道路斜角式聲屏障的設計與反射噪聲控制

文劍鋒，蔣嚴波

道路斜角式聲屏障的設計與反射噪聲控制

文劍鋒1，蔣嚴波2

（1.湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙410000；2.廣西壯族自治區(qū)公路橋梁工程總公司，廣西南寧530001）

目前我國的道路聲屏障設計主要解決噪聲的直接污染，對噪聲的繞射污染、噪聲的透射污染作了部分考慮。而對于噪聲的反射污染考慮相對較少；同時從聲屏障結構形式上看，以直立式為主。這不可避免地在一定程度上惡化了行車區(qū)域內(nèi)的聲環(huán)境和視覺環(huán)境。本文針對上述問題，提出了道路斜角式聲屏障的解決方案，在滿足繞射和透射污染的控制基礎上，解決對反射噪聲的控制問題。并通過對斜角式聲屏障最優(yōu)降噪效益角度的分析，初步完成了斜角式聲屏障的結構設計。

道路；噪聲控制；道路斜角式聲屏障；反射噪聲；降噪效益角度

引言

道路兩側未設聲屏障時，交通噪聲直接到達接受點，形成噪聲的直接污染；噪聲點與接受點之間設置了聲屏障以后，聲波的傳播可以通過以下幾種途徑到達接受點形成間接污染：越過聲屏障頂部的噪聲繞射污染、聲屏障的噪聲反射污染、以及穿過聲屏障的噪聲污染透射。噪聲繞射污染主要與聲屏障的垂直高度有關；噪聲透射污染主要與聲屏障的材料性質(zhì)有關；而噪聲反射污染不僅與聲屏障的垂直高度、聲屏障的材料性質(zhì)有關，更主要的取決于聲屏障的幾何構造。

本文根據(jù)目前我國道路噪聲防護的優(yōu)缺點分析，提出道路斜角式聲屏障，在滿足傳統(tǒng)聲屏障繞射和透射污染控制的基礎上，解決傳統(tǒng)聲屏障忽略對反射噪聲的控制的問題，并通過對斜角式聲屏障最優(yōu)降噪效益角度的分析，初步完成了斜角式聲屏障的設計。

1 道路聲屏障現(xiàn)狀

1.1 聲屏障的發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)交通噪聲所采用的防護分直立式聲屏障、半封閉式聲屏障以及全封閉式聲屏障三種類型。對公路或城市道路，主要采用前兩種聲屏障形式。

1.2 目前道路用聲屏障存在的設計缺陷

傳統(tǒng)道路聲屏障，主要解決噪聲直接污染，通過設置聲屏障的垂直高度來控制噪聲的繞射污染。對于噪聲的反射污染和透射污染的考慮較少，存在以下缺陷。

1.2.1 忽略對反射噪聲的控制

目前的降噪模型，聲波在兩側聲屏障之間的反射所形成的噪聲。首先，當?shù)缆穬蓚仍O置，聲波會在兩側聲屏障之間產(chǎn)生反射現(xiàn)象，降低行車的安全性和舒適性。其次，反射聲波越過聲屏障頂端，在道路兩側聲屏障外產(chǎn)生噪聲污染，與繞射噪聲和透射噪聲共同構成間接噪聲。

1.2.2 彎道處行車視距的充分度

聲屏障的設置顯然會影響到道路交通的行車視距，在道路平面上的彎道處布置聲屏障有可能造成彎道內(nèi)側行車視線不足。

1.2.3 舒適度與采光量

傳統(tǒng)聲屏障，在行車區(qū)域產(chǎn)生光影區(qū)，司機易產(chǎn)生視覺錯覺，影響行車安全。同時，單調(diào)的墻、板，會給人們造成壓抑感，而非透明材料的聲屏障，會影響汽車司乘人員的視線。

2 道路斜角式聲屏障的設計

文獻［1］曾按聲學元件的不同提出了擴散反射型和吸聲共振型兩類模型。但在目前的技術情況下，聲屏障材料的實際吸聲系數(shù)1-|Rθ|2不等于1，能量反射系數(shù)|Rθ|2不等于0［2］。故用這種理論提出的模型有其局限性。筆者根據(jù)斯涅耳（Snell）定律，首次提出了斜角式聲屏障的概念，通過對聲屏障平面與地面的夾角——降噪效益角度進行理論推導，實現(xiàn)降噪效果的優(yōu)化控制。

