多孔瀝青混合料降噪的細觀模擬與宏觀試驗

孫俊鋒，張海濤，于騰江，劉作強

(東北林業大學土木工程學院，哈爾濱 150040)

現代工業的發展、汽車數量的劇增，使道路交通噪聲尤其是城市道路交通噪聲成為較為嚴重的環境污染問題[1-2]。國內外學者從噪聲源、傳播途徑、受聲點等方面進行降噪控制的研究和應用形式多種多樣[3-4]。它們均有優缺點和適用條件[5]。因此考慮瀝青路面材料本身的影響因素，使其降低車輛行駛產生的噪聲是最為經濟有效的方法。

Knabben等[6]采用阻抗管評價了4種瀝青混合料的吸聲行為，結果表明，瀝青混合料的吸聲性能受粒徑和互連孔隙率的影響最大。Alber等[7]通過CT掃描獲取了多孔瀝青混合料微觀結構的空間參數，探討了孔隙幾何形狀和聲學特性之間的關系。徐皓等[8]和王輝等[9]提出了一種測量多孔瀝青混合料吸聲系數的裝置，評價了多孔瀝青路面在降低交通噪聲方面的應用潛力[8-9]。Gao等[10]通過三維模型的構建獲取了排水瀝青混合料的細觀結構特征，提出了吸聲系數和孔隙率參數的預測模型。Yang等[11]通過研究得出微觀空隙特征參數對材料的抗剝落性、滲透率、連通空隙率和降噪等性能有重要影響，而且等效孔隙直徑和面積對瀝青混合料的性能影響最大。以上學者的研究都表明了多孔瀝青混合料可以降低路面噪聲，視為“Quiet Road”。但是他們的研究沒有從聲學角度考慮瀝青路面吸聲性能的影響因素，也沒有從細觀角度解釋瀝青混合料的降噪特性。

當噪聲聲波入射到瀝青路面時，對于多孔瀝青路面，其內部大量連通孔隙使聲波不斷地發生折射、反射、衍射等物理現象，進而達到降噪效果。對于密級配路面，大部分聲波直接反射到周邊環境中，造成噪聲污染，只有少數因試件表面結構粗糙使聲波在路表面發生漫反射和干涉現象。在此基礎上，研究瀝青路面的吸聲原理很有意義。因此，本研究借助先進的多物理場耦合軟件，從聲學的角度進行瀝青混合料的細觀降噪模擬分析，從而探討瀝青路面，尤其是多孔瀝青路面的吸聲原理，使其更好地發揮功能性。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

1.1.1 高黏改性瀝青

選用90#基質瀝青和4%SBS、9%TPS改性劑復合制備高黏改性瀝青，技術指標如表1所示。

表1 高黏改性瀝青技術指標Table 1 Technical indexes of high viscosity modified asphalt

1.1.2 集 料

試驗中使用的集料均符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)中瀝青混合料用粗、細集料的質量技術要求，技術指標如表2所示。

表2 集料技術指標Table 2 Technical indexes of aggregates

1.1.3 礦 粉

試驗中使用的礦粉技術指標如表3所示。

表3 礦粉技術指標Table 3 Technical indexes of mineral powder

1.1.4 纖 維

試驗中使用的木質素纖維技術指標如下:長度小于6 mm;灰分質量分數為18%±5%;pH為7.0±1.0;吸油量小于5倍自身質量;含水率小于5%;耐熱范圍為230～280 ℃。

1.2 瀝青混合料的配合比設計

本研究根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程(JTG E20—2011)》對上述3種級配瀝青混合料進行配合比設計。其中，AC-13在高黏改性瀝青下的最佳瀝青用量(質量分數，下同)為5.3%，SMA-13為6.5%，OGFC-13為4.3%。根據SMA-13的級配特點，研究中摻加了0.31%的木質素纖維。試驗結果如表4所示。

