高速公路高架段橋下反射聲識別及改善措施

許榮均，林太山，王瑜評，胡秀蘭，王聰貴，胡佩儀，楊熾宗，劉法親，吳阜龍

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高速公路高架段橋下反射聲識別及改善措施

許榮均1，林太山1，王瑜評1，胡秀蘭2，王聰貴2，胡佩儀2，楊熾宗3，劉法親3，吳阜龍3

(1. 臺灣海洋大學系統工程暨造船學系；2. 臺灣世曦工程顧問股份有限公司；3. 高速公路局北區工程處)

臺灣因為中山高速公路承載量逐年不足，擬通過興建汐五高架來解決交通擁堵問題。該工程雖然有效地解決了交通擁堵問題，但高架橋的橋腹反而變成了平面路段交通噪聲的反射面，使當地原有噪聲問題更加嚴重。文章通過聲源識別技術取得現場不同聲源的貢獻量，其中以反射聲為環境噪聲的主要增量來源。基于前述聲源識別結果，針對橋底反射聲設計了不同幾何形狀的橋底吸聲裝置(W型以及倒N型吸聲裝置)，兩種橋底吸聲裝置的聲學檢測結果顯示，W型以及倒N型吸聲裝置的斜入射吸聲性能較平面型吸聲板好。另外依據實測成果可知，進行大型工程的噪聲改善前，通過聲源識別技術區分出主要和次要噪聲源，并針對噪聲源提出最佳的改善方案，可大幅提升改善工程的效益。

反射面；聲源鑒別；反射聲；吸聲性能

0 引言

臺灣因為中山高速公路承載量逐漸不敷使用，于1991年開始興建汐五高架(見圖1)，并于1997年全線通車，本路段通車后效益明顯，已有效地解決了交通擁堵問題。但本路段因采用高架結構，且橋梁緊鄰中山高速公路平面路段，高架橋的橋腹反而變成了平面路段交通噪聲的反射面，平面路段的交通噪聲向民宅反射，造成民宅環境的噪聲增加，對居民產生困擾。

臺灣對于交通運輸的噪聲管制標準日趨完善，為使汐五高架鄰近住宅區的環境噪聲符合標準，本路段的主管機關擬定了噪聲改善計劃，期望通過聲學儀器的檢測，找出主要噪聲源，并設計改善措施，使有限的工程經費達到最大的改善效益。

圖1 中山高速公路以及拓寬路段路線數據

1 環境現況與噪聲源識別

本文調查地點的現場環境如圖2所示，建筑物旁為單行道道路，建筑物與高架橋距離約7.9 m，高架橋結構為預應力I型梁以及鋼箱型梁。本文作者在現場調查期間，發現此地聲場環境極為復雜，現場噪聲源可能有：直達聲、反射聲、繞射聲以及橋梁伸縮縫噪聲，這些噪聲的傳遞路徑示意如圖3所示。

圖2 項目所在路段環境現況

圖3 改善路段噪聲源以及聲音傳播路徑示意

為了了解中山高速各交通噪聲的傳播路徑，以及其對敏感建筑物不同樓層的影響，在本路段某戶民宅的1樓(高度低于路面聲屏障)、3樓(高度與路面聲屏障高度相近)、5樓(高于路面聲屏障高度)進行數組聲學攝影分析儀測量(見圖4)及噪聲源識別，期望通過識別結果獲知敏感建筑物的主要環境噪聲源，并對其提出改善措施，以降低對鄰近住戶的噪聲干擾。

通過數組聲學攝影分析儀獲取各噪聲源的噪聲級大小，相關結果如表1與圖5所示，由表1可知改善地點現場的主要噪聲源為橋底板的反射聲以及平面段的繞射聲。繞射聲的解決方案可通過加高聲屏障來解決，而來自橋底的反射聲則可通過橋底安裝吸聲板進行降噪，加高聲屏障在工程技術上并無難度，故下文將針對橋底吸聲板進行簡介。

圖4 聲學攝影分析儀

表1 計劃路段橋下交通噪聲源識別結果(單位：dB(A))

