（水声工程专业论文）公路隧道噪声预测及降噪措施研究.pdf

a b s t r a c t r o a dt 豫丘i cn o i s ep o l l u t i o ni st 1 1 em a i nn o i s ep o l l u t i o ni nc i t i e s a n dn o i s ef r o m t h e 仃a m co fr o a dt u 衄e 1 ，a sa i li m p o n a n tp a no fr o a dt r a 伍cn o i s ep o l l u t i o n ，h a sa l w a y s b e e na p r o b l e mw h i c h n e e d su 唱e n ts o l u t i o n s t h es t u d yb e g i l l sw i t l lt h e 柚a l y s i sf o rp r e s e mc o n d i t i o n sa 1 1 dm a i nc o u r s e so f r o a d t r a 伍cn o i s ef r o mt 啪e l s ，i ti sh e l p f u lf o rt h e 如n l e fu n d e r s t a n d i n go f h o wt h et u r u l e l n o i s ec o m e si n t ob e i n & w h i c hi sd i r c c t i v ef o rb o t hn o i s ep r e d i c t i o na j l da l s op u t t i n g f b r 、v a r dr e l e v a n tc o t r o lm e a s u r e s 矗”t u 衄e la n dn l n n e lm o u t h 1 1 m m e l sw i t l ls t r a i g h tr o a d sa r eo b j e c t so fn l es t u d yt bs i m p l yt h ea n a l y s i s ，i m a g e w a l lc o n c e p ti si n t r o d u c e df o rn o i s ep r e d i c t i o n 洫t u i l l l e l s ，m u st h ea c o u s t i c si nt h ei o n g e n c l o s u r eo ft u i m e ii st r a n s l a t e dt or o o ma c o u s t i c s r o o ma c o u s t i c st 1 1 e o r yi su s e dh e r e t o 咖d yt h ct r a f f i cn o i s ei nt u 衄e l sw 汕m u l t i p l ep a t h sa 1 1 da i l k i n d so fv e h i c l e sw i m d i 触e i i tv e l o c m e s ，a n dp r e d i c t i n gm o d e li sg i v e n p r e d i c t i o no fn o i s e 矗d mt u i l n e l m o u t hi sg i v e n 丘o m h ep o i n to fv i e wo fc o n 行g u r a t i o no ft h et u n n e i a n dt h ee f 纯c t st o m o u 也n o i s ec a u s e d b y s h a p ea n da r e a o f t h ec r o s s s e c t i o n ，l e n g mo f t h e t u 彻e la n dr a t i o o fl e n 舒ht ow i d t ha r es t r e s s e d au n i f o r mm o d e li sg i v e nf o rt 1 1 n n e l sw i t hr e c t a n g u l a ro r s e m i c i r c l ec r o s s s e c t i o n s s o m ec o n t r o lm e a s u r e sa r eg i v e na n da tt h es 锄et i m e ，n o i s e r e d u c t i o i l sa r es t t l d i e dw h e nm en m n e li sn 它a t e dw i md i f k r e n tm a t e r i a l sa n ds o u n d a b s o r p t i o ns t m c t u r e s ，c o n s i d e r i n gt h e i rp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s