聲屏障設計對住區(qū)道路交通噪聲影響的效果分析

吳秀琳，呂忠，吳曉林，余曉平，黃雪，石國兵

（1重慶市建筑科學研究院，重慶 400016；2重慶科技學院 建筑工程學院，重慶 401331）

0 引言

2011年3月，世界衛(wèi)生組織和歐盟合作研究中心公開指出噪聲污染已成為僅次于空氣污染、影響人體健康的環(huán)境因素[1]。城市居住區(qū)的噪聲源主要有道路交通噪聲、建筑施工噪聲、工業(yè)生產噪聲以及社會生活噪聲等，其中交通噪聲是影響住宅聲環(huán)境的重要因素[2]。隨著城市快速車道、高架路橋和軌道交通等不斷增多，交通噪聲污染呈現(xiàn)出新的增長趨勢，道路交通噪聲投訴事件逐年上升[3-4]。

城市軌道交通和公路高架線路的噪聲主要是輪軌噪聲和橋梁結構二次噪聲，其中以低頻成分為主。低頻噪聲是指頻率在500Hz以下的聲音，其中對人類影響較為明顯的主要為30～50Hz的頻率范圍，具有傳播距離遠、穿透性強、隨距離衰減量小的特點[5]。人體內器官固有頻率基本上在低頻和超低頻范圍內，很容易與低頻聲音產生共振，所以人很容易受到低頻噪聲影響從而感到煩惱、不適[6]。

居住區(qū)聲環(huán)境是指住宅室內、室外各種噪聲源，在住戶范圍內形成的對居住者在生理、心理造成影響的聲音環(huán)境[7]。居住區(qū)聲環(huán)境是居住區(qū)環(huán)境的重要組成部分，也是評價建筑室內聲環(huán)境質量的重要因素。聲屏障是一種降低噪聲影響的方式，聲屏障的作用是阻止直達聲的傳播、隔離透射聲，并使衍射有足夠的衰減。對于道路沿線的住宅建筑來說，應用聲屏障能夠有效降低交通噪聲對居住區(qū)的影響。本文以重慶某毗鄰道路交通干線的住宅小區(qū)為例，測試并分析小區(qū)周圍交通噪聲影響分布，探索通過聲屏障設計改善居住區(qū)周圍交通噪聲的治理方法。

1 項目概況分析

圖1 A、C小區(qū)周邊道路平面圖

由圖1所示，該住區(qū)四面被道路所包圍，其中A小區(qū)占地面積約50000m2，規(guī)劃住宅為洋房、高層，小區(qū)西面臨近城市快速主干道和城市軌道交通。城市快速主干道為雙向6車道，設計時速80km/h，軌道交通車型為山地B型車，6節(jié)車廂，行駛速度大約70km/h，其中快速主干道道路中心線距離小區(qū)的敏感建筑約45m，A小區(qū)與交通干道存在20m高差，與軌道線存在5m高差。C小區(qū)占地面積約40000m2，規(guī)劃住宅為別墅、洋房，小區(qū)周邊多條城市主次干道，其中東側50m為城市快速主干道，高速雙向4車道，設計時速120km/h，噪聲影響較大。

隨著城市版圖不斷擴張，交通的便利性成為驅動購房者購買的主要因素之一，因此房地產開發(fā)都十分重視項目的交通便利性。隨著城市軌道交通的發(fā)展，越來越多的住宅開發(fā)項目建設在軌道交通和城市主干道附近，加之人們對居住環(huán)境的關注，交通噪聲問題逐漸成為影響房地產開發(fā)品質的重要因素。該項目就是目前典型的輕軌站附近住宅開發(fā)項目。由于該項目處于兩條主干道之間，道路交通噪聲影響更加明顯，因此選取該項目進行住區(qū)道路交通噪聲的影響分析。根據(jù)項目環(huán)評報告數(shù)據(jù)顯示，A、C小區(qū)未達到二類住宅區(qū)聲環(huán)境條件要求，需要重新進行聲環(huán)境優(yōu)化設計。

