（环境工程专业论文）公路声屏障计算机辅助设计系统的研究.pdf

摘要 本文以发展我国公路声屏障技术，提高公路声屏障的设计水平为目标， 就公路声屏障计算机辅助设计系统的开发进行了较深入的研究。在综合目 前国内外道路交通噪声预测模型和声屏障设计理论的基础上，系统的论述 了公路两侧声场分布和等声级线原理，利用现行最流行的编程语言v i s u a i b a s i c6 0 ( s p 4 ) 和最通用的绘图平台a u t o c a d 进行c a d 二次开发，初步 形成一套集数据处理、方案设计和方案评价于一体，且界面友好、操作方 便的公路声屏障计算机辅助设计应用软件，实现快速预测道路两侧声场的 分布和自动生成声屏障设计方案图。 关键词：交通噪声公路声屏障c a d 二次开发等声级线预测模型 a b s t r a c t i no r d e rt od e v e l o pt h eh i g h w a ys o u n db a r r i e rt e c h n o l o g ya n di m p r o v et h e d e s i g nl e v e l ，t h i sp a p e rh a sas t u a y0 1 1 1d e v e l o p i n gt h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g n s y s t e mf o rt h es o u n db a r r i e r b a s e do nt h ee x i s t i n gm a d t r a f f i cn o i s ef o r e c a s t m o d e l sa n ds o u n db a r r i e rd e s i g nt h e o r i e sa th o m ea n da b r o a d ，t h ed i s t r i b u t ea n d c o n t o u rp r i n c i p l eh a sb e e nd i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l yf o rt h es o u n dp r e s s u r eo n r o a d s i d e t h e nt h ec o r r e s p o n d i n gc a d h a sb e e nd e v e l o p e ds e c o n d l y0 nt h e a u t o c a d d r a w i n gp l a t f o r m w i t ht h ef a s h i o n a b l ep r o g r a m m i n g l a n g u a g ev b 6 0 ( s p 4 ) a sar e s u l t ，ac a da p p l i e d s o f t w a r ea b o u tt h er o a ds o u n db a r r i e rh a sb e e n c o m p l e t e d w i t hf r i e n d l yi n t e r f a c ea n do p e r a t i n gc o n v e n i e n c e ，h a v i n gf u n c t i o n so f d a t ap r o c e s s ，s c h e m ed e s i g na n ds c h e m ea s s e s s m e n t ，m a l i z i n gt h eg e n e r a t i o no f f o r e c a s ta u t o m a t i c a l l ya n dd e s i g no ns o u n db a r r i e ro nr o a d s i d ei nar e a s o n a b l e w a y k e y w o r d s ：t r a f f i c n o i s es o u n db a r r i e rs e c o n d d e v e l o p m e n t o f c a d c 0 l i t o u rf o r e c a s tm o d e l 公姆霹傩科叼暂u 晡点尊设爿| 聃e 的嘲f 0 第一章概述 1 1 公路交通噪声污染现状 1 1 1 我莺袋龉建设及公路雯逶发矮歌凝 交通逛输是国民经济的基础产业之一，它对促进经济和社会发展、加 强国防建设、提高综合灏力翻入民生活水平具有熬疆鲍作用。改革开放的 = 千年是我瓣匿民经济遗猛发震瓣二千年，阕对臻楚我霍历史上公路发震 最快的二十年。从1 9 8 8 年l o 月沪嚣高速公路的建成通车，襄现我国大陆 禽速公路建设零的突破，麓1 9 9 9 年底，全国公路总里程达1 3 5 2 万公里， 葵串蹇速公鹣1 1 6 0 5 k m 。