中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司（王衛(wèi)東）

香港新光國(guó)際有限公司  (梁志堅(jiān)、闕秀明)

摘               要

隧道型公共設(shè)施的聲環(huán)境，可以使用大量具有高吸聲系數(shù)的吸聲構(gòu)造，鋪設(shè)于隧道拱壁及軌道鋪面，以降低混響時(shí)間及噪聲。在本文中以香港新光公司在湖南省常張高速公路關(guān)口啞隧道吸聲安裝工程為例，在鋪設(shè)吸聲構(gòu)造后，其混響時(shí)間在裝吸聲構(gòu)造后在各1/3倍頻帶約減少64% ~ 84%，預(yù)估降噪量則為4.7 ~ 8.5 dB 之間，在200 Hz ~ 800 Hz 之間，降噪量則有7.1 ~ 8.5 dB之間，降噪效果顯著。如以實(shí)際公路噪聲特性預(yù)估，降噪量約有6.3 dB(A)，SIL (speech interference level)則有6.6 dB改善效果。

關(guān)鍵詞：隧道噪聲，混響時(shí)間，吸聲構(gòu)造，隧道降噪預(yù)估

1. 前言

能源危機(jī)、環(huán)境污染、自然資源耗竭狀況下提出來(lái)的可持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)今已成為全球各國(guó)發(fā)展的指導(dǎo)思想和共同行動(dòng)綱領(lǐng)。21世紀(jì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展也迫切地要求對(duì)環(huán)境的保護(hù)及合理利用進(jìn)行研究，噪聲治理在其中就是一項(xiàng)重要的研究課題。無(wú)論是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家還是港臺(tái)地區(qū)，都將噪聲治理作為市政建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目，為促進(jìn)社會(huì)文明進(jìn)步，作出符合公眾利益的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。目前，我國(guó)也越來(lái)越重視城市中的噪聲治理了。

2．噪聲的危害

現(xiàn)今的城市中，噪聲可謂是無(wú)孔不入.近年來(lái)城市機(jī)動(dòng)車輛的劇增，已成為城市的主要噪聲源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，交通噪聲在上海的噪聲污染中占據(jù)很大比重，據(jù)市環(huán)保局的噪聲專家介紹：目前上海近100萬(wàn)的沿街居民受到交通噪聲污染。在北京市，有關(guān)環(huán)境污染的投訴中，噪聲擾民的已占到65%；在廣州機(jī)動(dòng)車輛目前已達(dá)到130萬(wàn)輛，道路基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)滯后，近50萬(wàn)人生活在高噪聲（61—71分貝）環(huán) 境中。

有關(guān)專家指出，噪聲治理最終要依法解決。我國(guó)“十五”期間將加強(qiáng)環(huán)保建設(shè)，力爭(zhēng)使所有重點(diǎn)城市的噪聲質(zhì)量全部按功能區(qū)達(dá)標(biāo)。此外，全國(guó)還將建成一批環(huán)境保護(hù)模范城市。對(duì)于交通干道可采用隔音屏障。我國(guó)目前多數(shù)采用金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)吸聲板，而目前國(guó)外常駐機(jī)構(gòu)用公共設(shè)施降噪的手段為使用隔音材料、吸音材料、隔音吸音組合材料，而最普遍使用的是隔聲、吸音綜合性能較好的土建多孔吸音材料。例如，在歐洲高速公路兩邊，為減少噪音，就用此類材料組成不同花色隔聲屏障。這樣不但使噪音減少，而且使得沿線公路成就了一道異常亮麗的風(fēng)景線，他們也都采用隔聲屏障，這樣既減少了噪音，又美化了環(huán)境。

3．噪聲治理的情況

為了防止噪音，我國(guó)著名聲學(xué)家馬大猷教授曾總結(jié)和研究了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有各類噪音的危害和標(biāo)準(zhǔn)，提出了三條建議：

① 為了保護(hù)人們的聽(tīng)力和身體健康，噪音的允許值在75~90分貝。

②保障交談和通訊聯(lián)絡(luò)，環(huán)境噪音的允許值在45~60分貝。

② 對(duì)于睡眠時(shí)間建議在35~50分貝。

中國(guó)心理學(xué)界認(rèn)為，控制噪音環(huán)境，除了考慮人的因素之外，還須兼顧經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的可行性。充分的噪音控制，必須考慮噪聲源、傳音途徑、受音者所組成的整個(gè)系統(tǒng)。控制噪音的措施可以針對(duì)上述三個(gè)部分或其中任何一個(gè)部分。噪音控制的內(nèi)容包括：

① 控制噪聲源。降低聲源噪音，工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)可以選用低噪音的生產(chǎn)設(shè)備和改進(jìn)生產(chǎn)工藝，或者改變?cè)肼曉吹倪\(yùn)動(dòng)方式（如用阻尼、隔振等措施降低固體發(fā)聲體的振動(dòng)）。

