沥青混凝土路面噪音产生机理与影响因素分析

戴 倩

(重庆市迎龙建筑工程有限公司)

1 路面噪音产生分析

车辆在道路上行驶时会产生噪声，由于车辆数量轴重等信息差异较大，因此交通噪音属于非稳态信息，车辆轮胎和车体耦合效应产生的噪音和轮胎直接辐射出来的噪音形成了路面和轮胎之间的噪声。路面噪声产生的机理十分复杂，主要从噪声的产生和增强两个方面进行分析。

1.1 噪音产生机理

(1)轮胎振动

车辆行驶过程中，轮胎挤压变形过程中和路面之间产生的粘滞力和切向力使得外胎滑移变形最终导致轮胎振动产生噪声。路面凹凸不平特征加剧振动效应，使得噪声效应更加强烈。

(2)空气泵效应

如图1 所示，车辆行驶过程中，车轮挤压时，车轮纹理空腔与路面接触挤压后形成具有一定压力的空气后喷出产生声音，当车轮起开时，轮胎恢复变形，随即形成一定的真空度，此时位于轮胎后方的空气被吸入产生噪音，形成空气泵效应。

图1 车轮和路面挤压时的空气泵效应示意图

(3)空气扰动噪声

空气扰动噪声是指汽车高速行驶状态下，汽车轮胎与路面之间产生空气涡流改变空气压力，进而产生扰动噪声。

(4)滑－粘效应

汽车行驶过程中，加速前进与减速刹车在所难免，当汽车加速过程中，当牵引力作用产生的切向力大于摩擦力时，轮胎和路面出现滑移，产生噪声。汽车减速或者紧急停车时，同样会产生滑移，进而形成尖锐的声音和振动。

1.2 噪音增强机理

(1)号筒效应

所谓号筒效应就是对噪音的放大作用，进而提高噪声的辐射效率。如图2 所示，汽车轮胎和底面形成半封闭类似喇叭筒的形式，车轮与路面的接触面就是声源，在声波的多次反射效应下产生放大效应。有研究表明，当声音频率大于300 Hz 时，号筒效应能够使噪音提高10 dB。

图2 轮胎与路面之间的号筒效应

(2)腔体共振

轮胎和路面的接触区域形成的腔体，在汽车行驶过程中，腔体产生的共振效应越强烈，噪音提高幅度越大，而腔体共振受到路面的构造深度以及平整度的影响。

2 混合料类型对噪音的影响

沥青混合料和路面之间产生噪音影响因素较多，根据《驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范》(GB J88－85)，采用驻波管法进行测试。不同的沥青混合料类型对其噪音吸收特性的影响不同。采用符合规范要求的原材料，按照规范级配设计AC－13 型和SMA－13 型沥青混合料进行试验分析。将设计好的沥青混合料制作直径为96 mm，厚度为4 cm 的试件进行吸声系数试验，试验结果见表1。

表1 不同混合料类型的噪音吸收特性

由表1 可知，SMA 型沥青混合料的噪音吸收频率远远低于AC 型沥青混合料，SMA 几乎在所有频率内的吸声系数较为均衡，而AC 性沥青混合料吸声系数较大的频段范围为1 250～2 000 Hz。SMA－13 型沥青混合料的吸声效率为321.8%·Hz，相当于AC－13 沥青混合料的2.43 倍。SMA－13 型沥青混合料的平均吸声系数为18.9%，而AC－13 型沥青混合料为9.8%，仅为SMA－13 沥青混合料的0.52 倍。此外，由于两种不同混合料的噪音吸收频率相差较大，当声音频率小于1 000 Hz 时，SMA－13 沥青混合料的吸声效率为137.8%·Hz，而AC－13 的吸声效率为0.0%·Hz，而且AC－13 型沥青混合料的吸声系数均小于10%。由于一部分声波通过不同类型材料的孔隙进入材料内部，另一部分在从表面反射出去，孔隙较大的混合料类型对声波的吸收效果较好，因此产生的噪声影响相对较小。

