王永东 刘洋 赵海平 刘晓 蒋海涛
摘要：为解决公路隧道內噪声较大的难题，以关中环线将军岭隧道为例，通过理论分析和声学软件RAYNOISE构建了混凝土路面噪声分布模型，并分析了隧道内声压级分布状况。随后以膨胀珍珠岩作为吸声材料，在隧道尺寸和声源位置确定的前提下，模拟了不同噪声频率下吸声材料在不同铺设位置的降噪效果，将不同因素控制下的降噪效果进行对比，得到了利用膨胀珍珠岩来进行隧道降噪时较有利的布置位置。结果表明：吸声材料的降噪效果与噪音频率有关，膨胀珍珠岩对中高频率噪声的降噪效果较好，当噪音频率为500 Hz时膨胀珍珠岩的降噪效果最好，1 000 Hz次之，63 Hz最差;利用膨胀珍珠岩进行隧道降噪，工况1（全壁面铺设）效果最好，500 Hz时平均降噪值为6.78 dB，比工况3（拱顶及隧道壁垂直向上3 m拱腰部位铺设）高2.28 dB，比工况2（边墙3 m以下部位铺设）高4.3 dB。
关 键 词：
公路隧道; 局部降噪; 膨胀珍珠岩; 噪声频率; 几何声学; 数值模拟分析
中图法分类号：
U453.82
文献标志码：
A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.026
1 研究背景
隧道是半封闭性结构物，声波在隧道内会经过多次传播与反射，交通噪声在隧道内具有非常显著的汇聚作用，从而使得隧道内部的噪声衰减缓慢[1]，噪声强度也远高于隧道外部，特别是对于长大公路隧道来说，隧道内部噪声的影响范围更广、影响程度更大。隧道内的高分贝噪声环境不仅会给驾驶员带来紧张和焦虑情绪，影响驾驶员的注意力和反应速度，增加行车安全隐患，而且会对隧道养护工作人员的听力及正常交流产生影响。《声环境质量标准》[2]中要求高速公路两侧的噪声强度在昼间不大于70 dB，夜间不大于55 dB。因此，当长大公路隧道内的噪音强度高于该标准值时，就应该采取相应的降噪措施。
隧道噪音一直是影响隧道使用舒适度的重要因素之一，近年来国内外学者通过各种方式不断进行研究。Li等[3-4]基于虚源法与能法，考虑波的相干性及空气对声波的吸收作用提出预测长空间内声场衰减的模型;褚华峰[5]基于几何声学理论，运用RAYNOISE软件研究了不同车型、车速和列车行驶状态下隧道内外的声场分布;朱文等[6]通过对重庆真武山隧道、中梁山隧道、北碚隧道、西山坪隧道进行现场测量，研究了水泥路面与沥青路面噪声声压级与频谱特性的不同，并对隧道噪音进行了声波识别;Ma等[7]基于3条隧道的现场实测结果，认为当隧道内交通量为100辆/h时，隧道内平均噪声达到95 dB，隧道外噪声在70 dB左右;王卫东等[8]对比分析了隧道内铺设降噪材料前后的噪声情况，提出在隧道内设置吸声材料来降低隧道噪音;史小丽[9]研究了隧道内不同位置、不同数量的吸声材料对隧道降噪的影响，并给出了吸声材料的最佳布置方案和使用数量;张雪峰等[10-12]从声音的波动特性入手研究了点声源下隧道内的噪声场分布，后又基于声波干涉理论对隧道主动降噪声场进行了研究，给出了主动声源的最佳布置位置。
可以看出，针对隧道降噪问题，上述学者通过理论分析、现场实测及数值模拟等方法研究了隧道内噪音的分布特性，多数学者提出了在隧道内铺设吸声材料来降低隧道噪音强度的优化方案。现行隧道吸声材料多在建筑常用多孔吸声材料的基础上加以改进[13]，如聚氨酯复合吸声材料[14]、泡沫陶瓷[15]等，这些改进材料吸声能力强，吸声系数可达到0.7以上，但耐候性差、研制成本高，很难在隧道工程中得到大面积运用，故而价格低廉的膨胀珍珠岩材料得到了人们的青睐。膨胀珍珠岩水泥复合吸声材料[16]、吸声砂浆[17]等珍珠岩基复合材料不仅吸声能力强，而且相对环保、耐火性强，是隧道降噪的理想材料，但膨胀珍珠岩密度大，铺设时对施工要求较高。本文基于局部降噪理念，以膨胀珍珠岩降噪材料为例，从几何声学理论出发，研究在隧道内不同位置铺设吸声材料的降噪效果，从中选出最为有利的铺设位置，以期能为公路隧道降噪技术的发展提供一定的参考。
