公路聚合物基陶粒材料降噪性能分析

楊艷榮

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

我國交通基礎設施建設在近年來取得了突飛猛進的發展，在有效帶動地區社會經濟發展的同時，也帶給公路沿線地區不同程度的環境問題，其中以交通噪聲污染問題最為突出。世界衛生組織和歐盟合作研究中心于2011年4月公開了一份關于噪聲對健康影響的全面報告《噪音污染導致的疾病負擔》顯示：噪聲危害已成為繼空氣污染之后的人類公共健康的第二個殺手。

針對噪聲預防主要有3種途徑，分別為噪聲源控制，傳聲途徑控制，在敏感建筑物或保護目標本身處設置隔聲窗等。目前最為有效的措施為：設置聲屏障，降低公路噪聲對敏感建筑物影響。

聲屏障材料經過幾十年的發展，已由隔聲逐漸向吸-隔復合式轉變。目前主要的吸聲材料有無機纖維、有機纖維、泡沫材料、廢舊料等[1-2]，在其應用中，以上各吸聲材料逐漸顯現出其一定的不足：無機纖維強度低、較脆，易斷、易造成二次污染、受潮后吸聲性能下降；有機纖維防火、防腐、防潮等性能差；泡沫材料工藝難度高、成本高；廢舊料自重大、低頻段吸聲性能差。陶粒以工業廢渣為主要原料制成，具有造價低廉、質輕、耐腐蝕、耐火等特點，內部為細蜂窩狀微孔結構，可以作為吸聲材料進行嘗試。目前已有學者對水泥基多孔陶粒材料的降噪性能進行了分析[3-4]。針對以上問題，本文開展以聚合物基多孔陶粒降噪性能的研究。

1 試驗方案

1.1 原材料

本試驗選用兩種不同粒徑的陶粒，以聚合物為膠黏劑，按照一定比例制成一種多孔材料，并對其進行切割，將其內部空隙有效暴露。主要選材為：陶粒與聚合物，具體要求見表1。

表1 原材料

1.2 試件圖片及試樣制備過程

圖1 6號聲屏障試件（切割后）

圖2 7號聲屏障試件（切割后）

圖1、圖2為6號、7號切割后試樣的斷面示意圖。

試件的制備過程為：

a）分別將6號、7號試樣所對應的陶粒進行表面清灰。

b）將環氧樹脂與固化劑按表1所示比例稱取，于室溫下靜置1 h，高速剪切攪拌均勻，熟化靜置0.5 h。

c）將攪拌均勻后的聚合物與陶粒混合均勻，使聚合物均勻包裹于陶粒顆粒表面，裝入試模中。

d）室溫（20℃～23℃）養護7 d，即可進行測試。

1.3 試驗設備

a）降噪性能測試設備 阻抗管材料測試系統（北京聲望聲電技術有限公司）。

b）測試方法 《聲學阻抗管中吸聲系數和聲阻抗的測量 第2部分 傳遞函數法》（GB/T 18696.2—2002）。

c）測試頻率 63～1600 Hz。需要指出的是，由于6號、7號試件粒級較大，不適宜用于測試高頻范圍的聲波頻率，高頻波段測試要求試樣的直徑為29.5 mm，測試誤差較大。

1.4 實施方案

具體方案為：a）根據表1進行6號、7號試樣的制備，測試其降噪性能；b）對6號、7號試驗進行切割，對切割后的試驗上部、下部分析進行降噪性能測試；c）在上述試驗的基礎上，進行結構設計，在試驗背后設置一定厚度的空腔，厚度分別為20 mm、40 mm，測試空腔的設置及空腔厚度的變化對降噪性能的影響。具體試驗方案見表2。

表2 試驗方案

2 結果與分析

2.1 陶粒粒徑對降噪性能的影響

對6號、7號進行測試，降噪性能的測試結果見圖3。

圖3 陶粒粒徑對吸聲性能的影響

由圖3可以看出陶粒粒徑變化對降噪性能的影響。在小于500 Hz頻段，6號、7號在吸聲性能的差異較小；在 500～800 Hz頻段，6號優于 7號；在800～1300 Hz頻段，7號優于6號；在大于1300 Hz頻段，6號優于7號。綜合評價，二者的差異較小。吸聲曲線的峰值均出現在500 Hz附近，這是由于二者所用陶粒均為粒徑較大的顆粒。粒徑大的多孔材料其消耗的聲能少，吸聲系數較低。

2.2 切割工藝對吸聲性能的影響

對6號、7號沿徑向進行切割，形成6#upon、6#below、7#upon、7#below四個試件，測試其降噪性能，評價指標為吸聲系數，具體試驗結果見圖4、圖5。

圖4 6號切割前后降噪性能的變化

圖5 7號切割前后降噪性能的變化

由圖4、圖5試驗結果可以看出，實施切割工藝后，對試件的降噪性能有較為明顯的影響，吸聲系數的曲線形狀發生了明顯變化，且6號、7號的變化類似。切割后，吸聲系數的峰值均向高頻方向移動，由切割前的 500 Hz，逐漸移動至高頻的 800 Hz、1250 Hz。其次，低頻方向的吸聲性能有所降低。切割后，試塊的厚度發生了較大的變化，材料的厚度增加時，低頻吸聲系數有所增加。這與文獻[5]研究的現象是一致的。

2.3 空腔厚度對吸聲性能的影響

對6號、7號沿徑向進行切割，形成6#upon、6#below、7#upon、7#below四個試件，對上述試件進行結構設計，分別在其后設置一定厚度的空腔，空腔厚度分別為20 mm、40 mm，測試其降噪性能，研究空腔的設置及空腔厚度對試件降噪性能的影響。具體試驗結果見圖6～圖9。

圖6 6#upon空腔厚度變化對降噪性能的影響

圖7 6#below空腔厚度變化對降噪性能的影響

圖8 7#upon空腔厚度變化對降噪性能的影響

圖9 7#below空腔厚度變化對降噪性能的影響

對比分析圖6～圖9，可以看出，空腔的設置有效改善了試件的低頻吸聲性能，且將吸聲系數的峰值向低頻方向移動。小于800 Hz頻段的低頻吸聲改善較為明顯。這是因為背后空腔相當于材料的附加厚度，所以其對吸聲性能影響的表現就類似于材料厚度的影響。

3 結論

a）文中所選兩種陶粒的粒徑對降噪性能的影響不大。

b）切割后，試件的降噪性能發生了明顯變化。厚度越大，聲能進入材料內部后要穿過材料時，所經歷的路徑延長，聲能消耗的就越多。

c）在吸聲體背后增加一定厚度的空腔，有助于改善試件的低頻吸聲性能，其影響類似于增加吸聲體試件的厚度。