（道路与铁道工程专业论文）大孔隙沥青路面降噪模型的研究.pdf

摘要 y8 7 9 15 3 摘要 随着社会的发展，我国的道路交通已经进入了高速发展时期，越来 越大规模的公路建设，必将给公路沿线地区的自然环境，生态环境，生 活环境及景观环境带来影响。其中交通噪声的危害已经影响到了诸多方 面：损伤人的听力；引起多种疾病；影响人们的休息和工作；降低劳动 生产率；干扰语言交谈和通讯联络；特强的交通噪声还会影响沿街建筑 物内设备的正常运转，损坏建筑结构等。 南于交通噪声起因于车轮轮胎和路面的相互摩擦作用，所以本文首 先、导学的角度入手，结合室内噪声检测试验方法和室外交通噪声测量 试验方法从轮胎和路面两方面分析交通噪声的产生机理以及声学特性。 另外，结合国内外对大孔隙降噪路面的研究实例研究交通噪声与沥青混 合料的孔隙率，级配组成、及面层厚度等之间的关系。并在此基础之上， 研究了大孔隙降噪路面的结构设计原理与方法，并给出实例一交通部 公路科学研究所最新研究的大孔隙结构。 由于在新建一条道路之前，都需要预测一下该路在建成通车后的交 通噪声对沿线居民及其对周围环境的影响。结合前面的研究，本文针对 美国联邦公路局( f l 、 ，a ) 公布的噪声预测模型，德国公路交通研究协会 的计算方法，英国的c r t n 8 8 等几种建立时间较早的预测模型，综合分 析我国实际情况，建立了适合于我国的道路交通噪声预测模型。 此外，因为道路建成通车后，来往车辆会对道路两侧居民及其行人 造成一定的影响，基于此需要对路段交通噪声进行评价。本文以实地调 查提取数据为基础，结合专家意见运用模糊数学综合评价理论分析并建 立了模糊综合评价模型。在此基础上应用计算机语言进行了程序的简单 编制。 由于实验室设备及其现实情况的约束，本研究成果还需要进一步的 提高，并需要在实践中不断完善。 托裘燮遗大学硕士学位论文 关键词；燮通噪声，声学特性，大孔隙降噪，预瀵0 模型，模糊综合评价。 狂 a b s l r a c a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c j e t y ，o u rm a dt r a f f j ch a sb e e ne n t e r j n g h i g h 一5 p e e dd e v e l 叩m e n tt i m e t h e1 a 唱e r a n d l a r g c r s c a l e h i g h w a y c o n s t r u c t j o n ， w i l i c e r t a i n i yb r i n gi n f l u e n c et ot h en a t u r a ie n v i m n m e n t ， e c o l o g j c a le n v i r o n m e n t ，l i v i n ge n v j r o n m e n ta n dt h el a n d s c a p ee n v j m n m e n t a l o n gt h er o a df o u t ea r e a a m o n gt h e s ei n n u e n c e ，t h eh a 姗f r o mt h et r a f ! f i c n o i s eh a si n n u e n c e ds u c ha s p e c t s ：d a m a g e sp e r s o n s h e a r i n g ，c a u s e s 山e m a n yk i n d so fd j s e a s e ；a f ! i i e c t sp e o p l e sr e s ta n dt h ew o r k ；r e d u c e st h e1 a b o r p r o d u c t i v i t y ；d j s t u r b a n c el a n g u a g ec o n v e r s a t i o na n ds i g n a lc o m m u n i c a t i o n s ； b e s i d e st h e e x i r a h e a v yt r a m cn o i s ea i s oc a ni n f l u e n c et h ee q u i p m e n t n o 肿a lr e v o 】u t j o ni nm eb u j l d i n ga l o n gt h es t r c e t ，d a m a g ec o n s f r u c t j o n s t n l c t u r ea n ds oo n a sar e s u l to ft h et r a f f i cn o i s ec a u s e db yt h e 仃i d i o no ft h ew h e e lt i r e a n dr o a ds u r f a c em u t u a l l y ，t h e r e f b r et h j sa r t i c i es t a n