多孔瀝青混合料降噪的細觀模擬與宏觀試驗

孫俊鋒，張海濤，于騰江，劉作強

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、汽車數(shù)量的劇增，使道路交通噪聲尤其是城市道路交通噪聲成為較為嚴重的環(huán)境污染問題[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者從噪聲源、傳播途徑、受聲點等方面進行降噪控制的研究和應(yīng)用形式多種多樣[3-4]。它們均有優(yōu)缺點和適用條件[5]。因此考慮瀝青路面材料本身的影響因素，使其降低車輛行駛產(chǎn)生的噪聲是最為經(jīng)濟有效的方法。

Knabben等[6]采用阻抗管評價了4種瀝青混合料的吸聲行為，結(jié)果表明，瀝青混合料的吸聲性能受粒徑和互連孔隙率的影響最大。Alber等[7]通過CT掃描獲取了多孔瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu)的空間參數(shù)，探討了孔隙幾何形狀和聲學(xué)特性之間的關(guān)系。徐皓等[8]和王輝等[9]提出了一種測量多孔瀝青混合料吸聲系數(shù)的裝置，評價了多孔瀝青路面在降低交通噪聲方面的應(yīng)用潛力[8-9]。Gao等[10]通過三維模型的構(gòu)建獲取了排水瀝青混合料的細觀結(jié)構(gòu)特征，提出了吸聲系數(shù)和孔隙率參數(shù)的預(yù)測模型。Yang等[11]通過研究得出微觀空隙特征參數(shù)對材料的抗剝落性、滲透率、連通空隙率和降噪等性能有重要影響，而且等效孔隙直徑和面積對瀝青混合料的性能影響最大。以上學(xué)者的研究都表明了多孔瀝青混合料可以降低路面噪聲，視為“Quiet Road”。但是他們的研究沒有從聲學(xué)角度考慮瀝青路面吸聲性能的影響因素，也沒有從細觀角度解釋瀝青混合料的降噪特性。

當(dāng)噪聲聲波入射到瀝青路面時，對于多孔瀝青路面，其內(nèi)部大量連通孔隙使聲波不斷地發(fā)生折射、反射、衍射等物理現(xiàn)象，進而達到降噪效果。對于密級配路面，大部分聲波直接反射到周邊環(huán)境中，造成噪聲污染，只有少數(shù)因試件表面結(jié)構(gòu)粗糙使聲波在路表面發(fā)生漫反射和干涉現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，研究瀝青路面的吸聲原理很有意義。因此，本研究借助先進的多物理場耦合軟件，從聲學(xué)的角度進行瀝青混合料的細觀降噪模擬分析，從而探討瀝青路面，尤其是多孔瀝青路面的吸聲原理，使其更好地發(fā)揮功能性。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 原材料

1.1.1 高黏改性瀝青

選用90#基質(zhì)瀝青和4%SBS、9%TPS改性劑復(fù)合制備高黏改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 高黏改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of high viscosity modified asphalt

1.1.2 集 料

試驗中使用的集料均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中瀝青混合料用粗、細集料的質(zhì)量技術(shù)要求，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indexes of aggregates

1.1.3 礦 粉

試驗中使用的礦粉技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of mineral powder

1.1.4 纖 維

試驗中使用的木質(zhì)素纖維技術(shù)指標(biāo)如下:長度小于6 mm;灰分質(zhì)量分數(shù)為18%±5%;pH為7.0±1.0;吸油量小于5倍自身質(zhì)量;含水率小于5%;耐熱范圍為230～280 ℃。

1.2 瀝青混合料的配合比設(shè)計

本研究根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)》對上述3種級配瀝青混合料進行配合比設(shè)計。其中，AC-13在高黏改性瀝青下的最佳瀝青用量(質(zhì)量分數(shù)，下同)為5.3%，SMA-13為6.5%，OGFC-13為4.3%。根據(jù)SMA-13的級配特點，研究中摻加了0.31%的木質(zhì)素纖維。試驗結(jié)果如表4所示。

表4 馬歇爾試驗結(jié)果與滲水系數(shù)Table 4 Marshall test results and water permeability coefficient

