声屏障端部结构对交通噪声降噪效果的影响

阎春利，单赛男，张希栋

0 引言

道路交通噪声是指机动车在道路上行驶时产生的噪声。随着我国经济迅猛发展，路面行驶的机动车数量急剧增加，道路拥堵和车辆的噪声污染问题日益增加，道路交通噪声也成为城市噪声污染的主要来源［1-2］，因此，减少道路噪声污染改善人们的生活环境是社会进步、科技发展的必然选择。

目前针对道路交通噪声的降噪方式主要分为3种：种植绿化带降噪、修筑多孔隙沥青路面和设置道路声屏障。声屏障是筑造在声源和保护对象中间的一道屏障，它能够有效的衰减传播过程中的噪声，从而降低到达保护区域的噪声量［3-4］（一般能减小5～15 dB）。声屏障的降噪原理主要是声波传播到音障时，利用材料本身的声学特性反射声音障碍，吸收及一系列干扰措施以防止声波的持续传播。声屏障具有的优点是占地面积小、建造位置灵活、对原有环境友好以及降噪效果佳。与低噪声路面降噪技术相比较，声屏障降噪技术更显成熟，已在众多范围进行实际应用并取得良好效果；与绿化带降噪相比较，声屏障降噪应用范围更广，局限性更小，同时，声屏障还具有节约土地、降噪明显、采用拼装式及可拆装等优点［5-8］。正因为声屏障有这样的优点，所以采用它就成为治理城市道路交通噪声的首选措施。

国内外研究［9-13］发现，翻过声屏障顶端绕射到达保护区测量点的声压比没有声屏障时的直达声压小。直接到达的声压与绕射到达的声压的声级的差值，被称作绕射声衰减值，声屏障的绕射声衰减值是受声点、发声点、声屏障的频率和几何关系的函数，是决定声屏障降噪量的主要物理量［14-15］。因此出于对声屏障降噪性能的进一步优化及其作为道路设施的景观美化角度考虑，对声屏障端部结构的研究与优化已成为研究声屏障降噪效果的重要内容。

1 声屏障端部设计

1.1 声屏障规格设计依据

仅就声学理论上来讲，如果声屏障的高度越高，降噪性能也就越好，但声屏障的高度并不能无限延高［16-17］，甚至不能高于10 m，原因：一是成本，二是承重载荷的有限性，三是过高的道路声屏障会对驾驶员造成压抑的紧张心理，增加交通事故的发生率。根据之前的研究资料［18］：声屏障高度在7 m以下工程造价经济性好，考虑风压影响及防撞墙强度等因素，声屏障高度不宜高于5 m。图1为声屏障高度与综合效益（经济效益、社会效益、降噪效益等）关系图，故本设计中声屏障的高度H取值为4 m。

声屏障的长度一般用保护对象长度加左右各50 m的方法确定。一般单件声屏障取常规长度5 m/块。声屏障的厚度根据建筑强度要求取0.1 m。

1.2 不同端部结构的声屏障的初步设定

图 1综合效益与高度关系图Fig.1 Relationship of comprehensive benefits and height

直板型声屏障目前在国内应用比较广泛，但其结构单一降噪效果一般，根据声波的传播规律，研究表明在直板型声屏障的顶端进行改进，可以使噪声源发出的噪声能量有所衰减［18］。这样声屏障的高度没有多大变化，成本增加不多，声屏障的降噪效果却增加明显。论文主要研究直板型、T型、Y型、鹿角型声屏障端部结构的降噪效果。为了便于研究比较所有声屏障的高度都设定为4 m，长度为5 m/块，厚度为0.1 m。

（1）直板型声屏障

选取直板型声屏障的厚度 D=0.1 m，高度L=4.0 m，如图2所示。

图2 直板型声屏障规格参数Fig.2 Upright noise barrier parameters

（2）T型声屏障、Y型声屏障

选取 T 型声屏障的宽度 W=1.0 m；Y 型的臂长P=0.5 m，两臂与水平方向成 30°。如图3所示，由于现场的地面为一般的刚性路面，吸声效果很小可忽略不计，因此仿真过程将地面设置为全反射的地面，这样就不用考虑地面吸声对声屏障插入损失的影响。

