江苏省高速公路声屏障插入损失调研分析

杨文婷，殷承启，陈远，张林

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，南京210000）

21世纪的前10年是江苏省高速公路的快速发展时期。截止2010年底，我省高速公路网通车总里程突破4 000 km，县域覆盖率达94%，居全国首位。根据新一轮《江苏省高速公路网规划》，到2015年将建成“五纵九横五联”的高速公路网，总通车里程达5 200 km，在推动综合交通运输体系的建设和促进区域经济的发展等方面发挥重要作用。

高速公路在营运期会对沿线两侧区域产生一定的噪声影响。江苏省作为东部沿海发达省份，随着近年来运输总量、城镇化率的提高和私人车辆急剧增加，交通噪声的污染与控制受到越来越多的关注，其中声屏障是降低交通噪声影响最直接有效的方法。自苏嘉杭高速公路在江苏省率先实施声屏障工程以来，各种型式结构的声屏障在省内高速公路建设中得到普遍推广。通过对已建高速公路噪声源及声屏障应用现状的调查研究，分析声屏障理论插入损失及降噪效果的主要影响因素，为声屏障的设计及提高其适用性提供理论依据。

1 现状调查

1.1 调查范围

结合对江苏省高速公路网的规划分析，选取我省具有代表性的6条交通干线上10处声屏障进行现状调查，结果如表1所示。本次调研的6条交通干线均为构成江苏省高速公路网的主骨架路线，覆盖了我省大部分主要城市；已建声屏障工程的型式、结构、基础、材料等在高速公路声屏障应用案例中具有一定的代表性。因此，可以较好地反映我省高速公路的噪声源特性及声屏障的声学性能。

1.2 噪声源频谱特性及等效频率

交通噪声的频率范围为100～2 500 Hz，其频谱特性取决于车辆车速、车型比等因素，而声屏障降噪效果与噪声源的频谱特性有直接关系。在一定误差范围内，可利用等效频率代替各1/3倍频程中心频率，计算声屏障插入损失。在以上各路段硬路肩分别设置噪声监测点，测定10 min等效连续A声级和1/3倍频程频谱，根据《声屏障声学设计和测量规范》(HJT90-2004)中计算方法[1]，得到各条高速公路交通噪声的等效频率，如表1所示。

1.3 声屏障降噪效果监测

采用A计权等效声级的插入损失来评价声屏障的降噪效果，通过测定声屏障安装前后同一参考点和受声点声压级，得到声屏障实际降噪量。本次调研的声屏障均已建成投入使用，故选取等效参考点和受声点的A计权等效声级替代声屏障安装前的监测数据。声屏障插入损失计算公式为

图1 监测布点示意图Fig.1 Layout of monitoring point

1.4 声屏障插入损失理论计算

声屏障理论插入损失主要取决于绕射声衰减量，并通过透射声、反射声、障碍物衰减、地面吸收声衰减、遮蔽角等物理量修正。计算公式为

表1 声屏障工程及高速公路交通状况调查Tab.1 The investigation of noise barriers and highway traffic

声屏障设计中，一般要求透射声能与绕射声衰减差值大于10 dB；本次监测选定的声屏障皆为公路单侧声屏障，路肩与受声点间无其它障碍物存在，故插入损失计算不考虑透射声、反射声修正和障碍物衰减。计算结果如表2所示。

2 监测结果分析

结果表明，声屏障理论插入损失与实际监测值存在一定偏差，部分声屏障实际降噪量较低，不能满足路线两侧敏感点的声环境质量要求，这说明声屏障在设计或施工过程中存在不足之处。结合相关声屏障工程实例和文献资料，认为导致声屏障理论、实际插入损失不一致的主要原因如下：

