利用膨脹珍珠巖吸聲的公路隧道局部降噪研究

王永東 劉洋 趙海平 劉曉 蔣海濤

摘要：為解決公路隧道內噪聲較大的難題，以關中環線將軍嶺隧道為例，通過理論分析和聲學軟件RAYNOISE構建了混凝土路面噪聲分布模型，并分析了隧道內聲壓級分布狀況。隨后以膨脹珍珠巖作為吸聲材料，在隧道尺寸和聲源位置確定的前提下，模擬了不同噪聲頻率下吸聲材料在不同鋪設位置的降噪效果，將不同因素控制下的降噪效果進行對比，得到了利用膨脹珍珠巖來進行隧道降噪時較有利的布置位置。結果表明：吸聲材料的降噪效果與噪音頻率有關，膨脹珍珠巖對中高頻率噪聲的降噪效果較好，當噪音頻率為500 Hz時膨脹珍珠巖的降噪效果最好，1 000 Hz次之，63 Hz最差;利用膨脹珍珠巖進行隧道降噪，工況1（全壁面鋪設）效果最好，500 Hz時平均降噪值為6.78 dB，比工況3（拱頂及隧道壁垂直向上3 m拱腰部位鋪設）高2.28 dB，比工況2（邊墻3 m以下部位鋪設）高4.3 dB。

關 鍵 詞：

公路隧道; 局部降噪; 膨脹珍珠巖; 噪聲頻率; 幾何聲學; 數值模擬分析

中圖法分類號： U453.82

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.026

1 研究背景

隧道是半封閉性結構物，聲波在隧道內會經過多次傳播與反射，交通噪聲在隧道內具有非常顯著的匯聚作用，從而使得隧道內部的噪聲衰減緩慢[1]，噪聲強度也遠高于隧道外部，特別是對于長大公路隧道來說，隧道內部噪聲的影響范圍更廣、影響程度更大。隧道內的高分貝噪聲環境不僅會給駕駛員帶來緊張和焦慮情緒，影響駕駛員的注意力和反應速度，增加行車安全隱患，而且會對隧道養護工作人員的聽力及正常交流產生影響。《聲環境質量標準》[2]中要求高速公路兩側的噪聲強度在晝間不大于70 dB，夜間不大于55 dB。因此，當長大公路隧道內的噪音強度高于該標準值時，就應該采取相應的降噪措施。

隧道噪音一直是影響隧道使用舒適度的重要因素之一，近年來國內外學者通過各種方式不斷進行研究。Li等[3-4]基于虛源法與能法，考慮波的相干性及空氣對聲波的吸收作用提出預測長空間內聲場衰減的模型;褚華峰[5]基于幾何聲學理論，運用RAYNOISE軟件研究了不同車型、車速和列車行駛狀態下隧道內外的聲場分布;朱文等[6]通過對重慶真武山隧道、中梁山隧道、北碚隧道、西山坪隧道進行現場測量，研究了水泥路面與瀝青路面噪聲聲壓級與頻譜特性的不同，并對隧道噪音進行了聲波識別;Ma等[7]基于3條隧道的現場實測結果，認為當隧道內交通量為100輛/h時，隧道內平均噪聲達到95 dB，隧道外噪聲在70 dB左右;王衛東等[8]對比分析了隧道內鋪設降噪材料前后的噪聲情況，提出在隧道內設置吸聲材料來降低隧道噪音;史小麗[9]研究了隧道內不同位置、不同數量的吸聲材料對隧道降噪的影響，并給出了吸聲材料的最佳布置方案和使用數量;張雪峰等[10-12]從聲音的波動特性入手研究了點聲源下隧道內的噪聲場分布，后又基于聲波干涉理論對隧道主動降噪聲場進行了研究，給出了主動聲源的最佳布置位置。

可以看出，針對隧道降噪問題，上述學者通過理論分析、現場實測及數值模擬等方法研究了隧道內噪音的分布特性，多數學者提出了在隧道內鋪設吸聲材料來降低隧道噪音強度的優化方案。現行隧道吸聲材料多在建筑常用多孔吸聲材料的基礎上加以改進[13]，如聚氨酯復合吸聲材料[14]、泡沫陶瓷[15]等，這些改進材料吸聲能力強，吸聲系數可達到0.7以上，但耐候性差、研制成本高，很難在隧道工程中得到大面積運用，故而價格低廉的膨脹珍珠巖材料得到了人們的青睞。膨脹珍珠巖水泥復合吸聲材料[16]、吸聲砂漿[17]等珍珠巖基復合材料不僅吸聲能力強，而且相對環保、耐火性強，是隧道降噪的理想材料，但膨脹珍珠巖密度大，鋪設時對施工要求較高。本文基于局部降噪理念，以膨脹珍珠巖降噪材料為例，從幾何聲學理論出發，研究在隧道內不同位置鋪設吸聲材料的降噪效果，從中選出最為有利的鋪設位置，以期能為公路隧道降噪技術的發展提供一定的參考。

