纳米材料在道路声屏障中的应用探析

王 勤

(东南大学能源与环境学院，南京 210096； 江苏交科能源科技发展有限公司，南京 210017)

随着我国经济的高速发展、居民生活水平的提高，全国各类型机动车保有量剧增，而机动车带来的一系列环境污染问题也日益显著。其中，尾气问题通过机动车排放标准的更新得到缓解，而噪声问题一直因其机理复杂、防治技术难度高、污染事件随机性高以及对居民健康影响难以评估和鉴定等特性，尚未形成系统的解决方案。现阶段主要采用加装道路声屏障的方法来吸收和阻隔车辆行驶带来的噪声，一定程度上降低了对城市道路和公路沿线居民的噪声困扰。但市场上的声屏障产品效果还未能达到预期，且我国关于道路交通噪声的测量标准和检测方法相对老旧，已不能满足现代社会发展的要求。因此，为推动环境保护工作，亟需在标准完善、隔声技术和隔声产品等方面有所突破，对噪声污染问题进行防治。本文将从交通噪声的特性、声屏障隔声的原理和纳米材料应用后对声屏障产品的技术性能提升等方面来寻求道路交通噪声防治的新思路。

1 交通噪声特性分析

1.1 交通噪声的等效频率问题

交通噪声的等效频率问题是噪声分析和防治的关键，国内外诸多科研工作者自1960年开始对此开展了深入的研究。1980年，Harris C M提出评估声屏障的噪声防治效果时可采用500 Hz等效频率。1989年，章力等[1]针对赵仁兴等[2]提出的我国道路交通噪声分类频谱开展计算和验证后，建议我国道路交通噪声采用400 Hz等效频率。从20世纪90年代，我国开始采用500 Hz作为道路交通噪声的等效频率。2009年，邵钢等[3]通过实测和理论计算得出，道路交通噪声的等效频率与车型、车速有很强的相关性，等效频率在60～1 000 Hz 。

机动车经过几十年的发展，发动机、底盘、传动、轮胎和车型结构等汽车构件的技术水平都得到了飞速提升，过去困扰学者的发动机噪声问题如今已经可以忽略不计，现在的道路交通噪声主要来自车辆自身机械结构随行车颠簸产生的共振和碰撞，与轮胎在不同材质路面上的摩擦和冲击。路面的平整度对车辆行驶噪声有着决定性的影响，因而提升道路的平整度是解决道路交通噪声问题的有效手段，本文中不再赘述。从国内外同类研究成果中可知，道路交通的噪声频率分布主要在50～6 000 Hz，对采用500 Hz作为道路交通噪声的等效频率是否还符合现代交通运输装备产生噪声的特性进行研究，能为道路交通噪声污染防治和声屏障产品的研发与制造提供参考和借鉴。

1.2 交通噪声频谱特性

在交通运输部发布的《收费公路车辆通行费车型分类》(JT/T 489—2019)规定中，行驶在收费公路上的所有车辆被分为客车、货车和专项作业车3大类别，其中客车有4类，货车有5类，专项作业车有6类。按照载重吨位划分，汽车总质量小于6 t的为小型车，大于6 t的为大型车。一般而言，小型车的噪声以中高频率为主，多为胎噪和风噪；大型车的噪声以中低频为主，自身结构冲击振动的噪声比较多。由于车辆行驶噪声的频率会随车速的增加而逐渐升高，噪声强度也会随之增大，因此，在不同的道路和行驶条件下，通行车辆车型和车速的不同，会导致交通噪声频谱范围也有所不同。

由于噪声是非稳态的声音能量，表征噪声的强度一般采用Leq(等效连续噪声等级)。根据《声环境质量标准》(GB 3096—2008)的规定，Leq的单位是dB，计算公式为

(1)

式中，L为t时刻的瞬时声级；T为规定的测量时间段。

根据《声环境质量标准》(GB 3096—2008)的要求，噪声检测使用测量仪器精度为2型及2型以上的积分平均声级计或环境噪声自动监测仪器，性能均需符合GB 3785和GB/T 17181的规定。因此，研究团队选取城市道路和高速公路路段，在晚高峰时段采用B & K 2245-E型声级计(1级精度)分别测量了30 minLeq频谱。其中，城市道路选择5处测量点，均布设在主干道路单侧的人行道路缘石内15 m处，测量高度为2 m。为保证测试路段车辆处于相对匀速行驶状态，测量点距双侧十字路口均大于100 m。在双向6车道高速公路正常行车路段选择2个测量点，避开桥梁和闸道，布设在路测护栏位置，高度超出路面2 m，距离收费站2 km以上。测量参数及等效频率计算结果如表1所示。

