不同性質噪聲源聲屏障應用研究
噪聲污染與水污染、大氣污染一起構成當代三種主要污染。近年來，隨著人民生活水平的逐步提高以及環保意識的逐步增強，人們對生存環境的質量要求越來越高，噪聲對周圍環境的影響已越來越引起人們的重視，如何控制噪聲問題，已成為我國目前迫切需要解決的問題之一。
解決和控制噪聲問題主要從噪聲源、傳播途徑、接受點三方面考慮。但不管在噪聲源和傳播途徑上如何采取措施，噪聲均不可避免地產生。當噪聲源附近有醫院、學校、住宅區等需要限制噪聲的區域時，根據國外的先進技術，最有效的控制方法是建立防噪聲屏障。
聲屏障的設計是一項很復雜的系統工程，涉及到聲學設計、結構設計和景觀設計等多學科知識，其中聲學設計要考慮噪聲源的種類、噪聲傳播途徑及聲屏障材料性能；結構設計是指聲屏障的設計尺寸要滿足剛度和強度要求；景觀設計是聲屏障要和城市有機地融合。
1 移動噪聲分析及聲屏障應用
1.1 公路噪聲特性分析
汽車在行駛運動過程中發出的噪聲由多種成份組成，如：發動機噪聲、排氣噪聲、傳動系噪聲、輪胎噪聲和氣流噪聲(也稱風噪)等。
汽車空腔外部運動噪聲包括機械振動噪聲、輪胎噪聲和氣動噪聲。汽車是一個由激勵源、振動傳遞器和噪聲發射器組成的系統，在外界激勵（如不平路面、發動機工況的突然改變、汽車行駛工況的突然改變）的作用下，各子系統及子系統內部各零件相對運動，因摩擦、碰撞而振動產生機械運動噪聲；泵氣效應和輪胎振動產生輪胎噪聲；高速氣流與汽車表面作用引起的表面壓力脈動則產生了氣動噪聲。這3類噪聲隨車速的提高呈現不同的變化規律。當汽車啟動時即產生機械運動噪聲，如發動機噪聲隨車速提高而增大；
當汽車行駛速度大于50km/h時，輪胎噪聲逐漸顯現，當車速超過80km/h時，輪胎噪聲則成為汽車行駛噪聲的主要成分；當汽車行駛速度超過100km/h時，氣動噪聲會迅速增大，當汽車速度在120km/h左右，氣動噪聲會與輪胎噪聲聲級相同，當汽車速度再繼續增加，此類噪聲就會超過其它噪聲成為主要的噪聲源。有研究指出，氣動噪聲與車速的六次方成正比，即車速增加一倍，聲壓級增加18 dB。[1]
總體來說，不同等級性質的公路，其交通噪聲主要因素不同[2]：
⑴ 車輛組成種類：不同公路上交通組成是不同的，但在一定時期，某一公路其交通組成相對固定。相對比較而言，交通組成中大型載重車、柴油車比重較大時，由于其發動機的噪聲及車身振動噪聲大，則對兩側噪聲污染也最嚴重。
⑵ 行車速度：車輛的行駛速度越快，噪聲越大。注意區分不同限速的路段。
⑶ 路面結構：由于輪胎噪聲直接與路面有關，可見路面結構與噪聲關系密切，由于路面結構的空隙率以及表面紋理、摩擦系數等和車輛輪胎花紋的不同組合就會產生不同聲級的噪聲。
⑷ 路堤高度：例如我國高速公路一般為高填路基，在填方路段，周圍越空曠，車輛噪聲傳播的距離越遠。
⑸ 路面寬度：交通噪聲隨路寬的減小而增大，即路寬對交通噪聲為負影響。
⑹ 車輛鳴笛：車輛過多使用喇叭，特別是高音喇叭，可使噪聲聲級升高7-10dB。
⑺ 受聲點距噪聲源的距離。
另外，由于車輛加減速以及爬坡下坡等都會對交通噪聲大小產生影響，所以交通噪聲還與公路的線形、坡度等有關。
1.2 公路噪聲聲屏障應用要點
① 聲屏障的高度：
當聲屏障無限長，聲源、聲屏障和受聲點的相對位置確定后，聲屏障的降噪效果主要取決于屏障高度。隨高度的增加，聲程差增加，屏障降噪量增大，當聲程差在3m以內變化時，降噪效果變化明顯；當聲程差高于3m時，隨聲程差的增加，降噪效果趨于平緩，不如先前明顯。