（3）鹿角型声屏障

鹿角型声屏障如图4所示，长角0.5 m，上面的小短角高0.1 m，与长角垂直，厚度均取0.1 m。

图3 T型、Y型声屏障规格参数Fig.3 T and Y type noise barrier parameters

1.3 声屏障材料设定

4种结构设计方案高度相同，都为4 m，主要区别在于顶部结构。结构设计方案采用反射—吸声—透光的声屏障，声屏障底部为通孔铝吸声板，其整体尺寸为2 000 mm×5 000 mm×100 mm，吸声板厚度为10 mm；中间结构为双层夹胶玻璃，形成双层均质薄板结构，内中空，透光，单板尺寸为：1 000 mm×5 000 mm×40 mm顶部为铝质薄板结构，尺寸为1 000 mm×5 000 mm×100 mm。声屏障部件材料质量及属性见表1和表2。

表1 各部件材料质量Tab.1 Materials and mass of parts

表2 所用材料属性表Tab.2 Character of materials

2 声屏障声学性能分析

Virtual Lab软件上对4种声屏障端部结构进行模拟建模、网格划分、定义流体材料及流体属性。其中，噪声源设置为非稳态线声源，网格大小10 mm，网格单元为Linear，流体材料为Air，声速传播在匀质空气中进行，声速为v=340 m/s，温度为20℃，空气密度为1.225 kg/m3，统一受声点的位置，通过加载阻抗边界条件来进行模拟的。

2.1 声屏障降噪效果模拟比较

如图 5所示，4种不同结构的声屏障在噪声频率为 500 Hz 时，由4张声压级幅值云图可以看出，声波在传播过程中受到了声屏障明显的干扰，直板型声屏障（图5（a））的降噪效果相对来说有所体现但其实不够明显，T型声屏障（图5（b））和Y型声屏障（图5（c））降噪效果相对明显，鹿角型声屏障（图5（d））的降噪效果最明显，从声影区的声压级云图分析4种声屏障的降噪效果，鹿角型最好，Y 型及T型次之，直板型最差。

2.2 声压级频率响应曲线

频率响应曲线是受声点在不同频率下声压值构成曲线，反应出在不同频率范围（100～3 000 Hz）内声压值的变化趋势。在场点网格上选取声屏障上一点代表受声点的位置，分别计算出4种不同结构声屏障声压级频率响应函数曲线，如图6（a）～（d）所示。由图6可知，声屏障在经过降噪以后的声压控制在80 dB以内，这基本满足交通干线道路两侧交通噪声可达70 dB的要求，故这4种结构的声屏障的设计合理。

2.3 插入损失曲线

声屏障降噪效果用插入损失来评价，其定义为在保持噪声源、地形、地面和气候条件不变的情况下安装声屏障前后在受声点处测得声压级之差。

交通噪声主要来自于汽车噪声，而汽车噪声频率多集中在200～2 000 Hz，仿真分析时设置噪声频率为100～3 000 Hz，包含了主要噪声频率。插入损失曲线如图7所示。

图5 声屏障场点声压分布云图Fig.5 Sound pressure cloud in noise barrier field

图6 声压级频率响应曲线Fig.6 Frequency response curve of sound pressure level

仿真数据结果分析：从以上4种声屏障的插入损失曲线总体对比可知，当噪声频率小于 200Hz时，直板型、T型、Y型和鹿角型声屏障的降噪效果均不显著，低频声波的波长较长，更容易越过声屏障端部，符合了声屏障噪声绕射的衰减规律，其中 Y型声屏障的降噪效果最明显。随着噪声频率的不断增大，当噪声频率在中频范围时，声屏障的作用逐渐显著。其中直板型和T型降噪效果差些，Y型和鹿角型降噪效果最佳；噪声在高频范围时鹿角型声屏障的效果达到最佳状态。当计算频率进入中高频区时，4种结构声屏障的插入损失都达到峰值见表3。

