翟云波，王志瑞，馬迎春，葉 穎

（1.湖南大學 環(huán)境科學與工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南省交通科學研究院，湖南 長沙 410015）

隨著高速公路的快速發(fā)展，交通噪聲影響了人們的生活質量，已經(jīng)成為高速公路沿線居民關注的焦點[1].作為一種經(jīng)濟而有效的方法，聲屏障成為控制高速公路交通噪聲的主要措施.長度、高度和位置是聲屏障重要的設置參數(shù)，決定了聲屏障的降噪效果和建造成本，然而，當前的聲屏障設置參數(shù)并不合理，造成了聲屏障工程在中國難以廣泛使用.目前國內(nèi)對聲屏障的研究主要集中在吸聲材料和聲屏障頂端結構[2]，對聲屏障設置參數(shù)和工程經(jīng)濟性考慮較少[3].利用噪聲模擬軟件Cadna／A可以對聲屏障的設置參數(shù)進行優(yōu)化設計，該軟件預測精度可靠，已經(jīng)得到了專家學者的認可，徐志勝[4]研究了Cadna／A軟件在高速鐵路聲環(huán)境影響評價中的應用，夏平[5]等研究了用Cadna／A軟件預測橋梁交通噪聲及應用分析，李曉東[6]等研究了Cadna／A軟件應用于聲屏障插入損失的計算.利用模型對聲屏障的優(yōu)化設計研究多集中在聲屏障的結構，例如Min－Chie Chiu[7]利用退火法模型對聲屏障的結構進行了優(yōu)化研究，然而鮮有噪聲模擬軟件Cadna／A在擬建高速公路聲屏障設置參數(shù)的優(yōu)化設計研究.

本研究以某擬建高速公路為例，建立交通噪聲預測模型，提出了一種優(yōu)化設計方法，對聲屏障的設置參數(shù)進行了優(yōu)化設計研究，該方法實現(xiàn)了降噪效果和經(jīng)濟性能的雙重目的.

1 軟件計算模式

公路交通平均噪聲級Lm，E按（1）計算：

式中L（25）m為根據(jù)車流量、車型比例求出的單車道水平距離25m處的平均噪聲級，可由公式（2）求出；Dv為對不同最高限速的修正；Dstro為對不同道路表面的修正；Dstg為對道路坡度的修正.

平均聲級（Mean Level）L（25）m的條件為：水平距離25m，光滑瀝清道路表面限速100km／h，坡度＜5%，距道路表面平均2.25m的高度聲波自由傳播：

式中M為單車道每小時平均車流量.當進行多車道公路計算時最外部兩條車道的車流量為1／2M；P為卡車所占百分率（載重量＞2.8噸）.

2 模擬場景構建及模型優(yōu)化設計

2.1 模擬場景構建

模擬場景為某高速公路，該高速公路為雙向六車道，路面寬度為36m，采用瀝青混凝土路面，車流量為25 000輛／d，其中小型車40%，中型車29%，大型車31%，設計時速為100km／h.噪聲敏感區(qū)為高速公路沿線居民區(qū)，環(huán)境背景噪聲低，周圍沒有大的聲源，因此交通噪聲是主要的噪聲源.敏感區(qū)位于高速公路兩側，道路右側敏感區(qū)長370m，左側長330m，因此設置的聲屏障必須考慮其吸聲系數(shù).經(jīng)過試驗研究，該聲屏障吸聲性能良好，吸聲系數(shù)為0.82.敏感區(qū)所在城鎮(zhèn)位于4a類區(qū)，要求晝間LAeq≤70dB（A），夜間LAeq≤55dB（A）[8]，建筑物周圍聲場分布如圖1所示.在該圖中，不同顏色所代表的噪聲值不同（下同），交通噪聲晝夜間水平和垂直聲場分別如圖2和3所示.選取靠近高速公路的第一排建筑物進行聲屏障的優(yōu)化設計研究，其中道路距第一排建筑物P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9，P10，P11的距離依次為27.0m，35.0m，50.5m，25.0m，26.0m，29.0m，25.0m，16.0m，17.5m，15.3m，20.0m，第一排建筑物高度依次為5.0m，6.0m，4.0m，7.0m，3.0m，3.5m，6.0m，5.0m，5.0m，4.0m，6.0m，第一排建筑物所設敏感點的高度依次為3.5m，4.0m，3.0m，4.0m，2.0m，2.5m，4.0m，3.5m，3.5m，3.0m，4.0m，所選敏感點都是在窗戶前0.5m處.