同時，聲屏障高度與工程造價、工程可行性密切相關。隨聲屏障高度增大，工程造價也隨之大幅上升。制約聲屏障高度的是工程可行性因素，尤其是安全性問題。橋基段聲屏障在防撞墻上，要考慮在最大風荷載條件下，分析防撞墻結構強度，確定聲屏障高度；路基段聲屏障，其樁基施工受路邊空間、地下管線等因素限制。
② 聲屏障的長度：
由于實際聲屏障不可能無限長，因此噪聲會從屏障兩端繞射至敏感點處，從而降低屏障的實際降噪效果。為減少聲屏障兩端外側的交通噪聲對敏感點的輻射，聲屏障需向敏感點兩端外側延伸一定長度，隨著延伸長度增加，屏障降噪量增加，但延伸至一定長度后，進一步的延伸對降噪效果影響不明顯，因此要從性價比角度確定合理的延伸長度。由于多普勒效應，車輛迎面駛來時的等效頻率要高于車輛背離駛去時的等效頻率，車輛迎面駛來時敏感點處的等效A聲級要大于車輛背離駛去時的等效A聲級，由于敏感點兩端分別對應車輛的迎面端及背離端，這就要求敏感點處的聲屏障兩端需取不同的延伸長度，由于對迎面端，一般延伸70 m，因此對于背離端，可較迎面端縮短延長距離，以延伸50 m為宜[3]。
③ 聲屏障的材料：
當道路兩側均建有聲屏障，且聲屏障平行時，聲波將在聲屏障間多次反射，并越過聲屏障頂端繞射到受聲點，為減小反射聲，一般在聲屏障靠道路一側附加吸聲結構。反射聲能的大小取決于吸聲結構的吸聲系數a，它是頻率的函數，因而根據特定路段的噪聲頻譜特性選擇吸聲結構尤為重要。
國內現有的吸聲型聲屏障多為板式結構，結構形式較為單一，而且面密度大，耐久性較差，降噪效果欠佳，特別是中低頻吸聲性能很差[4,5]。由于交通噪聲主要頻率分布范圍很寬，單純阻性吸聲或抗性材料都難以在如此寬的頻率范圍內達到滿意的吸聲效果。因此，國內外都研究阻抗復合型聲屏障作為拓寬吸聲頻帶、提高降噪效果的主要方向[4,6]。
1.3 城市軌道交通噪聲特性分析
城市軌道交通系統的運行噪聲根據聲源不同通常
可分為輪軌系統噪聲、牽引動力系統噪聲、制動系統噪聲、氣動噪聲和軌道結構物噪聲等[7]。
在不同的行駛條件下，各種聲源對整體噪聲的貢獻都有所區別。一般在啟動或低速行駛條件下，車輛動力設備噪聲為主要聲源，不受速度的影響，其峰值頻率一般在63Hz～100Hz之間；當車速超過50km/h-60km/h時，輪軌噪聲為主要聲源。一般速度越快，輪軌噪聲越大，作用頻率也越高，其峰值頻率為600Hz-800Hz[8]之間 ；制動噪聲主要在列車制動減速時產生，其頻率較高，在2000Hz-5000Hz之間[9]；軌道結構振動噪聲主要產生于高架段，頻率較低；隨著列車行駛速度的增加，氣流噪聲會越來越顯著。
總體來說，城市軌道交通的噪聲級與系統的特性有關：軌道設置的位置是影響噪聲級的決定因素，高架鐵路軌道產生的路邊噪聲級比地面軌道的噪聲級要高。此外，列車的運行速度、采用軌道類型、車輪踏面上的擦傷、鋼軌表面局部粗糙狀況以及線路小半徑曲線等其他因素，均影響噪聲級的強度。
1.4 城市軌道交通噪聲聲屏障設計
① 聲屏障的高度：
與公路噪聲相同。
② 聲屏障的長度：
對于一般路堤線路，聲屏障加長量與受聲點距線路距離有關，當受聲點距線路30m，其加長量宜為40-45m；在60m距離時，宜為70-90m。對于高架橋，聲屏障加長量不是聲屏障降噪效果的主要控制參數，兩側加長量選取50m即可[10]。
③ 聲屏障的位置：