2 局部降噪理念

“局部降噪”這一理念的提出和運用首先出現在石油天然氣工業噪聲治理中，通過在噪聲空間一定區域內設置吸聲材料或特定的降噪結構來降低建筑物內的噪聲，從而使建筑物內的聲環境條件滿足人們的日常需求。在隧道運營中，可以在車輛主要行駛路徑和檢修道上方檢修區等位置鋪設吸聲材料來降低隧道噪聲，從而使得隧道內的噪音強度滿足規范要求，達到局部降噪的目的。

3.3 仿真分析及試驗對比

在聲壓級監測斷面1的右行車道中心設置一個點聲源，聲源形式設為聲源1，研究小型車進入隧道時隧道內的噪音分布狀況，如圖5所示。當車輛進入隧道時，隧道橫斷面高壓聲場的分布具有明顯的不同，隨著車輛進入隧道，隧道內聲場從出口到入口經歷了發散、聚焦、左右分布、均勻分布的變化。入口處聲場橫截面呈現出明顯的發散分布特征，噪聲強度場存在明顯的分層現象，噪聲強度由聲源向四周逐漸降低，而隨著噪聲繼續傳播，聲音向隧道中心聚焦，高壓聲區由右行車道中心線逐漸靠近隧道中心，到隧道中部時，聚焦現象消失，高壓聲區向隧道右側轉移，出現左右分層現象，而當聲音傳播至隧道出口時，聲場已基本分布均勻，不存在明顯的高壓聲區。沿著隧道縱向，噪聲衰減很快，入口處的高壓聲區噪聲強度集中在85.66～87.35 dB，至監測斷面3（距聲源100 m）時，高壓聲區噪聲強度已衰減至56.54～57.47 dB，此時的噪音強度對隧道內通行車輛及工作人員已基本不產生影響。從隧道入口至隧道出口（500 m），最大噪聲強度由88.87 dB衰減到38.17 dB，噪聲衰減率達到了57%，隧道出口的噪音強度遠低于規范的要求。由此可見，對于單車通行的隧道，其內部噪音分布情況是可以接受的。

RAYNOISE中線聲源的聲壓級功率是由該線聲源上的n個點聲源功率疊加而來，考慮到隧道行車的實際情況，取點聲源數量為10，點聲源間距為50 m，按2.2節設置聲學邊界條件和噪聲源強，隧道模擬雙車道按照小型車、中型車和大型車共設置6條相互獨立的線聲源，線聲源持續作用下隧道內各監測斷面的聲壓級分布情況基本一致，故以聲壓級監測斷面1為例研究不同噪音頻率下隧道內車輛持續通行時的噪音分布狀況，如圖6所示。從圖中可以發現不同頻率下“噪聲優勢車型”不同，63 Hz時聲源等效中心位置最高，約1.8 m，此時大型車噪聲占優，高聲壓區主要分布在距離地面1.0～2.0 m拱腰范圍內，橫截面平均噪聲強度約78.65 dB;500 Hz時有2個聲源中心，聲源等效中心位置距離地面分別約0.3 m和0.8 m，此時中、小型車噪聲占優，高聲壓區集中在0.2～1.6 m，橫截面平均噪聲強度約79.14 dB;1 000 Hz時聲源等效中心位置最低，此時小型車噪聲占優，高聲壓區主要分布在距離地面0.1～0.8 m拱腰范圍內，橫截面平均噪聲強度約80.66 dB，可見隧道內噪聲強度隨噪聲頻率增加，高頻率聲波產生的噪音強度更大。隧道內聲場沿路面中線對稱分布，從同一行車道上3條線聲源等效中心向四周發散，其中63 Hz時聲源等效中心位置最高，高聲壓區分布擴散范圍最廣。低聲壓區主要集中于拱頂部位及隧道壁邊界上，相鄰頻段低聲壓區噪聲強度相差1.00 dB左右。相比于單車同行，線聲源作用下的隧道噪音更高，分布差異性更大，其中以1 000 Hz為最，此頻率下聲壓級最大值達到了89.13 dB，比最小值高17.54 dB，遠遠超過規范的要求，有必要采取必要的降噪措施。

