呼和浩特外环线高速公路声屏障的设计计算说明书.docx
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呼和浩特外环线高速公路声屏障的设计计算说明书
1.设计的目的与要求
1.1目的与意义
《环境噪声控制工程》是一门技术性、应用性很强的的学科，课程设计是它的一个极为重要的专业实践教学环节，课程设计的目的就是在理论学习的基础上，通过完成一格简单的工程设计方案，使学生不但能够补充和深化课堂教学内容，而且能够一道学生理论联系实际、培养学生的“工程”思想，提高学生的综合素质，通过噪声控制工程课程设计，进一步消化和巩固这门课程所学内容，并使所学的知识系统化，培养学生运用所学理论知识进行噪声控制工程系统的设计方案、设计计算、工程制图、实用技术资料、编写设计说明书的能力为今后能够独立进行某些噪声控制工程的开发建设及工作打下一定的基础。
1.2课程设计的基本任务和要求
1.2.1任务
呼和浩特外环线全长约50km，环绕整个市区，道路边线处噪声高达80～85dB（A），按外环车流量预测数据，敏感点居民住宅处设计要求降噪量为12～15dB（A）。
设计一声屏障，使之达到要求。
1.2.2要求
结合我国相关标准，设计一声屏障，保障绕城路的通行不影响该小区居民的生活；
隔声吸声材料的选择应符合交通噪声的特性；
确定声屏障的结构型式；
完成声屏障设计和计算，声屏障的设计除了达到预期的降噪指标外，还应符合景观、结构、造价和养护方面的要求；
编写设计说明书；
绘制声屏障结构图。
2.基础资料
（1）呼和浩特外环线全长约50km，环绕整个市区，双向8车道，设计时速80～100km/h，拟投入运行。
（2）每个车道宽3米，总宽为27米，预计高峰车流量约为800辆/h。
（3）某小区居民住宅在外环线东，距外环线最近距离为48m，因此小区居民住宅作为敏感因子，需要加以设计，使得小区居民住宅符合居住区的噪声级。
（4）小区居民住宅共6层，高18米，查相关规定知道，国家没有对交通干道做严格规定，只有一些国道省道被规定为交通干道，居民住宅离道路非常近，而且道路也非常繁忙。
（5）《城市区域环境噪声标准》（GB3096-93）对各个分区噪声标准做了如下规定：
类别
昼间
夜间
0
50
40
1
55
45
2
60
50
3
65
55
4
70
55
0类适用于疗养区、高级别墅区、高级宾馆区等特别需要安静的区域
1 类适用于以居住文教机关为主的区域
2 类适用于居住商业、工业混杂区
3类 适用于工业区
4 类适用于城市交通干线道路两侧、城区内河航道两侧、穿越城区铁路两侧区域
此处采用4类标准，其适用于城市交通干线道路两侧、城区内河航道两侧、穿越城区铁路两侧区域。
并且居民住宅夜间对噪声的控制要求更高，因而采用4类昼间标准70dB，夜间标准55dB。
3．文献综述
3.1声屏障降噪原理
要设计效果好的声屏障，首先应清楚噪声降低的声学原理，这是设计声屏障的理论基础。
在空气中传播的声波遇到声屏障时，就会产生反射、透射和统肘三种传播现象。
声屏障的作用就是阻挡直达声的传播，隔离透射声，并使绕射声有足够的衰减。
当声波撞击到声屏障的壁顶上时，会在声屏障边缘产生绕肘现象，而在屏障背后形成“声影区”。
如图2所示。
我们所期待的声屏障的减噪效果就在“声
影区”的范围内。
与光影区相比较，由于声波波长比光波波长大得多，因此，这种“声影区”的边界并不明显。
经过屏障边缘之外，声源发出来的声波可以直接到达的范围，叫做“亮区”。
从亮区到声影区之间还有一小段“过渡区”。
位于“声影区”内的噪声级低于未设置声屏障时的噪声级，这就是声屏障降噪的基本
原理。
如图3.1所示，当无声屏障时，声波的传播从“声源”经立达通路直按到达受声者。
若在声源和受声者之间设置声屏障后，则使声能的再分配变成了几条通路。