sf r o mt h ea c o u s l j c s a n 9 1 ef i r s t l y ，c o m b i n e sm oa s p e c t s ：t h en o i s ee x a m i n a t i o nt e s t i n gm e t h o d i n d o o ra n dt h e 仃a 街cn o i s em e a s u 血gm e t h o do u t d o o r ，a n a l y z e st h e p r o d u c t j o nm e c h a n i s ma sw e na sl h ea c o u s t i c sc h a r a c t e r i s t j co ft h et m 怕c n o i s ef r o mt h et i r ea n dt h er o a ds u r f a c et w oa s p e c t s m o r e o v e r ，t h er c s e a r c h d e m o n s t r a t i o n st om ep o r o u sp a v e m e n td o m e s t i c 加df o r e i g na r er e f e r e e dt o r e s e a r c ht h er c l a t i o n sb e t w e e nt h et m f f i cn o i s e 如dt i l eh o l ep e f c e n t a g e ， g r a d eo p e r a t i 曲，s u 嘲c el a y e rt h i c k n e s so ft h ea s p h a l tc o m p o s j t i o n a j l d a b o v et l l i sf o u n d a t i o n ，t h es t m c t i l r a ld e s i g np r i l l d p l ea n dm e t h o do ft b e p o f o u sp a v e m e n la es t l i d j e d ，a tt l l e 船m e | j m e ，t 1 1 el j “n ge x a m p l ej s s h o w e d ，t l l a ti st l i en e w e s tr c s e a r c h i n gp o r o u ss t 川c t i l r e 矗o mt h em i l l i s t r yo f c b m m u n j c a t i 蚰sm a dr e s e a f c hi n s t i t i 】t e 1 l l 北京交通大学硕士学位沦文 b e c a u s ea n yo n er o a dl sb u j 】tn e w j y nn e e d st of o f e c a s ll h ej n 玎u e n c e o ft h et r a 砺cn o i s et ot h ei i l h a b i t a n ta l o n gt h i sr o a d ss i d e sa n e ri t s c o m p l e t i o na n do p e n i n g f f o n tt h eu n i o nr e s e a r c h ，t h j sa r t i c l ec o u n t e r s s e v e r a lk i n d so ff o r e c a s lm o d e le s t a b 】i s h e de a l y ，s u c ha st h en o i s ef o r e c a s t m o d e lt h a tw a sa m l o u n c e db yf h 气( t b ef e d e 阳lh 噜h w a ya d m j n i s t r a l j o n o f a m e r j c a n ) ， t h eg e r m a n h i g h w a y t r a f ! f i cr e s e a r c ha s s o c j a t i o n s c o m p u t a t j o 彻lm e t h o d ，e n 毋a n d sc r t n 8 8e t c 1 nt h j st h e s i s ，a c c o r d i n gt o a n a l y z ec o m p r e h e n s i v e l yo u rc o u n t r ya c t u a ls i t u a t i o n ，f o r c c a s tm o d e lt h a ti s s u j t e dt oo u rc o u n t r y ，sm a dj se s t a b l j s b e d 。 