微孔砂質透水鋪裝材料吸聲降噪性能研究

唐 莉，劉東霞，尹紅燕

（重慶交通職業學院，重慶 402247）

1 引言

噪聲是指發聲體做無規則振動時發出的聲音，以波的形式在一定的介質（如固體、液體、氣體）中進行傳播。隨著我國城市化進程的不斷推進和街道路網的不斷完善，路面噪音已經成為無法忽視的問題，它干擾人們的睡眠、正常工作和生活，容易引起情緒的波動和記憶力的減退等，嚴重影響到附近居住區居民的身心健康。美國International Cellulose Corporation 公司研發的K-13Sprayer-on system 產品采用輕質骨料，強度高，耐久性好，吸聲系數可達0.68，但價格昂貴[1]。我國對路面噪音也有較全面的研究，但大多集中于瀝青和水泥混凝土路面，如徐皓[2]研究了材料孔隙率和粒徑對吸聲降噪性能的影響規律。微孔透水鋪裝材料的特點是內部存在大量連通且細微的孔隙，中高頻率的噪音在孔隙內部反復折射后，聲波的能量逐漸被消耗和吸收，因而具有良好的吸聲降噪性能。本文在介紹微孔透水鋪裝材料制備的基礎上，采用JTZB 駐波管系統研究透水鋪裝材料不同粒徑范圍、孔隙率、孔徑、鋪裝厚度及材料含水率對吸聲性能的影響，以期為降噪路面的設計提供參考。

2 試驗材料

2.1 原材料

以沙漠中的風積砂為面層骨料，經過水洗、篩分、高溫加工而成，其粒徑主要分布在70 目～200 目，不均勻系數約為1.35[3]，微孔生態透水材料對風積砂的使用要求見表1。

表1 風積砂使用要求

為保證透水滲濾性能，膠凝劑用量不宜過多，需要選用具有較好粘結性能的膠凝劑。根據實驗測試及分析，選用泰興廣樹化工科技生產的酚醛環氧樹脂F-51為主要膠凝劑，其活性大、結構緊密、耐熱性和耐化學品性能優良。固化劑由山東德源環氧科技有限公司生產，型號為DJ2421H，具有聚酰胺粘度高、柔韌性和抗腐蝕性良好、耐鹽霧強等優點。硅烷偶聯劑由曲阜晨光化工有限公司生產，型號為SiLane TM-KH-570，密度為1.043g/cm3～1.053g/cm3，純度≥97%。著色劑來源于西安浩天生物工程有限公司。

2.2 試驗制備

透水鋪裝材料按照質量法計算材料配合比。用感量為0.1g的電子天平稱量骨料、水及其他添加劑，攪拌至均勻，時長5min左右，然后摻入膠凝材料，使得原料黏結。試件規格（長×寬×厚）為100mm×100mm×20mm，將攪拌好的原材料注入預制模具內，振動壓實10s～15s，脫模成型后進入高溫養護箱進行初期養護，養護溫度為90℃左右，養護20min，高溫養護后常溫養護28d。

2.3 試驗方法

按照《駐波管法吸聲系數與聲阻抗率測量規范》（GBJ 88-85）和《聲學阻抗管中吸聲系數和聲阻抗的測量》（GB/T 18696.1-2004）的相關規定，采用北京天裕德科技有限公司生產的TYD-ZB 型駐波管吸聲系數測試系統測試法向入射聲波的吸聲系數。該系統采用了先進軟件技術，調整了管的參數，利用計數機聲卡發聲，配套軟件自動同步采集聲壓級，動態圖形及數字顯示測試值，自動計算吸聲系數，可有效消除次聲波的影響，同時生成吸聲特性曲線圖，并將計算結果和特性曲線轉存為生成報告所需的各種文件格式。圖1 為該駐波管吸音系數測試系統，主要由功率放大器、頻譜分析儀和駐波管組成，具有操作簡單、自動量程轉換、穩定性好、動態范圍寬等優點。

圖1 TYD-ZB型駐波管吸聲系數測試系統

3 微孔透水材料的吸聲機理

微孔透水鋪裝材料的吸聲性能與其內部眾多互聯互通的微孔隙有關，孔隙表面存在內部阻尼對聲音有粘滯損耗的作用[4]。外界聲波輻射到微孔透水鋪裝材料面層時，一部分聲波經材料表面反射后又繼續在空氣中傳播，一部分聲波進入到透水材料的微小孔隙內部。進入微孔中的聲波在孔中傳播時，帶動空氣運動產生黏滯和摩擦作用，使部分聲能逐漸轉化為熱能被消耗。在孔隙中的部分聲波經反射后又重新回到空氣中，部分聲波通過在大量孔隙中反復傳播后，能量逐漸被消耗殆盡。因此，微孔材料具備吸聲降噪的能量[5]，內部互聯互通的微孔越多，吸聲效果越好，如圖2 所示。