即通过声屏障上方的绕射近路，通过声屏障的透射通路以及声波遇到声屏障后远离受声者的反射通路。
下面就声屏障的反射、透射和绕射加以阐述。
图3.1声屏障引起声传播途径的改变
3.2声屏障的声绕射（ΔLd）
假定一无限长、有足够面密度的声屏障设置在声源和受声者之间。
这种情况下，声波只能通过声历障的顶部绕射到达受声者，如图3.2声音到达受声者存在一绕射角ψ。
发生绕肘弯曲的面积即为“声影区”，它是声源越过声屏障顶部直经路程下边的区域范围。
这时位于声影区的受声者即可感到噪声有了明显的衰减。
图3.2声屏障的声绕射
声屏障的降噪效果取决于绕射角ψ的大小。
绕射角愈大，声屏障的声衰减愈大，效果愈好。
显然，如若增加声屏障的高度，或使声源或受声者紧靠声屏障，那么即可使绕肘角增大。
这说明声屏障的声衰减效果是声源、受声者及声屏障之间几何关系的函数。
这里定义声波的路程差为δ，如图3.3。
图3.3声程差
这个函数δ依距离而不同，它是绕射传播路程与直线传播路程之差。
就是说由于声屏障的设置，使声波的传播必须绕过声屏障的顶部，而不能直接到达受声者，即声音的传播路程变大了。
因此声程差δ愈大，减噪效果也就愈大。
此外，声屏障的声衰减与噪声的频率成分有关，研究与实践表明：
对于大于2000Hz的高频声比800—1000Hz的中频声减噪效果好；但对于250Hz左右的低频声，效果就很差。
这是声波的绕射现象历致，因为声波波长较长的低频声比波长较短的高频产更容易绕射过去。
亦即，波长越长，绕射声的衰减越小。
图3.4声屏障，在“声影区”内不同位置上，对不同频率的声音所获得的噪声衰减值均不相同。
图3.4声屏障对不同频率声波的衰减特性
3.3声屏障的声透射（ΔLt）
声音的传播除绕过声屏障继续传播外，尚可通过声屏障到达受声者，这就是声波的透射。
透过屏障的省能量与其所采用材料的重量和刚度等因素有关。
材料透射噪声的能力用透射损失TL表示，习惯上也称隔声量。
TL与入射噪声能量与透射噪声能量之比有关。
即：
TL＝101g（Ii／It）（dB）（A）
式中Ii——入射到隔声构件k的声强，
It——透射过隔声构件的声强。
TL值绝大表明此种材料的隔声效果越好。
对于特殊材料的透射损失，可以通过实测得到。
通常所使用的隔声材料（如钢、混凝土等）厚度范围的TL值可在有关书籍中查到。
当噪声声波入射至声屏障表面，有部分声波穿透声屏障直接传至受声点，从而造成声屏障降噪效果的下降，其下降量即称之为透射声减小量（△Lt）。
式中：
TL——声屏障的传声损失，又称隔声量，可按公式TL=201gf+201gm—48进行估算，也可直接采用实验室实测数据；
m——材料的面密度（kg／m）。
为提高声屏障实际插入损失和简化设计，在确定声屏障的选材和结构厚度时，应充分注意选材的面密度和适当增加材料的厚度，使声屏障具有良好的隔音性能。
当TL一ΔLd>10dB（A），在计算声屏障实际插入损失时就可不必再计算△Lt值。
工程设计中如声屏障屏体材料采用σ≥1.2mm的铝板或σ≥1.0mm钢板。
则可不再计算△Lt值。
材抖的透射损失随其面密度的增加而有所改善。
面密度越大，则透射损失愈大，隔声效果越好。
如果材料的隔声性能不好，就会使得较多的噪声透过声屏障，那么声屏障的降嗓效果就会受到影响。
因此声屏障材料本身的隔声性能应该是良好的。
3.4声屏障的声反射（ΔLr）
如图1所示，空气中的声波到达声屏障时，由于两种媒质的特性阻抗不同，就会产生声反射。
声波的反射与声波的波长和声屏障的尺寸有关。
如果声屏障的表面尺寸比声波波长大得多时，声波遇到声屏障表面就会全部反射回去。
由于高频声波短，所以比低频声容易反射。
对于图1所示结构，如果高频声反射回声源，使得受声者处的噪声降低，但是对于声源同侧的受声音，反射声的影响就成了问题。
尤其是反射声波强的声屏障，反射声的影响是不容忽视的，它会使声源同侧的受声者（例如列车中的旅客等）受噪声干扰更大。
