公路降噪技術研發及創新

降噪路面技術

降噪路面材料的分類與性能

常規降噪路面

高速公路宜采用大空隙低噪聲瀝青路面。在大空隙路面不適用路段，如高溫地區、重載路段、丘陵山區、多風沙地區等，則可以使用橡膠瀝青路面、密級配薄層罩面或密級配超薄罩面。采用橡膠瀝青路面、密級配薄層罩面或密級配超薄罩面時，在滿足表面抗滑性能要求的條件下，宜采用細粒式或砂粒式級配作為路面表面層混合料。

采用大空隙降噪路面時，可根據檢測所獲數據，繪制輪胎-路面噪聲聲壓級頻譜曲線，觀測輪胎-路面噪聲峰值大小及峰值所處的頻譜區間。根據大空隙降噪路面吸聲系數模擬曲線，宜選擇吸聲系數峰值頻率與輪胎-路面噪聲峰值頻率接近的路面結構類型，或根據經驗法進行設定，交通流組成以小客車為主（小客車比例占90%）的路段，或交通噪聲主要由小客車引起的道路或車道，宜采用薄層或超薄大空隙瀝青路面結構；交通流組成以大型貨車為主，或交通噪聲主要由大型貨車引起的道路或車道，宜采用單層或雙層大空隙路面。各車道的車型影響可按照相關方法確定。

大空隙降噪路面形式

新型高阻尼降噪路面

聚氨酯大空隙彈性路面等新型降噪路面形式需要經過詳細的性能試驗和專家論證，方可在實際工程中使用。為了進一步降低交通噪聲中的低頻振動噪聲，創新團隊以大空隙路面和聚氨酯大空隙彈性路面為基礎，根據低頻噪聲主要聲源和傳播特點，研發了高阻尼超彈大空隙路面。超彈大空隙路面由高彈特性的高聚物改性瀝青和骨料制備而成，通過改進大空隙吸聲和阻尼減振材料結構，優化路面低頻吸聲特征。

不同降噪路面材料組成特點表

● 材料組成特點

大空隙路面、大空隙彈性路面、超彈大空隙路面，這三種降噪路面材料的組成特點如“不同降噪路面材料組成特點表”所示。其中，超彈大空隙路面將橡膠顆粒摻量限定在20%以內，保證了路面結構的耐久性；將膠結料由聚氨酯調整為高黏瀝青，技術經濟性更優，對施工機械無特殊要求，更具施工可行性。

● 降噪效果分析

以公路常用的AC瀝青混凝土路面作為基準，采用室內輪胎下落法測試了AC-10、PAC-10、PEC-10和PERS-10等不同類型路面試件的輪胎-路面噪聲，測試結果如“不同類型試件噪聲測試結果圖”所示。

不同類型試件噪聲測試結果圖

由“不同類型試件噪聲測試結果圖”可知，與密級配AC-10混合料相比，PERS-10混合料能夠平均降低輪胎-路面噪聲7.5分貝，PAC-10混合料能夠平均降低輪胎-路面噪聲3.1分貝，PEC-10混合料能夠平均降低輪胎-路面噪聲5.1分貝。采用橡膠顆粒替代部分集料后，PEC-10混合料可比PAC-10混合料進一步降低噪聲約2分貝，這表明彈性橡膠顆粒對降低振動噪聲有利。

降噪路面的設計與施工方法

降噪路面的設計

● 大空隙低噪聲瀝青路面結構方案

根據降噪路面結構組合和大空隙混合料表層的厚度，可分為：

單層大空隙瀝青路面 大空隙混合料表層厚度不小于40毫米，且小于60毫米。混合料粗集料最大粒徑不宜大于13毫米。

雙層大空隙瀝青路面 由集料最大粒徑較小的大空隙混合料上層和集料最大粒徑較大的大空隙混合料下層組成的雙層結構。上層厚度宜為20毫米至40毫米，下層厚度宜為35毫米至60毫米。上層混合料粗集料最大粒徑不宜大于13毫米。上、下兩層的連通空隙率均不宜低于14%。