表4 馬歇爾試驗結果與滲水系數Table 4 Marshall test results and water permeability coefficient

從表4可以看出，在高黏改性瀝青作用下，3種級配瀝青混合料的穩定度大小關系為OGFC-13

2 瀝青混合料降噪的細觀模擬

2.1 瀝青路面的降噪原理

聲學上將瀝青路面看作一種多孔吸聲材料，每個孔隙都作為獨立的吸聲器進行噪聲衰減。同時，瀝青路面內部孔隙之間彼此連通，并通過表面與外界接觸。因此，這些孔隙又像物理學上的瑞利吸聲結構和亥姆霍茲共鳴器，組成單孔吸聲結構的并聯結構進行共振吸聲。

瀝青路面的吸聲情況常用吸聲系數(α)表示。吸聲系數定義為瀝青路面吸收的聲能與入射到瀝青路面總聲能的比值，即：

(1)

式中：Uα為瀝青路面吸收的聲能；Ur為入射到瀝青路面的總聲能。

瀝青路面的吸聲系數與噪聲聲波的入射頻率和入射角度直接相關。同一材料下，不同頻率的噪聲聲波具有不同的吸聲系數；同一聲波頻率下，不同的入射角度也有著不同的聲吸收系數。α越大，瀝青路面的吸聲降噪性能越好。當α=0時，噪聲聲波被完全反射，瀝青路面無吸聲效果；當α=1時，噪聲聲波被完全吸收。

當噪聲聲波入射到瀝青路表時，一部分因其表面紋理構造發生反射，一部分透入瀝青路面內部繼續傳播。在傳播過程中，受聲波頻率的作用，孔隙內的空氣產生劇烈振動，從而帶動聲波與孔隙壁面發生摩擦碰撞并產生熱能，實現了聲能向機械能再向內能的轉化。以上即為瀝青路面的吸聲原理。

2.2 多物理場仿真模型的建立與運行

2.2.1 多物理場仿真軟件

瀝青路面的吸聲特性在實際環境中受水、溫、力等多種因素的共同作用。然而，傳統的有限元(FEM)關注的是材料在特定領域下的性能變化，對于求解多因素共同作用下的變化存在一定的局限性。而COMSOL Multiphysics是一個多物理場耦合模擬的工具，它可以模擬實際路面在外部環境以及聲源振動下的聲波傳遞。因此，本研究將借助該軟件進行瀝青路面降噪機理的細觀評價，并通過不同頻率下瀝青混合料的聲壓級變化趨勢和噪聲衰減TL曲線的變化規律來反映不同級配瀝青路面的聲場傳輸效果。

2.2.2 瀝青混合料孔隙模型的獲取

研究首先制作AC-13、SMA-13和OGFC-13的標準馬歇爾試件，并對其進行切割和掃描。之后，利用計算機輔助設計軟件對圖像進行處理，確定孔隙的幾何尺寸，形成孔隙特征和真實圖像。建立的試件孔隙模型如圖1所示。

圖1 不同級配瀝青混合料的孔隙模型Fig. 1 Schematic diagram of pore models of asphalt mixture with different gradations

2.2.3 多物理場模型建立

1)材料屬性參數。模型的參數特征是實現模擬的重要環境。研究中所涉及的模型材料主要為瀝青混合料和空氣[12-15]。多物理 場耦合模型相關技術參數如表5所示。

表5 多物理場耦合模型的材料參數Table 5 Material parameters of multi physical field coupling model

2)基本假設。材料的各種參數會因外部環境尤其是溫度場的影響而產生一定波動。因此，為更好地研究噪聲在傳播過程的衰減情況，研究進行了必要假設：

①模型中，多孔路面孔壁與孔內材料(空氣)的接觸為連續接觸；

②假設材料性能在聲波傳遞過程中的波動不大；

③不考慮道路溫度與空氣溫度的轉換，研究道路溫度293.15 K下的聲場傳播過程；

④默認平面波輻射來自法向方向。入射壓力場的壓力幅值選擇常數1，這里不影響結果的輸出，只需比例關系來反映噪聲聲波的衰減情況。

3)網格劃分。定義材料的屬性和相關假設，建立仿真模型，逐步向模型中添加物理場(壓力聲學模塊和結構力學模塊)，并對模型網格進行劃分。采用有限元法將網格離散化，使原本的數值問題轉化為單元格求解。離散化水平越高，仿真結果越精確。網格劃分的結果如圖2所示。