在聲源強度不變的情況下，隨著聲屏障距離線路中心線距離的增加，降噪效果下降。因此，工程中應用應該盡可能將其設置在距離線路更近的位置，以達到較好的降噪效果[11]。
④ 防撞墻的利用：
由于設置防撞墻的初衷是為了防止列車脫軌，并沒有從聲環境質量考慮降噪問題。當需要降低橋梁線路周圍環境噪聲時，就可以充分利用橋上無砟軌道的防撞墻，在防撞墻的內側設置吸聲層，降低輪軌噪聲，起到聲屏障的降噪作用。必要時可適當加高防撞墻的高度，提高降噪效果。
⑤ 聲屏障的材料：
根據軌道交通地面段和高架段、列車加速出站、站間勻速和減速進站時噪聲的頻率特性，進行軌道交通聲屏障的分段優化設計。
⑥ 問題：
ⅰ值得注意的是，雖然采取聲屏障措施可以有效降低列車下部的輪軌噪聲，但是，對于車輛上部的集電系統噪聲的降噪作用十分有限[12]。
ⅱ聲屏障在軌道降噪的同時，可能會產生新的問題。由于聲屏障具有一定的高度（一般在2m以上），如果處理不當，會使司機的視線受到限制，容易產生視覺疲勞和行車事故；乘客在車內的乘車環境和對外眺望空間受到限制易產生壓抑感，進而造成乘車舒適度下降；同時沿線兩側居民區的光線不足使其居住環境受到影響。因此提出在軌道兩側設置聲屏障的同時，在軌道之間設置道間聲屏障，而將兩側聲屏障的高度降低列車窗以下，這樣既不影響降噪效果，又不影響車內視線，并且由于道間聲屏障離主要噪聲源——輪軌系統更近，更有利于吸聲[13,14]。但要求這樣設置的道間聲屏障具有雙面吸聲的性能，因此應用吸聲材料設計出組合型雙面吸聲屏障也是聲屏障設計中需要解決的問題之一。
2 固定噪聲源分析及聲屏障設計
2.1 固定噪聲源特性分析
固定源噪聲污染，系指各種相對固定的設備和器材，在操作使用時發出的具有相當強度，超過規定標準，影響正常生活，危害公民身體健康的持續性聲響。
根據統計數據并結合群眾近期投訴情況，以工業噪聲、社會生活噪聲中餐飲業油煙凈化及通風裝置、商業鼓引風機和冷凍機組、辦公寫字樓冷卻塔等為主的固定源噪聲擾民反映激烈、社會影響非常惡劣，個別案例久拖未決，群眾重復上訪長達2-3年之久，飽受噪聲污染之苦。根據《中華人民共和國環境噪聲污染防治法》規定，工業噪聲、社會生活噪聲中冷卻塔、風機噪聲等為主的固定源噪聲污染防治應由各級環保部門實施監督管理[15]。
以電廠噪聲為例。風機噪聲以空氣動力性噪聲為主，其頻譜具有寬闊的連續性，且在低、中頻段有峰值。冷卻塔噪聲主要是淋水噪聲，以中、高頻率成分為主（500-8000Hz）。水泵噪聲主要屬于低頻和次低頻噪聲。空壓機是一個多聲源發聲體，其中進氣噪聲約為100 dB(A)，是其主要噪聲源。
2.2 固定噪聲聲屏障設計
由于固定噪聲源一般屬于工業、商業等性質，分屬于各企事業單位。在聲屏障設計時，主要考慮：
⑴ 廠界外環境影響區域、聲屏障、固定噪聲源之間的距離。在保證達標的基礎上，確定聲屏障的位置及有效高度，并有效利用廠界圍墻及建筑物，實現效果最優、費用最省的目標。
⑵ 因為是固定噪聲源，根據其與環境影響區域的距離可視為點源或有限線源，聲屏障可根據聲源對稱分布，并確定聲屏障距聲源張角，即確定了聲屏障的有效長度。
⑶ 在選擇吸聲材料時，視聲源對環境影響區域的影響程度及聲源特性，確定是以中、高頻噪聲為主還是以低頻噪聲為主。
4 結 語
聲屏障的設計是一項復雜的系統工程，要注意區分固定源噪聲和移動源噪聲，并分析特定區段噪聲源特性，選擇設計參數，進行聲屏障的優化應用。
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