表3 插入损失峰值表Tab.3 Insertion loss peak table

这4种结构的声屏障在材料的设置上全部采用顶端为铝质薄板结构，在声屏障顶端不覆盖吸声材料的情况下，Y型和鹿角型端部结构的声屏障降噪效果方面有较大的优势；4种结构声屏障的插入损失峰值差距并不太大，基本集中出现在1 000～2 300 Hz；4 种声屏障在 800～2 400 Hz降噪效果都可以达到道路交通噪声控制要求。

3 结论

论文依据声屏障的降噪原理，设计了4种不同端部结构的声屏障，通过仿真比较不同型式的声屏障端部结构的降噪效果，结论如下：

（1）当噪声频率为 500 Hz 时，由声压级幅值云图得出，声波在传播过程中受到了声屏障明显的干扰，直板型声屏障由于缺少端部结构，降噪效果不够明显。

（2）4种结构的声屏障在经过降噪以后的声压控制在80 dB以内，这基本满足交通干线道路两侧噪声可达70 dB的要求，说明这4种结构的声屏障均符合声屏障的设计要求；Y型和鹿角型结构的声屏障降噪效果方面有较大的优势。在声屏障结构的选择上，可以根据具体的道路车型、车流量及车速确定噪声频率范围后进行选择。

（3）论文数据尚缺少实验验证，这是后续研究工作的重点。

［1］曹伟.城市道路声屏障发展述评［J］.郑州大学学报(自然科学版), 1998, 30(1):33-34.

［2］杨书祥.道路隔声屏障材料研究技术进展［J］.公路交通科技：应用技术版, 2009, 5(6):198-200.

［3］朱从云, 赵则祥, 李春广, 等.噪声控制研究进展与展望［J］.噪声与振动控制, 2007, 27(3):1-8.

［4］吴霖, 熊鸿宾, 李志远.城市道路声屏障的研究与进展［J］.合肥工业大学学报(自然科学版), 2003, 26(5):1045-1048.

［5］毛东兴, 夏俊峰, 洪宗辉.顶部带吸声柱体的微穿孔声屏障的应用研究［J］.声学技术, 1999, 18(1):26-29.

［6］孙华云.不同结构型式降噪声屏障的特性研究［D］.大连：大连交通大学, 2008.

［7］王波.城市道路交通噪声污染的防治对策［J］.交通环保,2003, 24(5):16.

［8］Monazzam M R, Lam Y M. Performance of profiled single noise barriers covered with quadratic residue diffusers［J］. Applied Acoustics, 2005, 66(6): 709-730.

［9］Cianfrini C, Corcione M, Fontana L. Experimental verification of the acoustic performance of diffusive roadside noise barriers［J］.Applied Acoustics. 2007, 68(11): 1357-1372.

［10］Baulac M, Defrance J, Jean P. Optimization of multiple edge barriers with genetic algorithms coupled with a Nelder-Mead local search［J］. Journal of Sound and Vibration, 2007, 300(1): 71-87.

［11］Fahy F J, Ramble D G, Walker J G, et al. Development of a novel modular form of sound absorbent facing for traffic noise barriers［J］. Applied Acoustics, 1995, 44(1): 39-51.

［12］Nordmann T, Clavadetscher L. PV on noise barriers［J］.Progress in Photovoltaics Research and Applications, 2004, 12(6):485-495.

［13］李本纲.城市道路交通噪声平价方法研究进展［J］.交通环保, 2001, 22(5)：5-9.

［14］刘玉喜. 声屏障的声学性能分析及其结构设计［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2007.

［15］陈兴帅.新型声屏障的结构设计及其声学性能分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2006.

［16］卢向明.道路声屏障声学特性与声学设计研究［D］.杭州：浙江大学, 2004.

［17］于雅楠.道路交通声屏障顶端结构的设计研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学, 2009 .

［18］阎春利, 金鑫, 申晨. 基于Virtual Lab 的交通噪声声屏障降噪效果研究［J］.森林工程, 2016, 32(4)：56-60.