從表4可以看出，在高黏改性瀝青作用下，3種級配瀝青混合料的穩(wěn)定度大小關(guān)系為OGFC-13

2 瀝青混合料降噪的細觀模擬

2.1 瀝青路面的降噪原理

聲學(xué)上將瀝青路面看作一種多孔吸聲材料，每個孔隙都作為獨立的吸聲器進行噪聲衰減。同時，瀝青路面內(nèi)部孔隙之間彼此連通，并通過表面與外界接觸。因此，這些孔隙又像物理學(xué)上的瑞利吸聲結(jié)構(gòu)和亥姆霍茲共鳴器，組成單孔吸聲結(jié)構(gòu)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)進行共振吸聲。

瀝青路面的吸聲情況常用吸聲系數(shù)(α)表示。吸聲系數(shù)定義為瀝青路面吸收的聲能與入射到瀝青路面總聲能的比值，即：

(1)

式中：Uα為瀝青路面吸收的聲能；Ur為入射到瀝青路面的總聲能。

瀝青路面的吸聲系數(shù)與噪聲聲波的入射頻率和入射角度直接相關(guān)。同一材料下，不同頻率的噪聲聲波具有不同的吸聲系數(shù)；同一聲波頻率下，不同的入射角度也有著不同的聲吸收系數(shù)。α越大，瀝青路面的吸聲降噪性能越好。當(dāng)α=0時，噪聲聲波被完全反射，瀝青路面無吸聲效果；當(dāng)α=1時，噪聲聲波被完全吸收。

當(dāng)噪聲聲波入射到瀝青路表時，一部分因其表面紋理構(gòu)造發(fā)生反射，一部分透入瀝青路面內(nèi)部繼續(xù)傳播。在傳播過程中，受聲波頻率的作用，孔隙內(nèi)的空氣產(chǎn)生劇烈振動，從而帶動聲波與孔隙壁面發(fā)生摩擦碰撞并產(chǎn)生熱能，實現(xiàn)了聲能向機械能再向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。以上即為瀝青路面的吸聲原理。

2.2 多物理場仿真模型的建立與運行

2.2.1 多物理場仿真軟件

瀝青路面的吸聲特性在實際環(huán)境中受水、溫、力等多種因素的共同作用。然而，傳統(tǒng)的有限元(FEM)關(guān)注的是材料在特定領(lǐng)域下的性能變化，對于求解多因素共同作用下的變化存在一定的局限性。而COMSOL Multiphysics是一個多物理場耦合模擬的工具，它可以模擬實際路面在外部環(huán)境以及聲源振動下的聲波傳遞。因此，本研究將借助該軟件進行瀝青路面降噪機理的細觀評價，并通過不同頻率下瀝青混合料的聲壓級變化趨勢和噪聲衰減TL曲線的變化規(guī)律來反映不同級配瀝青路面的聲場傳輸效果。

2.2.2 瀝青混合料孔隙模型的獲取

研究首先制作AC-13、SMA-13和OGFC-13的標(biāo)準馬歇爾試件，并對其進行切割和掃描。之后，利用計算機輔助設(shè)計軟件對圖像進行處理，確定孔隙的幾何尺寸，形成孔隙特征和真實圖像。建立的試件孔隙模型如圖1所示。

圖1 不同級配瀝青混合料的孔隙模型Fig. 1 Schematic diagram of pore models of asphalt mixture with different gradations

2.2.3 多物理場模型建立

1)材料屬性參數(shù)。模型的參數(shù)特征是實現(xiàn)模擬的重要環(huán)境。研究中所涉及的模型材料主要為瀝青混合料和空氣[12-15]。多物理 場耦合模型相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 多物理場耦合模型的材料參數(shù)Table 5 Material parameters of multi physical field coupling model

2)基本假設(shè)。材料的各種參數(shù)會因外部環(huán)境尤其是溫度場的影響而產(chǎn)生一定波動。因此，為更好地研究噪聲在傳播過程的衰減情況，研究進行了必要假設(shè)：

①模型中，多孔路面孔壁與孔內(nèi)材料(空氣)的接觸為連續(xù)接觸；

②假設(shè)材料性能在聲波傳遞過程中的波動不大；

③不考慮道路溫度與空氣溫度的轉(zhuǎn)換，研究道路溫度293.15 K下的聲場傳播過程；

④默認平面波輻射來自法向方向。入射壓力場的壓力幅值選擇常數(shù)1，這里不影響結(jié)果的輸出，只需比例關(guān)系來反映噪聲聲波的衰減情況。

3)網(wǎng)格劃分。定義材料的屬性和相關(guān)假設(shè)，建立仿真模型，逐步向模型中添加物理場(壓力聲學(xué)模塊和結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊)，并對模型網(wǎng)格進行劃分。采用有限元法將網(wǎng)格離散化，使原本的數(shù)值問題轉(zhuǎn)化為單元格求解。離散化水平越高，仿真結(jié)果越精確。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖2所示。