援舞交逶罄绫裁嚣“孛嚣袋籍潮发展躐旗麓裁”， 预计十五期间，全国公路总里程将达到1 5 0 万公黧左右，其中黼速公路将 达到2 万公里，二级及三级以上公路里程将达到2 3 万公里，公路密度达 1 5 k m l o o k m 2 ，銎l l 黎辫l 2 绘出了我嚣公路及麓速公路墨瑕历年统诗。 如此大规模的公路建设，健遴了沿线产韭带和经济带的生成，僚动了当缝 经济发展，同时也给公路沿线地区的自然环境、嗽态环境、生活环境及景 溉环境带来不同程度豹影璃，并由此产生一系列环媾闫题，龙冀是噪声污 染。因魏，妇何使公酶建设和环凌保护褥良诲谖发展，已成蠢入稻普遮美 心的问题。 醋卜我国公路建设里程整袋情麓 一l 一 公路，r 翻l 障制q # 机辅助设计系统的研究 圈1 2 我国高速公路里程发展情况 1 1 2 公路交通噪声污染现状 随着交通运输的迅猛发展，特别是近年来，我国许多交通量大、行驶 速度高的高速公路和一级公路投入运营，加上机动车数量的急剧增加，使 交通噪声扰民问题变得日益严重。在城市环境污染纠纷中，噪声污染事件 逐年增加，占各类环境纠纷案的6 0 ，将成为二十一世纪环境污染控制的 主要问题。 据调查统计，1 9 9 7 年城市噪声源中，交通噪声占4 6 8 ，社会生活噪 声占2 8 9 ，建筑施工噪声占5 1 ，工业噪声占8 3 ，其它噪声占1 0 9 ， 而且交通噪声的比例有逐年上升的趋势。1 9 7 9 年至1 9 8 8 年1 0 年间，我国 城市环境噪声增加约1 0 d b ，平均每年增加1d b ，进入9 0 年代以来，城市 噪声增加的幅度更大。1 9 9 5 年全国城市道路交通噪声级( 等效连续a 声级 细) 为6 7 6 d b 7 4 6 d b ，1 9 9 6 年增至6 8 0 d b 7 6 3 d b ，全国8 0 左右 的交通干线两侧环境噪声超过标准限值。据1 9 9 9 年全国2 1 2 个城市道路交 通噪声监测结果显示，污染较重、中度污染、轻度污染和声环境质量较好 的城市比例分别为5 2 、8 5 、2 7 3 和5 9 o ，重点城市的道路交通噪声 平均等效声级近1 0 年来下降了2 7d b ，但我国的机动车拥有量每年以1 0 的速度递增，由于城市机动车数量巨增，交通噪声级仍然居高不下。如广 州市1 9 9 4 年全市平均道路交通噪声高达7 2 3 d b ，超标道路长度占交通干线 总长度的7 1 8 9 。据初步测算，我国有3 3 9 0 万人受到公路交通噪声的影响， 其中2 7 0 0 万人生活在昼间高于7 0d b ( a ) 、夜间高于5 0d b ( a ) 噪声严重污染 一2 一 公路声嗣l 峙h 牛瓠辅助设计暮兢的研究 的环境中。据1 9 9 3 年的一项代表性调查，原联邦德国有7 0 以上的人受道 路交通噪声的干扰，其中2 2 的人受到严重干扰，5 0 以上的人受飞机噪 声的干扰，受铁路交通和工业噪声干扰的人数占2 0 。由此可见， 无论在 发达国家还是在发展中国家，噪声污染已经成为全社会关心的环境问题之 一o 1 1 3 噪声污染的危害 世界卫生组织( w h o ) 认为，噪声不同程度地影响人的精神状态，影 响人们的生活质量。因此，在一定意义上，它是一个影响人健康的问题a 噪声对人体的危害是众所皆知，噪声除了能使人听力损伤，引起听觉 疲劳和噪声性耳聋外，还会对人体的视觉、神经系统、消化系统、心血管 系统产生一定的影响，诱发各种疾病，影响人们的正常生活和工作，降低 劳动生产效率和工作质量，特别强烈的噪声还会对仪器设备和建筑物构成 严重的破坏。虽然由噪声引起的各种经济损失很难正确计算，但它所造成 的潜在耗费是相当可观的。据初步测算，我国每年因道路交通噪声污染导 致的经济损失约合人民币2 1 6 亿元。在德国目前每年仅用在治疗听觉损失 的费用就达到5 0 0 万马克，1 9 8 8 年联邦德国在防治噪音方面花费了1 5 亿马 克，为使联邦德国居民最大限度的免受交通噪音之苦，1 9 8 6 1 9 9 0 年度计 划为此支付1 5 亿马克。从以上简单的数字可以看出，声环境的好坏直接影 响人民能否正常生活、工作和学习，同时也将间接的影响我国国民经济的 可持续发展。 1 2 公路交通噪声污染治理方法综述 道路交通建设、运营带来的环境问题是综合性的，涉及尾气污染、噪 声干扰、水质污染和土质变化等多个方面。为解决这一系列环境问题，世 界各国开展了广泛深入的研究，由此取得了一定的成就，初步解决了一些 环境问题，如噪声污染等。公路交通噪声控制是一个复杂的系统工程，包 括合理的城市规划、交通网络系统规划、交通流参数控制、噪声传播途径 的控制以及建筑物的噪声防护措施等，涉及噪声控制、交通工程、建筑工 0 一 糖路声屏翻l 计算机辅蓐 饿计累筑曲目 究 糨、城市规划等多个学科，因此交通噪声控制必须以“预防为生”和“防 治结合”的方针来综禽治理。下面简述瞬前控制交通噪声污染比较有效的 接施。 1 2 1 开发研翱 蕞骧声车辆 开发研制低噪声车辆从声源上降低声功率，是交通噪声控制中最直接、 最肖效的措施。道路窝通噪声的声源主燮由车辆排气系统、冷却风扇、发 幼机、刹车、轮胎等发出的噪声组成。因此，优先引用噪声小的机动车， 敬滋瓿猿竣计，改攀懋产工艺，提高动态络穆鄹度，减少蠢效声辐裁蚕积， 撬麓声辐射表西静结瓣阻力，霞噪声源本蹇的辐莉声能薰降至最低，同时 严格执行我国机动苹辆噪声标准，有助予降低道路噪声级。 