2.1 斜角式聲屏障的聲學原理

如圖1所示，在道路的兩側布置聲屏障后，聲波在傳播的過程中遇到聲屏障平面，會按照斯涅爾定律發(fā)生反射，入射線與反射線的夾角隨入射點位置的升高而增大，傳播到界面的聲波就會被分解成許多比較弱的反射聲波。在聲屏障界面與地平面之間設置一個斜角，并根據(jù)斯涅爾定律確定該斜角（本文將其定義為降噪效益角度）的范圍，使聲屏障接受面上的大部分聲波經(jīng)一次反射后即進入聲屏障頂部上空，從而屏蔽直射聲波，又減少因設置聲屏障而在行車線內(nèi)外所產(chǎn)生的大量反射聲波，隔聲構件稱為斜角式聲屏障。

圖1 斜角式聲屏障

2.2 道路等效聲源高度、等效車身高度的規(guī)定

等效聲源的高度根據(jù)道路上行駛車輛的車型比、各類型車輛的平均聲功率級和各類型車輛的聲源高度統(tǒng)計資料，按如下辦法綜合確定。［3］

道路等效聲源高度Hs按下式計算：

Hs=1.5B+1.0S+0.8L

式中：B——普通汽車、載重汽車、鉸接車比例%；

S——小客車比例%；

L——小汽車比例%。

道路等效車身高度Hm按下式計算：

Hm=4B+2S+1.6L

式中：B——普通汽車、載重汽車、鉸接車比例%；

S——小客車比例%；

L——小汽車比例%。

2.3 斜角式聲屏障的結構參數(shù)設計

道路斜角式聲屏障的結構參數(shù)設計，除確定聲屏障的位置、聲屏障的高度以及聲屏障的有效長度，還需設計聲屏障斜角。

2.3.1 斜角式聲屏障的位置、設計接受點

傳統(tǒng)理論在聲屏障位置的布置問題上，主要考慮了行車安全和道路景觀等因素，一般根據(jù)需要設置聲屏障地段的具體情況而定。國外規(guī)定［4］，聲屏障距行車道邊的最小距離（包括路肩）約9.0m。我國一般規(guī)定聲屏障中心線距路肩邊緣不小于2.0m［3］。斜角式聲屏障的位置，參照傳統(tǒng)聲屏障位置的設置。接受點一般根據(jù)道路兩側建筑物噪聲敏感點的調(diào)查資料。

2.3.2 斜角式聲屏障高度的確定

設計時在滿足噪音衰減量的前提下，應努力使屏障的高度既經(jīng)濟又合理。同時，為了降低聲屏障的風荷載，聲障板（墻）的高度一般不宜超過5m［5］。斜角式聲屏障的垂直高度設計亦采用這一方法。

2.3.3 斜角式聲屏障有效長度的確定

道路聲屏障有效長度的確定應當滿足聲源經(jīng)過聲屏障頂端繞射傳至接收點的聲級值遠高于聲源在聲屏障范圍以外傳至接收點的聲級值的設計原則。聲屏障的有效長度應大于其保護對象沿道路方向的長度，同時兼顧保護對象的性質(zhì)、規(guī)模和聲屏障的造價等因素［6］。

2.3.4 斜角式聲屏障的角度設計

斜角式聲屏障的角度設計是其降噪設計的關鍵。在不影響繞射、透射噪聲控制的條件下，通過斜角式聲屏障的角度設計來實現(xiàn)道路行車線內(nèi)、道路兩側的反射噪聲的控制，這個角度的范圍稱為降噪效益角度范圍。反射噪聲污染的控制，通過聲屏障斜角來實現(xiàn)。根據(jù)所需控制范圍，可分為行車線內(nèi)的反射噪聲控制和行車線外反射噪聲控制。