圖2 聲能傳播示意圖

根據能量守恒定律，入射聲能Ei、反射聲能Er、吸聲聲能Ea以及透射聲能Eτ之間的關系為：

評定材料吸聲性能的指標主要有吸聲系數、平均吸聲系數和降噪系數。其中，吸聲系數是被國際上用來評價材料吸聲性能的重要指標，為吸收聲能與透射聲能之和占入射總聲能的比例，用α表示。

α 值越大，表示被轉化并吸聲的聲能比重越大，材料的吸聲性能越好[6]。

4 結果與分析

材料粒徑范圍、孔隙率、孔徑、孔的開向、材料厚度和空氣流阻等都是影響微孔材料吸聲性能的關鍵因素[7]，下面分別對不同孔隙率、不同孔徑、不同厚度和不同含水率的微孔透水材料進行吸聲測試，并對結果進行分析。

4.1 孔隙率對吸聲性能的影響

選取試樣中孔隙率分別為12%、15%、18%的微孔透水材料，通過駐波管吸聲系數測試系統進行吸聲試驗。各組透水材料的吸聲系數如圖3所示。

圖3 不同孔隙率吸聲系數曲線

從圖3可以得知，孔隙率為12%～18%的微孔透水材料對頻率為400Hz～600Hz范圍內的噪聲吸聲系數較高，對800Hz 以上的噪音吸聲效果較為一般，吸聲系數在0.3左右。其中，孔隙率為18%的微孔透水材料吸聲系數最大，但與其他兩組相比優勢并不明顯。不同孔隙率的透水材料，因其骨料粒徑不同，對聲波輻射形成的流阻也各不相同。

4.2 孔徑對吸聲性能的影響

選取試樣中孔徑分別為50μm～150μm、150μm～250μm、250μm～350μm 的微孔透水材料，通過駐波管吸聲系數測試系統進行吸聲試驗。各組透水材料的吸聲系數如圖4所示。

圖4 不同孔徑吸聲系數曲線

從圖4可以得知，孔徑較大的透水材料消耗的聲能少，吸聲系數低；孔徑較小的透水材料吸收的聲能多，吸聲系數較高?？讖綖?0μm～150μm、150μm～250μm、250μm～350μm的微孔透水材料對頻率為400Hz～800Hz內的噪聲吸聲系數最高，對800Hz 以上的噪音，隨著噪音頻率的提高，吸聲系數不斷減小。其中，孔徑為50μm～150μm的透水材料孔徑較小，孔隙更多，吸聲系數最大達到0.74。

4.3 材料厚度對吸聲性能的影響

選取試樣中厚度為60mm、80mm、100mm 的微孔透水材料，通過駐波管吸聲系數測試系統進行吸聲試驗。各組透水材料的試驗結果如圖5所示。

圖5 不同厚度吸聲系數曲線

從圖5 可以得知，100mm 厚的微孔透水材料吸聲效果最好，吸聲系數最大為0.76，而厚度為60mm 的微孔透水材料，聲波進入后能順暢通過，與孔壁的有效摩擦減小，因而能量損失較少，自然吸聲效果就差。因此，較厚的微孔透水材料吸聲性能較好，適當增加材料厚度，可以有效改善微孔透水材料對低頻噪音的吸聲特性[8]。

4.4 材料含水率對吸聲性能的影響

選取試樣中含水率分別為5%、10%、15%的微孔透水材料，通過駐波管吸聲系數測試系統進行吸聲試驗。各組透水材料的吸聲系數如圖6所示。

圖6 不同含水率吸聲系數曲線

從圖6 可以得知，不同含水率的微孔透水材料對400Hz～1200Hz的噪音吸聲效果較好。其中，含水率為5%與含水率為10%的微孔透水材料對600Hz噪音吸聲系數最高，可達0.7 左右，整個吸聲曲線的走勢也較為相似；含水率為15%的微孔透水材料對噪音的吸收效果較為一般，最大吸聲系數僅為0.55。

5 結語

微孔生態透水材料因其內部具有眾多細密而連通的孔隙，對路面噪聲的吸收效果較好。通過TYD-ZB型駐波管吸聲系數測試系統測試法對微孔生態透水材料入射的聲波進行吸聲系數測試，結果表明，微孔透水材料對頻率為400Hz～1000Hz 的噪音吸收效果較好，對低頻的聲音吸聲效果一般。微孔透水材料的孔隙率為18%、孔徑50μm～150μm、厚度100mm、含水率在10%以下時對400Hz～800Hz 的噪音吸聲效果最好，吸聲系數均在0.6以上。較大的孔隙率和較大的厚度可使聲波在吸聲材料內部與孔隙壁發生多次反射和折射，聲波能量得到充分損耗，因此具有良好的吸聲性能。