另一方面，声波遇到声屏障后反射回来，再被车体反射后到达受声者，就会使声屏障的降噪效果下降。
此时为了减少反射的影响，声屏障必须要有一定的吸声能力，即在屏障内侧安装吸声材料。
这样由车体再反射到受声音的噪声就能得到一定的衰减，同时也使声源同侧受声者的噪声有所衰减。
3.5地面影响（ΔLS+ΔLG）
当声波从声源到受声者之间不存在任何屏障时，对于紧靠声源和受声者的位置，除直达通路的声能到达受声者外，还有地面的反射声。
如果之间是宽阔平坦的硬地，那么从直达通路因地面反射所附加的噪声就会使受声者位置的噪声级有所增加。
地面反射的影响可以利用公式计算求出。
而对于软地面，向上的反射存在一个倒相，使地面反射通路的噪声被破坏。
也是就说对于软地面，对声波的传播有附加衰减。
因此设计声屏障时应考虑设计余量，以补偿由于地面吸收所致的地面影响。
3.6声屏障的插入损失
声屏障建造以后在一特定位置的噪声级与上述讨论的所有因素有关。
衡量声屏障降噪效果的指标为插入损失。
IL=
+
+
+
声屏障的插入损失（IL）是指设置声屏障前后，对同一噪声声源在同一受声位置上先后测定的声压级差。
即：
IL＝Lp1一Lp2（dB）（A）
Lp1——未装声屏障前某测点的声压级，（dB）（A）
Lp2——装声屏障后同一测点的声压级，（dB）（A）
3.7线声源的几何衰减
行驶中的汽车和列车噪声是由许多声源并列形成线状时，常可认为是相当线声源。
实测出在距离dl点处的声压级Lpl时，距离d2点的声压级Lp2为：
Lp2=Lpl—20lg（d2/d1）
3.8声屏障的类型
声屏障的种类有土堤、土堑、防声墙和绿林带四种类型。
交通噪声的声屏障通常采用防声墙。
按其形状可分为四大类：
（1）直立式：
此种防声墙最常见，各国铁路沿线广为采用
（2）宽顶式：
如倒L型、T型、Y型、箭头型等；
（3）倾斜式：
分为内倾（即防声墙与地面所夹的锐角朗向声源一侧）和外倾（墙与地面所夹的锐角背离声源一侧），
（4）尖劈式：
防声墙顶部有一系列V型槽。
4.声屏障的设计计算
4.1设计参数
外环线路面宽d=27m噪声源位于路中央，声源高0.5m声屏障位于路边0.5m；
噪声声频率f=100～2000Hz；
噪声A计权声级80～85dB（A）；
路边与敏感点居民住宅小区距离D=48m；
测声点与声源距离d1=14m；
北二环道路比较平直，我们在道路边缘设置与道路平行的等高声屏障；
声屏障的厚度与接受点和噪声源到声屏障的距离来比非常小，可以忽略不计，为薄壁声屏障；
假定声屏障为无限长，声屏障两段端部的绕射、折射以及直达声将不影响受声点处声压级，同时忽略声屏障透射和反射声的影响；
认为道路交通噪声为半自由空间声场。
住宅楼高6层，测声点设置在2、4、6楼（高度分别为4.5m、10.5m、16.5m。
声源点与住宅楼6楼测点的距离d2=
=64.03m；声源点与住宅楼4楼测点的距离d2=
=62.80m；声源点与住宅楼2楼测点的距离d2=
=62.13m；
居民楼住宅处允许噪声级夜间为55dB（A）。
图4.1声屏障示意图
4.2几何衰减
6楼受声点Lp2=Lpl-20lg（d2/d1）；
距离d1=14m处声压级为Lpl=85dB（A），则算得Lp2=85-20lg（64.03/14）=71.79dB（A）。
4楼受声点Lp2=Lpl-20lg（d2/d1）；
距离d1=14m处声压级为Lpl=85dB（A），则算得Lp2=85-20lg（62.80/14）=71.96dB（A）。
2楼受声点Lp2=Lpl-20lg（d2/d1）；
距离d1=14m处声压级为Lpl=85dB（A），则算得Lp2=85-20lg（62.13/14）=72.05dB（A）。
4.3声程差的计算
声屏障的位置设在距声源14m处，求不同高度的声屏障下声源点到6楼测点所对应的声路程差
