（交通运输规划与管理专业论文）公路声屏障优化研究.pdf

摘要 随着我国公路交通的迅速发展，交通噪声污染日益严重，已严重干扰了公路沿线居 民的正常生活。声屏障是防治交通噪声有效且经济的工程措施之一，对其进行优化研究， 对提高声屏障降噪效果，改善公路沿线声环境质量，促使公路交通与环境协调发展有着 重要的现实意义。 本文在系统分析我国公路交通噪声污染特征、产生原因、频谱特性、时域特征、空 间分布特点的基础上，根据声屏障降噪原理，针对现用规范声屏障声学设计和测量规 范( h j t 9 0 - - 2 0 0 4 ) 中计算方法的不足，结合我国公路声屏障应用中存在的问题，对 离散线声源( 2 0 0 v e h h 一8 0 0 v e h h ) 条件下声屏障插入损失计算方法进行研究，构建了应用 于离散线声源的计算模型，提出了离散线声源条件下基于插入损失址d 修正曲线的声屏 障声学设计方法。对吸声型声屏障插入损失计算方法进行研究，提出了吸声降噪量计算 模型，并建立了以吸声降噪量为指标的吸声材料评选方法，与建筑吸声产品吸声性能 分级( g b 1 1 6 7 3 1 1 9 9 7 ) 中以n r c 为指标的评定方法相比，更具有工程应用价值。对 高速条件下交通噪声多普勒效应对声屏障降噪效果的影响进行分析，提出了增大声屏障 前端屏蔽角和有效高度从前端到后端递减的优化措施。 本文研究结论可为公路声屏障声学设计优化、吸声材料优选、科学确定声屏障始端 和末端安装位置和几何形状优化提供设计依据和参考。 关键词：公路交通噪声；声屏障；插入损失；计算方法；吸声材料；优化 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fr o a dt r a f f i c ，t h ep o l l u t i o no ft r a f f i cn o i s eh a sb e c o m em o r ea n dm o r e s e v e r e ，t h a th a v eb e e nd i s t u r b e dt h er e s i d e n t sa l o n gt h er o a d n o i s eb a r r i e ri so n e o ft h ee c o n o m i c a la n d e f f e c t i v ee n g i n e e r i n gm e a s u r e si np r e v e n t i n gt r a f f i cn o i s ep o l l u t i o n s ot h eo p t i m i z a t i o no fn o i s eb a r r i e r s 舔 t op r o m o t et h ep e r f o r m a n c e ，t oi m p r o v et h ea c o u s t i c a le n v i r o n m e n t ，h a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei n t e r m so fa d v a n c i n gt h ec o o r d i n a t e da n db a l a n c e dp r o g r a mo fd e v e l o p m e n tb e t w e e nr o a dt r a f f i ca n d e n v i r o n m e n t b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fc u r r e n tp o l l u t i o ns i t u a t i o n ，p r o d u c t i o nc a u s e s ，f r e q u e n c ys p e c u u m , d i s t r i b u t i o na n dp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr o a dt r a f f i cn o i s e ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z et h et h e o r yo f n o i s eb a r r i e r s i nv i e wo ft h es h o r t c o m i n g so fc a l c u l a t i o nm e t h o d si n d e s i g na n dm e a s b r es t a n d a r do f a c o u s t i cb a r r i e r , n o h j t9 0 - 2 0 0 4 ，a n di nc o n n e c t i o nw i t hp r o b l e m so fa p p l i c a t i o nf o rt h em a dn o i s e b