麥 劍，孟憲東，李力豪，趙立東，何杰忠

(1. 廣州高速運營管理有限公司，廣東 廣州 510030；2. 中路交建(北京)工程材料技術(shù)有限公司，北京 100088)

0 引言

隨著國內(nèi)道路交通的大規(guī)模建設(shè)，交通環(huán)境噪聲污染也愈發(fā)嚴(yán)重?！吨袊h(huán)境噪聲污染防治報告》中，環(huán)境噪聲檢測部門對國內(nèi)省會城市開展了道路交通噪聲監(jiān)測，報告中指出全國城市晝間區(qū)域受交通噪聲影響比例為21.7%，2020年直轄市、省會城市和計劃單列市道路交通噪聲晝間平均等效聲級為68.0 dB(A)[1-2]。同時研究表明[3]，受交通噪聲影響，房地產(chǎn)、工商等企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益都有不同程度的下降，有人估算交通噪聲升高1 dB，土地的價值將降低0.08%～1.26%。文獻(xiàn)[4]表明通過采用合適的路面結(jié)構(gòu)降低交通噪聲是改善城市環(huán)境中噪聲污染最為經(jīng)濟(jì)的方法。

道路交通噪聲的主要原因在于輪胎-路面噪聲，削弱輪胎-路面噪聲的關(guān)鍵措施在于源頭控制。從聲學(xué)角度來講，輪胎與路面產(chǎn)生的噪聲可以通過空隙吸收，進(jìn)而降低噪聲等級，這也正是多空隙瀝青混凝土能夠減小噪聲的主要機(jī)理[5]。Gardziejczyk等[6-7]進(jìn)行的現(xiàn)場近距離測試結(jié)果表明，OGFC路面相比AC路面的交通噪聲要降低3～6 dB。文獻(xiàn)表明排水瀝青路面具有比較高的空隙率和良好的表面構(gòu)造，與普通路面相比有明顯的降噪效果，特別是在雨天，降噪效果更為明顯。

眾多研究表明，多空隙排水瀝青路面可以有效減小輪胎-路面噪聲，但對其降噪吸聲特性的研究較少。對于路面材料，通常用吸聲系數(shù)來表征其吸聲性能(即吸收與入射聲能的比值)[10]。本研究通過改進(jìn)的室內(nèi)輪胎加速下落法測試對比排水瀝青路面單、雙層以及普通AC路面的輪胎-路面噪聲，采用駐波管法研究排水瀝青路面吸聲特性，測試其吸聲系數(shù)，并分析空隙率參數(shù)對吸聲系數(shù)的影響，得出空隙率參數(shù)與吸聲系數(shù)間的數(shù)據(jù)模型并驗證。

1 室內(nèi)測試輪胎-路面噪聲

室內(nèi)噪聲測試采用輪胎下落法進(jìn)行試驗研究。輪胎下落法是通過對道路路面噪聲發(fā)生原理進(jìn)行室內(nèi)模擬而進(jìn)行的噪聲測試和評價的方法[11]。采用輪胎下落法模擬路面噪聲，設(shè)置不同測試點距離模擬近輪、半車道和一個車道的噪聲。

試驗步驟為：使一個標(biāo)準(zhǔn)小型汽車輪胎從光滑斜坡的頂端下滑，輪胎會撞擊位于斜坡底端的車轍板試件，在距離聲源不同距離處使用聲級計記錄撞擊過程中的輪胎/路面噪聲信號，通過分貝儀對各車轍板試件進(jìn)行A計權(quán)聲壓級和1/3倍頻程頻譜測試，以分析輪胎沖擊路面板瞬間的噪聲特性。試驗現(xiàn)場如圖1所示。

試驗裝置如圖2所示，斜坡長100 cm，頂端高60 cm，傾角為30°，試驗在距離聲源1 m(近輪距離)、1.9 m(半車道寬)和3.75 m(一車道寬)這3個位置分別放置一臺聲級計。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[12]的要求制備車轍板試件。試驗對象為不同類型的PAC混合料車轍板試件共20塊，以及作為對照組的AC混合料車轍板試件3塊。斜坡底端高10 cm，雙層10 cm 厚度的車轍板可直接放置于斜坡底端，單層4 cm 厚度的車轍板試件下需墊木板保證與斜坡底端平齊，如圖2所示。測試輪胎是氣壓為0.2 N/mm2的標(biāo)準(zhǔn)小型汽車輪胎，輪轂尺寸為38.1 cm(15英寸)，重量約為28 kg。