圖2 瀝青混合料孔隙網格劃分Fig. 2 Pore mesh classification of asphalt mixtures

網格劃分之后，進行多物理場耦合模型的模擬，操作流程如下：

①建立壓力聲場的頻域分析模型，建立平面波輻射的條件方程，定義入射壓力場的壓力幅值、聲速等條件；

②添加周期性邊界條件，表示該模型的連續性；

③劃分網格，按照25的步長、1/3倍的頻程中心頻率，對100～2 000 Hz以內的有效頻率進行頻域分析；

④施加噪聲聲波，模擬其在瀝青路面內部的傳播。

2.3 模擬結果

2.3.1 不同級配瀝青混合料的吸聲效果

通過模型的仿真運行，得到3種級配瀝青混合料不同頻率下的聲壓級變化圖(圖3～5)。

1)AC-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化如圖3所示。可以看出，AC-13的降噪效果隨著頻率的增加逐漸提高。頻率達到1 000 Hz時，噪聲的衰減情況更為明顯；頻率達到1 200 Hz時，噪聲的衰減程度減少。表明低頻率聲波使得孔隙內聲波振蕩幅度小，能量損失少，而高頻率聲波使得孔隙內聲波振蕩幅度大，空氣往返運動的速度增大，對于聲能的消耗更多。因此AC-13對于吸收1 000 Hz左右的噪聲效果顯著。

圖3 AC-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化Fig. 3 Variation chart of sound pressure level of AC-13 asphalt mixture under different frequencies

2)SMA-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化如圖4所示。可以看出，SMA-13瀝青混合料在低頻時的吸收效果也不顯著。隨著頻率增加，空氣運動速度增大，其試件表面豐富的紋理構造使得聲波與孔隙內壁的摩擦速度增大，吸聲效果逐漸提升。當頻率達到800 Hz時，其開始出現較為明顯的噪聲衰減，頻率達到1 000 Hz時，噪聲衰減程度減少，且兩側開始發生諧振現象，頻率達到1 200 Hz時，諧振現象較為明顯，系統內部結構被破壞，影響混合料對噪聲聲波的吸收。因此SMA-13瀝青混合料的最佳吸聲頻率在800 Hz左右。

圖4 SMA-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化Fig. 4 Variation chart of sound pressure level of SMA-13 asphalt mixture under different frequencies

3)OGFC-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化如圖5所示。可以看出，OGFC-13瀝青混合料在低頻時的吸收效果非常顯著，這得益于其極大的孔隙率(連通孔隙率)和孔隙深度使得聲波振動幅度較大，對于聲能的損耗也更多，因此具有很好的吸聲降噪效果。其最佳吸聲頻率范圍在600～800 Hz，而在400和1 200 Hz時，吸聲效果較差，尤其在1 200 Hz時，振幅極大，空氣在孔徑中的速度增大，摩擦損耗的同時系統結構被破壞，影響混合料對噪聲聲波的吸收。

圖5 OGFC-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化Fig. 5 Variation chart of sound pressure level of OGFC-13 asphalt mixture under different frequencies

2.3.2 不同級配瀝青混合料的噪聲吸收程度

從聲學角度講，判斷某種級配瀝青混合料吸聲效果的好壞主要從該瀝青混合料的結構特性以及由該混合料所產生的吸聲效果的角度分析。為了更直觀地理解不同級配瀝青混合料對噪聲的吸收程度，研究建立了瀝青混合料的噪聲衰減TL曲線模型，以輸入端、輸出端聲能的比值為指標，反映瀝青混合料的吸聲效果。模型中定義輻射邊緣條件為in，輸出邊界為out，輸入端的聲能Pin=in(1[Pa])，輸出端的聲能Pout=out(abs(p))，建立噪聲衰減TL曲線的方程為20×lg10(Pin/Pout)。通過掃頻分析，得到了不同頻率下瀝青混合料的聲場傳輸效果，如圖6所示。

圖6 不同級配瀝青混合料噪聲衰減TL曲線Fig. 6 Noise attenuation TL curves of different gradation asphalt mixture