根据图4.1，由相似三角形知声屏障高度（或等效高度）h≥4m，若低于这个高度，声屏障对居民区6楼降噪量为0dB（A）。
h=4m时，δ4=14.4308+49.6001-64.0312=0.0003m
h=4.5m时，δ4.5=14.5602+49.477-64.0312=0.006m
h=5m时，δ5=14.7054+49.354-64.0312=0.02824m
不同高度的声屏障下声源点到4楼测点所对应的声路程差
h=4m时，δ4=14.4308+48.4381-62.8012=0.0667m
h=4.5m时，δ4.5=14.5602+48.3735-62.8012=0.1325m
h=5m时，δ5=14.7054+48.3141-62.8012=0.2183m
不同高度的声屏障下声源点到2楼测点所对应的声路程差
h=4m时，δ4=14.4308+48.4381-62.1288=0.7401m
h=4.5m时，δ4.5=14.5062+48.3735-62.1288=0.7509m
h=5m时，δ5=14.7054+48.3141-62.1288=0.8970m
4.4声屏障的绕射衰减量的计算（ΔLd）
交通噪声为非稳态不连续噪声源，呼和浩特市北二环交通噪声的1/3倍频程测量值如表4.1所示，车辆的在噪声频谱在100～2000Hz之间最为显著，且分布在500Hz附近，因此可以认为声屏障对交通噪声A声级的衰减等效于500Hz声波的衰减。
据此将道路交通噪声源的声波频率等效为500Hz。
表4.1呼和浩特市交通噪声A计权倍频率带谱值
中心频率（Hz）
125
250
500
1000
2000
4000
8000
声压级dB（A）
53.0
60.0
71.0
63.5
61.0
57.0
53.5
式中：
t=40fδ/3c；f——频率；
δ——声程差；c——声速。
对于6楼测点，声屏障高不同时代入数据求得
t4=40fδ4/3c=19.6078δ4=19.6078*0.0003=0.00588
t4.5=40fδ2/3c=19.6078δ4.5=19.6078*0.006=0.1176
t5=40fδ3/3c=19.6078δ5=19.6078*0.02824=0.5537
求得：
ΔLd4=4.78dB（A）ΔLd4.5=5.08dB（A）
ΔLd5=6.01dB（A）
对于4楼测点，声屏障高不同时代入数据求得
t4=40fδ4/3c=19.6078δ4=19.6078*0.0667=1.3078
t4.5=40fδ2/3c=19.6078δ4.5=19.6078*0.1325=2.598
t5=40fδ3/3c=19.6078δ5=19.6078*0.2183=4.2803
求得：
ΔLd4=5.64dB（A）ΔLd4.5=8.46dB（A）
ΔLd5=9.63dB（A）
对于2楼测点，声屏障高不同时代入数据求得
t4=40fδ4/3c=19.6078δ4=19.6078*0.7401=14.5117
t4.5=40fδ2/3c=19.6078δ4.5=19.6078*0.7509=14.7234
t5=40fδ3/3c=19.6078δ5=19.6078*0.8970=17.5882
求得：
ΔLd4=13.06dB（A）ΔLd4.5=13.11dB（A）
ΔLd5=13.66dB（A）
可以得出居民楼6楼为最不利点，取声屏障高度为5m，到居民楼6楼衰减量ΔLd=6.01dB。
4.5隔声屏的选择
隔声屏外侧贴一层由超细玻璃棉构成的吸声材料，材料吸声系数由表4.2可以查到当声波的频率为500Hz时，吸声材料的吸声系数为α=0.72。
表4.2几种材料的吸声系数表
材料
频率（Hz）/吸声系数
125
250
500
1000
2000
4000
超细玻璃棉
0.05
0.24
0.72
0.97
0.90
0.98