a r r i e r si no u rc o u n t r y , i n s e r t i o nl o s so fn o i s eb a r r i e r sf o rd i s c r e t e l i n e a rs o u n ds o u r c e sh a sb e e n r e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , a n db u i l dt h ec a l c u l a t i o nm o d e l ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt oa c o u s t i cb a r r i e r s d e s i g n i n gu n d e rt h ed i s c r e t e - l i n e a rs o u n ds o u r c e s ( 2 0 0 v e h h - - 8 0 0 v e h h ) c o n d i t i o nb yu s i n g o fa l d c o r r e c t i o nc u r v e r e s e a r c h i n go ns o u n d - a b s o r p t i o nn o i s eb a r r i e r s ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sac a l c u l a t e m e t h o da b o u tt h en o i s ed e c r e a s i n gb ya b s o r b i n g , a n de s t a b l i s h e dan e wm e t h o dw h i c hc a nc h o o s et h eg o o d s o u n d - a b s o r p t i o nm a t e r i a l t h i sm e t h o dh a sm o r ea p p l i c a t i o n v a l u ei ne n g i n e e r i n gc o m p a r i n gw i t h e v a l u a t i o nm e t h o di n t h eg r a d a t i o no fs o u n da b s o r p t i o np r o p e r t yf o r a b s o r b e n t p r o d u c t s ( g b t 1 6 7 31 1 9 9 7 ) a n a l y z ed o p p l e re f f e c ta n di t si n f l u e n c e so nt h ee f f e c t i v e n e s so fr e d u c i n gt h er o a d n o i s eb a r r i e r s ，a n dp u tf o r w a r do p t i m i z a t i o nm e a s u _ r e 8a b o u te n l a r g i n gt h es h i e l d i n ga n g l ei nt h ef r o n t - e n d a n dt h ee f f e c t i v eh e i g h tw h i c hw a sd e c r e a s e dg r a d u a l l yf r o mt h ef r o n t c n dt ot h eb a c k - e n d t h i sw o r kp r o v i d e ds o m eb a s e sa n dr e f e r e n c e st oo p t i m i z et h ed e s i g n i n go fn o i s eb a r r i e r s ，c h o o s i n g s o u n d - a b s o r p t i o nm a t e r i a l ，a n ds c i e n t i f i c a l l yd e l i m i t a t i n g t h e f r o n t - e n da n dt h eb a c k - e n di n s t a l l a t i o n p o s i t i o na n do p t i m i z i n gs h a p eo f n o i s e b a r r i e r s k e y w o r d s ：r o a dt r a f f i cn o i s e ；n o i s eb a r r i e r s ；i n s e r t i o nl o s s ；c a l c u l a t i o nm e t h o d ； s o u n d a b s o r p t i o nm a t e r i a l ；o p t i m i z a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 沪晕孓a 晚 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：沙年r 月而 铷一例批专秒彦年j ，月形日 k 立太学口- l ：学位论丘 第一章绪论 改革开放以来，我国公路建设事业蓬勃发展，汽车保有量持续增加，公路运输在国 家综合运输体系中的位置愈显突出。