s o m es o u n da b s o r p t i o n m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e sa r ec h o s e nf 6 rn o i s er e d u c t i o no f r o a dt u n n e l s s o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sa r ea c q u i r e da sf 0 1 i o w s ， 1 g i v e nt h el e n g t h ，n d i s e 矗o mt u n n e lm o u t hi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t h e a r e ao f t h ec r o s s 。s e c 6 0 n 2 e 腩c to ft h es h a p eo fc r o s s s e c t i o nc a nb en e 寸e c t e d ，a n dp r e d i c t i n gm o d e l c a nb eu n i n e da so n ef o r m u l a sc o n c e m e dw i t lt h er a t i oo fl e n 西ht ow i d t h 3 n o i s ei n c r c a s e s 埘t ht h ei n c r e a s eo fm en u m b e ro fr o a dp a t ha i l d p r o p o r t i o n a lo f h e a v y c a r s 4 d i 仃e r e n t m a t e r i a l sa 蔬c tn o i s er e d u c t i o ni i lt 哪e l sn o t a b ly t h ea b o v ec o n c l u s i o n sh e l dt ol ( n o wm ec h a r a c t c r i s t i c so fn o i s ei nt u 册e l s ， t h e o r e t i c a lc o n s e q u e r l c ec a nb eu s e dt op r e d i c tn o i s ei nt u n n e l sw i t hd i f f e r e n tt r a m c ， a r l dd i 场：r e mm a t e r i a l sc a nb ea n a l y z e dt os e ei ft h e yc a nb eu s e dt or e d u c et h en o i s ei n t i l i l i l e l s ni st l e o r e t i c a ld i r e c t i v ef o rp r e d i c t i n ga 1 1 dc o n t r o l l i n go ft u n n e ln o i s ea n d “ h a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：n o i s ef r o mt l l n n e lm o u t h ，t h n n e ln o i s e ，i m a g ew a i l ，1 m n n e l c o n f i g u r a t i o n ，c o n t r o lm e a s u r e s i i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文【：作 的知识产权单位属1 + 西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和【u 子舨。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采心影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 人学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位沦文作者签名趣 硼年弓月弓。日 指导教师签名 ；月多口日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所星交的学位论文，是本 人在导师的指导r 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引川的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已中请学位或其他_ 【： j 途使i l | j 过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名王盘蕉 谢年；月； 口日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 论文研究背景和意义 第一章绪论 噪声污染早已成为城市环境的一大公害，国外早就有“噪音病”一词。