沥青混合料吸声性能

王 辉， 董欣雨， 邓 乔， 石 磊

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114)

现代工业的发展使汽车数量与日俱增，噪声污染日益突出.铺筑低噪声路面是降低道路交通噪声的一种经济有效的工程措施.国内外研究和应用的低噪声路面形式多种多样，如多孔沥青路面、骨架密实型低噪声沥青路面等，它们均有优缺点和适应条件[1-4].汽车噪声主要来源于动力系统的噪声、轮胎与地面摩擦产生的噪声以及车身与风摩擦产生的噪声[5-7]，其声波在传播过程中遇到障碍物时发生不规则反射、折射和衍射等现象，会引起能量损耗[8]，这一损耗过程称为声波的吸收.材料吸收声波能力的大小可用吸声系数表示[9].吸声系数即材料吸收声能与入射声能的比值，它是表征沥青混合料吸声性能的一个重要指标，目前可用管测法和混响室法测量[10-12].

本文采用双传声器传递函数法测试沥青混合料级配类型、空隙率、试件厚度和噪声频率对其吸声系数的影响，比较各类沥青混合料的吸声性能，以探索其在各因素影响下的吸声规律.

1 试验

1.1 原材料

沥青采用70#A级基质沥青、SBS改性沥青和橡胶沥青.其中基质沥青和SBS改性沥青检验合格；橡胶沥青中的橡胶粉以内掺形式掺入，粒径选用250μm(60目)，掺量(以沥青质量百分比计)分别为15%，20%和25%，其主要技术指标见表1.设计了沥青混凝土混合料(AC-13)，玛蹄脂碎石沥青混合料(SMA-13)，开级配抗滑磨耗层沥青混合料(OGFC-13)和骨架密实型橡胶沥青混合料(SDARC-13)4种沥青混合料.各沥青混合料级配设计结果见表2，马歇尔试验结果见表3.

表1 橡胶沥青主要技术指标

表2 沥青混合料级配设计结果

表3 沥青混合料马歇尔试验结果

Note：VV—air void；VMA—void in mineral aggregate；VFA—void filled with asphalt.

为比较不同级配类型沥青混合料吸声系数的差异，在进行吸声系数测试之前，车辙板试件被切割成尺寸为80mm×80mm×20mm，80mm×80mm×40mm，80mm×80mm×60mm的棱柱体.

1.2 试验方法

图1 双传声器测量示意图Fig.1 Schematic diagram of dual microphone measurement

汽车行驶产生的路面噪声声波入射到路面时，部分被路面反射，部分会入射到材料内部.依靠路面材料空隙内气体分子间的黏滞阻力，声能转变为热能被耗散.目前混响室法用于测量无规则入射声波，理论上更接近于路面吸声的实际情况，但它要求的试件面积较大；管测法分为驻波管法和传递函数法[13]，它要求的试件面积小，容易制作，也能够准确测量声波法向入射时的吸声系数，另外其中的传递函数法能够一次测量多个频率的吸声系数，在测试效率上优于驻波管法[14].因此本文采用双传声器传递函数法来测试各类沥青混合料的吸声系数.双传声器传递函数法主要通过测量固定在声阻抗管中2个传声器处的声压值，计算2个传声器处的通道函数，得到声波法向入射时的吸声系数[15].双传声器传递函数测量系统主要由声阻抗管(声阻抗管由声源、声源筒和试件筒组成)、测量传声器、功率放大器和分析仪等组成，其测试原理图见图1.试验采用的声阻抗管由湖南大学机械与运载学院自主开发.声阻抗管的验证试验如图2所示.由图2(a)可见，当阻抗管的一端放置吸音棉时，声波基本被吸收，吸声系数接近于1；由图2(b)可见，当阻抗管的一端放置有机玻璃板时，大部分声波被反射，吸声系数接近于0.验证试验结果表明该仪器能满足吸声系数测试要求.

图2 声阻抗管验证试验Fig.2 Verification test of impedance tube

2 测试结果分析

因汽车行驶时噪声峰值频率一般在600～1200Hz，故将双传声器传递函数法测试频率控制在此范围之内.沥青混合料吸声系数在不同噪声频率下的变化曲线见图3.

