公路声屏障现状分析与实际插入损失验证

2022-06-27马风杰杜腾飞王胜强胡海学魏如喜

交通节能与环保 2022年3期

马风杰，杜腾飞，王胜强，胡海学，魏如喜

（1.天津市交通科学研究院，天津 300202；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300202；3.南开大学，天津 300072）

0 引言

由于我国城市化进程的不断加快，人民环保意识的增强，城市噪声污染投诉在各类环境污染投诉中所占的比例呈逐年增加的趋势[1]。声屏障降噪是防治公路交通噪声污染的有效途径，但是目前声屏障设置也存在降噪效果良莠不齐、型式多样、维修养护困难等问题[2-3]，制约了技术和应用的深入发展。在当前我国实施生态文明建设的战略背景下，民众环保意识日益提高，声屏障必然将在未来公路行业得到更为广泛的应用，巨大的机遇和挑战并存[4]。

声屏障的降噪效果用插入损失来评价，在噪声敏感目标位置，声屏障插入损失预测一直都是高速公路声屏障设计中的重点和难点。因此，本次研究通过分析插入损失理论计算与实际监测结果，建立一种声屏障实际插入损失预测模型，使声屏障设计可以满足降噪需求，为生态宜居现代化天津建设奠定坚实基础。

1 天津市声屏障设置现状调研

1.1 天津市公路噪声调研

根据天津市公路类型和声屏障设置情况，选择了天津市三种类型公路进行噪声监测，即外环线、快速路和高速路。监测位置车流量较稳定，离红绿灯一定距离，测定位置位于硬路肩外侧20 cm。

监测噪声参数包括：公路噪声的等效A声级、最大声级Lmax、最小声级Lmin，以及L10、L50、L90，倍频带声压级或者1/3倍频带声压级。

监测结果显示公路交通噪声的等效A声级，三种公路白天等效A声级基本处于60～80 dB（A）区间，高峰时段多处于70～80 dB（A）区间，三种类型公路的等效A声级的数值处于比较集中的区间。

1.2 天津市公路声屏障设置情况

通过调研天津市公路声屏障设置情况，了解了天津市声屏障的材质主要是镀锌钢板和铝合金材料，有的公路声屏障为了景观和采光的需要采用了复合材质，中间部分加装了塑料材质（透明亚克力、聚碳酸酯等）。镀锌板中有的全采用反射板，有的采用百叶窗式多孔吸声板（填充材料通常为玻璃丝棉、加气混凝土、多孔树脂等材料）。声屏障高度多数在2.5～3.5 m范围内，少数建设高度为4 m。声屏障型式以弧形居多，其次是直立型、倒L型，其他型式较少。

表1 天津市公路声屏障的位置、类型和高度Tab.1 Location，type and height of highway sound barrier in Tianjin

1.3 天津市公路声屏障存在问题

天津市公路声屏障存在的缺失，破裂，生锈，逃生出口破损、缝隙等问题会降低声屏障降噪效果，底部锈蚀会造成声屏障不稳定，存在安全隐患。

图1 天津市声屏障存在问题Fig.1 Problems of sound barrier in Tianjin

2 声屏障实际插入损失理论分析

声波在空气中传播，当遇到声屏障，会发生绕射、透射和反射三种现象。当只在公路一侧设置声屏障时，反射路径改变了声波传播方向，对降低噪音是有利的。但当公路两侧均设置有声屏障时，则声波可能会在声屏障间多次反射后绕射至受声点，降低声屏障降噪效果[5]。由此可见，声屏障的插入损失与噪声的频率、声屏障的高度以及声源与接收点之间的距离等因素有关。声屏障的理论插入损失可表示为：