至2 0 0 6 年底全国公路通车总单程达到3 4 8 万k m ( 包 括从2 0 0 6 年纳入统计的1 5 5 月k m 村道) ，高速公路达45 4 一k m 。到2 0 1 0 年我国综 合交通系统刚络规模将达到2 8 0 打k m ，综合交通网络将贯穿全国南北东西，实现所有 地级市和重要港口口岸、沿海主要港口，以及绝大多数2 0 万人口以上的城市都有高速 公路相连，将覆盖全国卜多亿人1 3 。如此大规模的公路建设，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柬影响，并产生系列环境问题【1 0 j ，其中 交通噪卢影响最为突出 1 i 。掘2 0 0 6 年北京市公众环境意识调查报告，8 72 的公众认为 最应对交通噪声进行治理。北京城区内生活在交通干线以及次干线两侧、遭受公路交通 噪声污染的人口约在1 0 0 万左右占市区居民总数的1 6 口】。 氇伉 图l l 厦门市2 0 0 5 年环保投诉类别图1 2 北京市噪声投诉统计( 单位：件) 1 公路噪声污染现状及危害 1 1 1 公路噪声污染现状 1 9 9 2 年联合国环境保护署( u n e p ) 发表的报告环境状况拯救我们的星球， 其中关丁噪声污染方面指出：“与l o 年前相比，噪声已经成为一个更加严重的问题，特 别是在许多发展中国家，噪声污染日趋严重。在马尼拉、曼谷、开罗和许多其他城市 它成为个主要的环境问题”。表l1 给出了各国噪声污染现状【c i ，分别表示在不同声级 水平下，受交通噪声影响的人口比例。 第一章绪论 表1l 交通噪声的暴露人口( ) 声级比婀 1 e q美国日奉利法国德国瑞兆瑞|挪威 班 芬兰丹壶 ( d b ) 时h ： 6 5 7 0l81 4 lo 、l 8 ”8j 叩s 3 12 长安大学硕士学位论文 1 1 2 噪声的危害 虽然噪声污染属物理污染，在环境中只造成空气物理性质暂时变化，噪声源停止后， 污染立刻消失，不留任何残余污染物质，但噪声的危害却是多方面的。 首先在听觉方面，大量统计资料表明，噪声级在8 0 d b 以下，方能保证人们长期工 作不致耳聋。在9 0 d b 以下，只能保护8 0 的人工作4 0 年不会耳聋，即使是8 5 d b ，仍 会有1 0 的人可能产生噪声性耳聋1 9 1 。其次噪声对人的神经、心血管、消化系统、视力 和记忆力等诸多方面也有明显影响。有研究表明，7 5 d b 的噪声对长时记忆的记识和保 持有显著的影响，长时记忆效果降低2 0 , - , 4 0 左右【1 0 】。噪声对视力也会造成相当的损 害，当噪声强度达到9 0 d b 时，视觉细胞敏感性下降，识别弱光反应时间延长；当噪声 值增至1 1 5 分贝时，眼睛对光亮的适应性可降低2 0 ；噪声达到8 5d b 时，有4 0 的人 瞳孔放大，视觉模糊；在7 0 分贝噪声环境中，视力清晰度恢复到稳定状态只需2 0 分钟； 当噪声强度到达8 5 分贝时则需一个多小时才可恢复。同时，噪声还会使色觉、视野发 生异常，对红、蓝、白三色的视野缩小8 0 t 1 1 】，这更是潜伏着交通安全方面的危险。有 关文献表明，人在噪声作业环境中容易出现紧张、忧虑、愤怒、疲劳情绪【1 2 。1 钔，从而降 低工作效率，打断思维的整体性，使人精神涣散，注意力不易集中，以至于造成各种事 故，它给人们和社会带来的危害不可轻视。 此外，交通噪声还会严重影响到高速公路沿线的经济发展。受噪声影响严重的房地 产、工厂、商厦等的经济效益和生产效益都有不同程度下降，噪声还直接影响到公路周 围土地使用价值。有关资料表明交通噪声每升高l d b ( a ) ，那么土地的价格就会下降 0 8 1 2 6 ，平均0 9 左右【1 9 】。据研究推算，中国每年因道路交通噪声污染导致的经 济损失约合2 1 6 亿元人民币【2 0 】。 1 2 交通噪声防治方法 防治交通噪声污染是一项长期、艰巨的任务。目前交通噪声防治主要包括技术和管 理两方面措施。技术上有噪声源控制和声波传播途径中降噪措施以及合理的路网规划、 公路设施改进和建筑布局等；管理上有监测分析和制定各种法规、条例、标准，以及交 通运输管理。 纵观世界各国，在解决公路交通噪声方面都进行了许多研究，比较有效的措施主要 有研究低噪声车辆、改进公路设计、修建声屏障、合理规划建筑设施、实施必要的法规 和标准等。 3 第一章绪论 1 2 1 合理规划布局公路网 公路路线设计对交通噪声防治起着决定性的作用【2 。