2.1 噪声源频谱特性的影响

交通噪声的频率特性是公路声屏障设计的重要参数之一。为简化声屏障理论插入损失的计算，通常选定500 Hz为噪声源等效频率[2]。该频率值由20世纪80年代末Harris C.M提出[3,4]，并一直在我国沿用至今。经过多年发展，汽车发动机、排气系统等主要发声部件不断更新换代，同时我国交通道路的设计车速、交通量也不断提高，这导致交通噪声频谱和等效频率也与以往发生较大变化。从对省内部分高速公路的噪声频谱分析来看，大部分交通噪声源等效频率在750 Hz～1 000 Hz范围内，与部分学者的研究结论一致[5]。声屏障插入损失计算模型不能准确反映声源的频谱特性，等效频率取值偏低，必然会导致插入损失预测值产生偏差。

将表1中等效频率数值替代500 Hz，带入绕射声衰减量计算公式，分析等效频率取值对插入损失的影响。结果如表3所示。

计算结果表明，采用500 Hz作为高速公路噪声源等效频率，导致理论插入损失偏小0.5～1.3 dB。研究还发现，连徐K7、宁靖盐K12路段，在50～5 000 Hz频谱范围内取任意频率值为等效频率，都会导致A计权声级插入损失的计算出现较大误差。对于这种性质的噪声频谱，等效频率的确定没有意义，应根据声源倍频带或1／3倍频带的中心频率计算插入损失。

2.2 车流量及车速的影响

噪声预测和声屏障绕射衰减量的计算，通常将车辆流声源视为无限长线声源。但在车流量较低的情况下，车辆不能连续通过声屏障设置路段。此时，噪声源为波动性较大的间断流声源或点声源。根据交通噪声预测的相关研究，在车流量达到1 000辆/h以上时，车辆流声源方可视为无限长线声源[6]。参照车流量统计数据，部分省内高速公路的声屏障设计不能完全套用现有规范，需对等效连续A声级计算模式进行修正。

假设在监测周期内，车辆连续依次通过声屏障路段。当车流量低于1 000辆/h，监测周期内只有部分时段为噪声源有效存在时间，其余时段内认为无交通噪声。依据环境影响评价技术导则―声环境（HJ 2.4-2009）公路噪声预测模式，预测声屏障安装前的受声点等效连续A声级，并参照有关文献中的修正模式[7]，分析车流量、车速对插入损失的影响。计算方法如下：

表2 声屏障理论及实际插入损失值Tab.2 Theoretical and actual insertion loss of noise barriers

表3 等效频率对理论插入损失的影响Tab.3 Influence of equivalent frequency to insertion loss1

式中L1为声屏障安装前受声点的噪声预测值；Lb为噪声背景值；ΔLd为表4中修正后理论插入损失；x为车流量与1 000辆/h的比值。计算结果如表四所示。

分析表明，在低车流量下将车辆流视为无限长线声源，将导致理论插入损失偏高0.5～3.2 dB。偏差量不仅与车流量有关，同时也受路肩高差、声屏障高度、敏感点到路肩距离等因素的影响。为探讨车流量对理论插入损失的单因素影响，以宁沪K204―K205路段声屏障为例，计算相同车型比、不同车流量下无限长声屏障的理论插入损失修正值。为便于分析讨论，不考虑地面吸声衰减等物理量的影响。

图2 不同车流量下的声屏障插入损失Fig.2 Insertion loss under different traffic flow

图2 为声屏障理论插入损失在低车流量情况下的修正图。从图可见，在车流量500～1 000辆/h区间，插入损失偏差值小于1.1 dB，考虑到遮蔽角的修正，偏差在可以接受范围内；在车流量200～500辆/h区间，插入损失急剧下降，偏差值在1.1～4.5 dB之间。我省部分在建高速公路的近期（2013～2016年）车流量预测结果显示，夜间绝对车流量在280～650辆/h范围内，对理论插入损失进行修正是有必要的。夜间车辆流不能视为无限长线声源，这可能也是导致某些交通项目的环境影响评价和声屏障设计工作中，敏感点夜间噪声预测值比监测值偏高的原因之一。