圖1 建筑物周圍聲場分布圖Fig.1 Sound field distribution of buildings

圖2 水平聲場分布圖Fig.2 Sound field distribution of ground surface

從圖2和3中可以看出，不同顏色代表的噪聲值的大小不同，交通噪聲對周邊居民產(chǎn)生了巨大的影響.在水平方向上，隨著距離的增加，噪聲值隨之減小，位于建筑物后面的噪聲值小于位于其他地方的噪聲值；在垂直方向上，噪聲值隨著高度的增加而減少.

圖3 垂直聲場分布圖Fig.3 Sound field distribution of height

2.2 模型優(yōu)化設計與計算

2.2.1 模型設計

聲屏障的設計參數(shù)包括聲屏障到路基的距離、聲屏障的長度和高度.作為一種常用的設計原則，聲屏障應該最大程度接近噪聲源，越近其降噪效果越好，但是為了保障行車安全，聲屏障到路基的距離在1.5～2.0m之間，所以在本研究中取1.5m.長度在聲屏障降噪效果和造價上起了重要作用，如果聲屏障長度過短，則由于聲波的直射和衍射作用導致聲屏障的實際降噪效果會比理論降噪效果差.為了降低交通噪聲的影響，聲屏障的建造長度應大于敏感區(qū)的長度.聲屏障高度對降噪效果有重要影響，是聲屏障設計的主要參數(shù)，決定了降噪效果.因此在本研究中選取聲屏障的長度和高度作為優(yōu)化設計對象，在聲屏障厚度一定的條件下以間接反應成本的建造面積為目標函數(shù)按（3）計算，聲屏障的降噪效果為主要的限制條件.

式中L右為道路右側聲屏障的長度，H右為右側聲屏障高度；L左為道路左側聲屏障長度，H左為左側聲屏障高度.目標函數(shù)F為相同聲屏障厚度下面向高速公路一側的建造面積.

2.2.2 優(yōu)化設計與計算

噪聲模擬軟件Cadna／A具有較強的計算模擬功能，可以同時模擬各類聲源的復合影響，通過輸入高速公路和聲屏障參數(shù)，可利用噪聲模擬軟件Cadna／A對聲屏障不同長度和高度的組合進行優(yōu)化設計研究.在圖2中可以看出，晝夜間只有第一排某些敏感點噪聲值超標，并且由于建筑物的遮蔽作用和距離的衰減會使得位于第一排建筑物之后的敏感點噪聲值達標，因此選取高速公路第一排建筑物為優(yōu)化設計對象.為了得到未設置聲屏障時的噪聲污染狀況，經(jīng)模擬，第一排建筑物的A計權聲壓級如表1所示.

表1 敏感點A計權聲壓級Tab.1 A－weighted sound pressure level of noise－sensitive points

從表1可以看出，晝間和夜間某些敏感點A計權聲壓級超過了標準值，在這些點中，晝間最大A計權聲壓級是72.3dB（A），超出標準值2.3dB（A），夜間最大A計權聲壓級是64.9dB（A），超出標準值9.9dB（A），該值即為聲屏障降噪的最小值.為了保證居民免受噪聲的污染，必須設置聲屏障，且該聲屏障的最小降噪量為9.9dB（A）.為得到最佳長度和高速組合，本研究對6組不同長度和高度的組合進行了優(yōu)化設計研究.

組合1，聲屏障剛好覆蓋敏感區(qū)，因此道路右側聲屏障長為370m，左側聲屏障長為330m.由于未設置聲屏障的路段直射及聲屏障兩端衍射作用，不管設置多高的聲屏障均不能使位于敏感區(qū)最外兩端的敏感點達標.

組合2，為減弱聲屏障兩端的衍射和未設置聲屏障路段的直射作用，因此需要在聲屏障兩端各增加10m，此時道路右側聲屏障長為390m，左側聲屏障長為350m.經(jīng)模擬，當?shù)缆酚覀嚷暺琳显O置高度為6.5m，道路左側型聲屏障設置高度為9.0m時，敏感區(qū)所有敏感點均達標，夜間最高噪聲值為55dB（A），面向公路一側的聲屏障面積F＝390m×6.5m＋350m×9m＝5 685m2.