公路选线除应保证行车安全、 舒适、迅速、工程量少外，还应据环境噪声允许值控制好路线与环境敏感点之间的距离， 尽量避开居民生活区、医院、学校等环境敏感点，代之以不易受影响的工厂区或商业区， 减少公路运营期噪声防治投资【2 2 1 。 1 2 2 低噪声路面 轮胎与路面相互作用产生噪声，是重要的交通噪声源之一，尤其在高速行驶情况下。 当车速大于4 5 一5 5 k m h 时，轮胎噪声将成为交通噪声的主要成分。因此，直接修建低 噪声路面对防治交通噪声很有意义，使用这种路面可降低路面噪声3 , - 一8 d b ( a ) 2 3 】。同 济大学与杭州公路管理处研究合作，在杭州萧山和杭州建德公路修建了两段低噪声 路面，经实测，其轮胎与路面接触噪声降低了3 , - - - 5 d b ( a ) 。 1 2 3 低噪声车辆 控制车辆噪声是治理公路交通噪声最根本的方法。但这往往涉及制造行业上的大幅 度投入，据介绍每降低l d b 噪声值，在制造过程中都将付出昂贵代价【2 4 1 。 1 2 4 林带绿化减噪应用研究 林木具备引起扩散反射的不平枝叶，还有多层次的柔性表面，能起到降噪作用。在 公路与居民区之间种植林木，可有效地防治噪声，生态效益明显，在降低人们对噪声的 心理感觉上也有良好的效果【4 8 】。 林带要有一定的高度和长度才有降噪效果。研究表明，每1 0 m 林带总噪声衰减量在 3 d b ( a ) 2 1 e 右【2 5 1 。根据沪嘉高速公路进行的绿化降噪测试，实际测得每1 0 m 平均降噪量在 2 9 d b ( a ) 。r e e t h o f l 攀j 研究表明，林带宽度要达至l j 3 0 m ，才能对噪声产生较好衰减效果翊， 同时建议绿化带不宜超过6 0 m 5 9 1 。由于，我国耕地少、人口多，国家对土地使用制定了 严格的政策，要达到较好的降噪效果就要占用较大的土地资源，而且早期降噪效果不显 著，要等树木长成后效果才明显，所以很少采用【2 6 】。 1 2 5 声屏障降噪应用 声屏障是建筑在声源与接受点之间，用具有足够面密度密实材料制成的板或墙式障 碍物。其作用是使得噪声在传播途中有明显附加衰减，一般可降噪5 - - 1 5 d b ( a ) ，但衰 减量不会超过2 4 d b ( a ) 。对贵州贵黄( 贵 n - 黄果树) 高速公路声屏障和陕西西三( 西安三 4 长安大学硕士学位论文 原) 一级公路声屏障实测，降噪量达1 0 d a ( a ) 2 7 】。声屏障具有节约土地，降噪比较明显， 可拆换等优点。因此，在国内外得到了广泛应用。 综合比较各种降噪措施，见表1 2 ，在公路建设无法避开居民生活区、医院、学校 等声环境敏感点时，声屏障是一种有效的治理交通噪声污染的工程措施。1 9 9 6 年1 0 月 2 9 日颁布的中华人民共和国环境噪声污染防治法第五章第三十六条指出，建设经过 己有噪声敏感建筑物集中区的高速公路，有可能造成环境噪声污染的，应当设置声屏障 或者采取其他有效的控制环境噪声污染的措施。据国外发展经验来看，在我国规模修建 声屏障已成必然。 表1 2 各种降噪措施比较 降噪措施优缺点和降噪效果 合理规划，避让敏感点 能彻底解决噪声问题，但实际很难现实 初期可以降噪2 8 d b ，降噪性能随时问下降，造价高，施工工艺复 铺装低噪声路面 杂，耐久性和可靠性不足 研制低噪声车辆 可以从根本上解决噪声问题，潜力有限，成本昂贵 种植降噪林带 降噪效果在3 d b 1 0 m 左右，占地多，初期效果不明显 节约土地，降噪效果明显，一般可以达到5 1 5 d b ，7 0 m 以外的敏感 ；修建声屏障 点不宜采用 1 3国内外公路声屏障发展状况及发展趋势 1 3 1发达国家公路声屏障发展状况 早在2 0 世纪6 0 年代一些发达国家就开始研究公路声屏障技术，到7 0 、8 0 年代已 在声屏障设计和施工方面进行了深入研究和大量实践，积累了丰富的经验。 1 ) 美国2 0 世纪7 0 年代起开始修建公路沿线屏障，发展速度很快，至今已遍及联 邦各州，至2 0 0 0 年底，全美已建成的公路声屏障约5 0 0 0 k m 。加州尤为突出，修建的声 屏障约占公路总长度的4 0 。为使声屏障建设规范化，美国于1 9 7 6 年颁布了声屏障 设计手册和高速公路声屏障选择设计和施工经验，后还设计了“公路声屏障专家 设计优化系统”，进一步提高了道路声屏障的设计水平。 2 ) 德国德国是欧洲高速公路最发达的国家，已制定了严格的环境保护标准和政 策、交通噪声治理法。近3 0 年来建设了约1 6 5 0 k m 声屏障。近年来，为了改善景观和单 调压抑的形象，在某些路段分段设置了一些景观型的玻璃声屏障。 3 ) 丹麦在有效解决交通噪声污染的同时，高度重视绿化生态环境，是丹麦修建 5 第一章绪论 公路声屏障的主要特点。1 9 9 0 年建成的几条公路声屏障全长约1 0 0 k m ，高度3 0 m ，屏 障基础处均种植了树藤爬墙类植物，声屏障每隔5 0 m 设置一块长2 5 m 、高3 0 m 的透明 玻璃屏障。春、夏、秋季节，声屏障宛如一条绿色长篱：冬季声屏障上的藤枝五花八门， 引人欣赏。车辆在公路上行驶时，每隔5 0 m 就可经过玻璃屏障观察到公路以外景观，消 除了长距离屏障的压抑感。