2 噪聲影響分析

2.1 測量儀器及方法

為了深入掌握交通噪聲對住區(qū)聲環(huán)境的影響，進行了現(xiàn)場實測。現(xiàn)場測試采用CESVA SC310型實時頻譜分析一級積分聲級計，配套使用CESVA CB006型一級聲校準器和CESVA Capture Studio軟件（CCS）CCS噪音捕捉軟件。聲級計主要參數(shù)如表1所示。

表1 CESVA SC310型實時頻譜分析一級積分聲級計參數(shù)

現(xiàn)場選擇能反映該住區(qū)聲環(huán)境質量特征的若干個檢測點進行長期定點監(jiān)測，結合項目環(huán)評報告書，根據(jù)A小區(qū)周邊道路情況，重點選擇地塊西側臨近道路的堡坎上中部位置作為監(jiān)測點，如圖1所示。利用A聲級計權模式，測試不同交通工況下的交通噪聲狀況，利用CCS軟件，在電腦上將聲級計測量模式設置SLM模式，采用1/1倍頻測量分析，并把三個測量指標F1、F2、F3分別設置為LAT、LAF和LApeak， 間隔時間T設置為1min、30min后結束測量。

2.2 噪聲的特性分析

利用測量儀器測量無車輛通過時安靜的環(huán)境噪聲、軌道交通單獨通過時的噪聲值、大型貨車單獨通過時的噪聲以及20min內等效連續(xù)A聲級的噪聲監(jiān)測，得到不同工況下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如表2所示，檢測期間噪聲分布時變化特征如圖2所示。

表2 不同工況下A聲級噪聲檢測數(shù)據(jù)

圖2 檢測期間的噪聲分布時變化曲線

不同交通情況下周邊交通噪聲中低頻噪聲瞬時數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 低頻噪聲數(shù)據(jù)

由圖表可知，噪聲主要集中在2500Hz以下頻率，呈現(xiàn)中低頻噪聲特性，低頻成分豐富，峰值出現(xiàn)在63Hz頻率周圍。在中低頻段各頻率噪聲水平線比較平穩(wěn)，主要為軌道交通噪聲、機動車輛噪聲等所產生的低頻噪聲。通過現(xiàn)場診斷，該住區(qū)噪聲超標主要的噪聲源有以下兩方面：（1）城市軌道交通，這種聲音基本上屬于低音而且伴隨著振動；（2）城市主干道、城市高速路，道路噪聲疊加。道路呈上坡趨勢，車輛越多（重型車輛居多）、車速越大其噪音就越強。

3 道路交通噪聲的控制

3.1 小區(qū)噪聲控制目標

利用Soundplan噪聲預測評估軟件對小區(qū)周邊的噪聲邊界情況進行模擬分析，如圖3和表4所示。

圖3 小區(qū)噪聲邊界模擬

表4 A、C小區(qū)噪聲邊界條件模擬情況（dB（A））

由模擬分析可知，A小區(qū)西面存在交通主干道和輕軌線路，噪聲情況最嚴重，晝間噪聲值最高為69.8dB（A），而其他三面的噪聲值則相對低一些，在61～65dB（A）之間。通過與實測的結果進行對比，實際測量A小區(qū)西面晝間在20min時間內等效連續(xù)A聲級為69.1dB（A），與模擬結果差異較小，說明模擬結果可信。C小區(qū)該地塊四周為城市次干道，在地塊的東面存在一條城市快速通道，因此東面的噪聲最嚴重達到68.7dB（A），而其他三面的噪聲值則相對低一些，在57～64dB（A）之間。

考慮小區(qū)的實際地形情況，以晝間允許噪聲值作為設計降噪目標，結合現(xiàn)場聲環(huán)境實測數(shù)據(jù)，可取A小區(qū)西側交通噪聲70dB（A），C小區(qū)東側交通噪聲65dB（A）。A小區(qū)西側軌道交通噪聲峰值高達75 dB（A），該路段軌道噪聲在夜間11:00停止運營，對住戶夜間休息影響不大，因此，夜間軌道噪聲的影響可不作考慮。降噪量設計計算表如表5所示。

表5 降噪量設計計算表

3.2 噪聲控制策略

該住區(qū)的環(huán)境噪聲主要包括軌道交通、高速路機動車運行時的噪聲、二次輻射噪聲及機械噪聲等。設置聲屏障是降低該住區(qū)噪聲的有效措施之一，如圖4所示。

