公路聲屏障現狀分析與實際插入損失驗證

馬風杰，杜騰飛，王勝強，胡海學，魏如喜

（1.天津市交通科學研究院，天津 300202；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300202；3.南開大學，天津 300072）

0 引言

由于我國城市化進程的不斷加快，人民環保意識的增強，城市噪聲污染投訴在各類環境污染投訴中所占的比例呈逐年增加的趨勢[1]。聲屏障降噪是防治公路交通噪聲污染的有效途徑，但是目前聲屏障設置也存在降噪效果良莠不齊、型式多樣、維修養護困難等問題[2-3]，制約了技術和應用的深入發展。在當前我國實施生態文明建設的戰略背景下，民眾環保意識日益提高，聲屏障必然將在未來公路行業得到更為廣泛的應用，巨大的機遇和挑戰并存[4]。

聲屏障的降噪效果用插入損失來評價，在噪聲敏感目標位置，聲屏障插入損失預測一直都是高速公路聲屏障設計中的重點和難點。因此，本次研究通過分析插入損失理論計算與實際監測結果，建立一種聲屏障實際插入損失預測模型，使聲屏障設計可以滿足降噪需求，為生態宜居現代化天津建設奠定堅實基礎。

1 天津市聲屏障設置現狀調研

1.1 天津市公路噪聲調研

根據天津市公路類型和聲屏障設置情況，選擇了天津市三種類型公路進行噪聲監測，即外環線、快速路和高速路。監測位置車流量較穩定，離紅綠燈一定距離，測定位置位于硬路肩外側20 cm。

監測噪聲參數包括：公路噪聲的等效A聲級、最大聲級Lmax、最小聲級Lmin，以及L10、L50、L90，倍頻帶聲壓級或者1/3倍頻帶聲壓級。

監測結果顯示公路交通噪聲的等效A聲級，三種公路白天等效A聲級基本處于60～80 dB（A）區間，高峰時段多處于70～80 dB（A）區間，三種類型公路的等效A聲級的數值處于比較集中的區間。

1.2 天津市公路聲屏障設置情況

通過調研天津市公路聲屏障設置情況，了解了天津市聲屏障的材質主要是鍍鋅鋼板和鋁合金材料，有的公路聲屏障為了景觀和采光的需要采用了復合材質，中間部分加裝了塑料材質（透明亞克力、聚碳酸酯等）。鍍鋅板中有的全采用反射板，有的采用百葉窗式多孔吸聲板（填充材料通常為玻璃絲棉、加氣混凝土、多孔樹脂等材料）。聲屏障高度多數在2.5～3.5 m范圍內，少數建設高度為4 m。聲屏障型式以弧形居多，其次是直立型、倒L型，其他型式較少。

表1 天津市公路聲屏障的位置、類型和高度Tab.1 Location，type and height of highway sound barrier in Tianjin

1.3 天津市公路聲屏障存在問題

天津市公路聲屏障存在的缺失，破裂，生銹，逃生出口破損、縫隙等問題會降低聲屏障降噪效果，底部銹蝕會造成聲屏障不穩定，存在安全隱患。

圖1 天津市聲屏障存在問題Fig.1 Problems of sound barrier in Tianjin

2 聲屏障實際插入損失理論分析

聲波在空氣中傳播，當遇到聲屏障，會發生繞射、透射和反射三種現象。當只在公路一側設置聲屏障時，反射路徑改變了聲波傳播方向，對降低噪音是有利的。但當公路兩側均設置有聲屏障時，則聲波可能會在聲屏障間多次反射后繞射至受聲點，降低聲屏障降噪效果[5]。由此可見，聲屏障的插入損失與噪聲的頻率、聲屏障的高度以及聲源與接收點之間的距離等因素有關。聲屏障的理論插入損失可表示為：