1 2 ，2 低噪声路面的研究和应用 车辆在公路上行驶辐射的噪声由桃械噪声( 又称动力噪声) 和轮胎一 潞覆接魅曝声 7+ 5 8 、其它影响因素 车辆在行驶过程中辐射的噪声级还会受到车辆的载重量、道路路面材 料、路面粗糙度、路面的平整度等因素的影响，但它们对车辆的平均行驶 噪声级影响甚微，因而本文不计以上因素的影响。 噪声在传播过程中还会受到诸如风、温度梯度、空气吸收等因素的影 响，使接受点的噪声级发生微小变化，一般可以不加以考虑。 公路，r 鼻时算审u 时助设计系统的研究 以上对改进f h w a 预测模式中各个参数的确定和需要考虑的影响因素 作了详细的介绍，为噪声预测程序模块的编写和道路两侧声场分布的研究 提供了详尽正确的数学模型，为接受点噪声级的预测精度提供了保障。 2 1 3 公路交通噪声预测程序 根据前面叙述的交通噪声传播规律和声学原理，综合国内外有关道路 交通噪声实测资料和计算方法，本文开发了交通噪声预测程序，便于设计 者预测声场空间某点的噪声级。 该公路交通噪声预测程序只要输入必要的数据，如道路实测或设计交 通流量、车型比例、车型昼夜比、车辆行驶速度、道路参数即道路路面类 型、背景噪声等，就可以预测空间某点的噪声级，其预测流程如图2 2 所示。 l 输入数据和选择参数 l 计算各车型的交通量 i 预测平路堤交通嗓声级 l 考虑各种障碍物衰减 叠加环境噪声级 得刘空间某点的噪声级 图2 2 交通噪声预测程序流程图 2 2 声场等声级线 在交通噪声预测中，为了更加清晰的表达公路两侧声场的分布，了解 敏感点噪声级的超标情况以及声屏障建造前后敏感点噪声级变化，通常用 等声级表示公路两侧声场的分布，使设计者对声场分布一目了然。等声级 - - 1 7 - - 公路声屏障计算审u 龠助设计系统的研究 线上的每一点都表示相同的声压级，因而等声级线也可以给公路设计者、 公路管理部门和城市规划设计人员提供一定的设计参考，使不同等级的噪 声敏感建筑物与公路保持一定的距离，减少交通噪声对民众的干扰和影响。 2 2 1 等值线基本原理 1 、等值线概念和特点 绘制等值线是对大量离散的，同时又具有一定规律的几何量值或物理 量值，用数学的方法插值变换成图的过程，也是对离散的数据点进行图形 处理的一项常用技术，使工程技术人员和研究者能一目了然的看出某事物 在三维空间中的分布规律，建立研究区域的系统整体概念，使抽象的概念变 得清晰易懂，从而使等值线在工程的各个领域得到广泛的应用。 等值线特性主要表现为：等值线上的点对应的特性值相同，等值线是连 续曲线，可能是闭合曲线，也可能由于目标区域的限定，从区域的边界开始 到区域的边界结束的开曲线；给予某一标称值，可能对应有多条等值线。 目前绘制等值线的方法很多，常用的有三角形法和矩形格网法，三角 形法较好的适用于非规则离散采样数据，矩形格网法较好的适用于在格网 节点上采样或由离散数据点内插格网后形成的格网数据。各种格网法绘制 等值线的步骤如图2 3 所示。 l 开始 l 离散数据网格化 网格点数值化 上 等值点计算 上 等值线追踪 上 等值线光滑和标注 i 结束 i 图2 3 格网法绘制等值线一般步骤 公路声鼻时t 善珥i u 曲设计膏臼晓的笱曙已 2 、离散数据网格化 格网法因其算法简单，编程容易而得到广泛的应用，根据区域内离散 数据点的分布与数量，将数据网格化分为两类：规则网格和非规则网格。 前者指将区域按一定间距划分为矩阵网格，有利于刻化规则边界区域；后 者主要指三角形网格和任意四边形网格，可以刻化任意边界区域。常用的 规则网格化方法有：近点按距离加权平均法、按方位取点加权法、趋势面 拟合法、趋势面和残差叠加法、加权最小二乘拟合法。 3 、网格点数值化 在离散数据网格化后，就形成离散数据拟合曲面，利用生成的拟合曲 面方程，代入网格点坐标值，就可以求出网格场内任何一点的数值。网格 点数值的精度取决于网格化的方法和拟合曲面的精度，该数值将作为等值 线追踪的网格点数值，它的精度越高，等值线的位置就越正确。 4 、等值点计算 网格点数值化后，开始寻找对于给定的标称值的所有坐标点。网格 节点上等于标称值的可能性较小，而更多的是非网格节点上的等值点。 对于规则网格，可按行、列顺序遍历整个网格场，用端点判别法判定是 否有等值点存在，从而找到所有的等值点。端点判别法是指利用网格线 的两端点值，通过判断两端点的值与等值线标称值的差的符号是否相同， 若符号相同则表明此网格线没有等值点存在，若不相同则表明此网格线 有等值点存在，此时用线性内插法计算等值点的坐标，以便下一步等值 线的追踪。 5 、等值线的追踪 目前人们提出了许多适合计算机编程绘制等值线的追踪算法来克服手 工绘制等值线精度低、容易出错的不足，常用的算法有：随机追逐算法、 最近点连接算法、按固定方位次序追逐算法、路径栅格法等。 在网格场上形成的等值线有两个明显的特点：一是等值线互不相交从 网格场侧边界进出；二是等值线在网格场内形成互不相交的闭合等值线， 公路声屏啊时 算胡脯助设计量臼电的研究 即等值线在绘图区域内可分为开曲线等值线和闭曲线等值线，不同的曲线 有不同的追踪算法。 