i na d d j t i o n ，b e c a u s ei h ec o m m u n i c a t j n gv e h i c l e sw i l lb r i n gc e t a i l l i n f l u e n c et ot h ei n h a b i t a n t sa n dp e d e s t r i a na l o n gt h et o a dt w os i d e s ，a f t e r t h er o a d sc o m p l e t j o na n do p e n i 玎g ，b a s e d0 nt h i sr e a s o n ，i tn e e d st oa p p r a i s e t h ei o a ds e c f j o n仃a f 五cn o j s e 1 1 l i s p a p e r t a k e st h ed a t n m g e ta n d i n v e s t i g a t e so nt h es p o ta st h ef o u n d a t i o n ，u n m e st h ee x p e no p i | 1 i o n ，a p p l i e s f i l z z ym a t h e m a t i cs y n t h e s i sa p p r a i s a lt h e o r y ，a n a l y z e sa n de s t a b l i s h e st h e 向z z ys y n t h e s j sa p p m i s a im o d e l o nt h i sf o u n d a t i o ns i m p l ep r o c e d u r ei s e s t a b l i s h c db ya p p l y i n gc o n l p u t e fl a n g u a g e sc o m p i l i i l g b e c a u s eo ft h ef e s t r a i n to ft h el a b o r a t o r ye q u i p m e n t 柚dt h ef e a 】i s t i c s i t u a t i 伽，m i sr e s e a r c ha c h i e v e m e ta l s on e e d st ob e e ne n h a i l c e df u n l l e r a n dn e e d st ob e e nc o n s u m m a t e di nt h ep r a c t i c eu n c e a s i n g i y k e y w o r d s ： t r a t f i cn o i s e ，a c o u s t i c c h a r a c t e r i s t i c ， p o m u sp a v e m e n t ， f 0 r e c a s tm o d e l ，f u z z ys y n t h e s j sa p p r a i s a l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 公路交通噪声主要是车辆运行过程中产生的噪声，随着道路交通事 业的迅速发展、车流量和车速的提高，交通噪声的污染也随之提高。严 重危害道路两侧居民身体健康并且已经逐渐成为了城市环境污染的主 要来源。主要表现为：损伤听力：干扰睡眠；干扰交谈、1 = 作和思考； 对人体生理影响；对动物的影响。为了改善这一状况，8 0 年代以来， 国际上研究和发展了一种多孔性( 低噪声沥青) 路面，具有明显吸收轮 胎路面接触噪声的功能。它是属于骨架孔隙结构型沥青混合料路面， 它的孔隙率比普通沥青碎石要高，一般在2 0 左右。 国内外已有研究证明铺设低噪声沥青路面是一种行之有效的降噪 途径。当车轮胎在路面上滚动产生的噪声在交通噪声中所占的比例越来 越高，当车速超过5 0l a n h 时更为突出，在正文中有更加详细的介绍。 对于黑色与白色两种路面而言，黑色路面的柔性对撞击、振动的缓冲吸 收作用及黑色路面自身的孔隙及表面纹理结构对声音的吸收作用大于 向色路面，因而导致行驶车辆在白色路面上的噪声大于在黑色路面上； 而对于不同种黑色路面而言，透水性降噪路面由于较高的孔隙率既可降 低各种噪声的生成水平，又使声能转化为热能的比例增大，所以总的噪 声水平低于其他类型的沥青路面。有研究表明，这种公路路面可以使行 驶汽车这种公路可以成功地使行驶汽车噪声降低3 个分贝，就等于把 1 0 辆汽车行驶所产生的噪声减少到5 辆汽车产生的噪声，不同的比较 如表1 1 。 表1 1 面层材料的噪声水平 面层材料种类噪声水平( d b )面层材料种类噪声水平( d b ) 水泥混凝土 7 6 8 3 单层表处7 4 5 8 0 5 沥青混凝土 7 4 5 7 8 5 透水性沥青面层 7 1 7 7 北京交通大学硕十学位论文 这种路面如果强调其透水性能时，称为透水性沥青路面。它的最大 特点就是大孔隙率。由于孔隙率大，使得混合料内部的孔隙呈连通状态， 从而在有坡降、遇雨水时，水可沿连通的孔隙流走，最后排走。