薄層大空隙瀝青路面 大空隙混合料表層厚度不小于25毫米，且小于40毫米。混合料粗集料最大粒徑不宜大于10毫米。

超薄大空隙瀝青路面 大空隙混合料表層厚度小于25毫米，不宜小于20毫米。混合料粗集料最大粒徑不宜大于10毫米。

● 大空隙降噪路面結構分車道組合設計

根據不同車道的交通流組成，可對不同車道分別進行降噪路面結構設計。當所有車道的噪聲水平均較高時，半幅全部采用大空隙降噪路面，各車道根據噪聲差異進行分車道設計；當部分車道的噪聲水平較高時，只須在高噪聲的車道設置大空隙降噪路面。進行分車道設計時，在橫斷面上，橫坡高位車道的大空隙混合料底層標高不得低于相鄰橫坡低位車道大空隙混合料底層標高。

● 新型降噪路面組合方案

針對不同降噪需求和經濟指標，基于大空隙路面和新研發的超彈大空隙路面技術，創新團隊提出了四種不同的降噪路面組合方案。與常規的單層大空隙降噪路面相比，其余三種新型組合方案的技術特點對比如“不同組合方案降噪路面的特點對比表”所示。

新型降噪路面組合方案圖

不同組合方案降噪路面的特點對比表

● 其他低噪聲瀝青路面結構方案

其他可采用的降噪路面結構組合表層厚度包括：

橡膠瀝青路面 表層厚度不小于40毫米，且小于60毫米。混合料粗集料最大粒徑不宜大于13毫米。

薄層罩面 表層厚度不小于25毫米，且小于40毫米。可采用的級配類型包括SMA-10、AC-10，或其他經過論證的級配形式。

超薄罩面 表層厚度小于25毫米。可采用的級配類型包括SMA-5/10、AC-5/10，或其他經過論證的級配形式。

降噪路面的施工

降噪路面施工前，施工單位須認真檢查、核實施工路段現場情況，如發生必要的變更須及時上報。對于瀝青、集料等重要原材料應加強質量管理與檢查。工程施工應采用動態質量管理，強化事前和過程控制。

對于分車道設計方案，應進行合理的施工組織、交通管制安排。對于不同方案同時施工的情況，應合理安排拌和站生產次序，規劃運輸路線，精細控制分車道養護的攤鋪與碾壓工藝、碾壓路線、碾壓次序等。宜引入信息化手段進行施工過程控制及信息記錄。

大空隙降噪路面分車道施工

應用效果與實際案例

自2013年起，由創新團隊研發的多種結構降噪路面累計在四川應用46.2公里，在江蘇應用158.2公里，在河北應用1.8公里，總應用規模超過200公里，降噪效果達到3分貝至7分貝。提出的協同降噪設計方法，在江蘇省鹽靖高速應用10.3公里。對通車不同年限的大空隙降噪路面降噪效果進行了持續跟蹤評估。加鋪單層大空隙降噪路面之后，平均可以降低交通噪聲約3分貝；加鋪雙層大空隙降噪路面之后，平均可以降低交通噪聲約7分貝。隨著通車時間延長，降噪效果有所衰減，但是通車3年后，仍有2分貝至5分貝的降噪效果。

新型聲屏障技術

聲屏障的結構與材料

結構方案設計

在滿足聲屏障聲學設計要求的基礎上，應合理考慮聲屏障的材料、厚度及其他相關因素。

聲屏障結構應符合《聲屏障聲學設計和測量規范》（HJ/T 90）、《公路聲屏障第4部分：聲學材料技術要求及檢測方法》（JT/T 646.4）、《混凝土結構設計規范》（GB 50010）、《鋼結構設計標準》（GB 50017）、《公路路基設計規范》（JTG/TD 30）、《公路橋梁設計通用規范》（JTGD 60）等的相關規定。

聲屏障結構應按承載能力極限狀態的基本組合和正常使用極限狀態的標準組合進行設計。聲屏障結構強度應考慮自重、風荷載、側向土壓力等。透明隔聲屏的窗框、窗扇規格應根據抗風壓強度、撓度聲屏障結構方案的結果進行選擇。