為確保所建立計算模型的準確性，基于現場試驗對模型進行了驗證。現場實測選址在陜西107省道關中環線將軍嶺隧道，隧道全長999.56 m，車流量適中，適合進行隧道噪音現場測量。測量時間從07：00持續到20：00，07：00～09：00和18：00～20：00時間段內隧道內的交通量較小，車輛間距較大，其他車輛對單車噪聲的干擾性很小，此時可以測試不同車型經過時各測點的等效聲壓級。整條隧道共設置4個測點，測點1位于隧道入口外50 m;測點2位于隧道入口內100 m;測點3位于隧道中間位置;測點4離隧道出口內100 m處，測點高度均為1.6 m，測量過程中各測點同步采集。通過對不同車型的實測交通噪聲進行頻譜分析，可以發現大型車的噪聲強度隨聲音頻率的降低大體呈上升趨勢，頻率越低，噪聲強度越高，高強噪聲主要集中在125 Hz以下的低頻段，而中小型車的噪音強度隨噪音頻率增大先增后減，大體呈現中間高兩邊低的發展趨勢，高強噪聲主要集中在500～1 000 Hz頻段。125 Hz以下的低頻段內大型車的噪聲聲壓級高于中小型車，其最高聲壓級達到88.5 dB，現場實測數據變化趨勢與丁真真[20]的研究結果基本一致。實測過程中各車型以測點2聲壓級最高，如圖7所示。

將小型車噪聲源（聲源1） 作用下聲壓級監測面2內不同噪聲頻率下各測點等效聲壓級仿真結果與實測結果對比，如圖8所示。可以發現，實測噪聲強度稍高于模擬結果，這是因為聲壓級測試具有隨時間和空間變換的偶然性，在進行現場噪聲強度測量時不能有效排除外界干擾噪聲如車輛喇叭聲（在數值建模時汽車正常勻速行駛，不考慮在行駛過程中暫停或鳴笛）等的影響，而仿真模擬則是處在一個相對理想的環境中。對比兩者的發展趨勢可以發現仿真結果與實測結果噪聲分布情況基本保持一致，可以驗證該仿真模型的實用性。

4 局部降噪工況設定及結果分析

研究表明，在膨脹珍珠巖厚度為5 cm時，噪聲頻率為63，125，250，500，1 000，2 000 Hz時對應的吸聲系數分別為0.16，0.46，0.64，0.48，0.56，0.56[9]。根據隧道模型的特點，忽略吸聲材料厚度的影響，只考慮材料布置位置對隧道降噪效果的影響。設定工況1為在隧道內壁全部鋪設膨脹珍珠巖;工況2在隧道兩邊從路面開始沿邊墻鋪設高度為3.0 m的膨脹珍珠巖;工況3在隧道拱頂及拱腰位置（從地面起算垂直高度3.0 m以上部位）布置膨脹珍珠巖。隧道路面和隧道內壁面未布置膨脹珍珠巖的位置均設定為水泥混凝土材料，吸聲系數按上文設定。

丁真真[20]、汪贇等[21]的研究表明：小型車噪聲的峰值中心頻率為1 000 Hz;中型車噪聲的峰值中心頻率為500 Hz;大型車噪聲的峰值中心頻率為63 Hz。當汽車行駛速度大于40 km/h時，小中型車產生的噪聲能量主要集中在1 000～2 000 Hz;當車速在60 km/h以下時，大型車產生的噪音能量主要集中在250 Hz以下范圍內。基于此，本文主要研究噪聲頻率為63，500，1 000 Hz時膨脹珍珠巖在隧道內不同布置位置的降噪效果。改變隧道內降噪材料的鋪設位置，可得到工況1，2，3作用下隧道的噪聲分布情況，與不采取降噪措施時的隧道噪音強度相比，不同工況下各聲壓級監測面的噪音強度均有不同程度的降低，取各監測面觀測點聲壓級降低值的算數平均值作為該聲壓級監測面的聲壓級降低值，則平均噪聲降低值變化情況如圖9所示。