式中：ΔL繞為聲屏障的繞射噪聲衰減量；ΔL透為聲屏障投射損失；ΔL反為聲屏障的反射降低量；ΔLG為地面吸收聲衰減量；ΔLS為聲源和受聲點之間其他障礙物遮蔽衰減。

無限長薄屏障在點聲源聲場中引起的繞射衰減可以用式（2）進行計算，適用于天津市大部分公路聲屏障插入損失的計算。

式中：N為菲涅爾數，；λ為聲波波長，m；d為聲源與受聲點間的距離，m；A為聲源至聲屏障頂端的距離，m；B為受聲點至聲屏障頂端的距離，m。

對于有限長薄屏障在點聲源聲場中引起的繞射衰減，在菲涅爾數滿足時，繞射衰減計算式可以簡化為：

式中：N為菲涅爾數，。

3 天津市公路聲屏障插入損失監測與計算

3.1 聲屏障插入損失監測要求

測定聲屏障實際插入損失時，具體做法參考《聲屏障聲學設計和測量規范》（HJ/T 90—2004）[10]。聲屏障其他測定內容包括聲屏障的高度、厚度、長度、型式和材質。公路交通噪聲等效A聲級測定的地點為離硬路肩外側距離20 cm，距離地面高度1.2 m，除了測定公路噪聲源強和敏感點前1 m兩處外，在聲屏障至敏感點之間等距離設定2～3處測定地點進行等效A聲壓級測量。有的公路聲屏障距離居民樓或者其他敏感點距離較近，有的二者之間距離只有十幾米甚至更近，因此很難設定很多點。而對于高速路，可以在聲影區內設定多個測定地點，測定多處位置的噪聲聲壓級，對比點位同步測量。聲屏障的實際插入損失和車流量、車速直接相關。因此，測量時盡量選取流量較穩定的時間段，非高速公路的測定要避開紅綠燈和路口，盡可能避開車輛急剎，鳴笛等不利偶發因素。

表2 天津市公路聲屏障理論計算與實際監測對比Tab.2 Comparison between theoretical calculation and actual monitoring of highway sound barrier in Tianjin

3.2 天津市公路聲屏障理論計算與實際監測對比

對聲屏障插入損失的理論計算值和實際監測計算值差異較大的原因進行分析。其原因主要有三點：

（1）實際監測計算的插入損失偏小的原因主要是聲影區測點的噪聲等效A聲級數值偏大和公路交通車流量偏小兩個主要因素。其一是聲屏障安裝后受聲點的A聲級監測值往往比理論值偏大。其二，公路車流量太小會使聲屏障插入損失監測較實際計算值偏小。等效頻率數值是隨著公路上車流量、車速、車類型和比例而變化的，因此，插入損失理論計算值實際上也是變化的。

（2）公路聲屏障存在的縫隙或者破損導致插入損失降低。

（3）插入損失理論值主要是受菲涅爾數大小影響和等效頻率影響，和公路實際狀況聯系很小。

4 聲屏障實際插入損失預測模型建立

4.1 模型建立

聲屏障實際插入損失主要影響因素為公路交通噪聲源強、菲涅爾數和地形、地貌[6]。因此根據聲屏障插入損失的理論計算值和實際監測計算值將等效A聲級、菲涅爾數、路面坡度和綠化等影響因素加入模型，根據實際監測的結果確定每一項衰減的系數，得到聲屏障實際插入損失預測模型如下：

式中：Leq為基于路肩的預測公路交通預測等效連續A聲級；X為測定點到聲屏障垂直距離，m；N為菲涅爾數；a為聲屏障到預測點的地形坡度，聲屏障低于地平面為正，聲屏障高于地平面為負，度；h為聲屏障底與測點地面之間高度差，m；b為聲屏障到預測點的綠化系數，每10 m噪聲衰減取值0.6～1.0 dB（A），草地0.6 dB（A），灌木、草地、樹木有二者取值0.8 dB（A），草地、灌木和樹木都有取值1.0 dB（A）；S1為聲屏障破損面積，m2；S2為聲屏障總面積，m2。

4.2 實際插入損失值對比

表3 插入損失模型預測值與監測計算值對比 [dB（A）]Tab.3 Comparison between predicted value of insertion loss model and calculated value of monitoring [dB（A）]

經計算，天津市公路聲屏障的插入損失大部分處于5～15 dB（A），只有少數比較理想情況時大于15 dB（A），預測值和監測值相差在3 dB（A）以內，預測效果較好。通過模型可以看出，聲屏障實際插入損失和公路噪聲源強的聲壓級有關，聲壓級增加，實際插入損失會增大。模型也說明菲涅爾數增大，也就是聲程差增加，聲屏障聲影區增加，聲屏障插入損失會增大。另外還可以得出增加公路兩側坡度和綠化均能增大聲屏障實際插入損失。

5 結語

經過研究得出以下結論與建議：

（1）建立了聲屏障實際插入損失和等效聲級、菲涅爾數之間的關系模型，預測值和監測值相差在3 dB（A）以內，預測效果較好。

（2）結合天津市南開區青云橋局部加裝隔音屏工程，通過設計前聲屏障插入損失設計目標9.4 dB（A）與實際計算結果9.6 dB（A）來看，設計效果較好，并且適當增加聲程差及綠化對降噪也有一定的效果。

（3）公路聲屏障存在的縫隙或者破損會導致其實際插入損失降低，聲屏障應該按照一定的周期進行定期維護和保養，以保持較好的降噪效果。