图3 沥青混合料吸声系数在不同噪声频率下的变化曲线Fig.3 Variation curves of sound absorption coefficient with frequency of asphalt mixtures

2.1 沥青混合料类型的影响

由图3可见：OGFC-13沥青混合料吸声系数的峰值最大，6cm厚的OGFC-13沥青混合料吸声系数峰值高达0.83，是同厚度AC-13，SMA-13和SDARC-13(橡胶粉掺量25%)沥青混合料的2.0，1.8和1.3倍；随着试件厚度的减小，OGFC-13沥青混合料吸声系数峰值高出倍数相应增大，2cm厚的OGFC-13沥青混合料试件吸声系数峰值为0.74，是同厚度AC-13，SMA-13和SDARC-13(橡胶粉掺量25%)沥青混合料的3.5，3.1和1.9倍；相比密级配沥青混合料(AC-13，SMA-13和SDARC-13)，开级配沥青混合料(OGFC-13)表现出更优秀的吸声性能.主要因为后者内部分布着相互贯通的空隙，当声波入射到该材料表面时，会沿着贯通的空隙发生折射和衍射，对声波的能量有相当程度的损耗；而前3类均为密实型沥青混合料，连通的空隙率较小，声波的能量损耗较小.

2.2 沥青混合料厚度的影响

由图3还可见：当沥青混合料厚度由2cm增至4cm时，沥青混合料吸声系数峰值对应的频率向低频方向移动；当沥青混合料厚度由4cm增至6cm时，其吸声系数峰值对应的频率稍向高频方向移动，但仍小于厚度为2cm的沥青混合料吸声系数峰值所对应的频率，说明在一定范围内增加沥青混合料厚度有利于低频噪声的吸收；沥青混合料厚度为 2～6cm时，厚度越大，其吸声系数越大，这是由于沥青混合料厚度增加使得声波入射后经过的空隙通道长度随之增加，在空隙内发生折射和衍射次数增多，损耗了更多的能量，对声波的吸收能力增大；当沥青混合料厚度从4cm 增至6cm时，其吸声系数增大幅度明显减小，说明沥青混合料的吸声性能可能受到空气流阻的影响，并不会无限地随着沥青混合料厚度的增加而增强.

2.3 频率的影响

由图3可以发现：当沥青混合料厚度为2，4cm时，各类沥青混合料吸声系数出现了多个峰值，规律性较差，但总体呈现出先增大后减小的趋势；当试件厚度为6cm时，各类沥青混合料随频率呈现出较好的规律性，其吸声系数均先随着频率的增大而增大至峰值(均集中在800Hz附近)，然后随着频率的进一步增大而逐渐减小.

2.4 沥青混合料空隙率的影响

不同空隙率沥青混合料的吸声系数峰值变化如图4所示.

图4 不同空隙率沥青混合料的吸声系数峰值变化Fig.4 Peak value of sound absorption coefficient of asphalt mixtures with different air voids

由图4可见：OGFC-13沥青混合料的空隙率为20.60%，高出其他沥青混合料4.2～5.3倍，表现出最优的吸声性能；SDARC-13沥青混合料空隙率为4.50%～4.90%，虽远小于OGFC-13沥青混合料，但比AC-13和SMA-13沥青混合料空隙率稍大，其吸声系数峰值也相对较高，且随着橡胶粉掺量的增加而增大，这主要是由于橡胶粉在沥青混合料中能形成絮状的多空隙结构，并改善了沥青混合料的柔性性能，从而提高了其吸声性能；AC-13和SMA-13沥青混合料试件空隙率较小，其中后者吸声系数峰值比前者略高出0.03～0.05，两者平均吸声系数基本持平.

3 结论

(1)OGFC-13沥青混合料的吸声性能优于AC-13，SMA-13和SDARC-13橡胶沥青混合料，且厚度为2cm的OGFC-13沥青混合料吸声系数峰值高出其他3类沥青混合料1.9～3.5倍，说明开级配沥青混合料吸声性能优于密级配沥青混合料.

(2)空隙率是影响沥青混合料吸声性能的重要因素.随着空隙率的增大，沥青混合料的吸声性能也出现大幅度提升.

(3)橡胶粉的掺入对沥青混合料的吸声性能有一定的改善作用.随着橡胶粉掺量的增加，SDARC-13沥青混合料的吸声系数呈小幅升高，吸声性能有所提高.

(4)沥青混合料吸声性能的优劣与试件厚度有关，在一定厚度范围内，厚度越大，吸声性能越好，尤其是对低频噪声的吸收.超过某一厚度范围时再增加厚度对沥青混合料吸声性能的提高效果不再明显.沥青混合料吸声性能的优劣还与声波频率有关，只有在一定的频率范围内才会表现出较好的吸声性能.

致谢：感谢湖南大学机械与运载学院王刚教授及其科研团队为本文提供的相关试验设备和帮助.