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现代城市公共设施噪声治理论述
作者:管理员    发布于:2016-08-29 16:06:57    文字:【】【】【

    中铁第四勘察设计院集团有限公司(王卫东)


香港新光国际有限公司  (梁志坚、阙秀明)


摘               要


隧道型公共设施的声环境,可以使用大量具有高吸声系数的吸声构造,铺设于隧道拱壁及轨道铺面,以降低混响时间及噪声。在本文中以香港新光公司在湖南省常张高速公路关口哑隧道吸声安装工程为例,在铺设吸声构造后,其混响时间在装吸声构造后在各1/3倍频带约减少64% ~ 84%,预估降噪量则为4.7 ~ 8.5 dB 之间,在200 Hz ~ 800 Hz 之间,降噪量则有7.1 ~ 8.5 dB之间,降噪效果显著。如以实际公路噪声特性预估,降噪量约有6.3 dB(A),SIL (speech interference level)则有6.6 dB改善效果。


关键词:隧道噪声,混响时间,吸声构造,隧道降噪预估



1. 前言


能源危机、环境污染、自然资源耗竭状况下提出来的可持续发展,现今已成为全球各国发展的指导思想和共同行动纲领。21世纪社会经济的持续发展也迫切地要求对环境的保护及合理利用进行研究,噪声治理在其中就是一项重要的研究课题。无论是欧美发达国家还是港台地区,都将噪声治理作为市政建设的重点项目,为促进社会文明进步,作出符合公众利益的长远规划。目前,我国也越来越重视城市中的噪声治理了。

2.噪声的危害

现今的城市中,噪声可谓是无孔不入.近年来城市机动车辆的剧增,已成为城市的主要噪声源。据统计,交通噪声在上海的噪声污染中占据很大比重,据市环保局的噪声专家介绍:目前上海近100万的沿街居民受到交通噪声污染。在北京市,有关环境污染的投诉中,噪声扰民的已占到65%;在广州机动车辆目前已达到130万辆,道路基础设施相对滞后,近50万人生活在高噪声(61—71分贝)环 境中。

有关专家指出,噪声治理最终要依法解决。我国“十五”期间将加强环保建设,力争使所有重点城市的噪声质量全部按功能区达标。此外,全国还将建成一批环境保护模范城市。对于交通干道可采用隔音屏障。我国目前多数采用金属复合结构吸声板,而目前国外常驻机构用公共设施降噪的手段为使用隔音材料、吸音材料、隔音吸音组合材料,而最普遍使用的是隔声、吸音综合性能较好的土建多孔吸音材料。例如,在欧洲高速公路两边,为减少噪音,就用此类材料组成不同花色隔声屏障。这样不但使噪音减少,而且使得沿线公路成就了一道异常亮丽的风景线,他们也都采用隔声屏障,这样既减少了噪音,又美化了环境。


3.噪声治理的情况

为了防止噪音,我国著名声学家马大猷教授曾总结和研究了国内外现有各类噪音的危害和标准,提出了三条建议:

① 为了保护人们的听力和身体健康,噪音的允许值在75~90分贝。

②保障交谈和通讯联络,环境噪音的允许值在45~60分贝。

② 对于睡眠时间建议在35~50分贝。

中国心理学界认为,控制噪音环境,除了考虑人的因素之外,还须兼顾经济和技术上的可行性。充分的噪音控制,必须考虑噪声源、传音途径、受音者所组成的整个系统。控制噪音的措施可以针对上述三个部分或其中任何一个部分。噪音控制的内容包括:

① 控制噪声源。降低声源噪音,工业、交通运输业可以选用低噪音的生产设备和改进生产工艺,或者改变噪声源的运动方式(如用阻尼、隔振等措施降低固体发声体的振动)。

② 阻断噪声传播。在传音途径上降低噪音,控制噪音的传播,改变声源已经发出的噪音传播途径,如采用吸音、隔音、音屏障、隔振等措施,以及合理规划城市和建筑布局等。

③在人耳处减弱噪声。受音者或受音器官的噪音防护,在声源和传播途径上无法采取措施,或采取的声学措施仍不能达到预期效果时,就需要对受音者或受音器官采取防护措施,噪音控制在技术上虽然现在已经成熟,但由于现代工业、交通运输业规模很大,要采取噪音控制的企业和场所为数甚多,因此在防止噪音问题上,必须从技术、经济和效果等方面进行综合权衡。


4.基建设施产生的噪声危害

铁路隧道、山下隧道、地下隧道、城市地底立交或跨海过江隧道等隧道型设施﹐它们的共同特色之一是其周围环境多为水泥壁衬砌而成,属于刚性声学材料,极易将声音反射,特别是对于低频率声音频带在隧道中容易形成极长的混响时间。混响时间增加,除了会导致隧道内噪声增加,也容易对身体易产生共鸣造成生理影响,也容易增加用路人心里压力与产生烦躁现象。此外,混响时间过长对于人耳听觉也易产生遮蔽效应,干扰听力导致误判隧道内声音信息。 交通噪声:主要指的是机动车辆、飞机、火车和轮船等交通工具在运行时发出的噪声。这些噪声的噪声源是流动的,干扰范围大。

改善隧道型公共设施的声环境,最适当的降噪方法之一就是铺设大量且具有高吸声系数的吸声构造于隧道拱壁或是轨道铺面以降低隧道内的混响时间及降低噪声量。为了有最佳的降噪效果与最适成本,噪声材料的吸声系数频率特性,必须参考噪声源的频率特性来选用。在选用隧道内的吸声构造,除了须具有上述优良的声学特性,此外也必须考虑到吸声构造须具有高度的防火特性及对周遭环境的友善功能。