圖2 瀝青混合料孔隙網(wǎng)格劃分Fig. 2 Pore mesh classification of asphalt mixtures

網(wǎng)格劃分之后，進行多物理場耦合模型的模擬，操作流程如下：

①建立壓力聲場的頻域分析模型，建立平面波輻射的條件方程，定義入射壓力場的壓力幅值、聲速等條件；

②添加周期性邊界條件，表示該模型的連續(xù)性；

③劃分網(wǎng)格，按照25的步長、1/3倍的頻程中心頻率，對100～2 000 Hz以內(nèi)的有效頻率進行頻域分析；

④施加噪聲聲波，模擬其在瀝青路面內(nèi)部的傳播。

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 不同級配瀝青混合料的吸聲效果

通過模型的仿真運行，得到3種級配瀝青混合料不同頻率下的聲壓級變化圖(圖3～5)。

1)AC-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化如圖3所示。可以看出，AC-13的降噪效果隨著頻率的增加逐漸提高。頻率達到1 000 Hz時，噪聲的衰減情況更為明顯；頻率達到1 200 Hz時，噪聲的衰減程度減少。表明低頻率聲波使得孔隙內(nèi)聲波振蕩幅度小，能量損失少，而高頻率聲波使得孔隙內(nèi)聲波振蕩幅度大，空氣往返運動的速度增大，對于聲能的消耗更多。因此AC-13對于吸收1 000 Hz左右的噪聲效果顯著。

圖3 AC-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化Fig. 3 Variation chart of sound pressure level of AC-13 asphalt mixture under different frequencies

2)SMA-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化如圖4所示。可以看出，SMA-13瀝青混合料在低頻時的吸收效果也不顯著。隨著頻率增加，空氣運動速度增大，其試件表面豐富的紋理構(gòu)造使得聲波與孔隙內(nèi)壁的摩擦速度增大，吸聲效果逐漸提升。當(dāng)頻率達到800 Hz時，其開始出現(xiàn)較為明顯的噪聲衰減，頻率達到1 000 Hz時，噪聲衰減程度減少，且兩側(cè)開始發(fā)生諧振現(xiàn)象，頻率達到1 200 Hz時，諧振現(xiàn)象較為明顯，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，影響混合料對噪聲聲波的吸收。因此SMA-13瀝青混合料的最佳吸聲頻率在800 Hz左右。

圖4 SMA-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化Fig. 4 Variation chart of sound pressure level of SMA-13 asphalt mixture under different frequencies

3)OGFC-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化如圖5所示。可以看出，OGFC-13瀝青混合料在低頻時的吸收效果非常顯著，這得益于其極大的孔隙率(連通孔隙率)和孔隙深度使得聲波振動幅度較大，對于聲能的損耗也更多，因此具有很好的吸聲降噪效果。其最佳吸聲頻率范圍在600～800 Hz，而在400和1 200 Hz時，吸聲效果較差，尤其在1 200 Hz時，振幅極大，空氣在孔徑中的速度增大，摩擦損耗的同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被破壞，影響混合料對噪聲聲波的吸收。

圖5 OGFC-13瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化Fig. 5 Variation chart of sound pressure level of OGFC-13 asphalt mixture under different frequencies

2.3.2 不同級配瀝青混合料的噪聲吸收程度

從聲學(xué)角度講，判斷某種級配瀝青混合料吸聲效果的好壞主要從該瀝青混合料的結(jié)構(gòu)特性以及由該混合料所產(chǎn)生的吸聲效果的角度分析。為了更直觀地理解不同級配瀝青混合料對噪聲的吸收程度，研究建立了瀝青混合料的噪聲衰減TL曲線模型，以輸入端、輸出端聲能的比值為指標(biāo)，反映瀝青混合料的吸聲效果。模型中定義輻射邊緣條件為in，輸出邊界為out，輸入端的聲能Pin=in(1[Pa])，輸出端的聲能Pout=out(abs(p))，建立噪聲衰減TL曲線的方程為20×lg10(Pin/Pout)。通過掃頻分析，得到了不同頻率下瀝青混合料的聲場傳輸效果，如圖6所示。

圖6 不同級配瀝青混合料噪聲衰減TL曲線Fig. 6 Noise attenuation TL curves of different gradation asphalt mixture

