道路聲屏障設計中的幾個技術參數的確定方法
1、概述
隨著我國交通路網的快速發展，聲屏障作為當前解決交通噪聲問題的一種方法，得到了越來越多的應用。但從目前國內建成的聲屏障的效果看，一些不是很理想，給國家和人民造成不必要的浪費。造成這樣的主要原因是，大多數聲屏障的設計沒科學依據，盲目性比較大。對什么地方適合設置聲屏障，以及如何確定聲屏障的長度（L），聲屏障的高度（H）等參數都是憑感覺去確定。作者根據多年聲屏障研究和設計實踐經驗，在本文中試圖給出在聲屏障的設計中上述參數的實用方法和經驗公式，供設計人員在今后的聲屏障設計中參考和使用。
2、什么樣的周邊環境適應設置聲屏障
當前，在談到交通噪聲治理的問題時，總是首先想到應用聲屏障解決問題。自從上個世紀九十年代，我國在上海市首先在城市的高架路使用聲屏障后，在全國其它大都市競相效仿，其高架橋上的聲屏障像雨后春筍般地出現。其實像在城市市中心區建設聲屏障其效果微乎其微。如果設計不當，還會增加噪聲污染。這樣不僅給國家造成令人心痛的損失，同時也對城市景觀起到了破壞作用。
在什么地方以及什么樣的周邊環境適用設置聲屏障，并使聲屏障起到最好的降低交通噪聲的作用呢？能不能設置聲屏障可以依據以下幾個方面確定：
2.1、聲屏障保護的對象高度是否超過聲屏障的高度。若保護的對象的高度低于聲屏障的高度，則聲屏障將起到比較好的效果，如國外高速公路邊保護別墅的聲屏障效果非常好；若所保護的對象高于聲屏障，則不適應設置聲屏障。如高層建筑林立的城區中心的高架橋上是不適應用聲屏障來降低交通噪聲的。在這種情況下，在建筑物的門窗上采取措施是既經濟又效果好。目前在深圳、上海、廣州等地安裝的我國自主知識產權―自然通風降噪窗取得非常好的效果。
2.2、周邊是否有聲反射面。若周邊環境存在著聲反射面，則聲屏障設計將變得非常困難。因為反射面反射的噪聲不會和聲屏障發生接觸，將會大大降低聲屏障的降噪效果。如在城市街道邊設置聲屏障效果不佳便是如此，由于街道兩邊的建筑都是反射面，高能量的反射聲使聲屏障效果大幅度降低。所以在設計聲屏障時，首先要考慮周邊環境是否有反射面，如果反射面過于復雜，則不應考慮聲屏障的手段。
2.3、聲源面是否過寬。交通噪聲一般我們會以線聲源來處理。現在高速公路有來往四車道、六車道、八車道，甚至有十二車道。這樣的聲源就不能按線聲源來處理。若聲源面過寬，與聲屏障接觸的噪聲的成分會大幅度減少，其聲屏蔽效果就會大幅下降。根據經驗，當道路來往的車道超過六車道后，不應考慮聲屏障，應考慮其它降噪手段。
3、聲屏障高度的確定
現在設計聲屏障時大多采用幾何聲學分析的方法來確定聲屏障的高度（如圖一）。如“聲影區法”來確定聲屏障有效區域。其實這種方法是不正確的。因為交通噪聲的聲波是機械波，其波長的單位在米級，和聲屏障的幾何尺寸在同一數量級。從波動學理論上講，只有當波長λ>>H（反射面幾何尺寸）時，才能按入射波的入射角等于反射波的反射角的幾何聲學的方法來分析波的傳播路徑。如光波就是這樣的情況。光波的波長為Á米級，而反射鏡的幾何尺寸為米級或厘米級，光波的波長和反射鏡的幾何尺寸相比，光波波長可忽略不計。這樣就滿足λ>>H條件,利用反射原理來分析光波的傳播路徑就會準確。就聲屏障而言，聲波的波長和聲屏障的高度方向為同一數量級，當噪聲的聲波和聲屏障作用時就會產生散射和衍射，不會遵從入射角等于反射角的原理。只有聲波頻率很高時，（如4K以上的聲波），才可近似地適用波的反射原理。在聲屏障的長度方向，由于滿足λ>>H的條件，所以在長度方向分析聲波傳播路徑時，可采用幾何聲學的方法進行分析。
聲屏障的高度采用如何方法確定的呢？據多年的設計和研究經驗發現，聲屏障的高度可采用“有效頻率”進行確定。這里引入有效頻率λE概念，是指聲屏障對噪聲的倍頻程或1/3倍頻率中某個波段頻率衰減量為3dB（A）的頻率。若噪聲的波長比“有效頻率”的波長長，則由于繞射和散射作用，聲屏障對其聲衰減作用會很低。而所有比“有效頻率”波長短的噪聲，則聲屏障就會有很好的聲衰減效果。聲屏障高度可用以下經驗公式確定：
H=2λE （1）
H為聲屏障的高度，λE為有效頻率。
例如，一般設計中，如果公路行駛的車輛中，大型車輛所占比例比較大，交通噪聲低頻聲成份比較高，則有效頻率應確定為125HE（λE=2.720米左右）比較合適。按照經驗公式，則聲屏障的高度應為
H=2λE=2×2720=5.450米
若馬路上的行車車輛中為小型汽車，則交通噪聲中頻率高的噪聲成份會比較高，則“有效頻率”λE選取為倍頻程頻率為250HE（λ =1.360）會比較合適，則聲屏障的高度可確定為：
H=2λE=2×1360=2.720米
這樣，就會既節省投資，又取得比較好的降噪效果。
4、聲屏障的長度確定
為了避免端頭效應影響聲屏障的降噪效果，在設計時應該對聲屏障的長度有一個比較合理的選定。現在國內數量不少的聲屏障都存在著端頭效應問題。若保護 100米的區間，則聲屏障就建100米長，端頭效應嚴重，大大降低了聲屏障的聲衰減效果。從效果上來看，聲屏障建得越長，其端頭效應會越小，聲屏障的效果也就越好。但是，聲屏障建得過長會造成不必要的浪費。建造怎樣長度的聲屏障既能保證效果，又節省投資？筆者根據多年的設計研究實踐經驗，提出“15度夾角確定法”。其具體辦法如下圖所示：
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這樣保護100米長的對象，且離聲屏障垂直距離30米這種狀況下，建聲屏障330米長即可，若離聲屏障垂直距離20米，則聲屏障建249米長即可。按照公式（2）確定的聲屏障長度既可保證避免端頭效應的影響，從而提高了聲屏障的聲衰減效果，又能節省投資。
5、結語
本文給出的計算公式是筆者長期研究設計實踐總結出來的，旨在為聲屏障設計人員提供一種簡便、可行的設計方法。這種方法在工程設計實踐中得到比較好的驗證。同時歡迎同行提出意見，以便總結一套更科學、系統的聲屏障設計方法。
參考文獻：
1、《一種耐高溫、防塵消聲器研究》文環凌《應用聲學》2000年第一期。
2、《深圳市紅樹林自然保護區聲屏障設計》文環凌 2002年全國聲學學術會議論文集。
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