國(guó)內(nèi)外高速公路聲屏障研究進(jìn)展

何曉云　王立璇　陳亞鵬　李琰　程艷坤

摘 要：匯總了當(dāng)下國(guó)內(nèi)外常用的聲屏障發(fā)展情況，結(jié)合聲屏障降噪原理，從材料和結(jié)構(gòu)形式入手，介紹了多種常用聲屏障的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：聲屏障；材料；結(jié)構(gòu)形式；降噪原理

中圖分類號(hào)：U491.9+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.063

聲屏障是降低公路噪聲的一種主要設(shè)施。從20世紀(jì)60年代開始，國(guó)外已經(jīng)研究了聲屏障降噪的實(shí)際效果、聲屏障的結(jié)構(gòu)形式和材料選擇。現(xiàn)階段，雖然我國(guó)道路聲屏障處于快速發(fā)展階段，但是，對(duì)聲屏障的研究和應(yīng)用都比較晚。本文從材料選擇和結(jié)構(gòu)形式入手，介紹了國(guó)內(nèi)外聲屏障的最新發(fā)展。

1 聲屏障原理

聲波在空氣中傳播時(shí)遇到聲屏障，會(huì)產(chǎn)生反射、透射和繞射3種不同的情況。反射是指一部分聲波在聲屏障壁面發(fā)生反射，如圖1所示；透射是指一部分聲波穿透聲屏障到達(dá)受聲點(diǎn)；繞射是指一部分聲波越過(guò)聲屏障頂端到達(dá)受聲點(diǎn)。聲源發(fā)出的聲波沿著上述3條道路傳播的聲能分配決定了聲屏障的插入損失。當(dāng)聲波與聲屏障的壁面相遇時(shí)，繞射沿聲屏障邊緣產(chǎn)生，并在屏障后面形成聲影區(qū)，如圖2所示，聲影區(qū)的范圍就是聲屏障的降噪效果范圍。如果位于聲影區(qū)內(nèi)的噪聲級(jí)小于未設(shè)置聲屏障時(shí)的噪聲級(jí)，就達(dá)到了降噪的效果。這也就是聲屏障的基本原理。

圖1 聲波傳播路徑

圖2 聲波繞射路徑

2 聲屏障材料研究

如果從聲屏障材料的角度研究分析，聲屏障一般分為混凝土、有機(jī)玻璃、泡沫金屬和光伏等種類。

2.1 混凝土聲屏障

混凝土聲屏障是國(guó)內(nèi)外交通聲屏障中最常用的一種。該聲屏障主要的優(yōu)點(diǎn)是成本低、人工等維護(hù)費(fèi)用低，并且堅(jiān)固、牢靠，同時(shí)，兼顧色彩度、形狀和文理裝飾等方面的自由度。王武祥等人詳細(xì)研究了吸聲隔聲砌塊、超輕陶粒砌塊和單元式吸聲砌塊在隔聲聲屏障中的應(yīng)用。范錦忠分別比較了陶粒混凝土

砌塊、玻璃穿孔板、玻璃鋼穿孔聚笨夾層板，并發(fā)現(xiàn)用于道路聲屏障的陶粒混凝土砌塊吸聲功能最好。陸季平在研究德國(guó)、法國(guó)、瑞士等國(guó)外的混凝土聲屏障時(shí)發(fā)現(xiàn)，混凝土多采用多孔、微孔、添加顆粒等結(jié)構(gòu)。這幾種結(jié)構(gòu)使混凝土吸聲屏障具有良好的吸聲性能，并且外形美觀、耐候性好，在歐美作為交通聲屏障被廣泛使用。

2.2 有機(jī)玻璃聲屏障

有機(jī)玻璃聲屏障一般為透明隔聲屏障，透明聲屏障在很大程度上可以減少駕駛員的空間壓抑感。與混凝土聲屏障相比，其景觀效果也改善了很多。上海申華聲學(xué)裝備有限公司與同濟(jì)大學(xué)合作研制的吸聲屏體主要由2層間距為120 mm的PC板組成，現(xiàn)已被應(yīng)用于上海內(nèi)環(huán)線高架道路和延安路高架橋上，其平均隔聲量為23.5 dB。徐碧華等人在研究上海外環(huán)線同濟(jì)路段采用雙層玻璃的聲屏障時(shí)發(fā)現(xiàn)，該聲屏障平均隔音量為30 dB以上，使用后可降低噪聲5～10 dB，并且造型美觀、安全耐用。國(guó)外采用聚甲基丙烯酸酯材料做聲屏障，其隔聲量達(dá)到32～34 dB，能夠滿足聲屏障隔聲的要求，同時(shí)，還具有較好的景觀效果。但是，因?yàn)橛镁奂谆┧狨ァ摶ＡУ炔牧现瞥傻耐该髀暺琳显靸r(jià)比較高，所以，僅可用于某些對(duì)透明度有特別要求的特殊地段，并不宜普遍推廣使用。

2.3 泡沫金屬聲屏障

泡沫金屬聲屏障使用的材料質(zhì)量輕、透明、易安裝、隔聲性能好，能夠滿足可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境要求，所以，近年來(lái)被廣泛使用。梁李斯等人研究沈陽(yáng)高速公路聲屏障時(shí)發(fā)現(xiàn)，閉孔泡沫鋁聲屏障與普通百葉聲屏障相比，降噪效果明顯；同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所龔農(nóng)斌采用在泡沫鋁板背面復(fù)合薄膜形成復(fù)合板吸聲結(jié)構(gòu)，可以大幅提升其低頻吸聲性能。由此可知，泡沫鋁板是一種綜合性能優(yōu)異的吸聲材料。在采用薄膜復(fù)合的吸聲結(jié)構(gòu)形成各種噪聲控制器件后，其聲學(xué)性能并不亞于常規(guī)的纖維性和多孔性阻性吸聲材料。