在雨天 大家都知道，普通路面上高速行车会产生水滑现象，汽车有失去控制的 感觉，使行驶的车辆处于危险状态。而对于这种大孔隙路面来说，由 ： 它极好的排水性能可提高雨天的抗滑性和雨天车辆的行驶速度。 所以，这种大孔隙路面一方面可以很好的吸收降低交通噪声，使得 道路两侧居民及其行人少受噪声侵扰，提供优良的生活环境，同时又达 到了美化城市环境的目的；另一方面可以完全排除或减少雨天路表积 水，大大减少行驶车轮引起的水雾及溅水，使得雨天行车的能见度提高， 并避免雨天夜间行车车灯造成眩光，即提高雨天行车的速度和安全性。 这种大孔隙沥青路面在具有许多优点的同时也具有相应的天然缺 陷。对其高温稳定性而言要比一般沥青混凝土高，但是其耐久性要比一 般沥青混凝土低。耐久性是指：在自然气候因素及频繁的行车荷载作用 下，路面自身特有使用性能保持时间长短的能力。保持时间长，耐久性 高；否则，耐久性差。有关研究表明，这种路面在使用一段时间后，其 孔隙会由于灰尘、污物堵塞而减少，捧水、吸音效果降低，产生老化、 剥落的现象会较早。因此，为了尽量避免或延缓这些缺陷的产生，在选 料、设计、养护方面采取专门措旋。比如，聚合物改性沥青透水路面的 耐久性比不改性的要高，因为改性沥青可以增加沥青薄膜的厚度，延缓 沥青的老化，同时也可改善沥青与矿料的粘结力；高压注水吸出法或双 氧水发泡清洗污染等工艺可消除孔隙堵塞，保持路面排水、吸音等性能。 同时公路在建前及其建后都要进行相应的研究，包括建前噪声预测 和建后噪声评价。在本文都有一定程度的研究，当然还需要更进一步的 验证、修正。 1 2 国内外大孔隙降噪沥青路面的研究现状 2 0 世纪8 0 年代起欧洲的比利时、荷兰、德国、法国和奥地利等国， 开始研究并采用低噪声路面：( 1 ) 欧洲一些国家铺筑这种路面，主要注 2 第1 章绪论 重其排水、抗滑、降低噪声功能。美国称这种路面为开极配沥青混凝土 ( 0 g f c ) ，主要注重改善路面抗裂能力，增加抗车辙能力，提高抗滑性 能；比如，1 9 9 3 年欧洲共同体要求所有路桥公司能修筑“净化”路面， 掌握铺筑低噪声路面的技术；( 2 ) 日本则除考虑以上各方面使用性能的 改善提高外，还注意考虑用在城市道路时对生态环境的保护，即以人行 为主、供市民活动的道路、通行轻型交通的车道和停车场等内部路面， 修筑成全透水性路面使雨水还原于地下或在路面中贮留一段时问，从而 使路标面的雨水流走量减少，这样，可改善植物生物等的地下生长状态， 减轻下水管道压力，蓄养地下水源，增大抗滑性，改善步行条件等：( 3 ) 新加坡的透水路面修筑之后，由于其自然条件关系的缘故使用状况良 好。那里年温差较小且属于海洋性气候，因此无需考虑材料低温性能： 同时由于经常性的中，大雨对透水性路面有经常性的冲洗作用，所以也 无需考虑孔隙的堵塞问题。 由于低噪声路面与其它降噪措施( 如声屏障) 相比，具有经济合理、 保持环境原有风貌、降噪效果好和行车安全等优点，目前国际上发达国 家已经广泛展开应用研究，近年来我国一些科研单位和高等院校也在积 极从事低噪声路面的试验研究和开发工作，并建立了一些理论计算方法 及经验模型方法。 理论计算方法而言：在过去的1 0 0 多年里，声场理论解算方法得到 了很大的发展。一些简单( 理想) 条件下的声场严密求解问题被解决， 但是存在一定的局限性。实际应用中，最经常的是经验预测方法：通过 大量试验研究总结出适用于特定条件下的经验预测数学模型”1 。实际应 用中要限定特定条件，参数等，即是对某一经验模型进行的修正。而且 经验预测模型是目前道路交通噪声评价和设计的主要方法。 1 3 本论文的研究内容 结合已有的大孔隙沥青路面的研究成果和经验，本论文主要着手于 以下几个方面的研究： ( 1 ) 结合声学基础知识和已有研究实例，分析研究了不同结构设计下 3 慈索交逶太学硬= 圣：学搜论文 蹿丽产生的交通噪声所具有的频谱特性以及路面材料具有的频响特性： ( 2 ) 分析研究了大孔隙降噪路面结构设计殿其实验室性能的检测实例， 并分绍了实验室内和警外两种现有的测鬃方法： ( 3 ) 铮楚大瑟豫辫臻路瑟戆特毪，缝合憩蠢静经验羲溺模登滚芎亍穆歪， 建立交通噪声预测梭擞； ( 4 ) 在经验预测基础上，利用模糊数学方法对路两侧居民造成的影响 进行噪声评价并利用v b 语言进行程序编制。 4 第2 章交通噪声的基础知识 第2 章交通噪声的基础知识 2 1 声波基础 在物理学里，声定义为一种通过弹性介质传播的波。如果这种波的 频率处于2 0 2 0 0 0 0 h z ，就称为声波。声波是由物体振动和空气振动而 产生的。振动的物体称为声源。声源的振动引起周围空气的疏密交替变 化，这种疏密变化由声源向外传播就产生声音。其传播速度决定j 二弹性 介质的特性。在环境噪声问题上，我们一般是考虑声音在空气中的传播。 噪声是由各种不同频率、强度的声音组合而成的。一般认为d o 分贝是 人类正常的环境声音，高于这个值就可能造成一些危害。而交通噪声是 声音的一种，具有声音的一切特性。 声音在介质中传播时，介质的质点本身不会随声音一起传递出去， 而是质点在其平衡位置附近来回振动，传播出去的是物质运动的能量。 