科学 研究表明，噪声会给人们的健康生活带来以下影响： 干扰睡眠。睡眠是人消除疲劳、恢复体力和维持健康的一个重要条件。但是 噪声影响睡眠和休息，一般4 0 d b 的连续噪声可使l o 的人受到影响；若是突发噪 声可使1 0 的人惊醒；7 0 d b 的连续噪声可使5 0 的人受到影响：6 0 d b 的交发噪 声可使7 0 的人惊醒。人们长时间工作、生活在噪声很大的环境l - ，对小枢神经 系统的刺激大，严重者会导致中枢神经系统功能紊乱。噪声长期作用于中枢神经 系统，会使大脑皮层兴奋和抑制的平衡失调，导致条件反射异常、脑血管张力受 损害，使人头疼、头晕、耳鸣、失眠多梦全身疲乏无力，在医学上称为神经衰弱 症候群。 损伤听力。噪音对人体健康的危害是多方面的，最容易受到关注的是噪声对 听力的损害，噪音会引起耳部不适，导敛听力下降，甚至耳聋。根据国际标准化 组织( i s o ) 的标准，长期在9 0 d b 噪声级条件下，耳聋发病率为2 l 8 5 d b 条件 下的发病率则为1 0 。 对人体生理的影响。一些实验表明，噪声会引起人体紧张的反应，会使人的 胃液分泌减少，胃酸降低，从而易患胃溃疡和十二指肠溃疡。一些研究指出，某 些吵闹的工业企业里，溃疡症的发病率比安静环境高5 倍。近年还有人指出，噪 声是刺激癌症的病因之一。当噪声超过1 4 0 d b 时，甚至会引起眼球振动，视觉模 糊，呼吸、脉搏、血压都会发生波动，全身血管收缩，供血减少，说话能力受到 影响。 对胎儿的影响。噪声对胎儿也会产生影响，经常处在嘈杂环境中的婴儿不仅 听力受到损伤，智力发展也会受到影响。有人作过调查，吵闹环境下儿童智力发 育比安静环境中的低2 0 ，吵闹地区婴儿的体重轻的比例较高。8 0 d b 以卜噪声环 境对发育阶段的婴儿来说危害尤其明显。 对动物的影响。6 0 年代初期，美国f 1 0 4 喷气机作超声速飞行试验，飞行高度 1 0 0 0 0 米，每天飞越8 次，共飞行6 个月。结果，在飞机轰隆声的作用卜，一个农 场的1 0 0 0 0 只鸡被轰声杀死6 0 0 0 只。 对建筑物的损害。强噪声可以使建筑物的抹灰及墙壁丌裂，可以使瓦损坏， 从而造成经济损失。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 噪声在特定条件下甚至成为社会不稳定的因素之。 随着我国经济建设的迅速发展，城市道路和车流量迅速增加，随之产生了以 噪声为主的城市环境污染问题，给社会生活带来日益严重的交通噪声污染。交通 噪声污染在城市声污染中所占比例相当高，约占7 0 。道路交通噪声主要来自车 辆的行驶、振动和喇叭声，如载重汽车、公共汽车、拖拉机等大型车辆行驶中的 噪声为8 9 毋2 d b 。喇叭声在我国城市噪声中最为严重。 交通噪声干扰人们的正常生活和休息，严重时影响人们的身体健康。在伦敦 的一次噪声调查中发现：3 6 的伦敦入受到不同程度交通噪声干扰，受飞机、铁路、 工业和建筑施工噪声干扰的分别为9 、5 和7 ，而在家听到交通噪声的人高达 9 l 。德国有7 0 的人受到道路交通噪声的干扰，日本3 8 的人口生活在6 5 分 贝以上的交通噪声暴露环境中。 另外，交通噪声还会影响到公路沿线的经济发展。例如，交通噪声影u 向严荤 的房地产、工厂、商厦等的经济效益和生产效益都有小同程度的下降，噪卢还直 接影响到公路周围的土地价值。有资料表明：交通噪声每升高1 分贝，土地的价 格就会下降o 0 8 1 2 6 ，平均o 9 左右。反过来说，将交通噪声水平降低1 分贝， 则相当于沿线土地增值o 9 ，对于土地批租来说，这是一个可观的数值。 隧道是山区高等级公路的重要组成部分。我国山区较多，近几年山区公路的 建设也加快了步伐，修建了大量的隧道。在所建成的隧道q j ，多数没有做吸声处 理，隧道的交通噪声问题也就越来越受到人们的关注。交通噪声和通风机运作噪 声经壁面多次反射，混响声、直达声等叠加，产生较大的噪声值，使司机、乘客、 检修人员感到非常不舒适。 另外，在交通高峰期，众多的声源汇集在隧道内部形成了一个巨大的音箱， 而两端的洞口恰似“喇叭口”向外辐射声音能量，干扰沿线人群的正常生活和休 息，严重时甚至影响人们的身心健康。城市区域环境噪声标准( g b 3 0 9 6 9 3 ) 规 定；道路交通干线两侧区域环境噪声标准值为昼间7 0 d b ( a ) ，夜间5 5 d b ( a ) 。已有 大量资料显示，我国高速公路隧道产生的噪声远超过了这一标准，如表卜l 所示吼 1 9 9 5 年重庆市某隧道噪声的现场测试，该座长度为3 0 0 米左右的隧道内均为噪声 高污染带，隧道洞口处l 小时等效连续a 声级最低，为8 0 d b ；在隧道中邝最高， 为8 9 d b ，也就是说，隧道口处噪声值比中部仅下降约1 0 左右。 表l 一1 我国几条隧道的噪声情况d b ( a ) 2 西北1 业大学硕士学位论文第一章绪论 隧道噪声的影响对象为隧道检验人员、乘客及驾驶员，其中对需较长时l 目j 驻 留隧道中的检修人员影响尤为严重。