低噪音性能

第二节　低噪音性能

国外对沥青路面降噪问题进行了广泛深入的研究，在欧洲(比利时，法国，德国，奥地利，荷兰)，加拿大，亚利桑那州和加利福尼亚州(橙县和洛杉矶县)都有记载。交通噪音降低很明显，可以达到40～88%；美国联邦公路局（FHWA）研究认为，路面行车噪音每降低3db相当于距离增加一倍，或交通量减少50%，或者减少行车速度25%。早在20世纪80年代初，比利时科学家就发现橡胶沥青混凝土路面具有良好的降噪效果，是一种典型的“安静路面”。如今美国的亚利桑那州、加利福尼亚州、德克萨斯州等均使用橡胶沥青来增加沥青混凝土的弹性，包括橡胶沥青开级配与断级配，从而降低行车噪声。

我国于2003年，在广东中山105国道上第一次进行了橡胶沥青混凝土与SBS改性沥青混凝土行车噪声的对比测试，结果发现：橡胶沥青混凝土的行车噪声明显小于SBS改性沥青混凝土，且随着车速的增加，这种差异越来越明显。

一、道路交通中的噪声

随着车流量增加，车速提高，道路交通噪声问题日趋严重，已成为公路沿线主要污染源之一。交通噪声作为噪声污染源的一种，与大气污染、水污染一样，已经逐渐成为一种危害人类环境的公害。英国伦敦在一次噪声调查报告中指出，36%的伦敦市民受到不同程度的交通噪声干扰。其中飞机、铁路、工业和建筑设施施工噪声干扰分别为9%、5%和7%，而交通噪声占91%。同样，北京的一项调查也显示，有关交通噪声污染的投诉占噪声投诉总量的55%以上。根据《中国环境状况公报》的数据，城市道路交通噪声污染2000年与1999年相比呈明显的上升趋势。下表为我国200多个重点城市的交通噪声水平。

表9-1　我国重点城市交通噪声水平

总体看，全国重点城市道路交通噪声基本处于轻度污染状态，污染较严重的主要集中在一些大中城市，而且污染状况呈现逐年上升的趋势。

二、路面噪声产生的原因

交通噪声，主要可以分为两类

（1）由车辆的动力装置及其相关部件引起的，比如汽车的发动机，变速箱和排气管等等都会产生不同程度的噪声，我们统称为引擎噪声；

（2）由于汽车在行驶时（一般认为在速度大于50km/h的情况下）由于轮胎和路面之间的相互作用所产生的，称为路面噪声。

路面噪声产生的原因主要有以下两种：

（1）气压噪声

当轮胎在路面上滚动时，与路面接触的轮胎部位被压缩变形，轮胎花纹内气也随之被积压，被迫排出形成局部不稳定气流。同时当轮胎通过路面上的连通小孔时，孔隙内会形成压强较大的气团。然后，当轮胎离开接触面时，压缩的轮胎花纹舒展并使空腔容积突然增大而形成一定的真空度，大气中的气被吸入。这种“空气泵吸”的作用，导致了汽车行驶过程中产生出一种喷射声，即由于气流从管口以高速喷射，造成周围气体的剧烈振动产生的噪声，们称之为轮胎与路面间的气压噪声（如图9-1）。

（2）振动噪声

振动噪声是汽车轮胎在凹凸路面上滚动时，由于道路和轮胎之间的撞击引起轮胎振动所激发的噪声。一方面，由于轮胎和路面的相互接触时摩擦力的作用，导致轮胎表面花纹产生的压缩形变，在离开路面时轮胎花纹产生的恢复压缩形变，这个犹如音叉振动的过程导致了摩擦噪声。另一方，由于轮胎不是理想的圆形，路面也不完全光滑，因而在轮胎滚动过程中有一个小的力波动叠加在载荷和摩擦力上，并使胎体振动变形也会产生一定的噪声。噪声的衰减包括传播中扩散的衰减，空气吸声，以及材料对噪声的衰减。论文主要分析材料对噪声的衰减。当声波沿地面传播较长距离时，地面的声阻抗对传播将有很大的影响。如玻璃棉、毛毡、泡沫塑料、橡胶等都是多孔材料，多孔材料具有吸声特性。当声波通过这些多孔性吸声材料时，由于材料本身的内摩擦和材料小孔中的空气与孔壁间的摩擦，使声波能量受到很大的吸收和衰减。这正是在橡胶粉改性沥青能起到降噪作用的基本原理^[35]。