2 1 1 声波物理特性 ( 1 ) 频率、波长和声速： 该项特性都比较熟悉，所以不作详细介绍。 ( 2 ) 声压、声强和声功率： 声压是指介质中的压强相对于无声波时压强的改变量，记作p ，单 位是帕( p a ) 。有瞬时声压和有效声压；实质上人耳是分辨不出声压的 瞬时变化的，因此声压的实际效果是某段时间内瞬时声压的平均值，既 有效声压。在实际应用中如无说明，声压即是有效声压，而且实际应用 中也是用有效声压来衡量的。 声强是衡量声场中声音强弱的物理量。声强是单位时间内在垂直于 声波传播方向的单位面积上的声能量，记作i ，单位是( i i m t ) 。 声功率是声源单位时间内向外辐射的声能，记作 i ，单位是瓦( w ) 。 它与频率有关，在计量时应指明其频率范围，而与环境无关。 5 北京交通大学硕士学位论文 声强与声功率的关系是： ，= s ( 式中s 表示面积，根据不同声源形式而取圆面积或线面 积) 。 在声学测量中，由于直接测量声强较为困难，故常用声压来衡量声 音的强弱。声压是指声波在通过介质时所发生的附加压强，是对声场中 某点声波压力的量度。发声物体的振幅越大，声压越高，听起来越响。 ( 3 ) 声压级，声强级和声功率级： 实际应用时用声压和声强来度量声音是很不方便的，而且人耳对声 音大小的感觉并不与声压和声强成正比，所以通常用对数标度方法来表 示声音的大小。下面首先给出分贝的定义： 分贝是表示两个量q 和q 0 相对关系的单位，其定义式为： 分贝( q ) = l o l 双乡龟) ( 式中：瓯是参考量) 。 在噪声研究中，以分贝表示的声功率，声强和声压分别称为声功率 级，声强级和声压级。三者的定义：某处的声压( 声强、声功率) 与其 对应的基准声压( 基准声强、基准声功率) 之比值的常用对数值乘以 2 0 ( 1 0 、1 0 ) ，单位都以分贝( d 口) 表示。 ( 4 ) 声压级的叠加与分解： 在许多环境噪声控制问题上，我们关心的是多个声源的噪声在某 点上的总和，所以要进行声压级的合成与分解。当有不同的几个声源同 时作用时，它们在某处产生的总声压并不是各个声压的代数和，而是按 照能量法则进行叠加。 叠加公式为： 最砰+ 劈+ _ t + 牟 ( 2 1 ) 在噪声测定现场，除了噪声级的合成以外，还需要考虑噪声级的分 解。一般在被测对象发生之前测定场已有一个难以避免的噪声存在，这 种噪声相对被测噪声而言称本底噪声( 也称环境噪声) 。它的分贝值可 第2 章交通噪声的基础知识 以预先测定。同噪声合成一样，必须按照能量相减原则进行。在实际应 用中选取两个参数( 口、) ，其中a 表示总噪声与本底噪声之差；芦表 示一个修正值，单位都是分贝( 扭) 。被测噪声即是从总噪声中减去一 个修正量即可。( 仉) 对应表如下： 表2 1a 与口对应表 总噪声与本底 口 3456 7891 0 噪声之差d b 修正值d 8 卢 3 o o 2 3 01 7 01 2 5o 9 50 7 50 6 0o 4 5 一般情况下，测得的总噪声超过本底噪声1 0 d 8 时，可以忽略本底 噪声的影响。 2 1 2 声波生理特性 ( 1 ) 频程、频谱： 在可听声频率范围内，频率高的声音人感觉到音调高，反之则低。 由于可听声频率范围十分宽，大约从2 0 h z 到2 0 0 0 0 h z ，一般不可能 也没必要对每个频率逐一测量。为了方便和实用上的需要，通常将声频 范围划分为若干个较小的段落，则称之为频程( 或频带) 。当两个不同 频率的声音作比较时，有意义的是两个频率的比值，称之为倍频程。倍 频程数n 与频率的关系式： ， 一= l 0 9 2 之 1 2 2 l j 1 式中：，2 ， 为任一频程的上限频率和下限频率，单位h z ： n 为正实数，n 越小，分的越细，频程越短，测量所需时间越多； 当一= 1 ，称为倍频程，即两个频率相距1 倍： 7 北京交通大学硕士学位论文 n = t 称为倍频程，依此类推。 各倍频程的中心频率值，是指上限和下限频率的几何平均值，即 ，= 丽 1 2 3 l 实际应用时，有关倍频程下的各中心频率和上，下限频率值可以参 考表2 2 。 表2 2 倍频程的频率范围( 1 l z ) 巾心 6 31 2 52 5 05 0 01 0 0 02 0 0 04 0 0 0 8 0 0 0 频率 4 5 9 0 1 8 0 3 5 5 7 1 0 1 1 4 2 1 8 5 1 6 频率 范隔 9 01 8 03 5 57 1 0 1 1 4 k2 1 8 k5 1 6 k1 1 1 2 k 声频谱是指组成复音( 频率不同的筒谐成分合成的声波) 的强度随 频率而分布的图形，大体有线状谱，连续谱和复合谱三类；而交通噪声 就属于连续谱，即一定频率范围内含有连续成分的谱，在频谱图上是一 条连续曲线。 在噪声控制中，对于连续谱的噪声，用1 倍频程或l 3 倍频程中心频 率值为横坐标，声压级为纵坐标，绘出的折线来表示噪声的频谱。由噪 声频谱能清晰地表示出定频率范围内，声压级的分布情况。从噪声频 谱中，分析了解噪声的成分和性质，了解峰值噪声的低频。中频还是高 频范围，为噪声控制提供依据。 ( 2 ) 响度、响度级： 响度是人耳对声音强弱的主观评价尺度，是人耳鼓膜接受到入射声 后的主观感觉量。它主要取决于声压和声强，而且和频率有一定的关系。 声学上采用响度级表示和区别不同的响度。 响度级是人们对噪声主观评价的一个基本量。响度级的定义：将一 个声音与l 舶z 纯音作比较，当昕起来两者一样响时，这时1 k h z 纯音的声 压级的数值就是这个声音的响度级。发声物体的振幅越大，声压越高噪 8 第2 章交通噪声的基础知识 声的响度越大。在交通噪声的研究中，一般采用的是较为直观的频谱图。 2 2 主观评价的选择 2 2 1 人耳听觉特性总结 人耳对声音有的听起来较轻，有的则较响，这是人耳对声音响度的 判断。研究表明，声音的响度不但与其声压级大小有关，而且与其频率 的高低有着密切的联系。如果两个噪声源具有相同的声压级，但频率高 低不同，给人的感受会有很大差异，中，高频的声音听起来要比低频的 响的多。人耳的听觉特性决定了它对高频声敏感，对低频声迟钝。 人耳昕音的频率范围：2 0 h z 2 0 k h z ( 音频) ，低于2 0 h z 为次声波， 商十2 0 k h z 为超声波。超声波和次声波人耳是听不见的。人耳对噪声的 感知彳i 仪与噪声的声压大小有关，还与噪声的频谱构成有很大的关系， 研究农叫人耳对于频率在l o o o 一4 0 0 0 赫兹范围的声音最为敏感。 人耳听觉经研究有两个结论： ( 1 ) 当幅度大的语音信号与幅度小的语音信号混和存在时，幅度 人的俯号会遮盖幅度小的信号，即人耳对大幅度的语音信号更敏感： ( 2 ) 人耳对语音中随时间变化较剧烈的部分更加敏感，丽对变化 较。以的部分则不那么敏感。 2 2 2 基于人耳听觉特性的噪声主观评价 ( 1 ) a 声级： 根据听觉特性，在声学测量仪器中，设置有“a 计权网络”，使接 收到的噪声在低频有较大的衰减，而高频不衰减甚至稍微放大。a 网络 测得的噪声值较接近于人耳的感觉，其测得的值的单位称为a 声级( l ) 。 在噪声评价当中，有关经验表明不论声音强度是高是低，a 声级都 可以比较好的反映入耳对噪声吵闹的主观感觉，因为它对于人耳不敏感 的低频声衰减多些，中频衰减少些，高频不衰减甚至稍微放大。 此外，在所有的评价方法中，a 声级同人耳的损伤程度也能对应的 9 j 匕京交通大学硕士学位论文 很好，a 声级越高，损伤越严重。 ( 2 ) 等效连续a 声级： 等效连续a 声级的定义：在声场中一定位置上，采用能量平均的方 法，将某一段时间内间歇暴露的几个不同的a 声级的噪声，用一个a 声级 来表示该段时间内的噪声大小。 在实际测量中是用等效连续 声级来计量的，它是在考虑了噪声与 频率之间关系的a 声级基础上，进一步考虑了噪声持续时间产生的影响， 还可用于测量持续时间不同的起伏波动噪声。在评定非稳态噪声能量的 大小时，等效连续a 声级尤为必要。 2 3 交通噪声基础知识 2 3 1 交通噪声分类 ( 1 ) 动力噪声： 车辆动力噪声( 又称驱动噪声) 主要指动力系统辐射的噪声。发 动机系统是主要噪声源，包括进气噪声，排气噪声，冷却风扇噪声，燃 烧噪声级传动机械噪声等。 动力噪声的强度主要取决于发动机的转速，与车速有直接关系，噪 声强度随车速增大而增强。此外，车辆爬坡时随路面纵坡的加大，动力 噪声也增大。 ( 2 ) 轮胎噪声： 轮胎噪声是指轮胎与路面的接触噪声，又称轮胎一路面噪声。它由 轮胎直接辐射的噪声和由轮胎激振产生的噪声构成。轮胎直接辐射的噪 声，按其机理主要包括轮胎表面花纹噪声( 空气泵噪声) 和轮体振动噪 声，还有急转弯和紧急制动时与路面作用下产生自激振动噪声等。轮胎 噪声的大小与轮胎花纹构造，路面特性( 材料构成，路面纹理) 及车速 有关，且主要取决于车速，其强度随车速的增大而增大。 当车速超过5 0 k m h 时，轮胎噪声就成为小客车与轻型载重车噪声的 主要部分。随着汽车工业的发展，车辆动力噪声已被降低到了尽可能低 1 0 第2 章交通噪声的基础知识 的程度，所以在交通噪声当中，轮胎噪声( 轮胎路面噪声) 则成为轿车 和轻型车的主要噪声源。 2 3 2 交通噪声的形成机理 交通噪声主要是由于轮胎与路面的接触作用而产生的，综合考虑存 在三种产生轮胎一路面噪声的机理：a 泵吸作用；b 轮框振动；c 空气 动力性噪声，除非车辆以相当高的速度行驶，否则空气动力性噪声一般 是不严重的，可以不予考虑。 a 泵吸作用： 当轮胎在路面上滚动时，与路面接触的轮胎部位被压缩变形，轮胎 花纹内空气被挤压排出，形成局部的不稳定空气流。同时当轮胎通过路 面上的洞穴时，空气也会被挤压进洞穴，在洞穴内形成压强较大的气团。 然后，当轮胎滚离接触面时，空气又会迅速填回轮胎的花纹和从洞穴中 释放出来。这种气体涨缩往返的泵吸作用形成单极子噪声源。 b 轮框振动： 轮框振动噪声主要是指轮胎在凹凸路面上滚动时产生振动所激发 的噪声，它的强弱取决于轮胎的材料，结构和路面特性。成型道路的表 面是粗糙的，由二个个相互连接的凸凹组成，称为宏观构造和微观构造 不同形式的沥青路面的表面特征如图2 1 所示。 、一、八，厂八 大粒径粗榷型 小粒径密实型 图2 1 不通沥青路面的路表构造特征 汽车在路面上行驶时，轮胎与路面接触滚动，并在接触面上产生一 l l 北京交通大学硕+ 学位论文 定的压力。