表1 测量参数及等效频率计算结果

经测量后得到各路段的Leq频谱，单车噪声频谱如图1所示，城市道路噪声频谱如图2所示，高速公路噪声频谱如图3所示。分析测量后得到的数据，可归纳出道路噪声的几个特性：①小型车的平均声压等级比大型车低16.3 dB；②车速在40～100 km/h 时，大型车和小型车的高频段声压等级会随着车速的增高而提升，3 000～6 500 Hz频段的平均声压等级提高10 dB左右；③同样车速条件下，大型车占比从7%提升至70%以上时，其声压等级提升9 dB左右，主要频率范围从50～700 Hz转变为100～1 500 Hz；④与城市道路相比，高速公路噪声频谱数据更平滑，主要频率范围为100～3 000 Hz，但等效频率却有所降低。由此可知，城市道路的噪声情况更复杂，道路交通噪声与其他背景噪声交织后，其噪声频谱特性发生较大改变。

由表1可知，不同路段等效频率的区间较宽，等效频率会随车速的增长而升高，所测路段的等效频率结果均大于现行标准500 Hz的数值。由图1～图3可知，噪声频谱会随车速的增大而趋向高频段，行驶车辆中小型车占比越高，噪声频谱的高频段声压等级也越高；而行驶车辆中大型车占比越高，噪声频谱的总声压等级会线性提升。

通过上述试验发现不同车型、车速对噪声强度和噪声频率有影响，同时也发现不同路段和路况条件会导致道路交通噪声的等效频率范围发生较大变化。现今道路交通噪声的等效频率已经在550～900 Hz,与我国目前还在采用的500 Hz标准不相符，说明车辆的平均车速和小型车的占比相对30年前已发生较大变化。在新的等效频率范围下，须在结构、材质和设计参数等方面对用于防治噪声污染的声屏障产品做相应的优化。

2 道路声屏障隔声的原理分析与思考

2.1 声屏障隔声的基本原理

声音在传播过程中遇到屏障物，因介质特性阻抗的变化，部分声能会被屏障物反射回来，入射声波的一部分被屏障物吸收，另一部分可以透过屏障物传播到另一空间去，透射声波仅是入射声波的一部分。声波被屏障介质反射与吸收，从而起到降低噪声传播的效果。声波遇屏障物的传播特性如图4所示，其特性满足下列公式：

E0=Eβ+Eα+Eτ

(2)

(3)

(4)

式中，β是反射系数；E0是入射声波能量；Eβ是反射声波能量；Eα是折射及吸收的声波能量；Eτ是透射声波能量；τ是透射系数；ρ1、ρ2是不同介质的密度；c1、c2是不同介质中声音的传播速度。

在道路这类开放场景下，噪声在经过声屏障时，不仅发生反射和透射，还会出现绕射现象。因此，设计道路声屏障产品不仅要考虑材质吸声、隔声的效果，还要考虑在结构形式上减少绕射现象的发生，使声影区域尽可能大，做到在合理控制造价的前提下，有效降低更多区域噪声。

道路声屏障的噪声传播特性如图5所示。

由图5(a)和图5(b)可知，观测点区域不仅能检测到透射的声波，也能检测到绕射的声波，绕射声波会使声影区域进一步缩小。由图5(c)可知，在路幅较窄的区域，双侧声屏障的设立还会使声波在反射后发生二次透射和绕射，加大了声屏障隔声设计的难度。

2.2 现行标准和交通噪声控制目标建议

在生态环境部发布的《声环境质量标准》(GB 3096—2008)规定中，根据区域的使用功能特点和环境质量要求，声环境功能区分为以下5种类型：

(1) 0类声环境功能区：指康复疗养区等特别需要安静的区域。

(2) 1类声环境功能区：指以居民住宅、医疗卫生、文化教育、科研设计、行政办公为主要功能，需要保持安静的区域。

(3) 2类声环境功能区：指以商业金融和集市贸易为主要功能，或者居住、商业、工业混杂，需要维护住宅安静的区域。

(4) 3类声环境功能区：指以工业生产和仓储物流为主要功能，需要防止工业噪声对周围环境产生严重影响的区域。

(5) 4类声环境功能区：指交通干线两侧一定距离之内，需要防止交通噪声对周围环境产生严重影响的区域，包括4a类和4b类两种类型。4a类为高速公路、一级公路、二级公路、城市快速路、城市主干路、城市次干路、城市轨道交通(地面段)以及内河航道两侧区域；4b类为铁路干线两侧区域。

环境噪声限值如表2所示。

表2 环境噪声限值 dB(A)

按上述标准，道路沿线的居住噪声限值可按4a类取值，即昼间70 dB、夜间55 dB。但随着我国城镇化率的不断提高，很多居住小区与高速公路、干线公路以及城市主干道的距离较近，这些道路交通噪声对居民的生活和身心健康造成较多的困扰。为给居民提供更舒适的居住环境，防治噪声污染，建议道路沿线的居住噪声限值以2类声环境功能区为控制标准，即昼间60 dB、夜间50 dB。