另外，隧道内的强噪声可能对隧道本身也造 成危害，使隧道顶部，内壁以及地面遭到一定程度的伤害。目前，我国还未制定 关于隧道环境噪声的国家或行业标准。 为完善我国公路交通噪声环境治理，本论文从公路隧道噪声产生的机理和控 制方法的分析，寻找一种噪声预测方法，在公路隧道建设之初给予噪声预测方面 的理论指导。论文通过给出公路隧道交通噪声的预测方法，并提出相应的控制措 施，有利于改善日益突出的公路隧道噪声污染问题，具有工程价值和实际意义【l “。 1 2 国内外公路隧道噪声研究现状 交通噪声分析与预测方面的研究前人已经作了很多工作，有关交通噪声的统 计模型，应用比较广泛的有英国的c r l n 8 8 【7 】、美围联邦公路管理局噪声予负测模式 ( f h w a 模式) ( g 】、德国的r l s 8 1 及其改进版r l s 9 0 【8 l 、公路建设项目环境影响 评价规范( 试行) 【9 】中推荐的环境噪声影响预测模式( 简称“规范模式”) 、神经 网络模型、和灰色预测模型口“。在国内比较普遍应用的是f h w a 模式和规范模式。 而混响空间声场内的噪声预测，例如交通密集的道路隧道和都市街道，相比 较而言噪声预测就比较复杂，但大都是通过不同的方法研究吲定点声源在混响空 间内的声场特性。 在公路隧道交通噪声的分析和预测方面，日本和西欧发达国家走在前列，我 国在公路隧道噪声预测和控制的研究上相对落后于日本等发达国家，但是近年来 随着社会、经济发展，越来越重视环境问题，工程项目环保措施上的投入逐午增 加，这就为广大研究人员提供了较好的研究条件。 国内外对隧道减噪技术的研究主要从理论和实验两个方而进行，两个方而的 研究缺一不可，理论研究是实验的基础，实验可以验证理论研究的正确性。 1 2 1 理论研究 目前，国内外对隧道降噪的研究已取得了一定的进展，但由丁公路隧道总体 设计的内容复杂，包括路线几何设计、隧道横断面设计、通风、照明、通讯、消 防、报警等设计。这些设计之间的制约关系非常突出，例如为维持墙面对照明灯 光的反射率和装饰效果，要求墙面材料耐腐蚀、耐冲洗，而满足这个要求的墙面 材料的表面应比较光洁且应有足够的刚度和强度。这些条件对隧道内改善通j x l 条 件是有利的，但对噪声的衰减不利，容易使隧道内的混响声久久不能散去，而影 响乘客、司机及检修人员。 西北上业大学硕士学位论文第章绪论 我国目前的公路隧道在施工建设，工程质量等方面确实不错，佣在防噪方面 很少有建树，尚无统一的隧道交通噪声预测模式。 调研表明：日本在公路隧道降噪方面的研究比较早。在1 9 7 1 年，夏德荣校对 公路隧道交通噪声进行了声学处理研究，并评价了声学处理的测量方法。国外 对铁路隧道噪声研究较多，例如，m s h o w e l l 础对铁路隧道入口处的声波的反透 射进行了详细的研究，但铁路隧道内噪声的形成机理与公路隧道的机理差别较大， 值得借鉴处较少。根据日本研究介绍，公路降噪效果以路堑形式最佳，美国修建 的高速公路当通过声环境敏感地区时，亦常采用路堑形式”。 国内从八十年代才对隧道交通噪声产生的影响进行重视，对隧道交通降嗓措 施方面前人已经作了大量的研究，但是在隧道噪声的预测方面的研究较少。 在公路隧道交通噪声预测和分析方面，有代表性的砩究有：陈延 | i l 【“】早住九 十年代初就对莺庆向阳隧道作吸声处理前后的交通噪声分别进行了大晕的测晕， 通过数据拟合的方法得到了隧道内噪声与车流量之间的回归公式，并讨论了吸声 材料的面积、穿孔率及装修情况等对降噪效果的影响。师利明【15 等对比了波动声 学和房间声学理论对隧道内的应用，最终选用房间声学理论进行预测，并结合美 国的f h w a 公路交通噪声预测模式，研究了横断面为半圆形的公路隧道内噪声预 测方法和降噪措施，给出了预测模式，确定了影响隧道内交通噪声的参数，以及 对降噪措施的几种方案进行了比较。陈方荣i l6 】提出采用类比测量法进行隧道交通 噪声预测，选取南京玄武湖东西向隧道作为类比对象，对南京磐武湖南北向隧道 工程进行了实证研究，并取得了较好的效果。类比方法的评价等级较高，在评价 等级为一级时，宜采用此法。 在隧道噪声的治理方面，前人傲过大量的研究。胡维撷【i7 1 对隧道内装吸声材 料的各影响参数进行了详细的研究，并提出应对隧道洞口外贴吸声材料，对h a 耐候型吸声板特性进行了简要介绍，认为可以作为隧道洞口外吸声材料。另外， 2 0 0 5 年2 月1 7 日，浙江杭州万松岭隧道采用“多孔沥青技术”铺设路面，使隧 道内噪声明显比其它隧道小【l ”。8 月2 0 日通过的湖北省交通科技项口“公路隧道 降噪技术研究”用低噪声路面和多孔吸声壁面设计，降噪系统取得良好的效果【l ”。 根据现有资料，大多数文献对隧道用吸声材料的评价都是根据实际测量而获 得。 1 2 2 实验技术研究 国内外道路隧道降噪对策主要是选用配置消卢器的低噪声射流风机，在隧道 顶部和侧墙上部内装吸声材料，特别在两端洞u 外要安装露天型强吸声板，以及 铺设低嗓音路面。