双层阻抗复合板
0.54
0.80
0.94
0.80
0.84
0.76
微穿孔板
0.68
0.96
0.86
0.6
0.5
0.62
本设计选用超细玻璃棉作为吸声材料，吸声系数α=0.72。
则声屏障吸声降噪量：
式中：
α——吸声系数；
LT——吸声前的总声压；
——吸声后的总声压级。
则声屏障吸声降噪量
=5.53dB（A）
采用直立型声屏障，根据隔声要求选用隔声板的材料为双层1.5mm厚钢板填超细玻璃棉，其面密度为23.4kg/m2。
4.6透射声修正量计算
透射声修正量ΔLt：
由于声屏障的材料是面密度非常大的隔声材料，所以入射声几乎完全发生了全反射，所以透射声修正量ΔLt≈0dB（Ａ）。
4.7透射声修正量计算
反射声修正量取决于声屏障、受声点及声源的高度，受声点至声屏障及道路距离以及靠道路内侧声屏吸声结构的降噪系数NRC，因为反射声修正量与隔声屏计算关系不大，所以可以不予考虑。
4.8障碍物声衰减的确定
如果在声屏障修建前声源和受声点间存在其他屏障或障碍物，则可能产生一定的绕射声衰减，由它们产生的声衰减称之为障碍物声衰减，用符号ΔLs表示。
由于居民住宅楼与道路之间没有什么建筑物和其它障碍物，所以障碍物声衰减ΔLs≈0dB（Ａ）。
4.9面吸收声衰减的确定
如果地面不是刚性的，则会对传播过程中的声波产生一定的吸收，从而会使声波产生一定的衰减。
由地面吸收产生的声衰减称之为地面吸收声衰减，用符号ΔLＧ表示。
因为住宅与道路之间的距离为48ｍ，路面为硬化路面，且声速为340m/s。
所以地面吸收声衰减ΔLＧ≈0dB（Ａ）。
4.10传声量
TL=20lgf+20lgm-48=33.36dB
f为声波频率，取500Hz
m为声屏障的面密度，23.4kg/m3
TL一ΔLd>10dB，在计算声屏障实际插入损失时就可不必再计算透射衰减量△Lt值。
4.11声屏障的实际插入损失
声屏障的各项声衰减如表4.3所示。
表4.3声屏障到各受声点的声衰减量dB（A）
住宅楼受声点
绕射声衰减（ΔLd）
吸声降噪量（ΔdB）
障碍物声衰减（ΔLS）
地面吸收声衰减（ΔLＧ）
声屏障的声透射（ΔLt）
2楼
13.66
5.53
0
0
0
4楼
9.63
5.53
0
0
0
6楼
6.01
5.53
0
0
0
IL=
+ΔdB+
+
+
其中声屏障反射引起的声衰减和透射声衰减及地面吸收引起的声衰减可以忽略不计则插入损失IL=
+ΔdB
故声源点到6楼测点、4楼测点、2楼测点的插入损失分别为11.54dB、15.16dB、19.19dB。
居民住宅楼受声点的声压级
，
所以居民住宅楼6楼受声点的声压级
=71.79-11.54=60.25dB（A）
居民住宅楼4楼受声点的声压级
=71.96-15.16=56.8dB（A）
居民住宅楼2楼受声点的声压级
=72.05-19.19=52.86dB（A）
4.12声屏障参数
所述，该隔声屏设计成直线型，隔声屏的材料选用双层1.5mm厚钢板，该钢板的面密度为23.4kg/m³，符合该墙的要求；在钢板两面贴超细玻璃棉作为吸声材料；平均设10m建1个立柱，地基深度为1m，以增加声屏障的稳定性。
表4.4声屏障参数
形状
直立型
材料
双层1.5mm厚钢板
高度
5m
面密度
23.4kg/m³
填充吸声材料
超细玻璃棉
两个立柱间距离
10m
地基深度
1m
5参考文献
.
[1]李耀中主编·噪声控制技术．北京：
化学工业出版社，2001,5
[2]马大煪主编·噪声控制学．北京：
科学出版社，1987
[3]秦佑国，王炳麟编著·噪声控制技术基础．北京：
清华大学出版社，1999
[4]周新祥编著·噪声控制应用实例．北京：
海洋版社，1992
[5]中华人民共和国声屏障声学设计和测量规范
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