对于开曲线，首先在矩形区域四边网格线上利用端点判别法寻找等值 线起点，然后追踪等值线分支，直至边界为止，同理处理其余开曲线等值 线分支。对于闭曲线等值线，只需在网格场内先求出一点作为等值线起点， 追踪等值线直至回到起点。 6 、等值线光滑和标记 在追踪完成后形成一个等值点序列，按一定的顺序连接所有等值点，并 加以适当的标注即可形成等值线。一般来说，当网格边的步长相当小时， 可用折线把所求的等值点连接起来，但是消耗内存且不美观。为了使等值 线光滑连续，需对等值线进行光滑处理，常用的光滑处理方法有：线性迭 代法、分段三次多项式插值法、张力样条函数插值法、b e r i e r 曲线法，经过 上述方法处理后等值线圆滑美观而不失收敛性。 生成多条等值线后，为便于区分和识别，必须加以适当的文字标注， 也可以用不同的颜色或线型加以区别，但不管用什么方法，最好将等值线 的标称值标注在线上。一般采用线外书写或界外书写的方法标注，此法程 序判断简单，计算简单，占用计时少。 2 2 2 声场等声级线绘制 根据上面所述的等值线基本原理，本文利用谢顺平和田德森提出的 路径栅格法概念b 9 1 和本系统的实际情况编写声场等声级线程序。该程序 通过将公路两侧声场网格化，利用噪声预测模型对所有的网格点数值化 后，对标称值进行插值计算，用端点判别法遍历整个网格，在等值点存 在的网格加以标注形成路径栅格和方向数，按开曲线和闭曲线的顺序一 次自动生成所有的等声级线，最后用样条函数生成光滑等声级线，并标 注该标称值。该方法概念清晰，绘图速度快，等值线精度商，其绘制流 程如图2 4 。 公路声屏障计算私l | 翥6 设计系兢的研究 盼网格，输入参数和数据 程序初始化 0 建立方向数组v ( i j ) 生成路径栅格 上 从网格四边追踪开等 声级线 0 从网格内部追踪闭合 等声级线 0 调用样条函数生成等 值线，标注数据 图2 4 等声级线追踪流程图 l 、划分网格 在划分网格时，应根据所绘等声级线的精度需要，合理输入网格的大 小。根据公路建设项目环境影响评价规范中的规定，公路建设项目声 环境的评价范围为道路中心线两侧各2 0 0 m 范围，由环评实践一般取垂直于 道路方向的步长为1 0 m 2 0 m ；沿道路方向的步长取值应考虑等声级线的精 度和连续性、光滑性以及噪声敏感点沿道路方向的分布长度，合理选择网 格列数来确定网格线的水平步长。总之，为提高等声级线的绘制速度，而 又不影响等声级线的绘制精度，一般水平步长应控制在2 0 m 5 0 m 。 2 、初始化数据 道路两侧声场网格化后，就需要对网格点数值化。本文将道路、道路 两侧地形数据存贮在数据库t a b r o a d a l l 和t a b d x 中，对于每一个网格点， 都可以从数据库中得到交通噪声预测所需的数据，调用公路交通噪声预测 模块对所有的网格点赋值。 为了保证等声级线追踪过程的统一性，对于网格数据点的值正好等于 标称值的情况，一律将该网格点的值加上一个精度允许的微小量，以免产 生歧义。 - - 2 1 公路声屏障计算和l 辅助设计系统的研究 3 、路径栅格和方向数 所谓方向数是指为了便于等声级线的追踪，对于任意的一个网格用来 表示等声级线穿越该网格的位置而假定四个基本数字，如方向数1 、3 、5 、 9 分别表示等声级线穿越网格的上边、右边、下边、左边，并以0 表示无等 声级线穿越网格。 路径栅格是指等声级线在网格中穿越路径的方向数，表示等声级线在 该网格单元的出口和入口方向。路径栅格四边单元存放的方向数，用于表 示相邻的两个网格点是否有等声级线端点，只有入口方向没有出口方向， 其值必为基本方向数1 、3 、5 、9 ；路径栅格内部单元存放的方向数，用来 表示相邻的四个网格点区域内是否有等声级线穿越以及如何穿越，需要表 明等声级线的入口和出口方向，其方向数为等声级线入口和出口两方向的 基本方向数之和，若有两条等声级线穿越，则其方向数为四个基本方向数 之和。各种方向数情形见图2 5 。 由日盛由日圈 甲佃母目审岱 图2 5各种方向数进出口情况示意图 由方向数和路径栅格的定义，对于划分为n 行和m 列道路网格可相应 的建立一个n + 1 行和m + 1 列的路径栅格矩阵p ( n + 1 ，r e + 1 ) ，用于存放表示 等声级线在格网中穿越路径的方向数。 4 、路径栅格和内插点坐标计算 设当前所绘等声级线的值为v ，为便于说明用下标变量a ( i ，) 和 b ( f ，) 分别储存网格等值点或内插点的网格横、纵坐标，d i s t l 为水平方向 网格线步长，d i s t h 为垂直方向网格线步长。假设两个横向网格点分别为 一2 2 公路声屏障计算相黛助设计j 臼晓的研究 ( i ，j ) 和o + 1 ，j ) ，其相应的值用下标变量d ( i ，) 和d ( i + i ，j ) ；两个竖向 网格点分别为( f ，) 和o ，j + 1 ) ，其相应的值用下标变量d ( i ，- ) 和 d ( i ，j + 1 ) 。在上述假设建立后就可以按以下步骤自动生成路径栅格和内插 点坐标：首先将路径栅格矩阵初始化为零，接着对网格按行递增顺序，按 端点判别法逐行判别每两个相邻网格点之间有无等声级线穿越，若有，则 将这两点连线上下方所对应的路径栅格单元分别加上基本方向数5 和1 ，等 值点的坐标在网格两端点的坐标之间线性插值。