式中：ΔL绕为声屏障的绕射噪声衰减量；ΔL透为声屏障投射损失；ΔL反为声屏障的反射降低量；ΔLG为地面吸收声衰减量；ΔLS为声源和受声点之间其他障碍物遮蔽衰减。

无限长薄屏障在点声源声场中引起的绕射衰减可以用式（2）进行计算，适用于天津市大部分公路声屏障插入损失的计算。

式中：N为菲涅尔数，；λ为声波波长，m；d为声源与受声点间的距离，m；A为声源至声屏障顶端的距离，m；B为受声点至声屏障顶端的距离，m。

对于有限长薄屏障在点声源声场中引起的绕射衰减，在菲涅尔数满足时，绕射衰减计算式可以简化为：

式中：N为菲涅尔数，。

3 天津市公路声屏障插入损失监测与计算

3.1 声屏障插入损失监测要求

测定声屏障实际插入损失时，具体做法参考《声屏障声学设计和测量规范》（HJ/T 90—2004）[10]。声屏障其他测定内容包括声屏障的高度、厚度、长度、型式和材质。公路交通噪声等效A声级测定的地点为离硬路肩外侧距离20 cm，距离地面高度1.2 m，除了测定公路噪声源强和敏感点前1 m两处外，在声屏障至敏感点之间等距离设定2～3处测定地点进行等效A声压级测量。有的公路声屏障距离居民楼或者其他敏感点距离较近，有的二者之间距离只有十几米甚至更近，因此很难设定很多点。而对于高速路，可以在声影区内设定多个测定地点，测定多处位置的噪声声压级，对比点位同步测量。声屏障的实际插入损失和车流量、车速直接相关。因此，测量时尽量选取流量较稳定的时间段，非高速公路的测定要避开红绿灯和路口，尽可能避开车辆急刹，鸣笛等不利偶发因素。

表2 天津市公路声屏障理论计算与实际监测对比Tab.2 Comparison between theoretical calculation and actual monitoring of highway sound barrier in Tianjin

3.2 天津市公路声屏障理论计算与实际监测对比

对声屏障插入损失的理论计算值和实际监测计算值差异较大的原因进行分析。其原因主要有三点：

（1）实际监测计算的插入损失偏小的原因主要是声影区测点的噪声等效A声级数值偏大和公路交通车流量偏小两个主要因素。其一是声屏障安装后受声点的A声级监测值往往比理论值偏大。其二，公路车流量太小会使声屏障插入损失监测较实际计算值偏小。等效频率数值是随着公路上车流量、车速、车类型和比例而变化的，因此，插入损失理论计算值实际上也是变化的。

（2）公路声屏障存在的缝隙或者破损导致插入损失降低。

（3）插入损失理论值主要是受菲涅尔数大小影响和等效频率影响，和公路实际状况联系很小。

4 声屏障实际插入损失预测模型建立

4.1 模型建立

声屏障实际插入损失主要影响因素为公路交通噪声源强、菲涅尔数和地形、地貌[6]。因此根据声屏障插入损失的理论计算值和实际监测计算值将等效A声级、菲涅尔数、路面坡度和绿化等影响因素加入模型，根据实际监测的结果确定每一项衰减的系数，得到声屏障实际插入损失预测模型如下：

式中：Leq为基于路肩的预测公路交通预测等效连续A声级；X为测定点到声屏障垂直距离，m；N为菲涅尔数；a为声屏障到预测点的地形坡度，声屏障低于地平面为正，声屏障高于地平面为负，度；h为声屏障底与测点地面之间高度差，m；b为声屏障到预测点的绿化系数，每10 m噪声衰减取值0.6～1.0 dB（A），草地0.6 dB（A），灌木、草地、树木有二者取值0.8 dB（A），草地、灌木和树木都有取值1.0 dB（A）；S1为声屏障破损面积，m2；S2为声屏障总面积，m2。

4.2 实际插入损失值对比

表3 插入损失模型预测值与监测计算值对比 [dB（A）]Tab.3 Comparison between predicted value of insertion loss model and calculated value of monitoring [dB（A）]

经计算，天津市公路声屏障的插入损失大部分处于5～15 dB（A），只有少数比较理想情况时大于15 dB（A），预测值和监测值相差在3 dB（A）以内，预测效果较好。通过模型可以看出，声屏障实际插入损失和公路噪声源强的声压级有关，声压级增加，实际插入损失会增大。模型也说明菲涅尔数增大，也就是声程差增加，声屏障声影区增加，声屏障插入损失会增大。另外还可以得出增加公路两侧坡度和绿化均能增大声屏障实际插入损失。