3 混合料孔隙率对噪音的影响

从第2 节不同类型混合料对噪音的影响已经可以看出混合料的孔隙对噪音会有较大影响，为了进一步研究孔隙率对噪音的影响特征，通过马歇尔试验，制备5 种不同孔隙率大小的试件进行试验。试验结果见表2。

表2 不同混合料孔隙率的噪音吸收特性

由表2 可知，随着混合料孔隙的增加，材料的吸声系数先增加后降低，呈现凸型曲线变化特征，吸声系数较大的入声频率范围在500～1 000 Hz 之间。当孔隙率在20%左右时，材料的吸声系数的增加率发生转折。当孔隙率从14.5%增加到24.6%时，平均吸声系数提高了8.4 个百分点。频率＜1 000 Hz 吸声效率则从139.4% ·Hz 增加到270.8%·Hz，提高了131.4%·Hz。对于总体吸收效率来讲，随着材料孔隙率的增加，其声音吸收效率逐渐增大，然后逐渐降低。由此可见，在一定范围内合理增加沥青混合料的孔隙率，将会有利于提高路面对声音的吸收特性，降低噪音的辐射和影响。

4 集料粒径对噪音的影响

由于集料粒径大小对轮胎和路面接触面的实际区域大小有直接影响，因此对集料粒径对噪音的影响进行研究十分必要。在于孔隙率为12.8%的SMA－13 和SMA－10 两种沥青混合料制作标准试件，并按照厚度为4 cm 进行铺筑，然后采用驻波管法测试吸声系数。试验结果见图3。

图3 不同集料粒径下的噪音吸收特性

从图3 可知，两种不同粒径的集料的最大吸声系数均大于50%，而粒径较小的材料最大吸声系数相对较高。两种材料的吸声系数随着入声频率变化均表现为凸形变形曲线，基本趋势是一致的，但是，当入声频率＜1 000 Hz 时，大粒径的材料吸声效率较高，而在入声频率为1 000～1 500 Hz 时，小粒径沥青混合料表现出吸声效果的优势凸显较为明显。由此可知，对于大孔隙沥青混凝土路面，当采用适当小粒径集料时的产生噪音较小，对环境影响较小。当入声频率大于1 500 Hz 时，两种材料的吸声系数均较低，并且规律一致。

5 材料厚度对噪音的影响

材料的铺筑厚度对噪音吸收效果同样会产生影响，根据相应设计级配，从4～8 cm 共设计5 个不同厚度等级的路面材料，并设置几种不同的入声频率对吸声系数进行测试。试验结果见表3。

表3 不同材料厚度的噪音吸收特性

从表3 可知，随着材料厚度的增加，吸声系数的最大值逐渐增加，平均吸声系数变化规律较为复杂，大致呈增加趋势，但是当厚度为5 cm 时的吸声系数较为特殊。入声频率＜1 000 Hz 的吸声效率从171.1%·Hz 增加到244.8%·Hz后，最后降低到191.3%·Hz。由此可知，从噪音角度看，低噪音路面适宜厚度为4 cm。

6 结 语

通过对沥青混凝土路面噪音产生机理和影响因素进行分析，得出:沥青路面的噪音产生机理较为复杂，影响因素多，其中在一定范围内，沥青混合料孔隙率越大，其产生噪音越小;小粒径集料适于孔隙较大的沥青混合料;低噪音路面的适宜厚度为4 cm。

［1］王旭东.低噪声沥青路面结构设计研究［J］.公路交通科技，2003，(1):33－37.

［2］李兆渊.轮胎噪声的产生机理及其控制［J］.陕西汽车，1997，(4):10－14 .

［3］孙国庆.降噪音环保型隧道铺装层TSEM 沥青混合料设计研究［D］.硕士学位论文，长安大学，2011.

［4］中华人民共和国国家标准.驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范(GB J88－85)［S］.同济大学，1985.