获得世界环境保护组织的高度评价和表彰。 4 ) 日本高速公路已超过6 0 0 0 k m ，路边的居民住宅区较多，交通噪声严重影响了 公民的正常生活，日本政府采取的主要措施是在影响居民正常生活的公路段必须修建声 屏障。至2 0 0 0 年底已建成约1 6 0 0 k m 公路声屏障，城市中高架路声屏障设置率已超过 8 0 ，并要求声屏障与周边环境相协调，尽量美化环境。声屏障构造呈柔和曲线状，给 人一种柔美亲切的舒适感。近年来，随着车辆交通的不断增加，某些原有的声屏障隔声 效果不能满足要求，为避免重复建设和节省投资，在原有声屏障顶端安装吸声式减噪器， 蘑菇型减噪器、绿化型减噪器等。试验证明，这类减噪器的减噪效果显著，在距离声屏 障1 5 m 以内范围降噪量增加2 2 5 d b ，在1 5 m 以外降噪量增加l d b 左右，相当于在现 有声屏障的高度上增加2 m 才可以达到的降噪效果【2 8 】。 1 3 2 我国公路声屏障发展状况 我国声屏障技术的发展起步较晚。1 9 9 2 年贵州省贵黄高速公路上安装了百米圬工 结构的试验性声屏障，这是我国将声屏障应用于公路上作为降噪措施的先例。随着陕西 省境内的西安一三原一级公路罗李小学段声屏障在1 9 9 3 年建成，其他地区的公路声屏 障也纷纷建成。如：上海的内环线、成都路高架桥、杨浦大桥沿线1 3 个区段约几十k m 的道路均已设置了声屏障；北京西三环路局部路段安装了长3 1 5 米、高2 6 米的声屏障。 广州内环线路也先后设置了声屏障。另外，南京惠民大道声屏障工程，浙江省杭州上塘 高架路声屏障工程也于2 0 0 0 年先后竣工，国内其他地区也相继建造了一些公路或铁路 声屏障。据不完全统计，至2 0 0 2 年底，全国已建成的公路声屏障不足5 0 k m ，与发达国 家相比差距太大。随着我国经济快速、可持续发展和保护生态环境的不断加强，治理公 路交通噪声的声屏障工程必将得到快速发展，广泛应用。 1 3 3 国内外声屏障发展趋势 公路声屏障设计是一种多目标多约束的工程技术问题，在满足声学性能的同时，它 们在布置、形式、材料、结构、构造以及外观装饰等方面的选择还必须满足局部景观的 需要以及其经济性、实用性和耐用性。 6 长安大学硕士学位论文 近年来，随着公路声屏障技术推广应用，总结当前声屏障技术研究的情况和发展趋 势。 1 ) 注重公路声屏障与周围景观协调性【2 9 1 许多国家在公路声屏障建造中，除要求 满足声学要求外还特别注重声屏障的造型、色彩和景观艺术设计，还可以因地制宜建造 透明声屏障。德国的公路声屏障设计规范和补充技术规定要求“运用美学观点设计 声屏障 ，日本、法国还因地制宜建造了透明声屏障。目前在许多国家己有各式各样新 颖美观的声屏障屹立于公路两侧，深受欢迎。 2 ) 声屏障构造形式的有效性【3 0 】由于交通量的增长和大型汽车的增加，致使公路 沿线的噪声级上升，对公路声屏障降噪量提出了更高的要求，由于各种因素的限制，传 统的声屏障降噪量非常有限。以提高声屏障高度增加降噪量的方法会带来很多的负面影 响，如阻隔阳光和防碍电波传播外，景观问题和声屏障基础有待加固等问题。因此，为 了在不增加公路屏障高度条件下，降低顶部绕射声波的传播，提高屏障的降噪性能，声 屏障的研究更加注重其结构形式的有效性和吸声材料的性能改善。 3 ) 多用低成本材料建造公路声屏障公路声屏障从构成材质上可分为：土、木质、 钢筋混凝土、金属、吸声材料的混合物等几类，对于一般公路而言，许多国家从少投资 及易维护考虑，多用普通混凝土、粘土砖和轻质混凝土等建造吸声或反射式声屏障，但 在城市道路声屏障多采用占地面积小、能与周围环境现代气息相吻合的金属声屏障。 4 ) 提倡在声屏障内、前后种植各类植物在可能的情况下，将声屏障设计成栽种 花草的形式，使声屏障四季常青，既可以减少交通噪声污染又可以美化环境。同时，绿 化带增强了声屏障的降噪效果。 5 ) 有源降噪声屏障的研究有源降噪是利用声波的干涉，使得在噪声控制区域内 得噪声与次级声波发生干涉相消，来达到控制或消除噪声的目的。有源降噪的基本思想 是在1 9 3 4 年德国科学家p i - l u e g 在“电子消声器专利中最早提出的。1 9 9 1 年，i s e 等 人【3 1 】首次证明了有源声屏障对降低声影区( 主要是低频噪声) 有较大的附加衰减。目前， 声屏障有源控制作用机理有待进一步研究，将有源声屏障用于运动声源噪声控制问题有 待研究。 6 ) 太阳能声屏障太阳能声屏障( p v n b ) 即将光电技术应用于声屏障中，在保证 降噪效果的同时，可以利用太阳能发电【3 2 1 。太阳能声屏障于1 9 8 9 年在瑞士诞生，现在， 德国、美国、英国、新西兰等国家都开始试用太阳能声屏障技术。但到目前为止，太阳 能声屏障仍有许多尚未解决的技术问题。 7 第一章绪论 1 4 本文研究的主要内容 近年来声屏障在防治交通噪声得到广泛应用，但是关于声屏障技术应用的问题也随 之而来。不少声屏障的降噪效果不明显、声屏障的建设费用很高、声屏障设计及降噪效 果与交通环境不匹配、吸声材料选择不当、声屏障与公路环境不协调、影响公路景观与 交通安全等。