結構方案設計應驗算風荷載作用下的可靠性，按《建筑結構荷載規范》（GB 50009）規定，風荷載標準值應采用50年一遇的基本風壓（每平方米0.75千牛）。沿海臺風地區可根據路段實際情況，選擇合適的設計風壓。

材料設計

在滿足聲學設計和結構方案的基礎上，應按照立柱、隔聲屏體、吸聲屏體、密封膠條這四部分的材料性能分別進行聲屏障材料的選擇。

聲屏障立柱材料性能應符合《公路聲屏障 第4部分：聲學材料技術要求及檢測方法》（JT/T 646.4）的相關規定。

聲屏障吸聲屏體聲學結構由隔聲板和吸聲材料或吸聲結構組成。吸聲材料宜采用無機纖維等多孔性吸聲材料，如玻璃棉、泡沫鋁、鋁纖維板，以及木絲混凝土板等。屏障聲學結構應具有防潮(水)性能，保證在高濕度或淋雨雪水環境中，其吸隔聲性能不受影響。聲屏障隔聲屏體若采用透明材料，宜選用有機合成透明材料(如亞克力板)或夾膠玻璃板。聲屏障隔聲屏體材料性能應符合《公路聲屏障 第4部分：聲學材料技術要求及檢測方法》（JT/T 646.4）的相關規定。聲屏障密封膠條材料性能應符合《建筑門窗、幕墻用密封膠條》（GB/T 24498）的相關規定。

聲屏障的設計原理與性能評價

為保證聲屏障整體吸聲值在達到設計指標的同時滿足試驗要求，設計團隊開發了三種不同吸聲結構吸聲板，不同類型聲屏障的性能評價如下所述。

擴散體吸聲板構件

在高密度纖維板正面開立體三角墻，背面開圓孔的結構吸聲材料，飾面噴漆，背貼防火吸聲布。具體尺寸應嚴格按構造圖紙尺寸加工，誤差不得大于2毫米。利用混響法測試擴散屏體的吸聲系數，相比普通屏體吸聲系數可提高30%。整體降噪系數NRC大于0.8，隔聲量大于26分貝。

干涉型吸聲板構件

采用耐候橡膠吸聲板作為主要吸聲材料，按一定的吸聲結構固定在金屬背板及龍骨上形成吸聲板，背板及龍骨均采用1.0毫米厚的鍍鋅鋼板，表面須進行噴塑防腐處理。具體尺寸應嚴格按構造圖紙尺寸加工，誤差不得大于2毫米。耐候橡膠吸聲板的吸聲系數不小于0.6，干涉頂端結構聲屏障，在半消聲室下測量插入損失，400赫茲至1200赫茲頻段插入損失大于8分貝，1200赫茲至2000赫茲頻段插入損失大于13分貝，2000赫茲至5000赫茲頻段插入損失大于18分貝。

菱孔結構吸聲板構件

采用鋁合金面板壓制成菱孔結構，內部填充聚酯吸聲體，背板采用2.0毫米厚的鋁合金板并進行表面噴塑防腐處理。根據構造圖紙確定具體尺寸，誤差不得大于2毫米。填充吸聲體的吸聲系數不小于0.8，菱孔結構吸聲板構件吸聲系數不小于0.6，隔聲量大于26分貝。同時，吸聲板應用的道路內側空間聲場不均勻度小于8分貝，相比平板式屏體，減少由于車體和屏體間反射導致的繞射聲1分貝至2分貝。

三種屏體材料的計權隔聲量和平均吸聲系數如“屏體材料計權隔聲量和平均吸聲系數表”所示。由測試結果可知，干涉型吸聲板具有最好的隔聲性能，菱孔結構吸聲板具有最高的吸聲系數，特別是對低頻噪聲的吸收性能較好，能夠與降噪路面形成更好的吸聲頻率互補。此外，菱孔結構吸聲板的隔聲性能略低于干涉型吸聲板。擴散體吸聲板的隔聲量為三者最低，但也高于30分貝，其吸聲系數要高于干涉型吸聲板。