圖2 輪胎加速下落法斜坡示意圖

1.1 A計權(quán)聲壓級分析

比較4 cm厚PAC試件和AC-13試件，如圖3所示。圖中S-I～S-V為4 cm厚單層PAC試件，其中PAC試件I～V的設(shè)計空隙率依次為16%，18%，20%，22%，24%，AC-13試件的設(shè)計空隙率為4%。由圖3可以看出，相比傳統(tǒng)密集配AC混合料，PAC混合料能顯著降低噪聲水平，且PAC試件的降噪能力隨其與聲源距離的增加而衰減。比較4 cm厚PAC試件噪聲值與空隙率的關(guān)系，如圖4所示。由圖4可知，隨著空隙率的衰減，單層PAC試件在3種距離條件下的噪聲值均發(fā)生增長。

圖3 單層PAC試件噪聲水平

圖4 單層PAC試件噪聲水平與空隙率的關(guān)系

類似地比較10 cm厚PAC試件和AC試件的噪聲數(shù)據(jù)，考慮排水瀝青路面施工實際情況，PAC試件成型采用3種方式：(1)10 cm厚單層PAC-13試件，即一次性鋪筑10 cm厚PAC-13排水瀝青混合料成型試件；(2)雙層PAC試件，即先鋪筑6 cm厚PAC-13后待試件降至室溫，噴灑黏層后再鋪筑4 cm厚PAC-13后成型；(3)雙層聯(lián)鋪PAC試件，即鋪筑6 cm厚PAC-13后不噴灑黏層直接鋪筑PAC-13排水瀝青混合料成型。噪聲水平比較結(jié)果如圖5所示，圖中S-1～S-5為10 cm厚單層PAC試件，D-1～D-5為雙層PAC試件，DL-1～DL-5為雙層聯(lián)鋪PAC試件。其中PAC試件1～5的設(shè)計空隙率依次為16%，18%，20%，22%，24%，AC試件的設(shè)計空隙率為4%，可知不同類型的PAC混合料均能顯著降低噪聲水平，且PAC試件的降噪能力隨其與聲源距離的增加而衰減。此外對3類10 cm厚PAC試件在3種距離條件下的噪聲水平進(jìn)行了比較，結(jié)果均為：雙層<雙層聯(lián)鋪<10 cm厚單層。

圖5 10 cm厚PAC試件噪聲水平

若將不同距離條件下，10 cm厚PAC試件的噪聲水平與空隙率聯(lián)系起來，對于10 cm厚PAC試件，其總體噪聲水平隨空隙率衰減而提高。近輪條件下，3類PAC試件噪聲等級的差異最明顯。此外，通過不同空隙率下3種距離的噪聲等級的平均值來比較3類10 cm厚PAC試件噪聲等級與空隙率的關(guān)系，可知3類PAC試件的噪聲水平都隨空隙率衰減而提高。雙層排水路面的降噪性能最優(yōu)，單層排水路面相對較差，分析原因為：排水瀝青路面厚度越大，聲音在路面內(nèi)部空隙的傳播路徑越長，衰減越明顯，進(jìn)而降噪性能越好。

1.2 1/3倍頻程頻譜分析

以中心頻率為橫坐標(biāo)，聲壓級為縱坐標(biāo)，作出噪聲頻譜按照1/3倍頻程劃分標(biāo)準(zhǔn)的噪聲聲壓分布圖，可以直觀地了解噪聲的頻譜特點，這種分析方法稱為噪聲的1/3倍頻程頻譜分析[13]。

采用1/3倍頻程頻譜數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，所有試件的1/3倍頻程頻譜曲線都存在先增后減的過程，都在某一頻帶的中心頻率上達(dá)到極值，高幅值的聲壓級基本集中在80～315 Hz的頻率范圍內(nèi)。此外，在3種距離條件下，所有試件的噪聲峰值頻率基本都在200 Hz以內(nèi)，均屬于低頻噪聲。限于試驗條件，試驗輪胎速度遠(yuǎn)不及實際路面上的行車速度，其對試件產(chǎn)生的噪聲主體為振動噪聲而并非來自對空氣壓縮釋放產(chǎn)生的“泵吸效應(yīng)”。

圖6(a)、圖6(b)中給出了10 cm厚單層和雙層試件在3種距離條件下的噪聲頻譜平均值，從圖中可以看出，PAC試件的峰值噪聲及對應(yīng)頻率都比較集中，且不隨空隙率的衰減而變化。綜合各試件噪聲頻譜峰值數(shù)據(jù)，其排序為：雙層<雙層聯(lián)鋪<10 cm厚單層。另外，對于10 cm厚PAC試件，盡管試件之間的頻譜曲線較為集中，但仍可以發(fā)現(xiàn)：(1)PAC試件的噪聲頻譜幅值一般都小于AC試件；(2)PAC試件在小于160 Hz的頻譜較為集中，頻率大于160 Hz后噪聲水平隨空隙率衰減而提高。