大量修建公路声屏障，却达不到预期的环保效益，只会造成材料、财力和 人力的极大浪费，增加公路工程建设成本。本文针对当前声屏障应用中存在的问题，进 行以下几个方面研究： 1 ) 通过监测数据，对公路交通噪声的频谱特性、时域特征以及分布特点进行分析， 并提出公路交通噪声综合防治对策； 2 ) 在分析美国联邦公路局和我国公路声屏障计算方法及其存在的不足的基础上， 对离散线声源条件下( 2 0 0 辆h 车流量 8 0 0 辆h ) 公路声屏障插入损失计算方法进行研 究，建立离散线声源模型，以补充现用规范对此条件下计算方法的空缺，并用以指导声 屏障声学设计； 3 ) 对吸声型声屏障绕射衰减量进行研究，推导其计算方法，并应用于吸声材料优 选问题，以期能根据噪声频谱特性，针对性选择吸声材料，提升吸声降噪效果，提高吸 声型屏障的性价比； 4 ) 对公路交通噪声多普勒效应对声屏障降噪效果的影响进行分析，并提出相应的 优化设计建议。 8 长安 学砸十学位论文 第二章公路交通噪声特性分析及防治对策 交通噪声是交通工程和环境工程中的重要课题，在国内外被广泛的研究。对噪声的 特性进行分析，对研究己有的降噪措施、方案、技术的性质，提出新的措施和技术方案 具有重要作用。 2 1 公路交通噪声产生原因及影响因素 公路交通噪声一般是指公路上所有车辆产生噪声叠加的总和。主要包括汽车的动力 系统噪声和轮胎路面噪声。当车速v 5 0 k m h 时，噪声主要来源于轮胎，路面噪声。汽车马达的一部分输出功率转化为 噪声和振动，因此重车的噪声和振动l l , j , 车大；轮胎，路面噪声包括空气泵噪声和路面不 平整而引起的振动。空气泵噪声是由于车轮在向前滚动时挤压一定质量的空气，滚过后 将被挤压的空气释放出，如图21 所示。噪声与被挤压的空气质量大小、压缩程度以及 挤压与释放的频率( 车速) 有关。振动是由于路面不平整，使得汽车前进的速度分解为 竖向和水平方向的速度，汽车一部分动能转化为振动能量。 公路交通噪声的影响因素可以归结为：车辆的车型、轮胎类型、行车速度、汽车运 动状态、路面构造等。车型与汽车载重量吨位、马达功率的大小有着直接的关系；轮胎 的类型主要指轮胎胎面的花纹和轮胎受压时的变形情况，它们都对气流压缩产生很大影 响；汽车运行速度越快，单位时间内挤压和释放的空气质量越大，产生噪声的能量越大、 噪声频率越高；汽车的运动状态指汽车的加减速运行状况，当加速时马达输出功率增大， 动力系统噪声增大，当汽车减速时汽车将产生制动噪声和轮胎拖滑噪声。交通噪声主 要影响因素见表21 。 圈2l 空气泵噪声原理示意图 表2 1 公路交通噪声影响因素 影响因素变化噪声水平 下流行驶速度 高 大 交通漉密度大人 载重量a 大 车郡! 组成人1 9 车多大 交通流运行状态加减速行驶大 第二章公路交砸噪声特忡分析防镕n 策 公路交通噪声是公路上所有车辆产生噪声叠加，它丰要受到行车速度和车流密度的 影响。其声级随车流量增加而增大，基本上符合声能量叠加原理。即车流量增加一倍， 声能增加一倍，工。和5 0 增加3d b ( a ) 。 在时间上公路上交通流是连续的、昼夜不断，而交通晕又是随时问和空间变化的， 分巾是随机的。所以交通流虽时间和空自】随机变化而有规律的特性也决定了公路交通噪 声有随时间空间变化且有规律的特性，与固定的、集中的噪声源相比它属于“流动离散 型噪卢”。因此公路交通噪声有影响区域比较大、持续时问长、综合治理难度大等特点。 2 2 公路交通噪声频谱特性 交通噪声的频率虽重要的参数之一，通常为了简化计算，工程设计叶1 采用等效频率 f i - 5 0 0 h z l 5 。等效频率代表道路变通噪声能量最集中的频率，它能够表征道路交通噪声 的特性，不同交通特性的公路等效频率有所差别。 公路交通噪声是由车辆在公路上行驶，车辆自身的驯动系统( 包括发动机、肛嗡、 变速箱、进排气系统、轮轴等) 以及轮胎与路面的相互作用产生的噪声。公路交通噪声 的主要声源是各类机动车，各类机动车以不同的行驶状态和工况( 包括不同的行驶档位、 车速或加速、匀速) 在公路卜行驶而产生的噪声。公路交通噪声声波频率范围为 6 0 8 0 0 0 h z ，图2 2 为我国高等级公路交通噪声倍频程谱图，公路交通噪声的主要频率 范围在2 5 0 - 2 0 0 0 h z t 3 4 1 。 ： 一 r x _ 黉 图22 高等级公路交通噪声倍频程谱图 由噪声频谱分析结果，大、中、小三种车辆的噪声频率范围见表22 所示。小型车 辆噪声以中高频声为主，中型、大型车辆以中低频声为主，此外，在水泥混凝土路而噪 声频率比沥青混凝土路面高。 1 0 长安大学硕士学位论文 表2 2 车辆噪声的频率分布 车速 行驶噪声频率( h z )轮胎噪声频率( h z ) 车型 k m h 沥青混凝土路面水泥混凝土路面沥青混凝土路面水泥混凝土路面 小型车6 0 一1 2 05 0 m 忍0 0 06 3 m 七5 0 06 3 0 2 0 0 08 0 0 一2 5 0 0 中型车 4 0 - 8 08 0 一8 0 01 2 5 1 6 0 01 6 肛l o o o3 1 5 一1 6 0 0 大型车4 肌8 08 0 1 0 0 02 5 m 之0 0 02 5 0 - 1 0 0 03 1 5 2 0 0 0 由此，公路交通噪声的频谱相当大程度上取决于： a ) 交通组成；b ) 行驶速度；c ) 路面特性 监测数据表明 3 5 - 3 8 】，高速公路与城市道路车型比有明显不同，表2 3 为高速公路与 城市道路车型比对比。