其判别式处理为： 若( d o ，) - v ) x ( d ( i ，_ ，+ 1 ) 一v ) 0 则p ( i ，j 4 - 1 ) = p ( i ，j + 1 ) + l ；p ( i + 1 ，j + 1 ) = p o + l ，- + 1 ) + 5 ； j = l ，2 ，3 ，m l ；i = 1 ，2 ，3 ，n ： 一( f ，) = 0 一1 ) d i s t l + ( d ( i ，_ ，) 一y ) d i s t l ( ( d ( i ，j ) 一y ) ( d ( i ，j + 1 ) 一y ) ) b ( i ，_ ，) = j d i s t i l 然后再按列递增顺序，按端点判别法判别网格各列上每两个相邻网格 点之间有无等声级线穿越，若有，则将这两点连线左右对应的路径栅格单 元分别加上基本方向数3 和9 。其判别式处理为： 若( d ( f ，- ，) 一n ( d o + l ，- ，) 一矿) 1 j c n ：2 ( a + b c z ：丝( 3 - - 3 ) a 式中：一菲涅尔数( f r e s n e l ) ； 占一声程差，m ；即声屏障建立后绕射声路程与声屏障建立前直达声 路程之差； 九一声波的波长，m ： 三，一声屏障对第i 频带声波的绕射衰减量，d b ； _ 7 一公路交通噪声频谱中第i 频带的中心频率，h z ； c 一声波在空气中的传播速度，m s 。 2 ) 无限长声屏障对线声源的绕射声衰减量【3 s l 血= i 口2 b 2 g f i a + 蜉斗牟+ q 脚2 学学 公路声屏障计算审u 南助设计| i 娆的研究 式中：9 ，p 2 一受声点向线声源两端的视角： a = 3 。睁学一 ( 3 5 ) ( 3 1 6 ) d ，一声源到声屏障的距离，m ； d ：一受声点到声屏障的距离，m ； 而一声屏障的高度，m ； 2 一受声点高度，f t l 。 但一般在评价声屏障的效果时，应考虑声源对敏感点的影响最强烈的 条件下，即纠= 妒2 ，此时公式( 3 4 ) 简化为： d 工，= 。- s 里! 譬一t 。- e l b2 6 2 3 ) 前川图表法 所谓前川图表法是指在米卡瓦理论和大量实践的基础上得到的声屏障 降噪量与菲涅尔数的关系图，由菲涅尔数查前川图表就可得到声屏障 对线声源的绕射声衰减量。 4 ) 诺模图法 诺模图法是计算声屏障绕射衰减量的一种简便方法，只需测量或计算 出声屏障的参数，直接查声屏障诺模图就可得到声屏障总的衰减量。 2 、单侧薄壁声屏障高度的确定 在声屏障的设计过程中会碰到许多难以确定的因素，为简便设计和保 证声屏障的降噪效果，通常按声屏障处于最不利的情况下设计，如不计地 表起伏和道路坡度，按近似水平面设计：忽略道路弯曲，将屏障段前后道 路近似看成无限长直道路等。 剽矧 一 嗍 m 辱 呱 公路声嗣l 障计算审u 翥助设计系崩：的研宠 声屏障的高度计算是声屏障声学设计中最重要部分，设计高度是否合 理将直接影响声屏障的降噪效果、声屏障的形式和声屏障的造价。因此设 计高度时应按实际情况采用适当的计算公式。目前一般按无限长屏障的 f r e s n e l 数与衰减量的实验曲线计算确定屏高，并加以有限长的修正( 公 式3 8 ) ，确定声屏障的近似高度，在实际过程中可根据具体的地貌、单体 屏障的模数加以适当的调整，最终确定一个设计高度，但不得小于计算高 度。 由于实际建造的声屏障长度不可能无限长，会引起声屏障两端“漏声”， 使得噪声衰减量比同样高度的无限长声屏障要小，其衰减量r 为； a t = 1 0 1 9 ( 1 - - 鲁+ 百0 2 1 0 0 。“) ( s s ) 式中：有限长声屏障的噪声衰减量，d b ( a ) 。 一无限长声屏障的噪声衰减量，d b ( a ) ； 吼一接受点对有限长声屏障的张角，( 。) ； 目一接受点对道路的张角，( 。) 。 通常声屏障的衰减量可按公式( 3 2 ) 和公式( 3 7 ) 计算，但由于 这两个公式没有考虑实际情况中地面吸收、风、温度梯度对声传播的影响， 其计算结果与实际应用有一定的误差，需要作一定的修正。总结实践经验， 本文采用由张玉芬教授根据前人的试验曲线，结合值中的f 取5 0 0 h z 计 算得出为公路声屏障设计的艿址曲线( 图3 - - 3 ) 0 1 。 使用万工经验曲线设计公路声屏障不适合计算机设计编程，为此， 在本文的c a d 设计系统中对j 三曲线进行分段拟合，加以数值化( 图3 4 、图3 - - 5 、图3 6 ) ，其分段曲线方程为： 1 1 6 5 8 4 3 3 6 2 6 2 3 $ 2 + 9 0 7 0 5 8 + 3 4 0 6 70 占0 1 8 砒= 2 4 6 5 4 l n 8 + 1 3 2 8 50 1 8 5 公路声屏晰：，审啉助设计瑚0 盹的研究 - 1 5 鑫 蠢约 5 j ；式。 