2.3 声屏障性能隔声仿真与结构建议

假设昼间交通噪声源的强度为100 dB，道路中心线距路侧建筑物为30 m，建筑物高度为10 m，声屏障高度为3 m，且采用直立双层钢板结构，隔声量为20 dB。经仿真计算后发现，未采用声屏障时，建筑物区域的平均噪声等级达到75 dB以上，采用声屏障后，建筑物区域的平均噪声等级下降到55 dB左右，表明初步达到控制效果。噪声传播仿真如图6所示，加入声屏障后噪声传播仿真如图7所示。

仿真结果表明声屏障对道路交通噪声有较好的隔声作用，值得推广，但隔声效果仍有待提高。

单层均匀材质隔声频率特性曲线如图8所示。单层材质的隔声材料易与噪声频率产生吻合效应，会大幅度降低隔声效果，因而，隔声材料的固有频率应避开与噪声频率发生共振和吻合的频段。高刚度、大质量的材料吻合频率较低，如不同厚度的常见金属材质，其吻合频率在500～3 000 Hz；柔软、轻薄的材质吻合频率较高，如厚度小于1 cm的石膏板，其吻合频率在5 000～10 000 Hz，更加柔软的材料吻合频率更高。因此，综合结构强度和吻合频率两方面因素，建议采用“肉夹馍”结构设计声屏障，以提升整个声屏障隔声的有效频率区间。在高铁采用的声屏障结构中，两侧是金属结构的框架，保证结构强度和安全性能，中间由发泡材料填充，保证吸声和隔声效果[4]。高铁声屏障结构如图9所示。

3 纳米材料在声屏障中的应用思路

3.1 常见纳米发泡材料简介

常见的纳米发泡材料有纳米海绵、纳米橡塑等，其物理特性类似，都具有柔软、耐曲绕、耐寒、耐热、阻燃、防水、导热系数低、减振、吸声等优良的材料性能，且不含纤维粉尘，不会滋生霉菌等有害物质，能有效避免生化污染。纳米发泡材料如图10所示。使用纳米发泡材料来制作声屏障的填充层尤为合适，既能大幅度降低声屏障的自身重量和造价，又能提升隔声效果[5]。

纳米海绵(密胺泡绵)又称三聚氰胺泡沫塑料，具有难燃性、高温稳定性和柔韧性。纳米海绵的网格长径比在10～20，其极高的孔隙率特征(密度为6 kg/m3的泡绵的孔隙率高达97%以上)使得声波能方便、有效地进入泡沫体的深层，并转变为网格的振动能被消耗和吸收掉，同时，高孔隙率使纳米海绵能有效地消除反射波，尤其是对低频噪声的吸收特性，使之适合在道路交通噪声场景中使用。

纳米橡塑材料是以橡胶和聚氯乙烯为主要原料的混合发泡材料，经混炼、密炼、连续式挤出、加热发泡、冷却分切等工艺制作而成，具备导热系数低、防火阻燃性能好、防潮阻湿、减振降噪、环保健康、使用寿命长等性能，表观密度大于120 kg/m3，压缩强度大于25 kPa，适合应用在有一定结构强度要求的场景，可以在提供优质吸声特性的基础上，同时具备较好的力学特性。

3.2 纳米发泡材料声学特性简析

纳米发泡材料属于多孔吸声材料，内部存在大量相互连通的细微空隙，当材料表面受到声波入射时，一部分入射声波被反射，另一部分入射声波进入材料内部继续向前传播。基于纳米发泡材料的多孔特性，微孔隙结构会使更多的声波进入材料内部，大幅度降低反射和透射声波量，而进入内部的声波会激发孔隙中的空气，使其产生振动，振动的空气与发泡材料本体之间产生摩擦，将机械波中的能量转化为热能，从而达到吸声的目的。纳米发泡材料微观结构如图11所示。纳米尺度下的发泡材料孔隙率大幅度上升，吸声能力进一步提升，而纤维孔隙结构吸收声波后会产生较多的热量，热量堆积会产生热岛效应，该效应是否会降低材料的吸声能力，有待进一步实验验证[6]。

据国内某高校声学实验室实测的一款纳米发泡棉吸声特性的结果可知，厚度大于10 cm的发泡棉可有效吸收500 Hz以上的声波，吸声系数可达0.9以上，对2 000 Hz以上声波，吸声系数近似1，通常吸声系数高于0.56的材料就属于高吸声系数材料。由该实验可知，该款纳米发泡棉作为声屏障的填充层，正好弥补金属骨架低频共振和中高频吻合效应的不足，能有效覆盖500～6 000 Hz频段。发泡棉吸声特性频谱如图12所示。

4 结论

综上所述，现代交通环境中噪声的等效频率发生了变化，高于仍在采用的500 Hz经验数值，亟需优化。声屏障的布设能够有效降低道路周边的噪声等级，但声屏障需要科学设计，其外形、布设位置、材质都对吸声和防绕射能力有着较大的影响。为提升吸声效果，声屏障自身宜采用多层结构，内部填充高吸声系数材料。而纳米发泡材料有着极优异的吸声性能，特别适合作为声屏障的填充层，在防治道路交通噪声领域有着广阔的发展空间。