從圖6可以看出，OGFC-13的噪聲衰減TL曲線始終在AC-13和SMA-13之上。圖6中的峰值和谷值代表了該頻率下的噪聲吸收效果。峰的位置表示其有較好的吸聲效果；谷的位置則是由于不同級配瀝青混合料的聲阻抗不同，聲音在傳播過程中使瀝青混合料發生振動，當聲波頻率達到混合料的固有頻率時，發生諧振現象，系統結構被破壞，從而使該位置的吸聲效果變差。從圖6還可以看出，3種級配瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化規律均為整體上先逐漸提升，達到最佳吸聲頻率的范圍后，再逐漸減小的趨勢。另外，可以得到OGFC-13、AC-13、SMA-13的最佳吸聲頻率分別在600，1 000以及800 Hz左右，以上仿真模擬的結果得到了論證。

3 瀝青混合料降噪模擬的宏觀試驗驗證

3.1 試驗方法

采用φ101.6 mm×63.5 mm的標準馬歇爾試件，對AC-13、SMA-13和OGFC-13 3種混合料試件進行室內駐波管試驗，使用1/3倍頻程中心頻率測試吸聲效果。試驗裝置包括駐波管、探測小車、音箱、探管以及傳聲器信號處理設備(圖7)。

圖7 駐波管試驗裝置Fig. 7 Schematic diagram of standing wave tube test device

瀝青混合料的吸聲效果用駐波管試驗測得的吸聲系數表征[9,16-17]。試件裝在駐波管試驗裝置的前端，入射聲波由另一端的揚聲器產生，入射聲波與從試件表面反射回來的聲波發生疊加，在駐波管內形成駐波，根據聲壓極大值處的聲壓振幅和聲壓極小值處的聲壓振幅，計算得到駐波比[18]。吸聲系數α使用公式(2)計算。

(2)

式中：ΔL為聲壓級極大值和極小值的差。

3.2 試驗結果

3種級配瀝青混合料的駐波管試驗結果如圖8所示。從圖8中可知，OGFC-13的吸聲系數峰值為0.66；SMA-13的吸聲系數峰值為0.3；AC-13的吸聲系數峰值為0.25。峰值附近為瀝青混合料達到最佳吸聲效果的頻率范圍。因此，可以得到OGFC-13對于吸收600 Hz左右的噪聲具有較好的效果；SMA-13對于吸收800 Hz左右的噪聲具有較好的效果；AC-13對于吸收1 000 Hz左右的噪聲具有較好的效果。圖8中還可以看出，3種級配瀝青混合料在不同頻率下的吸聲系數變化曲線與細觀模擬的變化規律相一致，以上細觀模擬的結果得到了論證。

圖8 不同級配標準馬歇爾試件吸聲系數的變化曲線Fig. 8 Variation curves of sound absorption coefficients of Marshall specimens with different grading standards

4 結 論

1)通過有限元模擬，得到了3種級配瀝青混合料在不同頻率下的吸聲系數變化規律，均為整體上先逐漸提升，達到峰值后又逐漸減小的趨緩。同時，宏觀試驗的結果論證了噪聲衰減TL曲線與吸聲系數曲線之間具有良好的相關性，驗證了該模型模擬瀝青混合料吸聲效果的合理性和準確性。

2)在噪聲傳遞過程中，OGFC-13因自身極大的連通孔隙率和孔隙深度，其吸聲效果最好；SMA-13因試件本身豐富的表面紋理特征，吸聲系數也較好；AC-13的吸聲效果最差，但因其粗糙的表面構造使其也具備一定的吸聲降噪性能。研究得出OGFC-13、SMA-13、AC-13的最佳吸聲頻率分別在600，800和1 000 Hz左右。

3)高頻噪聲的振動幅度較大，在運動中與孔隙內壁的摩擦增大，對于聲能的損耗更多。因此，隨著頻率的增加，AC-13和SMA-13的吸聲效果得到提升。但同時過高頻率的聲波使得瀝青混合料內部發生諧振現象，系統結構被破壞，吸聲效果下降。