圖6 PAC試件噪聲頻譜

2 排水瀝青路面吸聲特性研究

傳遞函數(shù)法[14-16]是一種用于測定多孔路面吸聲系數(shù)的快捷方便的方法，應(yīng)用傳遞函數(shù)原理進(jìn)行吸聲系數(shù)測定，其原理為利用信號發(fā)生器產(chǎn)生聲源，將聲源放置在物體表面正上方，傳聲器放置在聲源與道路表面之間，基于傳遞函數(shù)評價信號發(fā)生的輸出與傳聲器的輸出。

本研究利用傳遞函數(shù)法進(jìn)行法向入射條件下吸聲材料的吸聲系數(shù)測定，過程涉及駐波管使用、兩個傳聲器的位置和數(shù)字頻率分析系統(tǒng)，裝置如圖7和圖8所示。

圖7 瀝青混合料試件測定吸聲系數(shù)

圖8 加工試件測定吸聲系數(shù)

所有車轍板試件的吸聲系數(shù)曲線按照方案均分為5類。實際交通噪聲的頻率范圍一般都在500～1 500 Hz之間[17-18]，均處于駐波管的工作頻率范圍內(nèi)，因此本研究只截取300～1 700 Hz頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

不同類型的車轍板吸聲系數(shù)曲線差異較大。對比4 cm厚和10 cm厚PAC單層車轍板吸聲系數(shù)曲線如圖9所示。PAC試件的平均吸聲系數(shù)均隨空隙率的衰減而減小，在空隙率較小時，單層PAC試件的吸聲系數(shù)都較小，吸聲曲線發(fā)展較平緩；當(dāng)空隙率大于20%時，兩者的吸聲系數(shù)曲線形狀均表現(xiàn)為中間凸起的單峰型；其區(qū)別在于4 cm厚單層PAC試件吸聲系數(shù)峰值頻率在1 100 Hz附近，而10 cm厚單層PAC試件吸聲系數(shù)峰值頻率在800 Hz附近。兩種試件的吸聲峰對應(yīng)頻率正好處于交通噪聲的常見頻率范圍內(nèi)，故對緩解交通噪聲十分有益。另外，比較雙層或雙層聯(lián)鋪PAC車轍板吸聲系數(shù)數(shù)據(jù)與10 cm厚單層PAC試件數(shù)據(jù)相近，表明室內(nèi)試驗中雙層、雙層聯(lián)鋪及10 cm厚單層PAC鋪筑工藝對吸聲系數(shù)影響較小。

圖9 PAC試件車轍板吸聲系數(shù)曲線

3 空隙參數(shù)對排水瀝青路面吸聲系數(shù)的影響

3.1 數(shù)字圖像的獲取和處理

采用國內(nèi)工業(yè)CT掃描設(shè)備(詳見圖10)獲取圖像，使用VG Studio MAX 2.0對所有掃描試件切片圖像進(jìn)行了三維重構(gòu)，利用Matlab對CT掃描圖像進(jìn)行了一系列的圖像處理操作，實現(xiàn)了對空隙、集料顆粒(含砂漿)兩種材質(zhì)的分類。以典型試件S-II試件為例，其CT掃描圖像和三維重構(gòu)效果如圖11和圖12所示。

圖10 CT掃描儀

圖11 CT掃描試件切片圖像

圖12 瀝青混合料試件三維重構(gòu)模型

3.2 樣品空隙參數(shù)測定

綜合考慮瀝青混合料種類、吸聲系數(shù)水平等因素，選取11個樣品進(jìn)行CT掃描和圖像分析，厚度為4 cm 和10 cm的樣品各一半。采用VG Studio MAX 2.0對三維模型中的體素個數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，并利用圖像精度將體素個數(shù)換算為實際體積大小，從而分別得到空隙、瀝青砂漿和粗集料顆粒的總體積?？障镀骄鶇?shù)及其引申參數(shù)見表1。

表1 混合料樣品空隙參數(shù)

VG Studio所得空隙數(shù)據(jù)表明，PAC試件單位高度(mm)的空隙數(shù)量在250個左右，其中體積小于1 mm3的空隙數(shù)量較為龐大，占總數(shù)量的85%以上。通過CT掃描以及三維重構(gòu)計算得到的瀝青混合料計算空隙率比實測空隙率小，這主要是因為瀝青混合料中含有部分CT掃描不能識別出的細(xì)小空隙，從而使計算空隙率有較大的偏差。設(shè)計空隙率越小，計算空隙率與設(shè)計空隙率的差值越大。

3.3 吸聲系數(shù)預(yù)測模型

(1)相關(guān)性分析

通過構(gòu)造多維參數(shù)的相關(guān)系數(shù)矩陣，可評價各參數(shù)間的相關(guān)性。通過表2中數(shù)據(jù)可以考察各參數(shù)與吸聲系數(shù)平均值的相關(guān)性。對于n個試件的p個指標(biāo)有對應(yīng)參數(shù)xij(i=1,2,…,n；j=1,2,…,p)，構(gòu)成原始矩陣Xn×p，其相關(guān)性分析步驟如下：