2 局部降噪理念
“局部降噪”这一理念的提出和运用首先出现在石油天然气工业噪声治理中，通过在噪声空间一定区域内设置吸声材料或特定的降噪结构来降低建筑物内的噪声，从而使建筑物内的声环境条件满足人们的日常需求。在隧道运营中，可以在车辆主要行驶路径和检修道上方检修区等位置铺设吸声材料来降低隧道噪声，从而使得隧道内的噪音强度满足规范要求，达到局部降噪的目的。
3.3 仿真分析及试验对比
在声压级监测断面1的右行车道中心设置一个点声源，声源形式设为声源1，研究小型车进入隧道时隧道内的噪音分布状况，如图5所示。当车辆进入隧道时，隧道横断面高压声场的分布具有明显的不同，随着车辆进入隧道，隧道内声场从出口到入口经历了发散、聚焦、左右分布、均匀分布的变化。入口处声场横截面呈现出明显的发散分布特征，噪声强度场存在明显的分层现象，噪声强度由声源向四周逐渐降低，而随着噪声继续传播，声音向隧道中心聚焦，高压声区由右行车道中心线逐渐靠近隧道中心，到隧道中部时，聚焦现象消失，高压声区向隧道右侧转移，出现左右分层现象，而当声音传播至隧道出口时，声场已基本分布均匀，不存在明显的高压声区。沿着隧道纵向，噪声衰减很快，入口处的高压声区噪声强度集中在85.66～87.35 dB，至监测断面3（距声源100 m）时，高压声区噪声强度已衰减至56.54～57.47 dB，此时的噪音强度对隧道内通行车辆及工作人员已基本不产生影响。从隧道入口至隧道出口（500 m），最大噪声强度由88.87 dB衰减到38.17 dB，噪声衰减率达到了57%，隧道出口的噪音强度远低于规范的要求。由此可见，对于单车通行的隧道，其内部噪音分布情况是可以接受的。
RAYNOISE中线声源的声压级功率是由该线声源上的n个点声源功率叠加而来，考虑到隧道行车的实际情况，取点声源数量为10，点声源间距为50 m，按2.2节设置声学边界条件和噪声源强，隧道模拟双车道按照小型车、中型车和大型车共设置6条相互独立的线声源，线声源持续作用下隧道内各监测断面的声压级分布情况基本一致，故以声压级监测断面1为例研究不同噪音频率下隧道内车辆持续通行时的噪音分布状况，如图6所示。从图中可以发现不同频率下“噪声优势车型”不同，63 Hz时声源等效中心位置最高，约1.8 m，此时大型车噪声占优，高声压区主要分布在距离地面1.0～2.0 m拱腰范围内，横截面平均噪声强度约78.65 dB;500 Hz时有2个声源中心，声源等效中心位置距离地面分别约0.3 m和0.8 m，此时中、小型车噪声占优，高声压区集中在0.2～1.6 m，横截面平均噪声强度约79.14 dB;1 000 Hz时声源等效中心位置最低，此时小型车噪声占优，高声压区主要分布在距离地面0.1～0.8 m拱腰范围内，横截面平均噪声强度约80.66 dB，可见隧道内噪声强度随噪声频率增加，高频率声波产生的噪音强度更大。隧道内声场沿路面中线对称分布，从同一行车道上3条线声源等效中心向四周发散，其中63 Hz时声源等效中心位置最高，高声压区分布扩散范围最广。低声压区主要集中于拱顶部位及隧道壁边界上，相邻频段低声压区噪声强度相差1.00 dB左右。相比于单车同行，线声源作用下的隧道噪音更高，分布差异性更大，其中以1 000 Hz为最，此频率下声压级最大值达到了89.13 dB，比最小值高17.54 dB，远远超过规范的要求，有必要采取必要的降噪措施。