2.3 屏体结构型式的影响

声屏障的吸声、隔声材料及其厚度是决定其声学性能的重要指标。调研结果表明，声屏障工程的普遍结构型式为：顶端、底端为吸声屏体，以玻璃钢、膨胀珍珠岩、铝合金等为材料；中部为隔声屏体，一般以PC板为材料。部分声屏障PC隔声板设计厚度不足，存在一定程度的透声现象，以沿江K50路段为例，该段声屏障工程地面以上全部为8 mm厚PC隔声板，实际监测降噪量仅为4.1 dB。声屏障透射声降低量ΔLt及传声损失计算[8]如下

式中m为PC板面密度（Kg/m2），TL为传声损失。

根据声屏障设计规范要求，当TL-ΔLd＞10 dB时，ΔLt可忽略不计。按照该路段声屏障几何尺寸，计算得最大绕射声衰减量ΔLd=18.5 dB，PC板密度取1.2 kg/m3，则PC板设计厚度需大于11 mm时，方可不考虑透射声的影响。

调研过程中还发现，由于未能及时清洗和维护，部分声屏障屏体发生老化，金属构件锈蚀，不仅影响声屏障声学性能[9]，同时也存在着安全隐患（如宁沪K256声屏障）。个别声屏障施工出现较大质量瑕疵，基础梁、承台与吸声屏体间存在空隙（如沿江K 50声屏障）；珍珠膨胀岩层间水泥砂浆涂抹不均匀，也会导致屏体局部出现缝隙（沿江K 53―K 54声屏障）。根据缝隙对构件隔声影响的经验计算图表，5～20 mm缝隙会对声屏障造成1～3 dB隔声下降量[9]。

表4 车流量对插入损失的影响Tab.4 Influence of traffic to insertion loss

3 结语

通过对声屏障工程的现场调查和声学性能评价，探讨了声屏障降噪效果与理论计算值出现偏差的原因，定量分析了插入损失计算模型与实际情况的差别，为今后省内高速公路声屏障工程的设计提供以下参考借鉴：

（1）根据声屏障设置路段的交通噪声频谱特性，合理选取声源等效频率。依据交通噪声频谱无法取得有效的等效频率时，建议采用声源倍频带或1／3倍频带的中心频率计算插入损失。对于尚未通车路段，可根据高速公路设计车速、车型比和已建成路段类比预测其等效频率。普遍认为，小型车比例提高，车速增大，等效频率向高频方向移动；

（2）对于低车流量下的噪声源强和声屏障插入损失预测，需根据实际车流量和车速对等效连续A声级计算公式中的积分时间进行合理修正。低交通量情况下的噪声预测模型有待进一步探讨研究；

（3）保证屏体材料的质量，安装前对屏体进行防老化、防锈蚀处理。根据目标降噪量的要求，对隔声板等局部构件加厚。注重施工细节和日常维护，对于不同型式的声屏障，依据屏体的几何尺寸及其与声源、受声点的位置关系，准确计算绕射声程差，以得到更精确合理的绕射声衰减量。

[1]HJ/T90-2004，声屏障声学设计和测量规范[S].

[2]HJ 2.4-2009．环境影响评价技术导则―声环境[S].

[3]Harris C.M.,Handbook of noise control,2nd ed.,Me-Graw.HillBook Co.,N.Y.[m],1979,p.3-1-16.

[4]章力，郑长聚.声屏障对交通噪声的A计权声插入损失[J].同济大学学报，1989，(2)：265-271.

[5]邵钢，俞悟周.道路交通噪声等效频率的研究[J].声学技术，2009，(10)：201-202.

[6]郑耀斌，周兆驹.高车流量公路声屏障绕射衰减理论模型与计算[J].噪声振动与控制，2005，(4)：35-39.

[7]周兆驹，卢伟玲.低车流量下高速公路声屏障插入损失的分析计算[J].噪声与振动控制，2005，(4)：35-28.

[8]马大猷.噪声与振动控制手册[M].北京：北京机械工业出版社，2002.

[9]吴浩，谭昌明，张建.四川省高速公路声屏障工程回顾评价[C].四川省首届环境影响评价学术研讨会论文集.成都：四川省环境科学学会，2009.7-14.