可以發現，噪音頻率對吸聲材料的降噪效果有較大的影響。對本文選取的膨脹珍珠巖來說，在噪音頻率為500 Hz時降噪效果最好，1 000 Hz次之，63 Hz最差。在各種工況中，噪聲頻率為500 Hz和1 000 Hz時降噪效果比較接近，平均噪音降低值隨距離的變化趨勢也基本相同，都具有先升后降再升的趨勢，這種現象在工況1條件下表現得尤為明顯。工況1作用下膨脹珍珠巖的降噪效果最好，在該工況下，頻率在500 Hz和1 000 Hz時噪音平均降低值隨距離的變化趨勢幾乎完全一致，500 Hz頻率下的平均噪音降低最高值為6.78 dB，比1 000 Hz高0.49 dB，比63 Hz高4.06 dB，這是由聲波的波動特性和膨脹珍珠巖基材料的物理構造決定的。珍珠巖是多孔無機材料，材料內部存在大量相互連通的空隙與孔洞，傳入氣孔的聲波一方面會裹挾空氣運動與孔壁產生摩擦，在空氣黏滯作用和熱傳遞作用下，使聲能轉化為熱能被消耗;另一方面，未被消耗的聲波會在氣孔內迂回的發生反射或散射，部分聲能反射回聲場所在空氣中，其余的反射回材料內部，引起孔壁振動，聲波與材料這樣反復地交互作用，達成動態平衡時，部分聲能就被材料所吸收。而高頻噪聲相比于低頻噪聲震動快，空氣介質疏密變化次數頻繁，微孔內空氣的動能-熱能轉換快，聲能消耗大，故而降噪效果好。因而對中小型車輛通行較多的隧道，采用膨脹珍珠巖基材料降噪是極為可行的。

在同一噪音頻率的工況1，2，3中，工況1的降噪效果最好，工況3次之，工況2最差。工況1，2作用下，在噪音頻率為500 Hz和1 000 Hz時平均噪音降低值隨著距離隧道入口的距離均呈現出明顯先升后降再升的趨勢，噪音降低峰值出現在隧道中部左右，工況3的變化趨勢則相對滯后，降噪峰值出現在距離隧道出口300 m位置處。隧道噪音降低的“中峰”現象是因為在車輛駛入隧道的過程中，傳入隧道的噪聲能量不斷被隧道內壁鋪設的吸聲材料吸收，在隧道中間部位吸收量達到峰值，隨著車輛行駛到中部，噪聲能量積聚無法擴散，從而大部分能量會被吸聲材料吸收，進而出現較大的降噪量，但一旦超過材料性能極限，降噪效果就會變差。

在3種噪聲頻率中，工況1降噪效果最大，在噪聲頻率為500 Hz時，工況1的噪音最大降低值為6.78 dB，工況3為4.50 dB，工況2為2.48 dB。工況3（隧道拱頂及地面3.0 m以上拱腰部位）降噪效果較工況2（從路面開始沿邊墻鋪設3.0 m）好，這可能和隧道建筑輪廓有關，由于隧道內反射聲波不易消散并且隧道頂面的弧形結構對聲波有匯聚效果，在隧道頂面鋪設降噪材料有利于減少匯聚聲波的聲能量，從而減小隧道的噪聲“聚焦”現象，反射聲波的能量能夠得到最大程度的消減。故而將吸聲材料鋪設在拱頂時能更有效地降低噪音。

5 結 論

（1） 吸聲材料的降噪效果與噪音頻率有關，膨脹珍珠巖對中高頻率的噪音場降噪效果較好。當噪音頻率為500 Hz時降噪效果最好，1 000 Hz次之，63 Hz最差。噪聲頻率集中在500～1 000 Hz時，采用膨脹珍珠巖的隧道降噪效果略有區別，相差不大。

（2） 在隧道內鋪設吸聲材料時，較為有利的布置位置是隧道拱頂及地面3.0 m以上拱腰位置（工況3）。 隧道內全部鋪設吸聲材料（工況1） 的降噪效果最好，但費用最高;隧道兩邊從路面開始沿隧道壁鋪設高度為3.0 m的吸聲材料（工況2） 降噪效果最差;隧道拱頂及地面3.0 m以上拱腰位置（工況3） 最為經濟，降噪效果也相對較好。500 Hz頻率下，工況1的降噪平均值為6.78 dB，工況3降噪平均值為4.50 dB，工況2的降噪平均值為2.48 dB。

（3） 本文在進行模擬計算時假定隧道內的同種類型的車輛具有相同的車速和頻率，而實際上車輛在隧道內行駛時的速度與振動頻率大不相同，多組不同頻率與移動速度的混合聲源作用下隧道內噪聲場分布規律尚未研究。同時，本文是基于三心圓式隧道內進行隧道降噪研究，但隧道形狀眾多，除了三心圓，還有矩形、圓形以及圓形結合直墻、曲墻等，噪音在其他不同結構尺寸與隧道斷面形狀內的分布方式和噪音優化有待于進一步研究。

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（編輯：胡旭東）