圖4 聲屏障的聲繞射原理圖

在聲屏障背部形成一個“聲影區(qū)”，使位于“聲影區(qū)”內的噪聲級低于未設置聲屏障時的噪聲級。降噪量的大小主要取決于聲源發(fā)出的聲波沿三條路徑傳播的聲能分配。聲屏障的作用就是阻擋直達聲的傳播，隔離透射聲，并使繞射聲有足夠的衰減。繞射聲衰減的大小與聲波的繞射角和聲波的波長有關，隨著繞射角的增大而增大，隨著波長的增大而減少。聲屏障設計中通常忽略聲屏障的透射聲影響，只考慮聲屏障邊緣的繞射作用，一般要求透射聲能比繞射聲能低得多，至少要求聲屏投射聲的傳聲損失比繞射聲能大于等于10dB。聲屏障隔聲效果如圖5所示。

圖5 A、C小區(qū)交通噪聲傳播分析圖

3.3 聲屏障設計計算

噪聲（線聲源）通過聲屏障繞射聲衰減△Ld是聲源、受聲點和聲屏障三者的幾何關系，其計算公式如下：

式中：f為聲波頻率，Hz；δ為聲程差，δ=a+b-d，m；c為聲速，m/s。

在A小區(qū)靠近輕軌和C小區(qū)鄰近主干道一側的建筑外分別選取5個噪聲接受處，具體的建筑位置如圖3所示，在A小區(qū)13#的1.2m、3.7m，14#的3.7m以及18#的1.2m、3.7m， 分別命名接收點1—5；在C小區(qū)56#的1.2m、3.7m ，58#3.7m，以及61#的1.2m、3.7m，分別命名接受點6—10。對各個接收點進行隔聲降噪量，計算無限長線聲源，無限長隔聲屏障繞射聲衰減△Ld的計算結果如表6所示。

表6 A、C小區(qū)圍墻處不同高度隔聲屏障降噪量理論計算值（dB（A））

由于實際生活中隔聲屏以及道路不是無限長的，故需要對表6中的△Ld進行修正計算，根據(jù)相關工程經驗，對具有地面覆蓋物吸聲作用的居住區(qū)，將敏感點端部的噪聲標準降低3dB來確定聲屏障長度，則有限長聲屏障的降噪量可按下式計算：

式中：a為聲屏障對接受點的遮蔽角；△L為聲屏障頂部繞射衰減量，dB（A）；x為聲屏障側向延伸長度與接受點至聲屏障的垂直距離之比值。

依據(jù)《聲屏障聲學設計和測量規(guī)范》中規(guī)定將依照下圖對△Ld進行修正，修正后的△Ld取決于遮蔽角β/θ，修正后的△Ld如表7所示。

表7 A、C小區(qū)圍墻處不同高度隔聲屏障降噪量修正計算值（dB（A））

3.4 降噪效果分析

在A小區(qū)緊臨近軌道線一側設置聲屏障，A小區(qū)與交通干道存在高差，場地高于交通線路的高度有利于降噪；在C小區(qū)靠近高速路一側設置聲屏障。經聲傳播路徑散射計算，降噪效果如表8所示。

表8 小區(qū)最不利區(qū)域降噪效果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，若在A小區(qū)緊鄰軌道線一側及小區(qū)圍墻均設置高度為6m的隔聲屏障，其晝間可滿足《聲環(huán)境質量標準》GB 3096-20082類區(qū)聲環(huán)境標準。若在C小區(qū)靠城市快速路一側及小區(qū)圍墻一圈均設置高度為5m的隔聲屏障，其晝間、夜間的降噪效果均能滿足 《聲環(huán)境質量標準》GB 3096-20082類區(qū)聲環(huán)境標準。

4 聲環(huán)境改善綜合策略

4.1 隔聲屏障設計

聲屏障的形狀設計。主聲屏障的形狀要包括直立型、折板型、彎弧型、頂部圓柱吸聲型、半封閉型及全封閉型等，如圖6所示。因小區(qū)的敏感點區(qū)域只從道路的單側上考慮降噪措施，故不存在完全封閉狀態(tài)。聲屏障的形狀選擇主要依據(jù)聲屏障的插入損失及現(xiàn)場條件決定。在一定高度的范圍內，聲屏障的插入損失與等效高度成正比關系。直立型聲屏障的等效高速與聲屏障本身高度等同，而折板型和彎弧形聲屏障的有等效高度從理論分析要高于本身高度。綜合生產安裝難度、成本、視覺效果和降噪效果等，該住區(qū)隔聲屏障采用產生漸變過程的彎弧型吸隔聲屏障比較合理。