盡管組合2可以使敏感區(qū)所有敏感點達標，但是聲屏障的高度設置過高，對駕駛者、周圍居民產(chǎn)生視覺和心理壓抑，并且居民采光比較困難.為此，本課題對組合3進行模擬研究.當聲屏障兩端再增加10m時，此時道路右側聲屏障長為410m，左側聲屏障長為370m.經(jīng)模擬，當?shù)缆酚覀嚷暺琳显O置高度為4.2m，道路左側聲屏障設置高度為5.1m時，敏感區(qū)所有敏感點達標，夜間最大噪聲值為55dB（A），面向公路一側的聲屏障面積F＝410m×4.2m＋370m×5.1m＝3 609m2.較組合2，組合3的聲屏障高度有了較大的降低，一定程度上緩解了周圍居民產(chǎn)生視覺和心理壓抑，而且降低了建造成本.

采用同樣的方法，對組合4進行模擬研究，右側聲屏障長430m，左側聲屏障390m時，發(fā)現(xiàn)當右側聲屏障高3.7m，左側聲屏障高為4.5m時，敏感區(qū)所有敏感點達標，夜間最大噪聲值為55dB（A），面向公路一側的聲屏障面積F＝430m×3.7m＋390 m×4.5m＝3 346m2.較組合3，雖然組合4聲屏障兩端的長度各增加10m，但聲屏障的高度降低了0.5m，說明隨著聲屏障長度的增加，聲波的直射作用在減弱.因此在組合5中聲屏障兩端各增加5m，即右側聲屏障長440m，左側聲屏障長400m，當右側聲屏障高3.6m，左側聲屏障高4.4m時，敏感區(qū)所有敏感點達標，夜間最大噪聲值為55dB（A），面向公路一側的聲屏障面積F＝440m×3.6m＋400 m×4.4m＝3 344m2，發(fā)現(xiàn)組合5的建造面積僅比組合4少了2m2.在組合6中，在聲屏障兩端繼續(xù)增加5m，即右側聲屏障長450m，左側聲屏障長410m，經(jīng)模擬，右側仍需要設置高為3.6m的聲屏障，左側聲屏障高度為4.4m，這說明聲屏障兩端的直射作用可以忽略不計，此時已經(jīng)增加了10m的建造成本，如果繼續(xù)增加聲屏障長度，聲屏障的高度仍不會改變.不同組合建造面積的比較如表2所示，不同組合時的建造面積折線圖如圖4所示（由于組合1建造面積無窮大，因此折線圖從組合2開始畫起）.

表2 不同組合的比較Tab.2 Comparison of different groups

圖4 不同組合時的建造面積比較Fig.4 Comparison of different groups

從圖4中可以看出組合2到組合3時，建造面積有了較大的減少，隨著組合的增加，建造面積在緩慢減少，組合5時建造面積最小，隨著組合的增加建造面積增加，因此可以認為組合5的建造面積最小，即建造成本最小.

3 結果分析

聲屏障的降噪效果主要取決于聲源發(fā)出的聲波沿反射、透射、衍射三條路徑聲能分配，聲源輻射的聲波在聲屏障后形成“聲影區(qū)”.“聲影區(qū)”的大小和聲屏障的有效高度及長度有關，位于“聲影區(qū)”內(nèi)的噪聲級低于未設置聲屏障時的噪聲級.一般聲屏障“聲影區(qū)”內(nèi)降噪效果在5～12dB（A）之間，噪聲有了明顯衰減.通過以上晝夜間聲場分布圖，可以得知不同顏色代表的噪聲級不同，顏色越深噪聲級越大，隨著距道路距離的增大，噪聲級減小，位于建筑物后面的噪聲值小于位于其他地方的噪聲值.組合1，由于聲屏障設置長度和敏感區(qū)的長度相等，未設置聲屏障的路段距最外的4個敏感點的距離較近，此時聲波的直射作用大于衍射及透射作用之和，直射作用起主導作用，使得某些敏感點位于“聲影區(qū)”之外，因此無論聲屏障設置多高，最外兩個敏感點均不能達標.為了減弱聲波的直射作用，使最外兩個敏感點位于“聲影區(qū)”之內(nèi)，需要增加聲屏障的長度.通過比較組合2和3的目標函數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著聲屏障兩端各增加10m，右側聲屏障高度降低了2.3m，左側聲屏障降低了3.9m，建造面積降低了2 076m2.這說明聲屏障兩端各增加10m的長度，聲波的直射作用有了較大的削減，逐漸會被聲波的衍射及透射作用所取代.比較組合3和4，隨著聲屏障的長度的增加，建造面積降低了263m2.比較組合4和5，發(fā)現(xiàn)建造面積降低了2m2，這兩組數(shù)值相差很小.比較組合5和6的目標函數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著聲屏障長度的增加，聲屏障的設置高度將不變化.這說明在組合5中聲波對敏感點的直射作用忽略不計，全部敏感點均處在“聲影區(qū)”，只考慮聲波的衍射及透射作用，此時得到的聲屏障建造面積最小.所以聲屏障不同長度和高度的組合會對降噪效果和經(jīng)濟的最優(yōu)化產(chǎn)生較大影響.