①構(gòu)造原始變量xij的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，即使同一指標(biāo)下的原始參數(shù)減去其均值再除以其標(biāo)準(zhǔn)差，構(gòu)成新的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y。

以上步驟可通過Excel的數(shù)據(jù)分析模塊來實現(xiàn)，所得相關(guān)系數(shù)矩陣見表2。

表2 空隙參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣

從表2中數(shù)據(jù)可知，與吸聲系數(shù)相關(guān)性較高的參數(shù)(>0.5)依次為設(shè)計空隙率、計算空隙率、空隙總體積、空隙平均體積、空隙總表面積以及空隙平均表面積。這說明最影響排水路面吸聲性能的參數(shù)是宏觀的空隙率；從微觀角度來說，空隙的平均體積是微觀空隙參數(shù)中對吸聲性能影響最大的因子，而影響最小的是球度。本研究選定相關(guān)性最高的5個參數(shù)作為構(gòu)建吸聲系數(shù)預(yù)測模型的自變量，其中計算空隙率與設(shè)計空隙率相關(guān)度極高，且無本質(zhì)區(qū)別，故只考慮設(shè)計空隙率。

(2)吸聲系數(shù)模型建立

利用Excel自帶的多元回歸功能，建立排水瀝青路面瀝青混合料吸聲系數(shù)均值與所選定空隙參數(shù)的關(guān)系，所得回歸模型為：

α=-0.423+0.025 4u1-0.013u2+7.158×10-7u2u3-1.878×10-6u1u3+0.05u4，

(1)

式中，α為排水瀝青路面混合料吸聲系數(shù)；u1為空隙平均體積；u2為空隙平均表面積；u3為樣品空隙個數(shù)；u4為試件設(shè)計空隙率。

3.4 吸聲模型準(zhǔn)確性驗證

為進(jìn)一步驗證吸聲系數(shù)計算模型的準(zhǔn)確性，現(xiàn)將表1中10種排水瀝青路面試件中上述4個空隙參數(shù)代入模型得到吸聲系數(shù)的預(yù)測值，分析吸聲系數(shù)實測值與模型預(yù)測值之間的相關(guān)性，如圖13所示。

圖13 吸聲系數(shù)實測值與模型預(yù)測值的相關(guān)性

吸聲系數(shù)預(yù)測值與實測值對比可知，吸聲模型的預(yù)測吸聲系數(shù)與駐波管試驗的實測吸聲系數(shù)大小接近，兩者差值的絕對值小于0.035。經(jīng)計算兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)R2=0.929，結(jié)果表明預(yù)測值與實測值有較高的相關(guān)性，該吸聲系數(shù)預(yù)測模型可有效反映排水瀝青路面的吸聲特性并準(zhǔn)確預(yù)測其吸聲系數(shù)。同時吸聲模型是根據(jù)排水瀝青路面體積參數(shù)數(shù)據(jù)建立的，不適用于AC類密級配混合料。

4 結(jié)論

(1)采用改進(jìn)的室內(nèi)輪胎加速下落法，在3種距離條件下使用聲級計測定噪聲的A計權(quán)聲壓級和1/3倍頻程頻譜，結(jié)果表明排水瀝青路面的噪聲值較傳統(tǒng)路面降低2～5 dB(A)，降噪能力隨聲源距離的增加而衰減，隨空隙率增大而提高。3類10 cm厚排水瀝青路面試件的噪聲水平順序為：雙層<雙層聯(lián)鋪<10 cm 厚單層。

(2)采用駐波管雙傳遞函數(shù)法測定排水瀝青路面試件吸聲系數(shù)曲線，PAC試件的平均吸聲系數(shù)均隨空隙率的衰減而減小，單層排水瀝青路面的吸聲系數(shù)曲線呈現(xiàn)“單峰型”。4 cm厚單層排水瀝青路面試件的吸聲峰在1 100 Hz附近；10 cm厚單層排水瀝青路面試件的吸聲峰左移至800 Hz附近。兩種試件的吸聲峰對應(yīng)頻率處于交通噪聲的常見頻率范圍內(nèi)，對緩解交通噪聲有益。

(3)通過CT掃描和三維重構(gòu)軟件，得到PAC試件的空隙參數(shù)，建立吸聲系數(shù)預(yù)測模型，運用該模型計算所得的吸聲系數(shù)與駐波管法實測值具有較高的相關(guān)性，驗證了吸聲系數(shù)模型預(yù)測排水瀝青路面吸聲特性的準(zhǔn)確性。