行車線內(nèi)反射噪聲污染控制角度推導，計算圖示見圖2。

圖2 線內(nèi)反射噪聲控制效益角度E的推導

斜角式聲屏障投影寬度L0，其高度為Hb，則可建立如下關系：

由反三角函數(shù)得：

同理，β推理得：

由α、β與E的關系得效益角度為：

按照式（4）對部分線內(nèi)降噪效益角度計算。

從行車線外反射噪聲污染控制角度推導，計算圖示見圖3。接受點（假設地平面為同一高度）的高度為Ha，入射點a點到b′的水平距離為2L0+L2，建如下關系：

圖3 線外反射噪聲控制效益角度E的推導

又因為聲源點的高度為Hs，到入射點a水平距離為L1+L2/ 2，建如下關系：

由反三角函數(shù)得：

由反三角函數(shù)得：

由α、β與E的關系得效益角度為：

按照式（9）進行部分線外降噪效益角度計算。

2.4 斜角式聲屏障與傳統(tǒng)直立式聲屏障隔聲效果的比較

通過計算和分析，采用與其它類型聲屏障相同構造材料、厚度、高度的斜角式聲屏障，隔聲量增大。直立式聲屏障、半封閉式聲屏障（豎直部分）是當斜角式聲屏障的斜角E等于90°時的一種特殊幾何形式。

3 斜角式聲屏障的優(yōu)缺點分析

3.1 反射噪聲的有效控制

行車線內(nèi)反射噪聲的控制：道路兩側設立斜角式聲屏障，聲波會在兩側聲屏障之間產(chǎn)生反射現(xiàn)象，聲波在聲屏障之間經(jīng)過少數(shù)幾次反射后便進入聲屏障頂端區(qū)域。降低了行車區(qū)域內(nèi)的噪聲強度，提高行車安全性和舒適性。

行車線外反射噪聲的控制：反射聲波影響區(qū)的下邊界位置抬高，在聲影區(qū)內(nèi)的影響范圍縮小，當斜角為降噪效益角度時，影響范圍消失，這對于道路兩側的聲敏感地帶的降噪效果提高。

3.2 其它性能優(yōu)化

斜角式聲屏障在彎道處的行車視距比傳聲屏障的行車視距要長，利于行車安全。斜角式聲屏障的幾何形狀為向上敞開的喇叭形，在行車區(qū)域所產(chǎn)生的光線陰影區(qū)小，改善視覺環(huán)境。

3.3 斜角式聲屏障的缺點及解決方案

斜角式聲屏障的理論占地面積較傳統(tǒng)聲屏障的用地面積增大。對此，可以充分開發(fā)利用其投影面地下空間，配合市政公用設施建設，實現(xiàn)土地資源綜合利用。

4 結論

本文針對目前我國道路噪聲控制措施存在的缺陷 （忽略了對反射噪聲的處理、惡化了行車區(qū)域聲環(huán)境和視覺環(huán)境，不利于交通安全與舒適），首次提出了“道路斜角式聲屏障”，在滿足繞射和透射噪聲污染控制的基礎上，利用傾斜的聲屏障將反射噪聲聲能疏散于聲屏障頂部空中，從而達到治理反射噪聲的目的。

本文通過道路斜角式聲屏障的位置、垂直高度、有效長度以及其最優(yōu)降噪角度確定原則的確定，初步完成道路斜角式聲屏障的結構設計。

［1］楊滿宏，羅宏劍.不同聲學元件在公路聲屏障中的應用.環(huán)境工程，1999（6）：41～53.

［2］馬大酋.現(xiàn)代聲學理論基礎.科學出版社，2002.

［3］交通部行業(yè)標準.公路聲屏障設計與施工技術規(guī)范.人民交通出版社，2004.

［4］CinnyFinch，EnvironmentalResearch：HelpingHighwayImprovethe QualityofLife，PublicRoads，Spring1995.

［5］章 力，鄭長聚.用菲涅耳半波帶法計算聲屏障的插入損失.聲學學報，1988（5）：299～335.

［6］張新華，天新浩，劉達德.160km/h準高速鐵路橋梁聲屏障聲學設計.噪聲與振動控制，1999（1）：30～34.

U291.12

A

2095-2066（2016）29-0193-02

2016-9-30

文劍鋒（1984-），男，工程師，本科，主要從事水工建筑設計和公路設計工作。