在本论文中,针对湖南省常张高速公路关口隧道,在铺设吸声构造后的降噪结果进行了研究。除了在隧道拱壁铺设吸声构造前后的混响时间进行现场检测,并预估铺设吸声构造后隧道内的降噪量及言语交谈背景噪声(speech interference level)改善成效。


5. 专业轨道隧道降噪理论预估



如前所述,隧道型公共设施内部表面多为刚性表面,隧道内的混响时间极长,形成一混响声场。对一隧道混响声场,其降噪量NR(noise reduction)估算可以使用以下方式[1]:

NR=Lp1-Lp2=10 log (RT2/RT1) (1)

此處:

RT:室內常數(room constant),Sa/(1-a)

S:室內表面積

a:平均沙賓(Sabine)吸聲係數

Lp1:裝吸聲構造前噪聲級

Lp2:裝吸聲構造後噪聲級


其中平均沙賓吸聲係數a,可以由现场量測的混響時間,以下式計算得到

a=(55.26V)/(cST) (2)

此處

T:混響時間

V:室內體積

c:聲音速度


6.案例:高速公路隧道混响时间量测及降噪量预估



湖南省常张高速公路关口隧道的北隧道,于2005年下半年进行了吸声装饰墙工程。本隧道长度为715m,截面半径约为550cm,高度710cm,使用了具有高度吸声能力的CEMCOM颗粒性吸声构造,吸声构造的厚度为8 cm,铺设在拱壁的高度为350 cm,其铺设位置示意图,如图1所示。厚度8 cm的CEMCOM吸声构造在混响室的吸声系数请参考表1,在频率400 Hz以上,混响吸声系数皆大于0.80,在频率1250 Hz以上,混响吸声系数皆大于0.90。

隧道混响时间现场检测位置分布,如图2所示,总计有5个测点位置,成一直线,每个测点相距约8 m。此5个测点位置在装吸声构造前后的混响时间检测结果分别如表1及图3所示。基本上,在装吸声构造后的混响时间皆有明显的降低,混响时间减少约64%~84%之间。装吸声构造后的预估降噪量在每一个频带为4.7~8.5 dB 之间,特别是在200 Hz ~ 800 Hz 之间,降噪量在7.1 ~ 8.5 dB之间,降噪效果显著。

为了预估可能的公路噪声在隧道内的降噪量,使用了平均车速在60 km/hr的公路噪声频谱来预估,如图4,此一公路噪声频谱最大值在1000 Hz频带,属于以小型车为主的噪声。经计算后,此一隧道内在全频域(20Hz~20kHz)的降噪量预估值为 6.3 dB(A),如图4。另外为了评估在装吸声构造后对言语交谈影响的改善成效,使用了SIL ( speech interference level )评估指标[2]。SIL指标是使用在500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz 及 4000 Hz的平均声压级,


SIL=(L500+L1000+L2000+L4000)/4  dB


在使用图4的公路噪声频谱为计算基础,SIL的改善成效为6.6 dB。


结论


城市轨道交通车辆在运营中不可避免地会产生噪声,车辆内部的噪声会直接影响着乘客乘坐的舒适性,噪声达到一定的强度会对工作人员、乘客等造成损害。持续不间断的高噪声会给人体带来压力感、疲劳感,甚至造成损伤神经、听力等不可挽回的后果。

吸声材料(结构)的吸声机理主要是:首先是粘滞性和内摩擦的作用,由于声波传播时,质点振动速度各处不同,存在着速度梯度,使相邻质点间产生相互作用的粘滞力或内摩擦力。其次是热传导效应,由于声波传播时媒质质点疏密程度各处不同,因而媒质温度也各处不同,存在着温度梯度,从而相邻质点间产生了热量传递,使声能不断转化为热能。声音是一种能量形式,只有它主动进入耗散的媒质,也即只有当声音通过微孔传到吸声材料内部时,才能起吸收作用。

在城市轨道隧道内构造由于属于声学刚性材料,容易造成高混响时间,在依据既有隧道内的噪声频谱特性,使用最佳化的高度吸声系数的吸声构造应可以有效降低隧道内混响时间,其降噪效果应可以达到7 dB(A)以上。


参考数据︰

[1] Noise and Vibration Control Engineering, Principles and Applications, edited by Leo L. Beranek and Istvan L Ver , 1992.

[2] ISO/TR 3352 Acoustics-Assessment of Noise with Respect to its Effect on the Intelligibility of Speech.



表1隧道吸声装饰墙工程混响时间检测结果及降噪量预估





图1 湖南省常张高速公路关口隧道断面图及吸声构造安装位置




图2 混响时间检测位置示意图



图3  湖南省常张高速公路关口隧道吸声装饰墙工程混响时间频率特性曲线




图4 实际公路噪声预估降噪量



吸声材料(结构)的吸声机理主要是:首先是粘滞性和内摩擦的作用,由于声波传播时,质点振动速度各处不同,存在着速度梯度,使相邻质点间产生相互作用的粘滞力或内摩擦力。对质点运动起阻碍作用,从而使声能不断转化为热能。其次是热传导效应,由于声波传播时媒质质点疏密程度各处不同,因而媒质温度也各处不同,存在着温度梯度,从而相邻质点间产生了热量传递,使声能不断转化为热能。以上表面,吸声与大多数其他“吸收”不同,吸声材料不能把声音从空气中“吸”出来,声音是一种能量形式,只有它主动进入耗散的媒质,也即只有当声音通过微孔传到吸声材料内部时,才能起吸收作用。


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