图9-1　气压噪声

图9-2　80目胶粉的电子显微照片

三、降噪原理分析

1孔隙吸声降噪

图9-2为拍摄的橡胶粉颗粒与沥青结合后的电子显微照片，可观察到橡胶粉形态表征。

橡胶颗粒与沥青混合料发生复杂的物化反应，形成大量相互贯穿的网络结构，小颗粒聚集。但由于橡胶的弹性，聚集体结构松散。从电子显微照片中可以观察到，加入橡胶颗粒后的沥青混合料呈现明显的多孔结构。因此，橡胶沥青路面是具有孔隙吸声性能的低噪声路面。多孔材料表面具有许多相互贯通的小孔，当声波到达材料表面的孔穴时，会产生粘滞损耗，引起孔穴中的空气和孔壁的细小纤维波动与固体筋络发生摩擦。由于摩擦和粘滞阻尼作用，将声能转变为热能而耗散掉。声能就这样反复传播耗散直到平衡，于是材料就“吸收”了部分声能，如图9-3。

图9-3　空腔摩擦噪声损耗示意图

其吸声系数 P与路面连通空隙率V有关，它们之间成如下关系式：

σP=0.042V-0.053（9-1）

由于橡胶沥青结构的多孔性，当声波入射到路面上会产生空腔共振作用吸收声能。因此，这也可以用亥姆赫兹共振模型来解释多孔吸声的原理，如图9-4。

图9-4　亥姆赫兹共振模型

图9-5　橡胶应力压力曲线

2阻尼减振降噪

随着橡胶粉的加入，改性沥青的弹性明显增加。橡胶粉沥青混合料的弹性大于一般沥青混合料（包括SBS混合料）。根据测试，普通沥青混合料的压缩模量为1200～1600MPa，而橡胶路面的压缩模量为1000～1200MPa，从而增强了路面的阻尼减振功能，达到降低交通噪声的目的。

橡胶沥青材料是高弹性材料的胶联体，当受到声波作用时，分子链段产生运动，造成粘性内摩擦和滞后效应。部分声能转化为热能而损耗。实现对声音的吸收。如图9-5为橡胶应力压力曲线，图中的面积正是橡胶阻尼性能消耗掉的声能。

四、降噪性能测试与评价

图9-6　多功能震动噪声分析系统

为比较橡胶粉改性沥青路面、普通沥青路面以及SBS改性沥青路面的降噪效果，采用精密声级计和GPS定位系统，利用丹麦B＆K3560C多功能震动噪声分析系统（±0.1db），在长春——四平高速公路179公里处进行了车载法噪声测试。多功能震动噪声分析系统见图9-6，测试结果见图9-7、图9-8。

从图9-7可以看出，随车速增加橡胶沥青路面的降噪效果越来越明，平均降低噪声1.8分贝，最大降噪量为2.5分贝。从图9-8可以看出，随车速增加降噪效果不如峰值图表明显，但仍有明显的降噪量，平均降噪1.5分贝，最大降噪量为2分贝。

图9-7　车载法噪声峰值比较图

图9-8　车载法噪声总量比较图

另外，采用路边噪声测定法，在孔兴路开级配废旧胎粉沥青路面上进行噪声测定，通过路边噪声水平的大小来间接评价路面噪声的大小。

噪声测定时采用了标准车辆，测定不同的测试速度下的噪声水平，本次测定选择了密级配废旧胎粉沥青混合料路面与开级配排水废旧胎粉沥青混合料路面进行对比，测定结果如表9-2。

表9-2　噪声测试结果

从噪声水平的测定数据可以看到，不同的测试速度下，噪声水平有着明显的差异，80km/h与60km/h有着大约2～3dB(A)的差别，分析认为有两个方面原因，一是速度不同，发动机的声音也将有所不同，另外是速度不同，空气气流压缩和释放的情况也不同。

在相同速度下不同的沥青路面也表现出不同的噪声水平，从表9-2的结果来看，开级配废旧胎粉沥青混合料路面比密级配沥青混合料路面有着很大的降低，不同的速降低的程度也有所不同，60km/h时比80km/h降低的较多，但相差并不大，因此，开级配废旧胎粉沥青混合料路面相对于密级配橡胶有较低的噪声水平，开级配废旧胎粉沥青混合料路面可以降低噪声水平约4(dB(A))，降噪效果明显^[36]。

从上面理论分析和试验数据可以看出，橡胶沥青路面的降噪效果是非常显著的。当车速达到120km/h时，平均降噪音2分贝。随着人民生活水平的提高，对交通环境必将提出更高的要求，低噪声路面将是今后道路交通发展的重点，特别是在城市主干道及风景旅游地区，低噪声路面将有广泛应用，带来显著的环境效益和社会效益。