屏體材料計權隔聲量和平均吸聲系數表

現有的三種屏體，未進行特殊的頂端形式設計。如采用不同形式的頂端設計，降噪功能將會進一步增強。已有研究表明，當鹿角形頂端結構面層采用擴散體形式時，能夠進一步增加吸聲效果。根據測試結果，增加吸聲量可達20%。如進行不同的屏體和頂端組合，可通過模型和測試明確聲屏障降噪性能。

應用案例與技術評估

2021年11月，在江蘇省G1515鹽靖高速綜合降噪試驗段中，創新團隊在靖鹽方向k160+510～k160+000段開展了三種新型聲屏障的現場應用工作。擴散體、干涉型、菱孔結構吸聲板結構聲屏障首尾相連，實施長度均為170米，其中路基段434米，橋梁段76米。

綜合降噪試驗段環境噪聲監測布點圖

聲屏障插入損失是衡量聲屏障實際降噪效果的主要指標。將同一噪聲源分別放置在屏障前后，在同一受聲點上先后測定噪聲聲壓級，二者之差即為聲屏障插入損失。研究分別在聲屏障前的路肩處和受聲點位置進行噪聲監測，監測布點位置如“綜合降噪試驗段環境噪聲監測布點圖”所示，計算了不同聲屏障的插入損失，損失如“聲屏障工程插入損失值匯總表”所示。由測試結果可知，三種聲屏障的插入損失排序分別為菱孔結構吸聲板大于干涉型吸聲板，干涉型吸聲板大于擴散體吸聲板，即菱孔結構吸聲板聲屏障具有最佳的降噪功能，平均降噪11.8分貝，干涉型吸聲板和擴散體吸聲板聲屏障降噪水平分別為9.7分貝和7.8分貝。

有源降噪技術

有源降噪原理與控制方法

有源降噪技術是基于聲波疊加原理的一種電聲控制技術，利用數字信號處理器生成與噪聲源信號相位相反、幅值相同的聲音信號，與噪聲源反向抵消達到降噪目的，對低頻噪聲降噪效果明顯。交通噪聲有源降噪的原理，即在公路兩側安裝有源降噪節點，節點通過傳聲器采集公路交通噪聲，將采集的噪聲經過運算單元進行處理，通過喇叭發出同幅度反相位的聲音，與交通噪聲進行抵消從而降低交通噪聲。

交通噪聲有源降噪示意圖

設備及系統配置

有源降噪模塊主要包括揚聲器、傳聲器和主機三部分，一般搭配聲屏障使用，以提升聲屏障的整體降噪性能。聲屏障有效高度設計是聲屏障設計的關鍵，要想降低敏感目標噪聲，敏感目標須在聲屏障的聲影區內，而聲影區范圍大小與聲屏障高度有直接關系。實施有源降噪措施后，將相應提高聲屏障的有效高度，其工作流程如下：

聲屏障與有源降噪模塊安裝示意圖

原有聲屏障通過阻斷（屏蔽）交通噪聲的傳播路徑，形成一個聲影區。

交通噪聲會在聲屏障頂端聚集形成新的繞射聲源。

在聲屏障頂端設置有源降噪模塊，發射反聲消減繞射聲，擴大聲影區的面積并形成一個干涉區。

擴大的聲影區與形成的干涉區就是降噪效果疊加后的降噪區域，從而提升聲屏障整體降噪性能。

應用案例與技術評估

室外降噪評估

在室外平整路基段，利用白噪聲和交通噪聲開展室外效果測試。一般情況下，室外安裝測試長度為30米，最近處的居民點到路肩的距離為20米。測量結果表明，距離中心線20米處的有源降噪模塊可降低聲壓幅值50%，插入損失為3分貝。

工程現場降噪評估

有源聲屏障首次在我國南沙大橋降噪工程安裝實施，其中雙層有源模塊實施長度240米，單層有源模塊實施長度180米。根據測量結果可知，在距離聲屏障10米處，有源模塊可達到約1分貝的降噪效果。

室外屏障20米中心線處測量結果圖