鹾 娥 声程差8 ( m ) 匿3 3 声程警拶萼降噪量曲线圈( f - - - - 5 0 0 h z ) 闱3 4 声捍姜占譬憋睡a l 曲缝教值掇舍曲线( 瓣一段) 囝3 5 声程差占与臃噪置三曲线数值拟合曲线( 蒲= 段) - 4 6 公路声辱幸 v r 算审u 靠助设计j u 晓的研究 图3 6声程差占与降噪量工曲线数值拟合曲线( 第三段) 根据上述拟合的声程差占与降噪量上曲线编写声屏障高度计算程序， 在实际工程设计时，是输入声屏障至噪声源的距离、噪声源至接受点距离、 接受点高度和噪声源高度等参数，便可确定屏障的必要高度。 3 、单侧折角声屏障高度确定 4 0 l 为了提高声屏障的降噪效果，降低声屏障的高度，人们提出了形式多 样的声屏障，如倒l 型、y 型等，但常用还是折角屏障。对于折角声屏障 ( 图3 7 ) ，按照声屏障的衍射理论，折角声屏障插入损失可视作为声屏障 双衍射区来精确计算，即相当于声波绕过折板边缘0 到达折角处r 的插入 损失址s 声波从折板边缘出发绕过折角到达r 处的插入损失l ，和折板 宽度w 附加插入损失厶三部分之和三。 址= 址，+ 址，+ a l ， ( 3 9 ) 式中： 拙锄g 高煞 ( 3 - - 1 0 ) 肛= 矧啦 ( 3 一1 1 ) 公路声屏- t 卡i | 审u 勤设计j ；娩的研究 仃) = ( 1 + 肛2 ) a r c t a i l ( 1 肛) 一肛 2 d r = 2 0 l g 高黠 肚_ 黠期啦 盯妇) = ( 1 + 肿2 ) a t a n ( 1 肿) 一雕 ：吣降 图3 7 折角声屏障绕射声示意图 ( 3 一1 2 ) ( 3 一1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 按照上面的七个公式可以求出折角声屏障的降噪量，但是很繁琐。为 简化计算，通常利用声屏障等效高度折算法( 图3 8 ) ，一种是按将声源通 过折角后延长到直屏部分的垂线高度的直屏障计算；另一种是按照折边垂 线处高度的直屏障计算，这两种等效高度计算方法通常都可满足声屏障衰 减量计算精度要求。对于折角声屏障，本文先按单侧直壁声屏障高度计算， 然后按第一种等效高度折算法进行折角声屏障高度计算。 - - 4 8 - - 公路声屏障计算审u 索助设计t 抗的研究 宙 点 点 图3 8 折角声屏障等效高度示慝图 4 、吸声型声屏障 4 0 l 吸声型声屏障的降噪计算目前大多是理论方面的研究分析，无实际可 用的计算公式。据研究，吸声屏障的降噪量与声波入射角有关，入射角越 大，降噪量越大，而与声源到屏障的距离无关。美国u j k u r z e 和g s a n d e r s o n 给出了一个基于k e l l e r 的几何光学散射理论的完全吸收声屏障的吸声降噪 量计算公式： ls i n 塑! 一c o s o - a 虬观o - 1 南乇 【8 1 n t 0 3 丁 式中：a = 兰一a ，a 一声线与屏障的入射角； ( 3 1 7 ) 0 = 芸一丑，b 一声线与屏障的折射角。 2 一般吸声屏障的吸声降噪约1 6 d b ，因而在工程设计中还是按非吸声型 声屏障设计，只是将吸声衰减量作为吸声屏障降噪量的修正值。 5 、平行声屏障高度计算 从6 0 年代，国外就开始从理论、现场实测及模型实验等诸方面对平行 声屏障进行研究，总结出平行声屏障的一些特点和性质，普遍认为由于声 波在屏障间多次反射而使“峡谷”内外的声级相对增加，从而使声屏障i l 下降。为控制声屏障i l 下降，通常将声屏障表面傲吸声处理或做适当的倾 斜，分别可达3 4 d b 和6 8 d b 的改善。因而在当平行声屏障作成吸声型 时，可不考虑它多次反射声影响，也不计吸声效果对声屏障降噪量的贡献， - - 4 9 - - - 公路声屏障计算审0 辅助设计系坑的研究 按单侧直壁声屏障计算，只是作为控制反射声的一种措施。 当平行声屏障没有采取任何措施时，应考虑声屏障凡的下降，用虚声 源法可较准确的给出多次反射声的定量效应，实际上就是增加声屏障的高 度，提高声屏障的降噪量来抵消反射声的贡献。考虑到声屏障间的反射声 每反射一次就损失一部分能量，反射次数越多，对接受点噪声级的影响就 越小，本文只考虑一阶虚声源( 图3 9 ) 反射声的贡献，调用单侧直壁声 屏障计算模块计算声屏障的高度。 s p z 2 r 嘭够 娑。 受声点 s 声源 图3 9 平行声屏障一阶虚声源示意图 3 3 6 声屏障的长度 在现行的道路声屏障设计声学设计规范( 试行) 中对长度的确定无 明确的规定，也无统一的计算公式和具体的技术标准，全凭设计者的设计 经验，对声屏障长度确定的任意性导致声屏障的降噪效果降低和经济上的 浪费。据孙志强硕士论文有限长公路声屏障设计研究的研究结果【4 3 1 ： 对具有地面覆盖物吸声作用且住宅较分散的农村村庄及市郊居住区，将敏 感点端部的噪声标准降低3 d b 来确定声屏障长度，则有限长声屏障的降噪 量可按公式3 一1 8 计算： 工= 1 0 1 9 l l 一口+ 口1 0 0 “) 一1 4 3 x ( 3 1 8 ) 式中：口一声屏障对接受点的遮蔽角； ， 厶一声屏障顶部绕射衰减量，d b ( a ) ； 工一声屏障侧向延伸长度与接受点至声屏障的垂直距离之比值； 由此得出不同声屏障降噪量下声屏障最小侧向延伸长度见表( 表3 3 ) 。 