4 結 論

1）本課題選取一種聲屏障作為優(yōu)化研究對象，經(jīng)噪聲模擬軟件Cadna／A模擬實際的場景，該型聲屏障取右側聲屏障長440m高3.6m，左側聲屏障長400m高4.4m組合時，可以有效降低高速公路交通噪聲對其沿線區(qū)域的聲環(huán)境質量的影響，且可實現(xiàn)工程造價最小化.

2）在需要設置聲屏障的路段，聲屏障的設置長度必須大于敏感區(qū)的長度，否則未設置聲屏障路段噪聲直射和衍射作用會使聲屏障的實際降噪效果比理論降噪效果低，因此在需要設置聲屏障的路段應因地制宜，綜合利用地形優(yōu)勢.

3）通過以上分析得知，噪聲模擬軟件Cadna／A在擬建高速公路降噪措施中具有很好的應用價值，通過對聲屏障進行優(yōu)化設計，可以為我國高速公路聲屏障實現(xiàn)最優(yōu)化提供理論指導.

[1] 姚陽，屠書榮.高速公路沿線植物聲屏障設計與應用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2011，39（17）：10544－10546.YAO Yang，TU Shu－rong.Study on design and application of plant acoustic barrier along highway[J].Journal of Anhui Agir Sci，2011，39（17）：10544－10546.（In Chinese）

[2] 呂春麗，范磊，王明賢.廢硅橡膠二次裂解渣制多孔吸聲材料的研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2011，7（7）：57－60.LV Chun－li，F(xiàn)AN Lei，WANG Ming－xian.Research on porous sound－absorbing materials by the secondary cracking fraction of cracked residue of waste silicone rubbers[J].Journal of Safety Science and Technology，2011，7（7）：57－60.（In Chinese）

[3] 趙春來，馬心坦，郭志軍.公路聲屏障的參數(shù)分析與優(yōu)化設計[J].河南科技大學學報：自然科學版，2010，31（4）：23－27.ZHAO Chun－lai，MA Xin－tan，GUO Zhi－jun.Analysis and design optimization noise barrier of parameter along expressway[J].Journal of Henan University of Science and Technology：Natural Science，2010，31（4）：23－27.（In Chinese）

[4] 徐志勝.Cadna／A軟件在高速鐵路聲環(huán)境影響評價中的應用[J].環(huán)境工程技術學報，2011，1（6）：517－525.XU Zhi－sheng.Study on adaptability of cadna／A in high－speed railway noise environmental impact assessment[J].Journal of Environmental Engineering Technology，2011，1（6）：517－525.（In Chinese）

[5] 夏平，徐碧華，宣燕.用Cadna／A軟件預測橋梁交噪聲及應用分析[J].應用聲學，2007，26（4）：208－212.XIA Ping，XU Bi－h(huán)ua，XUAN Yan.Prediction and applicabily analysis of bridge traffic noise by using cadna／A[J].Applied Acoustics，2007，26（4）：208－212.（In Chinese）

[6] 李曉東，龔輝.Cadna／A軟件應用于聲屏障插入損失的計算[J].上海船舶運輸科學研究所學報，2008，31（1）：48－51.LI Xiao－dong，GONG Hui.Application of cadna／A software in insertion loss calculation of noise barrier[J].Journal of SSSRI，2008，31（1）：48－51.（In Chinese）

[7] MIN－CHIE CHIU.Optimization of equipment allocation and sound－barriers shape in a multi－noise plant by using simulated annealing[J].Noise ＆Vibration Worldwide，2009，40（7）：23－35.

[8] 環(huán)境保護部.GB 3096－2008聲環(huán)境質量標準[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2008.Ministry of Environmental Protection.GB 3096－2008Environmental quality standard for noise[S].Beijing：China Environmental Science Press，2008.（In Chinese）