防治隧道内外噪声污染的措施主要有： r 曲北上业大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 控制车辆噪声，限制车速，隧道内禁呜喇叭等； ( 2 ) 在隧道内墙采用吸声材料及铺筑低噪音路面； ( 3 ) 隧道内部检修人员值班室设置隔音层，检修人员配备隔音耳塞、耳甲和 防声头盔等护耳器，关闭车窗降低车内噪声，采用防噪门窗等； ( 4 ) 在隧道洞口外采用强吸声隔声板，降低洞口外噪声对j 苦民区产生的影响： ( 5 ) 采用路堑的形式，以及在洞口外种植降噪绿化林带。 对隧道进行降噪处理后，评价降噪效果的实验方法主要有：扬声器实验，单车 行驶实验，典型隧道实测( 对实际隧道作吸声处理前后的噪声级进行比较) 隧道 内吸声模拟中间试验( 缩尺模型实验) 。 扬声器试验：在隧道内进行，声源固定，文献【l l 】通过比较声学处珲前后随着 距离声源而变化的声压级，各频段的降噪量大致相同，相当丁- 声音在非线性和线 性管道之问的传播。 单车行驶试验：可以分别测试隧道进行降噪处理前后的噪声水平，由文献【l l 】 知，声学处理后，声压级有显著变化，犹如在空旷空间一样。 典型隧道实测：该方法可对吸声材料的实际降噪效果进行有效的评估，但耗 时费力，实施起来也比较困难。 隧道内吸声模拟中间试验【1 7 】：针对隧道为狭长形的地卜j 空间，因此研究对隧 道内车辆行驶和射流风机运作噪声源的吸声，可利用长弄效应来模拟隧道内设置 吸声材料后的吸声效果情况。使用这种方法能够保证各种设定是合理的，且预测 精度高，但是投资过高，适合做一些研究工作。 模拟中间试验即依据相似性法则的缩尺模型实验，将被测量的原型按一定比 例缩小成模型，声波波长按相同比例缩小，模型中的频率是原型中频率的相应倍 数，即厶型= ，1 名型，栉为比例因子，这就使得模型中声波频率很高。缩尺模型实验 在交通噪声影响评价中应用较广，它是一种近似测量方法，对现实情况的模拟受 到一定条件的制约，例如，在缩尺模型中，采用的声波频率较高，空气吸收对测 量的影响不可以忽略【。 1 3 本文主要研究内容 隧道噪声对车内乘客、司机及检修人员造成严重的影响，更重要的对隧道洞 口附近的居民也造成严重影响，鉴于我国公路隧道噪声预测相关研究还处于探讨 阶段，没有噪声预测标准，本文在分析国内外对长空间声场千专播特性研究的基础 上，给出公路隧道交通预测模式，使之能够适用于我国的实际情况。 论文研究的具体内容如下： ( 1 ) 简要分析公路隧道噪声源及影响因素，为公路隧道内及对洞口外噪声的 两北工业大学石贞士学位论文第章绪论 降低提供理论支持；了解一些学者在公路隧道噪声预测方面的研究，对给出的儿 种噪声预报模式包括房间声学理论模型、虚墙模型、类比预测模型，进行简要介 绍和对比分析； ( 2 ) 在前面分析研究的基础上，根据公路隧道内噪声源类型及曲墙式隧道和 直墙式隧道的具体构造，提出公路隧道洞口外的噪声预报模式，基于虚墙法的理 论，对隧道内多行车道、多种类型车以不同的速度行驶时的隧道洞内噪声进行预 测： ( 3 ) 根据建立的隧道内噪声和洞口外噪声顶测模型，确立影响噪声级的参数， 提出降噪措施，在一些现有的吸声材料和吸声结构中，如超细玻璃棉、膨胀珍珠 岩、泡沫陶瓷、木质纤维等，对其进行数值仿真分析，并结合其物坪特性，选择 适合用于公路隧道降噪的材料，并且满足隧道防火、隔热、防腐等费求的吸户材 料。 1 4 本文特色与创新点 鉴于目前没有统一的公路隧道噪声预测模式的实际，前人做出的一些预测研 究模型较简单，通过数据拟合的方法得出隧道噪声和车流量的回归公式，或通过 房日j 声学与公路交通预测模式结合得出的预测模型，存在一定的理论和应用的局 限性。本文从隧道的结构角度出发，分别考虑曲墙式和直墙式隧道的具体构造， 给出考虑隧道结构的隧道洞口和洞内噪声预测模型，而对于评价等级较高的高速 公路隧道噪声的预测，宣采用类比预测法进行预测。 在隧道噪声的控制方面，借助数值方法进行材料的吸声降噪性能仿真分析， 在技术上较目前的研究水平有一定的提高。 6 西北- 业大学硕士学位论文第一二章公路隧道变通噤卢特性 2 1 引言 第二章公路隧道交通噪声特性 由于多数隧道未做吸声降噪处理，隧道洞内洞外噪声水平都很高。严重影响 洞内司机、乘客以及检修人员的身心健康，影响洞外两侧附近居民的正常牛活与 睡眠。因此，研究公路隧道交通噪声的特十耋，找出噪声源并采取相应的控制措施， 是实际而有效的方法。 2 2 我国公路隧道交通噪声现状 2 2 1 环境噪声标准 我国于1 9 8 2 年半颁布了城市区域环境噪声标准，于1 9 9 3 年重新进行了修 订( g b 3 0 9 6 9 3 ) ，规定了城市各类区域的环境噪声标准，它对有效地控制城市环 境将起到积极的作用。见表2 1 。 表2 1 城市5 类环境噪声标准 ( 注：各类标准的使用区域范围 ( 1 ) o 类标准适用于疗养区、高级别墅区、高级宾馆犀等特别需要安静的医 域。位于城郊和乡村的这一类区域分别按严于o 类标准5 d b 执行。 ( 2 ) i 类标准适用于以居住、文教机关为主的区域。乡村居住环境可参照执 行该类标准。 ( 3 ) 2 类标准适用于居住、商业、工业混杂区。 ( 4 ) 3 类标准适用于工业区。 ( 5 ) 4 类标准适用于城市中的道路交通干线道路两侧区域，穿越城区的内河 西北工业大学硕士学位论文第二章公路隧道交通噪声特性 航道两侧区域。穿越城区的铁路主、次十线两侧区域的背景噪声限制也执行缓类 标准。) 