在汽车轮胎与路面接触压缩的瞬间，由于路表凸凹构造的存 在，一部分空气被压缩在轮胎路表孔隙内，随着轮胎迅速滚动，这部分空 气随即释放吸出，这种反复的“空气压缩吸出”过程导致部分轮胎滚动 噪声的产生；另一方面，路表的凸凹不平使轮胎产生一部分振动噪声。 轮胎滚动噪声产生机理1 7 l 示意图如2 2 所示。 封闭压缩 的空气 图2 2 轮台滚动噪声产生机理示意图 2 4 交通噪声的声学特性分析 在可近似为自由声场的公路上，轮胎一路面噪声在反射面上扩散传 播时，破坏干涉发生在高频声波部分。这是因为轮胎噪声声源靠近路面 ( 一般不超过路面上5 厘米) ，声源声波和反射声波的相位差较小，破 坏干涉只可能发生在小波长声波( 即超过8 0 0 0 赫兹的高频噪声) 。但是， 轮胎噪声在多孔隙降噪路面的表面上扩散传播时，由于附加相位差的变 化，使破坏干涉在低频( 一般为8 0 0 l 0 0 0 赫兹) 声波部分发生，合成 声压降低。这部分声波正是轮胎噪声能量的主要构成部分。 2 4 1 频谱特性分析 噪声的频谱分析“是借助于测得的频率域内的声压信号分析其频率 结构。一般是以频率为横坐标，主要声学参量( 如声压级，声强级，声功 率级) 为纵坐标的图形。在噪声控制中，对连续谱的噪声用l 倍频程或彰 j 倍频程的中心频率值为横坐标，声压级为纵坐标，绘出的折线来表示噪 声的频谱图。 第2 章交通噪声的基础知识 在室外的现场测量中一般是应用单车车辆噪声测量方法进行测最。 可测得不同频率下的声压级，以便进行频谱图绘制分析。在测量时采用 声级计快档a 计权声级，在开阔地带进行测量。 应用实例嘲分析： 对于交通噪声不仅是声级重要，而且噪声的频率也很重要。低频的 噪声比起高频噪声更不容易衰减，因此传播的更远。下图是来自国外 仇阳r t 毋鲫d ，打a 印。招，鲫朋s 阳r c 丘j 研究的不同类型沥青路面上 的频谱图2 3 ( 噪声声压级与噪声频率的关系图) 。图中0 g f c 路面显示了 急剧下降的低频噪声，峰值仅有6 0 0 h z ；其它四种路面的峰值频率为 】0 0 0 h z 然后下降。可以得出o g f c 路面对于吸收高频噪声效果最佳。 厂、 j 9 m ms u ”p m l d b l a i p麓丈，哙 i i l1 2 5m ms u p 盯l v e9 57d b i a )i 、 ! 。、过太l ： it e ch o c h 晒9 7 d b f a l l 、 k9 k。jv h e 3 d 1 ”磊a m i m ， i 、k 支心二z j ，。 _ ，k lc o i oa d o 一悖5 班 h 神0 1 ill “w ) cq x f r - c y l h z i 图2 4 不同级配下的低噪声路面频谱图示意图比较 2 4 2 频响特性分析 声学上常用吸声系数【6 】来描述路面材料的声学特性。所谓吸声系数 是指被材料吸收的声能与入射到材料表面的声能量之比。吸声系数越 大，材料的吸声性能越好。当入射的声能被材料全部被吸收时，吸声系 数等于1 。材料的吸声系数与声波的频率及入射角度有关。一般将声波 垂直入射到材料表面的吸声系数称为垂直入射吸声系数。 根据吸声系数的大小可以判定相同条件下那种材料和结构的吸声 能力强。所以通过测量不同孔隙率、不同厚度的试样可得到垂直入射吸 声系数的峰值咖，与连通孔隙率，之间的关系。在实验室内对不同孔隙 率的试样进行的是驻波管法测量，可以研究得到各种试样的垂直入射吸 声系数与频率关系的频响特性。 应用实例分析明： 同济大学为了评析不同结构的路面材料的吸音降噪性能，进行了 吸声系数试验试验中他们选取了代表型的路面，多孔型捧水沥青路面 ( o g f c ) ，沥青玛蹄脂路面( s 凇) 作为研究对象，并与普通的a c 沥青路面 1 4 第2 章交通噪声的基础知识 作了对比研究三种路面材料的组成及物理参数见表2 3 。 表2 3 三种路面材料组成及物理参数 路面类型租集料细集料矿粉沥青用量表嘶纹理孔隙牢 多孔型排水路面( 0 g f c ) 7 2 o 2 4 0 4 o 4 5 l m 2 0 沥青玛蹄脂路血( s 眦) 7 0 0 2 0 o l o o 5 8 o 8 m m 4 普通沥青路画( a c )6 0 0 3 5 o 5 0 5 0 0 2 m3 一一6 试验结果给出了三种路面材料的吸声系数曲线如图2 5 。由此可以 得出结论，三种路面的吸声性能：多孑l 型排水路面( 0 g f c ) 优于沥青玛蹄 脂路面( s m a ) ，而沥青玛蹄脂路面( s m a ) 优于普通沥青路面( a c ) 。 + o g f c 鬻s m 1 3 p a c 图2 5 路面吸声系数比较示意图 2 5 沥青路面噪声特性分析 沥青路面的孔隙包括连通孔隙和封闭孔隙，两者之和为全孔隙率。 贯通孔隙对排水和吸收噪声将起到有效作用，也称为有效孔隙。有关资 料表明，连通孔隙率 ，与全孔隙率盯之闻也存在着明确的线性关系f 6 j ： ，= d 一8 5 开级配磨耗层的噪声特性主要取决于下面三个因素：混合料的孔隙 率，厦层厚度，混合料的级配。