公路声屏障计算审l | _ t 助哲| 幸卜幕舞i 的研究 表3 - - 3 声屏障在不同降噪量情况下最小x 值 顶部绕射声衰减量( d b ) 5 o6 0- 7 o8 09 o1 0 01 1 01 2 0 端部实际降噪量( d b ) 5 o- 5 5_ 6 o_ 6 36 77 o8 09 o x1 2 01 2 01 2 01 2 01 2 01 2 l1 _ 4 51 7 1 顶部绕射噪声衰减量d b ) 1 3 0- 1 4 01 5 o- 1 6 o1 7 o一1 8 01 9 02 0 0 端部实际降噪量( d b ) 1 0 01 1 0- 1 2 01 3 01 4 01 5 01 6 01 7 0 x1 9 82 2 62 5 62 8 73 2 03 5 53 9 14 2 9 声屏障的设计降噪量一般不会超过1 5 d b ，工的值也不会超过2 5 6 。本 文声屏障的长度按敏感点的实际长度与两边侧向延伸长度之和来确定，两 边侧向延伸长度按接受点至声屏障的垂直距离的两倍确定。 3 4 声屏障结构设计 道路声屏障在建成投入使用后，会受到来自自然和社会的破坏力的作 用，设计不合理的道路声屏障可能难以经受住各种恶劣环境而无法使用或 寿命较短，声屏障的结构设计应从工程实际情况出发，从安全、耐久、易 施工、自重轻以及与周围环境相协调等方面合理选用材料、结构方案和构 造措施，满足结构在运输、安装、使用过程中的强度、稳定性和刚度要求 以及声学上的构造要求，做到技术先进、经济合理和使用安全。 声屏障的结构设计由声屏障的承重结构设计和声屏障构造设计两部分 组成，承重结构设计是指声屏障构件强度、刚度的设计计算如声屏障立柱、 立柱与基础连接部件、基础等。而构造设计是指满足声屏障声学和构造要 求的各种措施，如防止声漏措施、整体结构美化、景观协调等。 3 4 i 声屏障结构力学性能 声屏障结构设计中涉及的作用力包括直接作用力( 恒荷载如自重、土 压力，活荷载如风荷载、雪荷载，偶然荷载如撞击力等) 和间接作用力( 地 基变形、混凝士收缩、焊接变形、温度变形或地震等) 。 风荷载是声屏障承受的主要水平荷载，其取值按建筑荷载规范中 规定取值。据有关规程规定，设计声屏障时按均匀分布于墙面上的风荷载 岔路声屏l 计算审q 甫助设计量0 盹的研究 w 设计，w 的取值可按照规范中规定的不同城市、不同地区的风速、风力 的规定计算，如铁路声屏障设计规范中1 4 1 取1 4 5 k n m 2 。 w = w 。k 1 k 2k 3 1 4 o 一基本风压值( k n m 2 ) ，可按该地区比较空旷平坦地面上离地1 0 m 高统计所得的3 0 年一遇1 0 m i n 平均最大风速v 。( m s ) 为标准，按w 1 6 0 0 确定基本风压值，也可按全国基本风压分布图的规定采用，但不得小于 o 2 5 k n m 2 ： 而一风荷载体型系数，取1 3 ； 七2 风压高度变化系数； 幻_ z 高度处的风振系数。 实际设计时可按当地的最大风力乘1 2 1 5 的安全系数确定风力矩大 小。 3 4 2 声屏障材料物理性能 声屏障的降噪效果与构成声屏障的材料有直接的关系。声屏障的材料 一般分为两大类，一类是属于为满足声学性能所采用的材料，根据声学性 能分成吸声材料和隔声材料：另一类是声屏障赖以存在的骨架材料。 隔声构件在屏障设计中的选择主要是使材料本身有一定的隔声量，以 保证透射声比衍射声小得多，一般要求其隔声量比降噪量大1 0 d b 以上。吸 声材料可以降低双屏间来回反射的混响声，提高单屏的降噪效果，一般要 求中心频率1 2 5 4 0 0 0 h z 的平均吸声系数大于o 5 。但公路声屏障应用于室 外露天场合，并且其环境条件比较恶劣，因此声屏障吸声材料首先必须符 合在任何气候与室外环境下，都不会改变其原有的声学特性这个原则，其 次要有较高的强度，经久耐用，耐污染，美观，施工、安装、维护方便， 防火。目前常用的超细玻璃棉、矿棉等无机纤维类吸声材料，通常强度低， 性脆易断，吸尘易污损，粉化后易飞扬，造成二次污染，特别是吸水受潮 后吸声性能大大减弱。因而在交通声屏障上可优先使用微穿孔吸声结构、 铝纤维吸声结构、发泡铝吸声材料、网状吸声板、无机发泡颗粒吸声材料 等吸声材料。 公路，屏卅算审u 翥助设计j 乞统的研究 3 4 3 声屏障整体构造要求 声屏障的设计必须从整体出发，以声学性能为基础，充分考虑制造、 安装维护的性能，力求做到便于维护生产和安装，且生产工艺、设备简单， 维护量小且操作简便。声屏障整体的线形应与道路线形保持一致，不出现 明显的扭曲变形。立柱与障板、障板与防撞护栏或地梁之间采用橡胶垫层、 聚胺脂密封胶等软性联结保持密封，以防漏声的缝隙或孔洞。选用的材料 应是可以破裂、但不溅落，以确保声屏障周围的安全。声屏障在遭受突然 袭击时，各障板间应设置防落下装置，可以在立柱处用橡胶钢丝绳将两边 声屏障板联结在一起，以防障板遭受冲击，滑出立柱落下砸伤行人或车辆。 另外，还应注意选用材料结构防潮以及整体排水措施。 