2.4 光伏聲屏障

隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣，光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。在高速道路兩邊安裝光伏組件，一方面，能夠達(dá)到降低噪聲、發(fā)電的目的；另一方面，能進(jìn)一步降低光伏系統(tǒng)的發(fā)電成本。由此可知，光伏聲屏障的研究和應(yīng)用有巨大的發(fā)展前景和市場(chǎng)潛力。20世紀(jì)80年代末，歐美等國(guó)開始研究和建造光伏聲屏障系統(tǒng)，并致力于在多條高速公路上實(shí)踐應(yīng)用。1989年，瑞士沿A13高速公路安裝了第一套太陽(yáng)光伏聲屏障系統(tǒng)；1998-12，荷蘭在高速公路旁運(yùn)行太陽(yáng)電池組件組成的光伏聲屏障系統(tǒng)，取得了很好的效果。尹忠莉等人在研究光伏聲屏障時(shí)指出，如果按路面寬24 m、總長(zhǎng)50 000 km的高速公路計(jì)算，可利用的總面積達(dá)1 200 km2（S=0.024×50 000=1 200 km2）。如果將光伏模塊安裝在陽(yáng)光充足的地區(qū)，每平方米最高效的光伏模塊每年將發(fā)電1 000 kW·h。按平均每平方米發(fā)電量為200 kW·h、可利用面積為1 000 km2計(jì)算，則全年發(fā)電量為2×1011 kW·h，相當(dāng)于3個(gè)三峽水電站的發(fā)電量。

3 聲屏障結(jié)構(gòu)形式

除了聲屏障的材料構(gòu)成，聲屏障的結(jié)構(gòu)形式也對(duì)降噪效果有很大的影響。目前，在用的結(jié)構(gòu)形式有直立形、Y形、倒L形、T形、箭形、折板形或圓弧頂端形。此外，還有較為復(fù)雜的鹿角型，如圖3所示。

3.1 直立式聲屏障

在眾多結(jié)構(gòu)聲屏障中，形式最簡(jiǎn)單的就是直立式聲屏障，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、降噪效果比較弱。劉延等人通過(guò)對(duì)聲屏障的仿真研究發(fā)現(xiàn)，直立形聲屏障比T形、Y形聲屏障降噪效果弱5～7 dB。

3.2 T形聲屏障

1980年，May和Osman等人首先得出“T形屏障比普通屏障具有更好的聲學(xué)性能”的結(jié)論；而Hothersall等人采用數(shù)值計(jì)算和縮尺模擬試驗(yàn)方法研究得出，相對(duì)于高度相同的普通屏障，T形屏障插入損失增大2～3 dB。

3.3 圓弧頂端形聲屏障

毛東興等人對(duì)帶有頂部吸聲柱體的微穿孔聲屏障做了模型試驗(yàn)，并將這種聲屏障應(yīng)用于城市高架道路上。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，這種聲屏障可以達(dá)到7 dB（A）的降噪效果。宋國(guó)平等人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)輕質(zhì)材料弧形聲屏障，噪聲聲級(jí)減少了5～12 dB（A）。

3.4 Y形及鹿角形聲屏障

Y形結(jié)構(gòu)降噪效果比較好，與直立式結(jié)構(gòu)相比，在采用剛性材料和吸聲材料時(shí)，分別可增加插入損失2.9 dB和3.4 dB；鹿角形結(jié)構(gòu)是通過(guò)對(duì)Y形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化發(fā)展而來(lái)的，設(shè)計(jì)者在Y形結(jié)構(gòu)的上部?jī)?nèi)側(cè)添加2個(gè)分支來(lái)完成。這種結(jié)構(gòu)能夠再次屏蔽噪聲，并且降噪效果優(yōu)于Y形。

目前，廣泛使用鹿角形結(jié)構(gòu)的國(guó)家是日本，其降噪效果顯著。但是，陳繼浩等人在聲屏障結(jié)構(gòu)研究中指出，Y形和鹿角形結(jié)構(gòu)的表面不覆蓋吸聲材料時(shí)，其附加插入損失有較大的優(yōu)勢(shì)。如果在表面覆蓋吸聲材料后，Y形和鹿角形聲屏障與其他形狀的頂部結(jié)構(gòu)相比，降噪效果就沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì)了。與T形結(jié)構(gòu)相比，鹿角形頂端結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些。目前，在這方面我國(guó)還處于起步階段。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)公路事業(yè)的迅猛發(fā)展，公路交通噪聲污染也成為了環(huán)境治理的重點(diǎn)，而現(xiàn)有的聲屏障擁有量已經(jīng)非常大了。雖然聲屏障的材料和結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但它們只是在外觀上作了改變，功能上、原理上并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。因此，如何有效利用城市干道旁邊的建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，使其在兼具風(fēng)景墻功能的同時(shí)也能在吸聲、吸塵方面發(fā)揮功效，將是今后聲屏障發(fā)展的重要方向。

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〔編輯：白潔〕