为确保所建立计算模型的准确性，基于现场试验对模型进行了验证。现场实测选址在陕西107省道关中环线将军岭隧道，隧道全长999.56 m，车流量适中，适合进行隧道噪音现场测量。测量时间从07：00持续到20：00，07：00～09：00和18：00～20：00时间段内隧道内的交通量较小，车辆间距较大，其他车辆对单车噪声的干扰性很小，此时可以测试不同车型经过时各测点的等效声压级。整条隧道共设置4个测点，测点1位于隧道入口外50 m;测点2位于隧道入口内100 m;测点3位于隧道中间位置;测点4离隧道出口内100 m处，测点高度均为1.6 m，测量过程中各测点同步采集。通过对不同车型的实测交通噪声进行频谱分析，可以发现大型车的噪声强度随声音频率的降低大体呈上升趋势，频率越低，噪声强度越高，高强噪声主要集中在125 Hz以下的低频段，而中小型车的噪音强度随噪音频率增大先增后减，大体呈现中间高两边低的发展趋势，高强噪声主要集中在500～1 000 Hz频段。125 Hz以下的低频段内大型车的噪声声压级高于中小型车，其最高声压级达到88.5 dB，现场实测数据变化趋势与丁真真[20]的研究结果基本一致。实测过程中各车型以测点2声压级最高，如图7所示。
将小型车噪声源（声源1） 作用下声压级监测面2内不同噪声频率下各测点等效声压级仿真结果与实测结果对比，如图8所示。可以发现，实测噪声强度稍高于模拟结果，这是因为声压级测试具有随时间和空间变换的偶然性，在进行现场噪声强度测量时不能有效排除外界干扰噪声如车辆喇叭声（在数值建模时汽车正常匀速行驶，不考虑在行驶过程中暂停或鸣笛）等的影响，而仿真模拟则是处在一个相对理想的环境中。对比两者的发展趋势可以发现仿真结果与实测结果噪声分布情况基本保持一致，可以验证该仿真模型的实用性。
4 局部降噪工况设定及结果分析
研究表明，在膨胀珍珠岩厚度为5 cm时，噪声频率为63，125，250，500，1 000，2 000 Hz时对应的吸声系数分别为0.16，0.46，0.64，0.48，0.56，0.56[9]。根据隧道模型的特点，忽略吸声材料厚度的影响，只考虑材料布置位置对隧道降噪效果的影响。设定工况1为在隧道内壁全部铺设膨胀珍珠岩;工况2在隧道两边从路面开始沿边墙铺设高度为3.0 m的膨胀珍珠岩;工况3在隧道拱顶及拱腰位置（从地面起算垂直高度3.0 m以上部位）布置膨胀珍珠岩。隧道路面和隧道内壁面未布置膨胀珍珠岩的位置均设定为水泥混凝土材料，吸声系数按上文设定。
丁真真[20]、汪贇等[21]的研究表明：小型车噪声的峰值中心频率为1 000 Hz;中型车噪声的峰值中心频率为500 Hz;大型车噪声的峰值中心频率为63 Hz。当汽车行驶速度大于40 km/h时，小中型车产生的噪声能量主要集中在1 000～2 000 Hz;当车速在60 km/h以下时，大型车产生的噪音能量主要集中在250 Hz以下范围内。基于此，本文主要研究噪声频率为63，500，1 000 Hz时膨胀珍珠岩在隧道内不同布置位置的降噪效果。改变隧道内降噪材料的铺设位置，可得到工况1，2，3作用下隧道的噪声分布情况，与不采取降噪措施时的隧道噪音强度相比，不同工况下各声压级监测面的噪音强度均有不同程度的降低，取各监测面观测点声压级降低值的算数平均值作为该声压级监测面的声压级降低值，则平均噪声降低值变化情况如图9所示。