在g b 3 0 9 6 9 3 中对夜间突发噪声专门作了说明，即：夜问突发噪声，典最大值 不准超过标准值1 5 d b 。 其测量方法按g b ，r 1 4 6 2 3 城市区域环境噪声测量方法进行。测量时间上， 铁路交通噪声取1 小时，道路交通噪声取l5 分钟。 文献公路隧道总体设计与分项设计的制约关系分析中给出了不同噪声水 平对工作的干扰状况，见表2 2 所示。 表2 - 2 不同噪声水平对工作干扰状况 噪声水平d b ( a ) 对工作的干扰状况 5 0 5 5 6 0 6 5 4 m 足乒离可以交谈，通电话无困难 2 m 可以对话，4 m 大声讲话，通电话有时i 查| 难 2 m 大声讲话，通电话困难 通电话很困难 2 2 2 道路交通噪声的评价指标 标准中明确规定：道路交通噪声的评价指标为等效连续a 声级( a 等效声级) 上。q ： 硼1 0 9 。击旷。”斑 硼b 瞧训”) 在实际应用中噪声是采样点，当等时间间隔采样时，可写为第二个等式。 式中：，r 2 一测量开始和测量结束时间： 一测量次数； 工 ) 一某一时间内测得的a 声级； 0 ，一某一次测定的a 声级。 2 2 3 隧道噪声污染状况 隧道的兴建对于缓解城市交通压力来讲，确实功不可没，但隧道内巨大的噪音， 也让司机、乘客难以忍受。每条隧道都有噪声，我国多数隧道没有做吸声降噪处 理，当车辆在隧道内行驶时，隧道内形成比开放道路高得多的噪声环境。目前南 京几乎所有的隧道内部装的都是具有装饰效果的防火材料卡索板，这种材 并不 西北工业大学硕士学位论文 第二章公路隧道交通噪声特性 是专业吸声类材料，根本没有吸声功能。是若一辆汽车辐射噪声为8 0 d b ，当隧道 内噪声达到9 0 d b 时，就相当于八辆这样的汽车同时发出的噪声。王明年等川做的 一些隧道噪声监测结果见表2 3 和表2 _ 4 所示。 由表2 3 和2 4 可以看出，洞外与洞内相比，噪声状况有一定的降低，但洞外 噪声和洞内噪声都远远超过了城市区域环境噪声标准中昼间7 0 d b 、夜间5 5 d b 的规定值。此外，我国的宝林山隧道、金鸡山隧道也有高达8 5 d b ( a ) 以上的噪声污 染【2 1 。”。 表2 ，3 洞外噪声，d b ( a ) 表2 4 隧道内各种情况噪声脚( a ) 2 3 公路隧道交通噪声的来源及影响因素分析 2 3 1 公路隧道交通噪声的来源 形成隧道内噪声的来源多种多样，主要是交通噪声和射流j ) ( l 机噪声。由表2 4 可见，通风机的噪声范围约7 5 8 ld b ( a ) 。风机关闭和风机与交通流叠加的噪声相 差不大，说明交通噪声是隧道内的主要噪声源。就汽车行驶叫产生的噪声而言， 有轮胎路面噪声、发动机噪声、进排气系统噪声等。不同性质的噪声，其产生的 机理各不相同，在大多数情况下，这些机理是同时存在的，只是形成噪声能量的 大小和总噪声的贡献主次不同。 ( 1 ) 通风机噪声 为冲淡污染空气，保障交通的流畅，使汽车按设计车速通过隧道，隧道内的 通风设计是隧道建设中的重要而且棘手的环节，丽由通风机产生的噪声也成了隧 9 曲北1 业大学硕士学位论文 第一二章公路隧道交通噪山特性 道内噪声的重要来源。 综观世界公路隧道，通风方式基本有全横向式、半横向式、纵向式以及多种 组合型通风方式。由于全横向和半横向式通风系统工程造价和运营费较高，向纵 向通风由于系统简单，造价和运营费较低，节省投资通风效果好而破广泛采_ j ， 但其缺点就是噪声源分散，射流风机直接悬挂在车道顶板下，隧道内噪声较大。 例如，采用诱导型射流风机纵向通风方式的广州珠江隧道内平均噪声值为 9 4 d b ( a ) ，隧道洞外光过渡段口部平均噪声值为8 7 d b ( a ) ，而采用全横向通风方式 的延安东路隧道内部噪声比珠江隧道低4 6 d b ( a ) 左右，光过渡段口部比珠汀隧道 低7 d b f a ) 左右”“。 ( 2 ) 发动机噪声 轮胎 进气系统 发动机 图2 1 汽车噪声源 汽车在加速状态下的噪声源对噪声的贡献大小如图2 一l 所示【”】。发动机噪声 是汽车的主要噪声源。在我国，小轿车车外加速噪声中，发动机噪声约占5 5 i 大、中型汽车车外加速噪声中，发动机噪声约占6 5 。发动机进气噪声是指发动 机表面辐射噪声。负荷对发动机噪声有一定的影响，进气噪声通常可高出发动机 噪声5 d b ，主要频率范围在5 0 0 1 0 0 0 0 h z 。排气噪声是机动车辆最丰要的噪声源， 要比发动机表面辐射噪声高1 0 之o d b 。 表2 5 各种机动车辆噪声级 序号车辆类型 噪声级d b ( a ) 大型柴油载重卡车 汽油机卡车 柴油机公共汽车 汽油机公共汽卞 摩托车 无轨电车 1 0 9 2 l o o 8 2 8 6 9 0 9 6 8 0 8 6 8 8 s 9 7 6 9 0 西北工业大学硕士学位论文第二章公路隧道交通噪_ 山牛十性 7 8 轻型汽车 轻便摩托车 7 5 8 5 8 4 1 0 2 除排气噪声外，在解决排气噪声时采用的消声器壳体常常因振动而产生很强的 再生嗓声，在一定的条件下这种再生噪声也可以成为主要嗓声源鸭“。 文献公路隧道总体设计与分项设计的制约关系中给出了各种机动车辆的噪 声级，见表2 5 。 ( 3 ) 轮胎路面噪声 轮胎噪声主要是由轮胎与道路相互作用而产生。