而孔隙率和厚度这两个因素又主要对超过 1 2 0 0 h z 的高频区有影响，级配主要影响低于8 0 0 h z 的噪声区。从以上频 j 匕京交通大学硕士学位论文 谱图2 4 可以看出随着3 8 i n c h 的粒料含量减少时，噪声级也在减小， 尤其是低频区。 根据图2 5 可以得到增大连通孔隙率有助于提高吸声效果：而对于 路面厚度来讲，有关研究表明当厚度增大到4 0 m m 时，材料的声学特性趋 于稳定1 9 】孔隙率的作用成为主导。如表2 4 ，随着试样厚度的增加，同 一孔隙率下的吸声系数峰值口。所对应的频率逐渐向低频转移f l 】 。 表2 4 不同厚度试样的口。所对应的频率 厚度d ( m m ) 3 94 15 86 2 4 6 3 4 l 峰值频率( h z )8 0 07 8 06 2 05 0 04 6 0 由于混合料级配的差异不太明显所以噪声级最终可归结到与孔隙 率有关1 3 2 j 删。国外有关研究1 8 l 也同样表明随着0 g f c 路面材料孔隙率的增 大，所对应的噪声级降低。图2 6 给出了由美国n c a t 研究所早期的研究 成果，显示了孔隙率与噪声级的回归关系线，如下： 。 ly 一n x 7l 。 “” 图乏6 孔骧率与噪声级的回归关系线 有关研究表明1 1 l l ，垂直入射吸声系数的峰值与试样的连通孑l 隙率 ( 试样中与外界相通的孔隙) 之间存在着明确的相关性。连通孔隙率1 ， 1 6 盼 姑 盯 韩 蛄 i v i p|互；j毒葛z 第2 章交通噪声的基础知识 越大，吸声系数的峰值a 也越大。对于不同厚度的试样，二者拟合关 系式不同。比如6 0 m m 厚度的试样，有关资料给出两者之间的关系： 口。= o 0 4 2 ，一o 0 5 3 ( 2 4 ) 2 6 小结 研究表明，交通噪声的声学基础知识可以概括为： 1 ) 结合声学基础知识和人耳的听觉特性研究，选取交通噪声连续谱图 进行分析，选择等效连续a 声级作为测量对象； 2 ) 在交通噪声的组成当中，轮胎噪声是主要研究对象； 3 ) 结合国外资料中的大孔隙路面研究成果可以得出，大孔隙的沥青路 面对降低噪声是有显著成果的； 4 ) 路面面层材料的孔隙率及其面层厚度决定了面层的降噪效果。 北京交通大学硕士学位论文 第3 章大孔隙降噪沥青路面的混合料设计 低噪声路面的沥青混合料设计过程主要围绕如何获得预定的目标 孔隙率并保证其具有一定的强度，温度稳定性，耐久性等进行级配选择 和最佳沥青用量的确定。为使混合料的孔隙率达2 0 左右，集料采用间 断型开极配。粗集料几乎是单一粒径，其用量达8 0 左右粗集料的问隙 由少量的砂粒填充，矿粉的用量也较少。 传统马歇尔设计方法包括相应的设计指标不能作为低噪声沥青混 合料的设计主要指标，而只能作为参考校核用。 本文提倡的方法【1 】是：参考已有的级配范围，( 如表3 1 给出的日本 多孔性路面沥青混合料级配) 初拟级配，按照马歇尔方法每面击实7 5 次制备试件，选择孔隙率达到目标要求值时的若干个沥青用量，如孔隙 率不能达到预定值时，再进行级配调整。对所选择的若干种沥青用量所 拌制的混合料做流淌试验，对成型的试件做洛杉矶磨耗试验，按照沥青 流淌损失量，洛杉矶磨耗率不能过大的原则，确定最佳沥青用量的范围。 然后按透水系数，马歇尔稳定度，残留稳定度，流值及其它性能指标试验 分析，最后定出满足降噪性、耐久性、强度要求的最佳沥青用量。 表3 1日本多孔性沥青混合料级配 l 孔径( 柚) 1 91 3 24 7 5 2 3 6o 6o 30 1 5o 0 7 5 l 通过率( )l o o9 0 一一1 0 01 1 3 58 一一2 55 一一1 74 一一1 4 3 一一1 02 一一7 目前，国内已有少数研究单位、高等院校开展了多空隙沥青混凝土 和超薄沥青混凝土的研究。如1 9 8 8 年交通部公路科学研究所与河北省 交通厅合作在正定试验路上铺筑了l o 钿的o g f c l 6 试验路；同济大学于 1 9 9 6 年在浙江萧山等地铺设了多空隙降噪试验路段“4 0 0 疗) ；北京市 政和广州市政分别在北京和广州铺设了超薄沥青混凝土试验路段( 埃索 改性沥青) ；交通部公路科学研究所与济青高速公路管理局和山东省交 通科学研究所合作，于1 9 9 9 至2 0 0 0 年在济青高速公路上铺设了超薄沥 青混凝土近8 0 0 0 时( 两种级配、两种改性沥青) 。 】8 第3 章大孔隙降噪沥青路面的混台料设i 下图是从外文资料中得到的用照相机所拍摄的大孔隙路面外形图1 3 5 】 3 1 国内低噪声路面的设计介绍 从声学角度讲，为降低沥青路面的行车噪声，表面层沥青混凝士应 有较大的空隙率、较高的构造深度和较小的粒径。 3 1 1 我国已有大孔隙降噪路面的设计实例 本文以河北省京沪高速公路的低噪声路面试验路段路面结构为例 介绍一下低噪声路面的结构设计。该试验路段遵循的原则： 1 ) 沥青面层，特别是表面层沥青混合料采用多孔沥青混凝土； 2 ) 表面层沥青混合料的最大粒径适当减小； 3 ) 路面设计满足承载能力，耐久性，抗滑等使用性能； 4 ) 对我国目前常用的几种沥青路面表层噪声水平进行比较。 结合以上原则，给出六种试验路面面层结构，沥青面层总厚度为 1