圖5 現場噪聲源識別照片

2 橋底反射聲改善措施設計

依據文獻[1]，橋下吸聲板面板外形有平面型及凸形面(W型、圓筒等)兩大類。中山高速公路噪聲經此兩類吸聲板的一次反射或二次反射后，聲波會朝向敏感建筑物(如圖6所示)。為降低橋下反射聲聲級及改變其傳播方向，本文建議吸聲板面板采用倒Ｎ型(如圖7所示)，入射聲與吸聲體斜邊平行，中山高架上的聲音多數能量經二次吸收，即使有殘余的能量也是傳向橋下，使反射至敏感建筑物的噪聲級最小化。

圖6 橋下W型吸聲板聲波反射路徑

圖7 橋下倒Ｎ型吸聲板聲波反射路徑

3 橋底吸聲裝置聲學性能測試

為了分析吸聲面板外形吸聲系數的變化，作為本計劃的設計參考，仍以日本常見的面板型、W型，以及本工作團隊設計的倒N型吸聲裝置進行吸聲板樣品反射系數調查測量，采用的測量方法為日本國土交通省推薦的吸聲材料測試方法，相關測試內容說明如下。

本方法主要通過揚聲器分別以四種不同的角度0°(垂直入射)、15°(p/12)、30°(p/6)、45°(p/4)斜向往測試體發出脈沖信號，并通過麥克風測量從硬質面和測試樣品反射回來的聲信號(反射聲)與從揚聲器發出的聲信號(直達聲)。最后從時域信號中分離直達聲和反射聲，并求出只從測試樣品來的反射聲與從硬質面來的反射聲的能量比，從而得到斜入射吸聲系數。

測試過程中，本方法在半徑為3 m的垂直方向的圓周上布點，進行不同角度的測試，其中入射角度在0°之外的角度測量時，聲源和麥克風法向對稱布置在圓周上，而在0°，聲源布置在離硬質地面3 m處，麥克風布置在離硬質地面2.5 m處，設置吸聲板在硬質地面時，聲源、麥克風的配置也以硬質地面為基準(如圖8所示)。

圖8 斜入射測試儀器配置[2-3]

圖9 斜入射信號處理方法

Fig.9 Oblique incident signal processing method

本文共試作了平板型、W型，以及倒N型三種吸聲面板，如圖10所示，吸聲材料相關結構形式及現場檢測情形如圖11所示。

圖10 吸聲裝置側視及剖面圖

平板型吸聲板

倒N型吸聲板

W型吸聲板

三種類型吸聲裝置的平均斜入射吸聲系數比較結果如圖12所示。測試數值與日本文獻相近，倒N型吸聲板在315 Hz以上頻段平均斜入射吸聲系數均達到0.9以上。三種吸聲裝置中以倒N型吸聲板的平均吸聲系數及低頻吸聲效果最好，其構造主要為改變聲波傳遞路徑，目的使敏感接收點所接收到的反射能量較小。因此參照平均斜入射吸聲系數的檢測結果，以及計劃路段中山高速聲波傳遞路徑，與兩側敏感受體所在區位關系，針對超標路段增設的橋下吸聲板，建議采用倒N型吸聲板。

圖12 不同外形之橋下吸聲板平均斜入射吸聲系數比較

4 降噪措施之效果預估

依據前述的噪聲源識別結果，改善地點現場的主要噪聲源為橋底板的反射聲以及平面段交通噪聲的繞射聲。繞射聲可通過加高聲屏障的方式來解決，而來自橋底的反射聲則可通過橋底吸聲板進行降噪，本文利用聲場模擬軟件Cadna A評估降噪方案，其結果如圖13所示，其中紅色代表聲壓級大于73 dB(A)，藍色代表聲壓級介于73～70 dB(A)，綠色代表聲壓級小于70 dB(A)。本評估方案采用的降噪措施為橋下吸聲板加上聲屏障(直立5 m，弧形1.5 m)。經統計(如表2所示)，本路段在改善前，81%的監測點交通噪聲超過陸上運輸系統噪聲管制標準值73 dB(A)(夜間)，11%的監測點聲壓級介于70～73 dB(A)之間，聲壓級小于70 dB(A)占全部監測點的8%；在采用改善措施后，所有測點均不超出73 dB(A)(夜間)，43%的監測點聲壓級介于70～73 dB(A)，其余測點聲壓級均小于70 dB(A)，這說明改造后本路段所有監測點的交通噪聲均已符合陸上運輸系統噪聲的管制標準[1-4]；另外，經統計顯示：本路段降噪效果小于3 dB的監測點占9%，降噪效果介于3～5 dB的監測點占13%，降噪效果大于5 dB的監測點占78%，這表明本改善路段在采用橋下吸聲板+聲屏障(直立5 m，弧形1.5 m)后，降噪效果顯著。