3 5 声屏障景观设计 随着人们生活水平的提高、设计水平的提高和设计要求的深化，人们 对声屏障的要求不再是一堵隔离声音的单调墙，而是一道与当地历史、文 化、自然景观融为一体的构筑物，因而声屏障设计在完成声学设计、结构 设计后还应做景观设计。目前国外声屏障的发展趋势和工程实例都十分注 重声屏障与景观协调设计，发展低成本圬工材料和绿墙技术，设计建造了 许多新颖美观的声屏障。 公路声屏障一般都属于公路的组成部分，则其景观设计也为道路景观 设计的一部分，因而在设计时应从交通安全、视觉影响、生态等各方面进 行景观设计。 l 、交通安全 公路声屏障的某些材料在阳光或夜间车灯照射下产生定向反射，形成 极强的眩光，驾驶员的眼睛有可能受到短暂的刺激，导致不易发现交通标 志，造成判断失误或者公路声屏障的设置影响驾驶员的视距，对道路前方 线形的错误判断，给车辆行驶带来危害。为此，设计公路声屏障时应当禁 止使用高反光材料或者表面层材料，提高表面粗超度和光吸收性能，并且 通过光源位置分析，调整屏障单元的位置和空间取向，尽量避免反射光线 直达车辆。视距影响可通过视线分析或动态视觉分析，一部分重要的行驶 - - 5 3 - - 公路声屏障计算审啉助设 n - j 0 翱：的研究 判断信息设立标志牌，提醒驾驶员注意安全。 2 、视觉性能 公路声屏障的视觉性能是指声屏障在视觉上对驾驶员、乘客、居民等 的冲击。当车辆行驶在声屏障密集路段，驾驶员和乘客会因高速行驶产生 的“廊道效应”引起不同程度的压抑、紧张、易疲劳等不适感觉，这种不 适感的程度与行驶速度、屏障高度、屏障色彩形状以及汽车距屏障的距离 有关。道路声屏障的存在，还会对在屏障附近的群众活动和心理构成一定 影响，如视线遮蔽、出行阻隔等，为此声屏障设计时可采取以下措施： 1 ) 增大屏障距道路距离，降低屏障实际高度，缩短连续屏段的长度， 增大屏段间的间隔，采用曲线或无规则变化的平纵面线形可减少“廊道效 应”。 2 ) 在屏障的外观造型与色彩搭配上，屏障表面的凹凸与曲线变化可避 免平板和吊滞感：或平面上的错开在视觉上令人轻松愉快；纵向上的后退、 折叠方式，给人深度上的感觉。墙上的色彩宜由上往下变浅，尽可能的减 少人的吸引力和墙在视觉上的高度，通过墙上色彩纵线的变化和优美的造 型，给驾驶员连续不断的刺激，使其不容易疲劳和走神，同时也增加当地 的人文景色，起到指示地区牌的作用，增加与自然的协调感。 3 ) 在行车驾驶的平面内设置透明声屏障，一方面保持司机与周围环境、 路外景物融为一体；另一方面也消除了声屏障对附近建筑物低层窗外和户 外景观的遮挡，使道路内外侧和道路两边人员能够通视，居民的视野也不 受遮挡。 4 ) 绿墙技术，即根据声屏障设置的地点、气候、地貌，将其设计成生 物型声屏障。在声屏障周围种植花卉，使其四季常青，既减少噪声污染又 可以美化环境。 公路声屏障计算审q 翥助设幸卜幕兢的研究 第四章声屏障c a d 系统二次开发 4 1c a d 二次开发基本概念 4 1 1c a d 二次开发的必要性 随着科学技术的发展及微机的普及与推广，计算机辅助设计c a d 被越 来越多的人们熟悉和接受，且c a d 设计手段大大提高了设计人员的工作效 率和设计质量。 但是一般的通用c a d 只是提供了一种低层支持环境和面向大众对象的 基础软件。在工程实际应用中还存在一定的问题，难以满足具体产品设计 的需要，而且用通用的c a d 来画图，费事耗力，设计效率低，设计者的劳 动强度也较大。目前解决此类问题的有效办法是由工程技术人员和软件人 员结合具体工程的要求和标准，利用通用c a d 提供的基础功能进行二次开 发，将设计过程中一些复杂的模型解析计算交给计算机完成，并自动生成 所需的图形。 4 1 2c a d 二次开发定义和途径 所谓c a d 二次开发，就是在已有通用c a d 软件的基础上，由既掌握 计算机编程语言又懂得工程设计的技术人员根据某一领域或某一工程的具 体要求和标准而开发的应用软件，具有开发周期短、投资少、效率高和实 用性强等特点。 目前c a d 软件的二次开发方法主要有以下两条途径：一条是利用工程 技术人员和软件人员开发自主版权的c a d 软件：另一条是在已有的基础 c a d 软件上进行二次开发。 4 1 3 c a d 软件二次开发的特点 l 、内容广。情况复杂 c a d 二次开发需面向具体的产品，涉及各种产品的构成和设计过程特 点，以及各种规范与标准、技术与方法、工具与环境、管理等方面。 一s s 公路声屏时算审瀚助设计系筑的研究 2 、工作量大 3 、面向具体工程人员 二次开发系统是面向具体工程设计人员进行开发的，是设计人员进行 工程设计的工具，因而二次开发系统的设计应符合工程标准，满足工程人 员的设计习惯和要求。 4 1 4 c a d 二次开发步骤 c a d 二次开发设计的应用软件是作为一种工程设计工具来辅助具体的 工程设计，因而它具有以下两个特点：一方面，二次开发系统必须符合工 程设计的特点：另一方面，二次开发应遵循软件工程的方法和步骤，即以 工程设计的理论和实践为基础，以软件工程理论为指导，面向具体产品的 实际问题。 总的来说，c a d 二次开发的一般思路是：在充分分析二次开发设计目 标的基础上，根据模块化设计理论，采用人机交互