從圖6可以看出，OGFC-13的噪聲衰減TL曲線始終在AC-13和SMA-13之上。圖6中的峰值和谷值代表了該頻率下的噪聲吸收效果。峰的位置表示其有較好的吸聲效果；谷的位置則是由于不同級配瀝青混合料的聲阻抗不同，聲音在傳播過程中使瀝青混合料發(fā)生振動，當(dāng)聲波頻率達到混合料的固有頻率時，發(fā)生諧振現(xiàn)象，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被破壞，從而使該位置的吸聲效果變差。從圖6還可以看出，3種級配瀝青混合料在不同頻率下的聲壓級變化規(guī)律均為整體上先逐漸提升，達到最佳吸聲頻率的范圍后，再逐漸減小的趨勢。另外，可以得到OGFC-13、AC-13、SMA-13的最佳吸聲頻率分別在600，1 000以及800 Hz左右，以上仿真模擬的結(jié)果得到了論證。

3 瀝青混合料降噪模擬的宏觀試驗驗證

3.1 試驗方法

采用φ101.6 mm×63.5 mm的標(biāo)準馬歇爾試件，對AC-13、SMA-13和OGFC-13 3種混合料試件進行室內(nèi)駐波管試驗，使用1/3倍頻程中心頻率測試吸聲效果。試驗裝置包括駐波管、探測小車、音箱、探管以及傳聲器信號處理設(shè)備(圖7)。

圖7 駐波管試驗裝置Fig. 7 Schematic diagram of standing wave tube test device

瀝青混合料的吸聲效果用駐波管試驗測得的吸聲系數(shù)表征[9,16-17]。試件裝在駐波管試驗裝置的前端，入射聲波由另一端的揚聲器產(chǎn)生，入射聲波與從試件表面反射回來的聲波發(fā)生疊加，在駐波管內(nèi)形成駐波，根據(jù)聲壓極大值處的聲壓振幅和聲壓極小值處的聲壓振幅，計算得到駐波比[18]。吸聲系數(shù)α使用公式(2)計算。

(2)

式中：ΔL為聲壓級極大值和極小值的差。

3.2 試驗結(jié)果

3種級配瀝青混合料的駐波管試驗結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知，OGFC-13的吸聲系數(shù)峰值為0.66；SMA-13的吸聲系數(shù)峰值為0.3；AC-13的吸聲系數(shù)峰值為0.25。峰值附近為瀝青混合料達到最佳吸聲效果的頻率范圍。因此，可以得到OGFC-13對于吸收600 Hz左右的噪聲具有較好的效果；SMA-13對于吸收800 Hz左右的噪聲具有較好的效果；AC-13對于吸收1 000 Hz左右的噪聲具有較好的效果。圖8中還可以看出，3種級配瀝青混合料在不同頻率下的吸聲系數(shù)變化曲線與細觀模擬的變化規(guī)律相一致，以上細觀模擬的結(jié)果得到了論證。

圖8 不同級配標(biāo)準馬歇爾試件吸聲系數(shù)的變化曲線Fig. 8 Variation curves of sound absorption coefficients of Marshall specimens with different grading standards

4 結(jié) 論

1)通過有限元模擬，得到了3種級配瀝青混合料在不同頻率下的吸聲系數(shù)變化規(guī)律，均為整體上先逐漸提升，達到峰值后又逐漸減小的趨緩。同時，宏觀試驗的結(jié)果論證了噪聲衰減TL曲線與吸聲系數(shù)曲線之間具有良好的相關(guān)性，驗證了該模型模擬瀝青混合料吸聲效果的合理性和準確性。

2)在噪聲傳遞過程中，OGFC-13因自身極大的連通孔隙率和孔隙深度，其吸聲效果最好；SMA-13因試件本身豐富的表面紋理特征，吸聲系數(shù)也較好；AC-13的吸聲效果最差，但因其粗糙的表面構(gòu)造使其也具備一定的吸聲降噪性能。研究得出OGFC-13、SMA-13、AC-13的最佳吸聲頻率分別在600，800和1 000 Hz左右。

3)高頻噪聲的振動幅度較大，在運動中與孔隙內(nèi)壁的摩擦增大，對于聲能的損耗更多。因此，隨著頻率的增加，AC-13和SMA-13的吸聲效果得到提升。但同時過高頻率的聲波使得瀝青混合料內(nèi)部發(fā)生諧振現(xiàn)象，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被破壞，吸聲效果下降。