可以看出城市道路主要是小汽车，而高速公路大、中型车辆比重 远大于城市道路。由于各型车辆噪声频谱特性不同，因此车型比必然导致公路交通噪声 频谱不同。城市道路行驶车速一般不会超过6 0 k m h ，公路尤其是高速公路行驶车速一 般为8 0 - 一1 2 0 k m h ，小汽车行驶速度还会更高。随着车速增加，轮胎噪声迅速增加，交 通噪声中高频成分随之增加。由于公路交通与城市交通特性的差异，导致公路交通噪声 与城市道路交通噪声频谱特征呈现较大差异。 表2 3 高速公路与典型城市道路车型比调查表( ) 道路时段大型中型小型 昼间 2 4 - 4 22 2 2 93 5 4 8 京福高速济泰段 夜间 4 5 , - 6 03 0 , - 4 1每艺0 昼问3 5 4 22 7 一v 3 6 2 5 3 3 京沪高速l h 段 夜间 5 5 6 72 蚓1 1 1 5 昼间 379 0 西安市南蚧路 夜间 1 567 9 济南市某干线道路全天 6 17 18 6 8 注：按车辆绝对值计算的车型比例 可以看出高速公路大型车辆比例差不多占总车流量的5 0 ，而市区道路大型车辆不 第一帝公路变通声特性分析浩目龋 到1 0 ，小型车占总车流量8 0 以上：对于高速公路，尽管夜4 自 交通量有所下降，但是 犬型车的增多，且行使车速有所提高，从i 面加剧了公路两侧噪声污染。 表24 高速公路和城市道路交通噪声的频谱分析对比 1 倍频带中心频率( h z ) jl 幅高述 声压级( d n ) t i ：( 沪高速 7 8 l 城市道路 6 78 对比高速公路与城市道路交通噪声频谱，可以看出，高速公路叶1 低频噪声频率更为 显著，主要是由于公路交通中大型车辆比例较高，而城市交通以小型车辆为主导。 8 5 8 0 7 5 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 4 5 4 0 6 31 2 52 5 05 0 0l k2 k4 k8 k 觊。高速公：；瓣：撼罾淼对。分析 2 3 公路交通噪声时域特征 几乎所有的交通噪声统计参数具有丌周期变化规律口) ，其取决于交通流变化特征。 为了研究公路交通噪声对刷围环境污染状况，了解昼夜2 4 小时公路交通噪声变化规律 非常必要。由于公路与城市道路的功能不同公路与城市道路交通组成存在显著差别， 交通流随时间变化的特征也有很大差别。因此它们生成交通噪声的同周期变化规律有 较大的差异。为了更好地研究公路交通噪声昼夜变化规律，我们将其与城市道交通噪声 做对比研究。 始* 人学顽学位论文 8 。 7 5 三 1 7 0 嚣e s 皆 6 0 5 5 0 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 霹 一0 0 璃2 0 0 0 抖1 0 。0 固2 4 典型城市道路交通噪声日变化曲线” 7 6 7 4 7 z 毫 7 0 二 6 8 女4 z 6 6 6 4 图2 5 西安市南二环路车流量及交通噪声的日变化曲线 可以看出，城市道路交通噪声日变化规律与车流量变化规律相似，噪声高峰与车 流量高峰相对应， 天中8 ：0 0 曲0 0 、1 1 ：0 0 - - 1 2 ：0 0 、和1 8 ：0 0 - - 1 9 ：0 0 交通噪卢值较高， 这些时段分别对应上班和f 班时间，基本与人们作息时间相似，夜阳j 噪声明显低干昼间， 1 4 0 0 1 2 ( 】0 ；1 0 ” 苎”o 吲6 0 0 嚣4 0 0 2 0 0 o 图26 高速公路2 4 h 车流量与噪声值变化曲线 7 6 7 7 2 = 7 0 = 0 8 翌 6 6 瞥 6 4 0 2 第辛公路交面目声特性n 析& 防* * 从图26 可以看出，高速公路交通噪声与交通量具有明显的相关性，等效连续a 声级 随交通量增加而升高，随交通量减少而降低。 辱 捌 摧 阜 8 8 8 22 g88 88g 2882 g8s2 g288 2 。=：=!=!=i22 = = 。“”。 时间段 一t m i 一十t十t 一 - , l - p m 图27 福宁高速营运初期车流量日变化曲线 6 7 6 6 6 5 6 41 e 。嚣 6 2 # 6 1 6 0 对于车流量相对较少的公路，交通流连续性较差，由于不同车型产生的噪声值不同， 交通噪声与总车流量的规律性不明显，见图27 所示。但在总车流量不大情况下，从大 型车比例与交通噪声变化曲线可以看出，公路交通噪声与大型车比例变化趋势基本一 致，表明有一定的相关性，说明此时交通噪声主要处决于大型车的数量，如图28 所示。 所以对于一些交通流量不大的公路，若其大型牟的交通量较大，对公路沿线的噪声污染 仍不可忽视。 0 9 。b 0 7 e * o5 犁o 。 