可以发现，噪音频率对吸声材料的降噪效果有较大的影响。对本文选取的膨胀珍珠岩来说，在噪音频率为500 Hz时降噪效果最好，1 000 Hz次之，63 Hz最差。在各种工况中，噪声频率为500 Hz和1 000 Hz时降噪效果比较接近，平均噪音降低值随距离的变化趋势也基本相同，都具有先升后降再升的趋势，这种现象在工况1条件下表现得尤为明显。工况1作用下膨胀珍珠岩的降噪效果最好，在该工况下，频率在500 Hz和1 000 Hz时噪音平均降低值随距离的变化趋势几乎完全一致，500 Hz频率下的平均噪音降低最高值为6.78 dB，比1 000 Hz高0.49 dB，比63 Hz高4.06 dB，这是由声波的波动特性和膨胀珍珠岩基材料的物理构造决定的。珍珠岩是多孔无机材料，材料内部存在大量相互连通的空隙与孔洞，传入气孔的声波一方面会裹挟空气运动与孔壁产生摩擦，在空气黏滞作用和热传递作用下，使声能转化为热能被消耗;另一方面，未被消耗的声波会在气孔内迂回的发生反射或散射，部分声能反射回声场所在空气中，其余的反射回材料内部，引起孔壁振动，声波与材料这样反复地交互作用，达成动态平衡时，部分声能就被材料所吸收。而高频噪声相比于低频噪声震动快，空气介质疏密变化次数频繁，微孔内空气的动能-热能转换快，声能消耗大，故而降噪效果好。因而对中小型车辆通行较多的隧道，采用膨胀珍珠岩基材料降噪是极为可行的。
在同一噪音频率的工况1，2，3中，工况1的降噪效果最好，工况3次之，工况2最差。工况1，2作用下，在噪音频率为500 Hz和1 000 Hz时平均噪音降低值随着距离隧道入口的距离均呈现出明显先升后降再升的趋势，噪音降低峰值出现在隧道中部左右，工况3的变化趋势则相对滞后，降噪峰值出现在距離隧道出口300 m位置处。隧道噪音降低的“中峰”现象是因为在车辆驶入隧道的过程中，传入隧道的噪声能量不断被隧道内壁铺设的吸声材料吸收，在隧道中间部位吸收量达到峰值，随着车辆行驶到中部，噪声能量积聚无法扩散，从而大部分能量会被吸声材料吸收，进而出现较大的降噪量，但一旦超过材料性能极限，降噪效果就会变差。
在3种噪声频率中，工况1降噪效果最大，在噪声频率为500 Hz时，工况1的噪音最大降低值为6.78 dB，工况3为4.50 dB，工况2为2.48 dB。工况3（隧道拱顶及地面3.0 m以上拱腰部位）降噪效果较工况2（从路面开始沿边墙铺设3.0 m）好，这可能和隧道建筑轮廓有关，由于隧道内反射声波不易消散并且隧道顶面的弧形结构对声波有汇聚效果，在隧道顶面铺设降噪材料有利于减少汇聚声波的声能量，从而减小隧道的噪声“聚焦”现象，反射声波的能量能够得到最大程度的消减。故而将吸声材料铺设在拱顶时能更有效地降低噪音。
5 结 论
（1） 吸声材料的降噪效果与噪音频率有关，膨胀珍珠岩对中高频率的噪音场降噪效果较好。当噪音频率为500 Hz时降噪效果最好，1 000 Hz次之，63 Hz最差。噪声频率集中在500～1 000 Hz时，采用膨胀珍珠岩的隧道降噪效果略有区别，相差不大。
（2） 在隧道内铺设吸声材料时，较为有利的布置位置是隧道拱顶及地面3.0 m以上拱腰位置（工况3）。
隧道内全部铺设吸声材料（工况1） 的降噪效果最好，但费用最高;隧道两边从路面开始沿隧道壁铺设高度为3.0 m的吸声材料（工况2） 降噪效果最差;隧道拱顶及地面3.0 m以上拱腰位置（工况3） 最为经济，降噪效果也相对较好。500 Hz频率下，工况1的降噪平均值为6.78 dB，工况3降噪平均值为4.50 dB，工况2的降噪平均值为2.48 dB。
（3） 本文在进行模拟计算时假定隧道内的同种类型的车辆具有相同的车速和频率，而实际上车辆在隧道内行驶时的速度与振动频率大不相同，多组不同频率与移动速度的混合声源作用下隧道内噪声场分布规律尚未研究。同时，本文是基于三心圆式隧道内进行隧道降噪研究，但隧道形状众多，除了三心圆，还有矩形、圆形以及圆形结合直墙、曲墙等，噪音在其他不同结构尺寸与隧道断面形状内的分布方式和噪音优化有待于进一步研究。
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（编辑：胡旭东）
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