圖13 改善路段與預估結果

表2 噪音改善結果百分比預估

備注：表格中數值代表介于該音量間的檢測點之百分比。

5 結論

本文通過聲學攝影機對噪聲改善地點進行聲源識別，識別結果顯示該處的噪聲源主要為橋腹反射聲。依據此結果，本文以改變聲音傳遞路徑的方式設計出W型以及倒N型吸聲板，并利用日本國土交通省推薦的吸聲材料測試方法，針對新設計的吸聲板進行測試。實測效果顯示，兩種吸聲板的吸聲系數均比平面型吸聲板高，其中又以倒N型吸聲板的效果最好。因此未來該計劃路段的高架橋梁裝配此吸聲板后，可大幅降低該處的橋底反射聲。

[1] 臺灣高速公路局北區工程處. 高架橋梁下噪音改善設施規畫設計服務工作期末報告[R]. 2016.

[2] 福原博篤. 道路交通騒音. 鐵道騒音の低減手法－斜入射吸音率で評価する吸音材とその施工法[C]//振動道路與軌噪音改善工程規劃設計最新技術研習會, 2009.

[3] 田中俊光, 杉本理恵, 木下伸一, 等. 騒音低減効果の大きな高架道路里面吸聲板の開発[J]. 神戸制鋼技報, 1999, 49(2): 69-73.Toshimitsu Tanaka, Rie Sugimoto, Shinichi Kinoshita, et al. Development of highly effective sound absorbing panel for the underside of elevated roads[J]. 神戸制鋼技報, 1999, 49(2): 69-73.

[4] 環境保護署. 陸上運輸系統噪音管制標準[S]. 2013.Environmental Protection Administration. Noise control standard for ground transportation systems[S]. 2013.

Identification and improvement of reflected sound field under the elevated sections of a freeway

XU Rong-jun1, LIN Tai-shan1, WANG Yu-ping1, HU Xiu-lan2, WANG Cong-gui2,HU Pei-yi2, YANG Chi-zong3, LIU Fa-qin3, WU Fu-long3

(1. Department of Naval Architecture, Taiwan Ocean University; 2. CECI Engineering Consultants, Inc.;3. Nothern Region Engineering Office, TANFB)

In order to enhance the carrying capacity of Zhongshan freeway, Taiwan had construct elevated freeway sections from Xizhi to Wugu. Although the project effectively solved the traffic congestions, the bottom portion of the bridges became noise reflecting surfaces and resulted in a much more severe noise problem. In this paper, the sound source identification technology using acoustic camera has been used, and the contribution of different sources of sound has been identified. The result indicates that the reflecting portion of noise is the primary source of the traffic noise. Based on this result, this paper designed two sound-absorbing devices with different geometry (W and N type) for bridge bottom surface, and from the test results, it was confirmed that the absorption coefficients for oblique incidence of these two types of devices are better than the plane surface type. In addition, it is suggested that the sound source identification technique be used to locate primary noise sources before large-scale noise abatement projects initiates, and thus optimal noise reduction methods can be proposed, and therefore greatly enhance the benefit of noise abatement projects.

reflection surface; sound source identification; reflecting sound; absorbing performance

TB551

A

1000-3630(2017)-03-0276-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.014

2017-02-14;

2017-04-18

許榮均(1958－), 男, 臺灣臺中人, 美國麻省理工學院博士, 教授, 研究方向為結構振動分析與量測、聲場預測與量測、吸隔聲裝置之設計與開發等。

許榮均, E-mail: rjs@mail.ntou.edu.tw