o3 o2 0 l 时问段 圈28 大型车比例与交通噪声2 4 h 连续监滔变化曲线 6 5 趔 n 6 0 臀 帅帅o 长安大学硕士学位论主 8 0 7 5 = 7 0 = 目6 5 ： 6 0 5 5 一a p m 碱h 遵镕2 m # p 位* 中高4 ( o - - x - - 京高【6 0 m )- - m - - 自女r 自一镕女d m 崮29 公路与城市道路交通噪声日变化曲线对比 对比高速公路与城市道路交通噪声的r 变化曲线，可以看出高速公路昼夜自j 交通噪 声等效声级相差不太，甚至夜间的噪声级可能略大于昼问。城市道路交通流与人的作息 时间相似，因此交通噪声昼间明显高于夜间，一般差3 8 d b ( a ) 。导致公路与城市道路 这种差异的原因主要有：一是与城市道路不同，高速公路夜白j 车流量并没有明显减少： 二是城市交通以小型车为主导，高速公路夜自j 大型车辆有较大升幅。由于大型车辆噪声 远远大于小型车噪声，加之夜间大型车辆行车车速有所提升，尽管夜间总车流量比昼间 有所减少，但是交通噪声夜间等效声级较昼问等效声级相差不大甚至有所提高。 通过对公路交通噪声与城市道路交通噪声的对比分析，得出以下结论： ( 1 ) 交通噪声具有不确定性，交通噪声的时问变化规律主要是由车流量时问变化特 性决定； ( 2 ) 公路交通噪声时域特征以及其与城市道路交通噪声差异主要由交通流随时间变 化特性决定； ( 3 ) 城市道路交通噪声最大值一般出现在早晨、中午与黄昏时段，一般睡眠时间段 2 2 ：o o 6 ：o o 交通噪声值较低；一天中公路交通噪声最小值不像城市道路交通噪声普 遍性出现在凌晨，而是具体的公路有其自己的日变化规律，对于公路而言，交通噪声最 小值出现在中午的几率比较大； ( 4 ) 高速公路与城市道路相比，夜间交通噪声污染更为严重加之夜间对环境噪声 要求较高表明高速公路对临路居民的干扰程度高于城市道路。 第一$ o 路交通嗥声特分析* 对镕 2 4 公路交通噪声分布特点 在公路环保中，通常将公路两侧2 0 0 m 范围内受公路交通噪卢影响的村镇、居民点、 学校、医院作为声环境敏感同标加以保护。由于公路途经地形及环境结构变化不一，其 声场分布也不尽相同，对公路交通噪声声场分布进行测试与分析，了解声场分布规律， 有利丁针对性地采取相应的降噪措施，防治噪声污染。 大量研究结果证实，在公路侧向三维空间中，与轴线平行且在同一线上的各点声级 近乎相同，而守间声级差异主要表现在与轴线垂直的铅垂方向和水平方向上的变化。鉴 于此，我们对垂直公路轴线平面内，有、无声屏障状态下的声场进行钡4 试和分析。 2 41 无声屏障状态下铅垂向声场分布 对高速公路不同高度的测试点进行掼0 试，对监测数据进行分析得出测试点与路面不 同高差时的交通噪声的分布。 v 趔 匪 棼 测试点与路面的高差 图21 0 铅直向不同高度交通噪声测试值曲线 监测断面处于高填方路段，路基与地面的高差为5 m 。经测试随着测试点与路基 高差减少，其噪声值逐渐增大，高于路面1 m 测试点与低于路面35 m 的测试点相比， 噪声值高4 4 - 60 d b ，如图2 1 0 所示。 对分别高出路面l m 、4 m 的测试点进行连续2 4 h 监测，噪声级变化曲线如图21 1 所示，噪声值在1 m 处比4 m 处高1 0 20 d b ，可咀看出，在公路沿线高出路面的空间内， 噪声级随高度增加呈现先升高后回落的变化规律。在车型比相当的情况下，高速公路由 于车速更快，轮胎储面噪声更为突出，致使车辆的声源中心下降，与普通道路相比，交 通噪声声源中心位置偏低。 长安大学硕士学位论文 ，、 口 、_ 一 趔 n 雪 声斗l + 高差4 米+ 高差4 米 1 ”“”一1 n 人 弋厂尺v 弋- 入 一入 1 1 - y 丫一y y 八 ry it l 、 r 7 一、i i -一| g 暑8g8ggg8g8g8888gggg8888 o 晶& 占二文高毒占占。苗& 吉二舀高古二式品每苗占 一一 h 一一一一一 一一e q e qe qp 噜 时间段 图2 1 1 铅直方向不同高度2 4 h 声级变化曲线 2 4 2 无声屏障状态下水平向声场分布 一般情况下，公路交通噪声水平向声场分布受距离、地表植被覆盖情况、遮挡物屏 蔽等因素的影响。为了降低这些因素的影响，测试点选择在开阔、平坦、与路基高差较 小的路段，监测点位分别距公路中心线2 0 m ，4 0 m ，6 0 m ，8 0 m ，1 2 0 m ，经整理监测数 据见表2 5 。 表2 5 噪声监测数据表 6 8 笔6 4 v j 粤6 2 堑6 0 鄹 艘5 8 棼 5 6 5 4 il + 昼间噪声测试值+ 夜间噪声测试值l 弋每芒| 嚯萎一| 弋 2 0 4 06 08 01 2 0 测试点距路中心线距离 图2 1 2 水平方向不同距离噪声级随距离衰减变化曲线 1 7 仡n伯鹤盯8晒以韶眈 第荜* 镕女通目声特性讣析”镕 经回归分析水平方向噪声级y 随距离x 存在以下的函数关系： 蚌问一y 3 8 0 8 1 n ( x 1 + 6 64 26(db)r = 0 9 7 5 夜间一y 4 3 5 8 8 l n