轮胎在各种速度下及各种道路 表面上运行，其噪声频带非常宽，在8 0 4 0 0 0 h z o1 5 0 0 h z 以下的噪声占多数，月， 主要集中在l o o o h z 附近。其中胎面是影响轮胎噪声大小的最重耍因素，纵向花纹 轮胎的噪声比横向花纹噪声小【2 6 1 。 图2 - 2 轮胎的空气泵吸效应 轮胎滚动时，轮胎花纹块与路面之间形成若干个小窄腔。轮胎接触地面时，小 空腔中空气受到压缩容积减少，并将腔内空气突然向外喷射；当胎面离丌地面b j ， 腔内容积恢复，而形成一定的真空度，空气被吸入，这种胎面元素问的空气不连 续流造成了压力波动，发出声音，这两个过程就是轮胎的空气泵吸效应。如图2 2 所示田】。 空气泵吸噪声的声压级近似为： 工，= 6 8 5 + 2 0 l g f 讲z + l o l g 加j + 2 0 i g 矿+ 4 0 l g 疗l 一2 0 l g ， ( 2 2 ) 式中：口花纹沟槽的宽： d 花纹沟槽的深； z 一花纹沟槽的周向长度； f - 花纹沟槽的轴向槽数； 甄一轮胎转速； 矿轮胎变形使沟槽体积的变化量： r 声源的距离。 从公式( 2 2 ) 可看出：轮胎转速对空气泵吸噪声的影响相当明显，对于给定 的汽车轮胎，轮胎转速越大，空气泵吸噪声越高。空气泵吸噪声频率主要在10 0 0 h z 西北1 业大学硕士学位论文第二章公路隧道变通噪声特性 以上。 其次，轮胎滚动时，不规则的路面撞击胎面g i 起振动造成声辐射，滚动时轮 胎的不均匀性产生自激振而辐射噪声。噪声频率多在5 0 0 h z 以下。同时在轮胎旋 转和平动时引起轮胎与路面之间形成楔形喇叭口，可以放大上述轮胎噪声。般 汽车行驶速度增加l o 倍时，轮胎噪声上升3 0 d b ( a ) 左右，它们之间的关系可用下 列经验公式表示： 档( 彳) = 彳l g 矿+ 占 ( 2 3 ) 式中：爿系数，一般取3 0 4 0 ： 矿一车速，t 所，矗： b 常数。 路面状况对轮胎噪声的影响见表2 6 。路面的粗糙度和潮湿程度对轮胎噪声也 有影响。资料表明，由于路面粗糙度不同所引起的轮胎噪声变化程度约7 d b ( a ) ， 在有水的潮湿路面上运行时，轮胎产生的l o o o 以上的高频噪声大大增加，湿路 面比干路面的噪声大l o d b ( a ) 左右。因此，隧道内终年较潮湿的环境是隧道内噪声 较高的因素之一。 表2 6 路面状况对轮胎噪声的影响 路面状况 噪声级d b ( a ) 光滑混凝土路面 光滑柏油路面 磨损混凝土路( 露出颗粒) 粗糙混凝土路 7 0 7 2 7 2 7 8 由于隧道内的气候环境较差，温差小、湿度大。对轮胎噪声也有一定影响，凶 为路面和轮胎材料的性能明显地受环境温度的影响。一般地，温度升高，噪声下 降。其关系如下： 三( r ) = 占+ 彳x ( l ) q ( 2 4 ) 其中： 为热力学温度； 式中：r 一路面沥青温度； 上( r ) - 相对声压级 和口两个常数。 l = 2 7 3 1 5 十r ( 2 5 ) 1 2 西北工业大学硕士学位论文第一二章公路隧道变通噪卢特性 2 3 2 隧道噪声影响因子分析 影响隧道噪声强弱的因素有车辆构成种类、车流量、行牟速度、路面结构、 路堤高度、车辆鸣笛、隧道内墙壁吸声系数等。 ( 1 ) 车辆构成种类及车速 在交通噪声计算中，通常将车辆分成三种类型，即大、中、小三类。根据我国 对车辆的分类，大型车包括载重量大于3 5 l 的各类载重汽车，中型车包括载重量 小于3 5 t 的载重汽车及各类公共汽车，小型车包括小型面包车和各类轿车。各类 型车辆单车辐射能量级和车速之间的关系已有专题研究【2 8 1 得到了确定 厶o = 3 8 1 培s 小一2 4 k 0 2 3 3 9 l g 砩+ 1 6 4 ( 2 6 ) - 三太o = 2 4 6 l g 跌+ 3 8 5 式中：s 十、s + 、s 分别代表三种类型车辆的车速，公式中没有考虑减噪路面所产 生的效果。 如图2 3 所示，图中曲线表示大、中、小三种类型的车辆，车速分别为 4 0 “0 m 、4 0 8 0 意聊 和8 0 1 2 0 m 时的噪声值的变化。由图可看卅：一般 来讲，对每种类型的车，都有噪声随车速的增大而增大，同样的行驶速度下，大 型车噪声最大，中型车次之，小型车最小。 鼍 咖 栏 菸 骤 霸 * 排 瓣 车速，k m h 图2 3 噪声随车速的变化 选取一些国外车辆行驶产生的噪声级的测量数据【2 9 ) ，南罔2 4 口，看出车辆噪 西北工业大学硕士学位论文 第二章公路隧道变通噪声牛十性 声级随车速和车型的不同而变化。 频率，h z 图2 4 水泥沥青路【l ；l | 上小型车的噪声功率 图2 4 为小型车以不同速度在水泥路路面行驶时产生的噪声功率级，横坐标为 频率，纵坐标为声功率级，图中曲线为不同行车速度下小型车在沥青路面上行驶 产生的噪声功率级，车速单位：t 研厅。由图可见：车辆噪声级的大小随车速的增 加而增加，车速较低时，噪声中主要成分为低频噪声。丌1 】随着车速的增加，中高 频噪声变得明显，主要噪声住1 2 h z 附近。 图2 5 为不同类型的车以相同的车速在水泥沥青路面卜| 行驶时的噪声功率级， 图中曲线分别代表大、中、小三种类型车的噪声级。