② 阻斷噪聲傳播。在傳音途徑上降低噪音，控制噪音的傳播，改變聲源已經(jīng)發(fā)出的噪音傳播途徑，如采用吸音、隔音、音屏障、隔振等措施，以及合理規(guī)劃城市和建筑布局等。

③在人耳處減弱噪聲。受音者或受音器官的噪音防護(hù)，在聲源和傳播途徑上無(wú)法采取措施，或采取的聲學(xué)措施仍不能達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，就需要對(duì)受音者或受音器官采取防護(hù)措施，噪音控制在技術(shù)上雖然現(xiàn)在已經(jīng)成熟，但由于現(xiàn)代工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)規(guī)模很大，要采取噪音控制的企業(yè)和場(chǎng)所為數(shù)甚多，因此在防止噪音問(wèn)題上，必須從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和效果等方面進(jìn)行綜合權(quán)衡。

4．基建設(shè)施產(chǎn)生的噪聲危害

鐵路隧道、山下隧道、地下隧道、城市地底立交或跨海過(guò)江隧道等隧道型設(shè)施﹐它們的共同特色之一是其周圍環(huán)境多為水泥壁襯砌而成，屬于剛性聲學(xué)材料，極易將聲音反射，特別是對(duì)于低頻率聲音頻帶在隧道中容易形成極長(zhǎng)的混響時(shí)間。混響時(shí)間增加，除了會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)噪聲增加，也容易對(duì)身體易產(chǎn)生共鳴造成生理影響，也容易增加用路人心里壓力與產(chǎn)生煩躁現(xiàn)象。此外，混響時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)于人耳聽(tīng)覺(jué)也易產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，干擾聽(tīng)力導(dǎo)致誤判隧道內(nèi)聲音信息。 交通噪聲:主要指的是機(jī)動(dòng)車輛、飛機(jī)、火車和輪船等交通工具在運(yùn)行時(shí)發(fā)出的噪聲。這些噪聲的噪聲源是流動(dòng)的，干擾范圍大。

改善隧道型公共設(shè)施的聲環(huán)境，最適當(dāng)?shù)慕翟敕椒ㄖ痪褪卿佋O(shè)大量且具有高吸聲系數(shù)的吸聲構(gòu)造于隧道拱壁或是軌道鋪面以降低隧道內(nèi)的混響時(shí)間及降低噪聲量。為了有最佳的降噪效果與最適成本，噪聲材料的吸聲系數(shù)頻率特性，必須參考噪聲源的頻率特性來(lái)選用。在選用隧道內(nèi)的吸聲構(gòu)造，除了須具有上述優(yōu)良的聲學(xué)特性，此外也必須考慮到吸聲構(gòu)造須具有高度的防火特性及對(duì)周遭環(huán)境的友善功能。

在本論文中，針對(duì)湖南省常張高速公路關(guān)口隧道，在鋪設(shè)吸聲構(gòu)造后的降噪結(jié)果進(jìn)行了研究。除了在隧道拱壁鋪設(shè)吸聲構(gòu)造前后的混響時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，并預(yù)估鋪設(shè)吸聲構(gòu)造后隧道內(nèi)的降噪量及言語(yǔ)交談背景噪聲(speech interference level)改善成效。

5. 專業(yè)軌道隧道降噪理論預(yù)估

如前所述，隧道型公共設(shè)施內(nèi)部表面多為剛性表面，隧道內(nèi)的混響時(shí)間極長(zhǎng)，形成一混響聲場(chǎng)。對(duì)一隧道混響聲場(chǎng)，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(nèi)常數(shù)(room constant)，Sa/(1-a)

S:室內(nèi)表面積

a：平均沙賓(Sabine)吸聲係數(shù)

Lp1:裝吸聲構(gòu)造前噪聲級(jí)

Lp2:裝吸聲構(gòu)造後噪聲級(jí)

其中平均沙賓吸聲係數(shù)a，可以由現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的混響時(shí)間，以下式計(jì)算得到

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

此處

T:混響時(shí)間

V:室內(nèi)體積

c:聲音速度

6.案例：高速公路隧道混響時(shí)間量測(cè)及降噪量預(yù)估

湖南省常張高速公路關(guān)口隧道的北隧道，于2005年下半年進(jìn)行了吸聲裝飾墻工程。本隧道長(zhǎng)度為715m，截面半徑約為550cm，高度710cm，使用了具有高度吸聲能力的CEMCOM顆粒性吸聲構(gòu)造，吸聲構(gòu)造的厚度為8 cm，鋪設(shè)在拱壁的高度為350 cm，其鋪設(shè)位置示意圖，如圖1所示。厚度8 cm的CEMCOM吸聲構(gòu)造在混響室的吸聲系數(shù)請(qǐng)參考表1，在頻率400 Hz以上，混響吸聲系數(shù)皆大于0.80，在頻率1250 Hz以上，混響吸聲系數(shù)皆大于0.90。