圖6 不同類型隔聲屏障等效高度對比

隔聲屏障的材料選取。金屬聲屏障的減噪效果與噪聲的頻率成分關系很大，對大于2000Hz的高頻聲比800～1000Hz左右的中頻聲的減噪效果要好，但對于25Hz左右的低頻聲，則由于聲波波長比較長而很容易從屏障上方繞射過去，所以效果就差。由于交通噪聲中低頻噪聲對居住區(qū)聲環(huán)境影響較大，在材料選取時要綜合進行考慮，應加入吸收低頻噪聲的材料。低頻噪聲的吸聲更多的是采用共振吸聲結構，當入射聲波的頻率與共振吸聲結構的固有頻率一致時，共振吸聲結構就會發(fā)生共振現(xiàn)象，由于低頻聲波比高頻聲波容易激發(fā)共振，因此共振吸聲結構的主要吸聲頻帶在低頻[8]。采用鋁合金板作為聲屏障制作原材料，隔聲性能在30～35dB（A），為增加聲屏障板對交通噪聲中低頻的吸聲系數(shù)，可選擇容重高的多孔吸聲材料。在滿足隔聲要求的基礎上，也可在金屬聲屏障中部加透明屏體，選擇高透光率、便維護、壽命長、安全系數(shù)高的PMMA板（亞克力板）。

4.2 聲景觀設計

聲屏障設在小區(qū)邊界處，屬于小區(qū)景觀設計的一部分，在設計時，應從視覺以及生態(tài)兩個方面對聲屏障進行景觀設計。在視覺上，窗外的視野是否被遮蔽將極大地影響住戶的用戶體驗，聲屏障的設置選用透明材料為佳。由于住區(qū)交通噪聲污染較為嚴重，將會做較長的聲屏障，這樣勢必會使景觀環(huán)境產生單調以及不和諧的感覺，若將聲屏障與景觀綠植墻相結合，可與小區(qū)環(huán)境融合，減少壓抑感。隔聲屏障的長度則應使列車噪聲在隔聲屏障端部側向繞射影響盡量減少，同時也應滿足建筑限界和其它設施位置的需要，盡可能與周圍建筑物協(xié)調一致。

如圖7所示，結合景觀墻體+綠化種植+透明隔聲屏障（綠化隔聲屏障聲學效果：RW＞18dB，NRC＞0.5），三重隔聲措施相結合，最大程度地對住區(qū)聲環(huán)境起到隔聲降噪的效果，既能提升項目品質，又可提高住戶居住舒適度。

圖7 景觀聲屏障剖面示意圖

此外，隔聲屏障位置的設置還應滿足軌道線路安全距離、建筑限界和其它設施位置的需要，同時還應盡可能與周圍建筑物協(xié)調一致。設置隔聲景觀后，住區(qū)晝間交通噪聲影響基本滿足一類居住區(qū)晝間不大于55 dB（A）的要求、夜間不大于45 dB（A）的要求。

5 結語

道路交通噪聲污染對住區(qū)聲環(huán)境影響較大，噪聲源不穩(wěn)定，噪聲成分復雜，主要為低頻噪聲，難以治理。針對交通噪聲影響的控制，既要分析噪聲源特點，又要結合因地制宜的思想，采取阻隔、吸收等措施減小噪聲對居住環(huán)境的影響。

隔聲屏障是改善交通噪聲的一個重要方法，應用在交通噪聲的傳播過程控制中，通過分析噪聲的傳播途徑和噪聲特點，利用聲屏障加以控制和減弱。隔聲屏障的設計要根據(jù)實際的交通噪聲特點、影響范圍加以分析計算，在滿足住區(qū)聲環(huán)境質量要求的基礎上，從住區(qū)整體環(huán)境入手，利用景觀隔聲墻、綠化種植等技術，滿足人們的審美和采光等需求，實現(xiàn)功能和環(huán)境的結合。