMA－13 和SMA－10 兩種瀝青混合料制作標(biāo)準(zhǔn)試件，并按照厚度為4 cm 進(jìn)行鋪筑，然后采用駐波管法測(cè)試吸聲系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同集料粒徑下的噪音吸收特性

從圖3 可知，兩種不同粒徑的集料的最大吸聲系數(shù)均大于50%，而粒徑較小的材料最大吸聲系數(shù)相對(duì)較高。兩種材料的吸聲系數(shù)隨著入聲頻率變化均表現(xiàn)為凸形變形曲線，基本趨勢(shì)是一致的，但是，當(dāng)入聲頻率＜1 000 Hz 時(shí)，大粒徑的材料吸聲效率較高，而在入聲頻率為1 000～1 500 Hz 時(shí)，小粒徑瀝青混合料表現(xiàn)出吸聲效果的優(yōu)勢(shì)凸顯較為明顯。由此可知，對(duì)于大孔隙瀝青混凝土路面，當(dāng)采用適當(dāng)小粒徑集料時(shí)的產(chǎn)生噪音較小，對(duì)環(huán)境影響較小。當(dāng)入聲頻率大于1 500 Hz 時(shí)，兩種材料的吸聲系數(shù)均較低，并且規(guī)律一致。

5 材料厚度對(duì)噪音的影響

材料的鋪筑厚度對(duì)噪音吸收效果同樣會(huì)產(chǎn)生影響，根據(jù)相應(yīng)設(shè)計(jì)級(jí)配，從4～8 cm 共設(shè)計(jì)5 個(gè)不同厚度等級(jí)的路面材料，并設(shè)置幾種不同的入聲頻率對(duì)吸聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同材料厚度的噪音吸收特性

從表3 可知，隨著材料厚度的增加，吸聲系數(shù)的最大值逐漸增加，平均吸聲系數(shù)變化規(guī)律較為復(fù)雜，大致呈增加趨勢(shì)，但是當(dāng)厚度為5 cm 時(shí)的吸聲系數(shù)較為特殊。入聲頻率＜1 000 Hz 的吸聲效率從171.1%·Hz 增加到244.8%·Hz后，最后降低到191.3%·Hz。由此可知，從噪音角度看，低噪音路面適宜厚度為4 cm。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)瀝青混凝土路面噪音產(chǎn)生機(jī)理和影響因素進(jìn)行分析，得出:瀝青路面的噪音產(chǎn)生機(jī)理較為復(fù)雜，影響因素多，其中在一定范圍內(nèi)，瀝青混合料孔隙率越大，其產(chǎn)生噪音越小;小粒徑集料適于孔隙較大的瀝青混合料;低噪音路面的適宜厚度為4 cm。

［1］王旭東.低噪聲瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.公路交通科技，2003，(1):33－37.

［2］李兆淵.輪胎噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及其控制［J］.陜西汽車，1997，(4):10－14 .

［3］孫國(guó)慶.降噪音環(huán)保型隧道鋪裝層TSEM 瀝青混合料設(shè)計(jì)研究［D］.碩士學(xué)位論文，長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

［4］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測(cè)量規(guī)范(GB J88－85)［S］.同濟(jì)大學(xué)，1985.