由图可看出：大、中、小三 种类型的车以相同车速行驶在同种路面时，大型车产生的噪声级最高，影响最为 严重。 由前面的分析知：当行驶车辆中大牟所占比例大，以及牟辆作加减速运动变化 较多时，噪声水平较高。此外，如果隧道内有车辆鸣笛，噪声水平势必也相应提 高，一般的喇叭声超出车辆行驶声约高达1 5 2 0 d b a ) 【3 “，在隧道内行驶的4 二辆应 禁j e 鸣笛。 西北工业大学硕士学位论文第二章公路隧道交通噪声特性 鼍 槲 嚣 札 r 骚 忆 2 i i 图2 5 不同类型车辆在同种路面上的噪声功率 车流量v h 图2 6 噪声随车流量的变化 ( 2 ) 车流量 陈延训“蛤出了隧道内外交通噪声级( 工。) 和车流量( 【，) 之间的回归关系 k 自= 5 1 1 + 1 7 5 l g 硎甄爿) 1 5 ( 2 7 一a ) 西北上业大学硕士学位论文第二章公路隧道交通噪 特性 。井= 3 3 ，6 + 1 8 8 嘧蚴( 爿) ( 2 7 一b ) 公式( 2 7 - a ) 和公式( 2 7 - b ) 是通过剥特足隧道进行人量的现场凋鱼和进j j 噪声测量，通过数学统计方法，得出的交通噪声级随车流量变化的回归方程，这 种预测虽然普遍意义较差，但具有定的可信度。 如图2 6 所示，横坐标为车流量，纵坐标为噪声级。实线为洞内噪声，虚线为 洞外噪声。可以看出，噪声级随车流量的增加而增加，且隧道内噪声高于隧道洞 外噪声。 ( 3 ) 路面结构的影响【5 ) 1 1 轮胎与路面的摩擦噪声与路面的种类有关。相同条件下，混凝土路面较沥青混 凝土路面高2 d b ( a ) ，较碎石路面高4 d b 。降低路面引起的噪声，就要采川低噪音 路面。 据我国交通部公路司2 0 0 2 年统计资料，我国水泥路面和沥青路面两种高级路 面的建成总里程2 8 8 6 万千米，其中水泥路面1 6 7 5 万千米，山5 8 。水泥路面在 高速公路上大约占2 5 ，二级国道上约占6 7 。 目前，国内外研究比较成熟，具有降噪功能的沥青低噪音路面有：排水路匮、 阻尼路面、多孔弹性路面等。使用较多的是大空隙排水型路面，路面的空隙率超 过2 0 ，噪音可降低2 4 d b 。但由于这种路面强度不高且耐久十牛较差，我国道路 超载现象比较严重，故使用较少。汽车的加减速对噪声影响较大，相当路面坡度 较大( f 5 ) 时，大车上坡时的噪声明显增人。 我国环境保护行业标准中给出了针对不同的坡度，卡车上坡时的噪声修正 值，见表2 7 。 表2 ，7 卡车上坡修正 坡度( )修正值( d b a ) 2 3 4 5 “ 7 ( 4 ) 隧道内壁吸声系数的影响 隧道内壁的吸声系数是影响隧道内噪声的重要参数，目前，我国大多数隧道内 未采取降噪措施，而隧道内墙常为混凝土、瓷砖、石材之类的硬质材料，吸，# 系 数很小，反射声形成的混响声持久不能消失，以致使车辆行驶在隧道内时，比在 开阔的公路上行驶时形成的噪声大得多。而对于断面形状为半圆拱形的隧道，位 西北工业大学硕士学位论文第二章公路隧道交通噪声特性 于隧道中心线左右的声源发出的声波在隧道顶部凹面反射后形成声聚焦现象1 2 ”， 引起很强的声波叠加。 声波入射到材料表面时，若入射的声能为e l ，被吸收的声能为e 2 ，则这两个 声能之比，称为吸声系数口，即： a = 岛，巨 ( 2 8 ) 许多未作降噪处理的隧道路面、洞壁、和洞项均为较光滑的水泥面，吸声系 数a 在o 1 卸1 5 之间，隧道墙壁对声波的吸收作用很小，足造成洞内噪声污染的 一个重要原因。吸声系数越大，吸声性能越好，隧道内噪声水平越低。一般来说， 改善隧道内的吸声系数是隧道噪声降低的最主要因素。 2 4 本章小结 本章分析研究了公路隧道内噪声的形成机理，确定了各类噪户源的类型，各利- 影响因素对隧道交通噪声的贡献大小，包括发动机噪声，轮胎噪声，隧道内擘材 料的吸声性能，路面的粗糙程度及吸声性能，车流量的大小，车辆构成科一类，车 速的大小等。为进一步预测隧道噪声提供了依据。 t 7 西北工业大学硕士学位论文第三章公路隧道交通噪声常用预删模型 3 1 引言 第三章公路隧道交通噪声常用预测模型 在公路隧道交通噪声的预测方面前人做过一些研究。并给出了一螳隧道内噪 声的简单预测模型。下面分别简要介绍和比较房间声学坪沦模犁，皋十虚墙的 预测模型p 2 】和隧道交通噪声的类比预测法【1 6 】。 3 2 房间声学理论模型 房间声学模型假设：般公路隧道内车辆是双车道通行，并且车辆噪声辐射表 面具有一定高度，由于隧道内噪声分布的对称性，将公路交通噪声视为车辆是位 于隧道中心线上的线声源，并且一般公路隧道较长，所以在隧道轴线方向的声场 分布均匀。 于是隧道内噪声可看作如图3 一l 所示的隧道横断面内的二维平面声场。 图3 1 隧道横断面 模型的建立基于房间声学理论l ，将公路隧道内噪声看作足扩散声场，扩敏 声场的定义为： ( 1 ) 声以声线方式以声速吒直线传播 率相同； ( 2 ) 各声线互不相千，声线在叠加时 ( 3 ) 室内声能密度处处相同。 3 2 1 公路隧道内噪声预测模式 声线所携带的声能向各方向的传递儿 它们的相位变化是无规的 一般室内声场可看作直达声与混响声的叠加，对于室内的无指向性声源，设