OGFC沥青路面噪音规律分析及降噪性能研究
OGFC沥青路面噪音规律分析及降噪性能研究
开级配沥青磨耗层(OGFC)是一种具有互相连通孔隙的开级配沥青混合料，其孔隙率达到15%以上，它具有优良的降噪，排水，抗滑等功能，常被业界人士称为低噪音路面。本文对OGFC路面的噪音规律进行分析，并对其降噪性能进行研究。
1低噪音路面的降噪机理分析 1.1多孔吸声材料的吸声原理 多孔吸声材料内部有很多空隙，空隙间彼此连通，且通过表面与外界相通，当声波传到材料表面时，一部分在材料表面反射，另一部分则通过材料继续向前传播，在传播过程中，声波引起空隙中的空气运动，并与空隙内壁发生摩擦，由于粘滞性和热传导效应，声能则转换成热能消耗掉，因此多孔吸声材料是通过其内部连通空隙吸收了声能。由此可见，只要材料的表面对外界开孔，且空隙连通，深入材料内部，才能有效吸收声能。 声学上可以降低噪声路面看成是具有刚性骨架的多孔材料。其吸声机理可以亥姆霍兹共振器来表征（图1），在容积为V的空腔内壁开有直径为d的小孔，孔颈长为t。当声波传到共振器时，小孔孔颈中的气体在声波的压力下，像活塞一样的往返运动，运动的气体具有一定的质量，它抗拒由于声波的作用而引起的运动速度的变化。同时，声波进入小孔时，由于孔径壁的摩擦和阻尼，使一部分声能转化成热能消耗掉。 当外来声波频率与共振器固有频率相同时，就发生共振，共振振幅最大，空气柱往返于孔径中的速度也最大，摩擦损耗也最大，吸收的声能也最多。低噪声沥青混凝土路面可以看做是多孔共振吸声结构，并为单孔共振吸声结构的并联结构。 不同大小的空隙可以组成不同的亥姆霍兹共振吸声器，多个亥姆霍兹共振吸声器并联，就可以吸收不同频率的声波。低噪声沥青混凝土路面对频率为250～1000Hz的中频声（交通噪音的主要声频范围）具有最大的吸声系数。研究结果表明，按照亥姆霍兹共振吸声器计算的结果，与实际测定结果基本吻合，说明低噪声沥青混凝土路面的吸声性能是其降低交通噪音的主要机理之一。 2影响低噪音路面降噪的因素 2.1理论分析 从声学角度来说，判断一种材料降噪效果的好坏主要由该种材料的结构特性以及由该种材料所产生的吸声效果的角度分析。根据圆柱细管和单条窄缝中声传播特性的理论，分析提出了由孔隙率Ω、流阻率λ、扭曲因子q2和孔型因子s，四个结构参量来计算吸声材料波阻抗Zc和传播常数Kb的公式，即： Zc=R+ Kb2= q2（ω/C0）2[1-2λp）-1 T（λp）]-1×[1+2（γ-1）（Np1/2λp）-1 T（λp）-1] T（z）=J1（z）/J0（z） Np=Cpη/K 式中：J0（z）、J1（z）——分别是零阶和一价柱贝塞尔函数； Np----Prandtl数； Cp----空气的定压比热； η----空气的粘滞系数； K----空气的热传导率； γ----材料的相对密度； 其他符号意思同前。 利用声阻抗率Zc可以求出材料的吸声系数，当声波垂直入射到材料表面上时，相应的吸声系数称为垂直入射吸声系数αp。于是有： Zc=（r+jx）ρ0C0 式中：r---孔的半径； x---声传播的路径长度。 国内外试验与研究表明，吸声系数与沥青混合料的以下性能有关： 2.2沥青混合料的空隙率对吸声系数的影响 沥青混合料的空隙率包括连通孔隙、半封闭孔隙以及全封闭孔隙（图2）所示。前两个孔隙对降噪起作用，故也称为有效孔隙，以下文章中所指的孔隙均指有效孔隙，用VC表示。 2.3路面厚度对吸声系数的影响 研究表明：刚性背衬吸声材料的垂直入射吸声系数随着厚度的增大而增加，当厚度增加到4cm左右的时候，材料的声学特性基本上趋于稳定，孔隙率占其主导性的作用。 将同一级配沥青混合料制成厚度不同的试件，测其吸声系数 。实验结果表明随着试样厚度的增加，吸声系数峰值所对应的频率逐渐向低频移动。汽车行驶时轮胎与路面相互作用产生的噪音，其峰值频率，小客车约为800～1200Hz,载货汽车约为600～800Hz。所以从降低高速公路或城市快干道上的交通噪声角度考虑，低噪声沥青路面的厚度选取4cm左右为宜。 国外试验研究低噪声沥青路面面层厚度不等，主要取决于使用的目的。从降低噪声和行车安全出发，欧洲通常采用的面层厚度为4～5cm。 2.4沥青混合料的集料粒径对吸声系数的影响 通常认为，材料空隙的形状和构造，如孔径大小，孔壁的粗糙程度会对材料的吸声性能产生影响。一般来讲，孔径较细的材料吸声性能较好，沥青混合料的空隙构造与碎石颗粒粒径有关。颗粒粒径大，空隙的孔径大，相反，孔径就小，易生成表面与内部，内部与内部相互联通的空隙；如细集料较多，会堵塞空隙，吸声性能会降低。 3OGFC与AC、SMA降噪效果的对比 3.1 低噪声沥青混凝土路面与传统密级配沥青混凝土降低噪音示意图见图3与图4： 3.2 三种不同路面结构吸声性能对比 为了评价OGFC 、 AC 、SMA三种不同结构的路面材料吸声性能，选取三种路面材料的组成以及物理参数见表2： 不同路面结构在不同频率下的吸声系数见表3： 试验结果表明，三种路面结构的吸声性能依次为：低噪声沥青混凝土路面OGFC优于沥青马蹄脂路面SMA,沥青马蹄脂路面SMA优于普通AC路面。 4沥青路面降噪音的主要措施 噪声污染是一种物理性的污染，它的特点是局部性和没有后遗症。噪声在环境中只是造成空气物理性质的暂时变化，噪声源的声输出停止以后，污染立即消失，不留下任何残余物质。噪声的防治主要是控制声源的输出和声的传播途径，以及对接受者进行保护。显然，如条件允许，首先在声源处降低噪声是最根本的措施。国际上常用的降噪措施有以下几个： 4.1改善路面结构来降低交通噪音，主要用低噪声沥青混合料路面； 4.2建造声屏障； 4.3种植绿化林带，噪音从绿化林带中间穿过时，声音反射到各处的茎、花、叶上被部分植物和其他障碍物吸收，然后转变成其他能量形式，通过这一过程使声音扩散而削弱。 5结论 5.1分析低噪声沥青混凝土试样吸声系数与孔隙率以及频率的相互关系，得出如下结论： 5.1.1噪声沥青混凝土试样的吸声系数与材料的孔隙率以及频率相关； 5.1.3孔隙率的增大，低噪声沥青混凝土试样的吸声系数的峰值增大，且峰值对应的吸声频率向高频扩展； 5.1.4不同孔隙低噪声沥青混凝土试样的吸声系数低频差别不是很大，差异主要体现在中高频段； 5.2试验结果表明，三种路面结构的吸声性能依次为：低噪声沥青混凝土路面OGFC优于沥青马蹄脂路面SMA,沥青马蹄脂路面SMA优于普通AC路面。