隧道混響時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)位置分布，如圖2所示，總計(jì)有5個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，成一直線，每個(gè)測(cè)點(diǎn)相距約8 m。此5個(gè)測(cè)點(diǎn)位置在裝吸聲構(gòu)造前后的混響時(shí)間檢測(cè)結(jié)果分別如表1及圖3所示?；旧?，在裝吸聲構(gòu)造后的混響時(shí)間皆有明顯的降低，混響時(shí)間減少約64%~84%之間。裝吸聲構(gòu)造后的預(yù)估降噪量在每一個(gè)頻帶為4.7~8.5 dB 之間，特別是在200 Hz ~ 800 Hz 之間，降噪量在7.1 ~ 8.5 dB之間，降噪效果顯著。

為了預(yù)估可能的公路噪聲在隧道內(nèi)的降噪量，使用了平均車速在60 km/hr的公路噪聲頻譜來(lái)預(yù)估，如圖4，此一公路噪聲頻譜最大值在1000 Hz頻帶，屬于以小型車為主的噪聲。經(jīng)計(jì)算后，此一隧道內(nèi)在全頻域(20Hz~20kHz)的降噪量預(yù)估值為 6.3 dB(A)，如圖4。另外為了評(píng)估在裝吸聲構(gòu)造后對(duì)言語(yǔ)交談?dòng)绊懙母纳瞥尚?，使用了SIL ( speech interference level )評(píng)估指標(biāo)[2]。SIL指標(biāo)是使用在500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz 及 4000 Hz的平均聲壓級(jí)，

SIL＝(L500＋L1000＋L2000＋L4000)/4  dB

在使用圖4的公路噪聲頻譜為計(jì)算基礎(chǔ)，SIL的改善成效為6.6 dB。

結(jié)論

城市軌道交通車輛在運(yùn)營(yíng)中不可避免地會(huì)產(chǎn)生噪聲，車輛內(nèi)部的噪聲會(huì)直接影響著乘客乘坐的舒適性，噪聲達(dá)到一定的強(qiáng)度會(huì)對(duì)工作人員、乘客等造成損害。持續(xù)不間斷的高噪聲會(huì)給人體帶來(lái)壓力感、疲勞感，甚至造成損傷神經(jīng)、聽(tīng)力等不可挽回的后果。

吸聲材料（結(jié)構(gòu)）的吸聲機(jī)理主要是：首先是粘滯性和內(nèi)摩擦的作用，由于聲波傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度各處不同，存在著速度梯度，使相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生相互作用的粘滯力或內(nèi)摩擦力。其次是熱傳導(dǎo)效應(yīng)，由于聲波傳播時(shí)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)疏密程度各處不同，因而媒質(zhì)溫度也各處不同，存在著溫度梯度，從而相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生了熱量傳遞，使聲能不斷轉(zhuǎn)化為熱能。聲音是一種能量形式，只有它主動(dòng)進(jìn)入耗散的媒質(zhì)，也即只有當(dāng)聲音通過(guò)微孔傳到吸聲材料內(nèi)部時(shí)，才能起吸收作用。

在城市軌道隧道內(nèi)構(gòu)造由于屬于聲學(xué)剛性材料，容易造成高混響時(shí)間，在依據(jù)既有隧道內(nèi)的噪聲頻譜特性，使用最佳化的高度吸聲系數(shù)的吸聲構(gòu)造應(yīng)可以有效降低隧道內(nèi)混響時(shí)間，其降噪效果應(yīng)可以達(dá)到7 dB(A)以上。

參考數(shù)據(jù)︰

[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隧道吸聲裝飾墻工程混響時(shí)間檢測(cè)結(jié)果及降噪量預(yù)估

圖1 湖南省常張高速公路關(guān)口隧道斷面圖及吸聲構(gòu)造安裝位置

圖2 混響時(shí)間檢測(cè)位置示意圖

圖3  湖南省常張高速公路關(guān)口隧道吸聲裝飾墻工程混響時(shí)間頻率特性曲線

圖4 實(shí)際公路噪聲預(yù)估降噪量

吸聲材料（結(jié)構(gòu)）的吸聲機(jī)理主要是：首先是粘滯性和內(nèi)摩擦的作用，由于聲波傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度各處不同，存在著速度梯度，使相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生相互作用的粘滯力或內(nèi)摩擦力。對(duì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，從而使聲能不斷轉(zhuǎn)化為熱能。其次是熱傳導(dǎo)效應(yīng)，由于聲波傳播時(shí)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)疏密程度各處不同，因而媒質(zhì)溫度也各處不同，存在著溫度梯度，從而相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生了熱量傳遞，使聲能不斷轉(zhuǎn)化為熱能。以上表面，吸聲與大多數(shù)其他“吸收”不同，吸聲材料不能把聲音從空氣中“吸”出來(lái)，聲音是一種能量形式，只有它主動(dòng)進(jìn)入耗散的媒質(zhì)，也即只有當(dāng)聲音通過(guò)微孔傳到吸聲材料內(nèi)部時(shí)，才能起吸收作用。