呼和浩特外環(huán)線高速公路聲屏障的設(shè)計計算說明書

1、目錄1.設(shè)計的目的與要求11.1目的與意義11.2課程設(shè)計的基本任務(wù)和要求11.2.1 任務(wù)11.2.2 要求12.基礎(chǔ)資料23文獻綜述33.1 聲屏障降噪原理33.2 聲屏障的聲繞射（ld）43.3聲屏障的聲透射（lt）53.4 聲屏障的聲反射（lr）63.5地面影響（ls +lg）63.6聲屏障的插入損失63.7 線聲源的幾何衰減73.8 聲屏障的類型74.聲屏障的設(shè)計計算74.1 設(shè)計參數(shù)74.2幾何衰減84.3聲程差的計算94.4聲屏障的繞射衰減量的計算（ld）94.5隔聲屏的選擇114.6 透射聲修正量計算114.7 透射聲修正量計算114.8障礙物聲衰減的確定124.9面吸收聲衰減

2、的確定124.10傳聲量124.11聲屏障的實際插入損失124.12聲屏障參數(shù)135參考文獻141.設(shè)計的目的與要求1.1目的與意義 環(huán)境噪聲控制工程是一門技術(shù)性、應(yīng)用性很強的的學科，課程設(shè)計是它的一個極為重要的專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)，課程設(shè)計的目的就是在理論學習的基礎(chǔ)上，通過完成一格簡單的工程設(shè)計方案，使學生不但能夠補充和深化課堂教學內(nèi)容，而且能夠一道學生理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學生的“工程”思想，提高學生的綜合素質(zhì)，通過噪聲控制工程課程設(shè)計，進一步消化和鞏固這門課程所學內(nèi)容，并使所學的知識系統(tǒng)化，培養(yǎng)學生運用所學理論知識進行噪聲控制工程系統(tǒng)的設(shè)計方案、設(shè)計計算、工程制圖、實用技術(shù)資料、編寫設(shè)計說明書的

3、能力為今后能夠獨立進行某些噪聲控制工程的開發(fā)建設(shè)及工作打下一定的基礎(chǔ)。1.2課程設(shè)計的基本任務(wù)和要求1.2.1 任務(wù)呼和浩特外環(huán)線全長約50km，環(huán)繞整個市區(qū)，道路邊線處噪聲高達8085db（a)，按外環(huán)車流量預(yù)測數(shù)據(jù)，敏感點居民住宅處設(shè)計要求降噪量為1215db（a)。設(shè)計一聲屏障，使之達到要求。1.2.2 要求結(jié)合我國相關(guān)標準，設(shè)計一聲屏障，保障繞城路的通行不影響該小區(qū)居民的生活；隔聲吸聲材料的選擇應(yīng)符合交通噪聲的特性；確定聲屏障的結(jié)構(gòu)型式；完成聲屏障設(shè)計和計算，聲屏障的設(shè)計除了達到預(yù)期的降噪指標外，還應(yīng)符合景觀、結(jié)構(gòu)、 造價和養(yǎng)護方面的要求；編寫設(shè)計說明書；繪制聲屏障結(jié)構(gòu)圖。2.基礎(chǔ)資料

4、(1) 呼和浩特外環(huán)線全長約50km，環(huán)繞整個市區(qū)，雙向8車道，設(shè)計時速80100km/h，擬投入運行。（2）每個車道寬3米，總寬為27米，預(yù)計高峰車流量約為800輛/h。(3) 某小區(qū)居民住宅在外環(huán)線東，距外環(huán)線最近距離為48m，因此小區(qū)居民住宅作為敏感因子，需要加以設(shè)計，使得小區(qū)居民住宅符合居住區(qū)的噪聲級。（4）小區(qū)居民住宅共6層，高18米，查相關(guān)規(guī)定知道，國家沒有對交通干道做嚴格規(guī)定，只有一些國道省道被規(guī)定為交通干道，居民住宅離道路非常近，而且道路也非常繁忙。（5）城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準（gb3096-93）對各個分區(qū)噪聲標準做了如下規(guī)定：類別晝間夜間0 50401554526050365

5、55470550類適用于療養(yǎng)區(qū)、高級別墅區(qū)、高級賓館區(qū)等特別需要安靜的區(qū)域1類適用于以居住文教機關(guān)為主的區(qū)域2類適用于居住商業(yè)、工業(yè)混雜區(qū)3類適用于工業(yè)區(qū)4類適用于城市交通干線道路兩側(cè)、城區(qū)內(nèi)河航道兩側(cè)、穿越城區(qū)鐵路兩側(cè)區(qū)域此處采用4類標準，其適用于城市交通干線道路兩側(cè)、城區(qū)內(nèi)河航道兩側(cè)、穿越城區(qū)鐵路兩側(cè)區(qū)域。并且居民住宅夜間對噪聲的控制要求更高，因而采用4類晝間標準70db，夜間標準55db。3文獻綜述3.1 聲屏障降噪原理 要設(shè)計效果好的聲屏障，首先應(yīng)清楚噪聲降低的聲學原理，這是設(shè)計聲屏障的理論基礎(chǔ)。 在空氣中傳播的聲波遇到聲屏障時，就會產(chǎn)生反射、透射和統(tǒng)肘三種傳播現(xiàn)象。聲屏障的作用就是阻

6、擋直達聲的傳播，隔離透射聲，并使繞射聲有足夠的衰減。當聲波撞擊到聲屏障的壁頂上時，會在聲屏障邊緣產(chǎn)生繞肘現(xiàn)象，而在屏障背后形成“聲影區(qū)”。如圖2所示。我們所期待的聲屏障的減噪效果就在“聲影區(qū)”的范圍內(nèi)。與光影區(qū)相比較，由于聲波波長比光波波長大得多，因此，這種“聲影區(qū)”的邊界并不明顯。經(jīng)過屏障邊緣之外，聲源發(fā)出來的聲波可以直接到達的范圍，叫做“亮區(qū)”。從亮區(qū)到聲影區(qū)之間還有一小段“過渡區(qū)”。位于“聲影區(qū)”內(nèi)的噪聲級低于未設(shè)置聲屏障時的噪聲級，這就是聲屏障降噪的基本原理。如圖3.1所示，當無聲屏障時，聲波的傳播從“聲源”經(jīng)立達通路直按到達受聲者。若在聲源和受聲者之間設(shè)置聲屏障后，則使聲能的再分配變

7、成了幾條通路。即通過聲屏障上方的繞射近路，通過聲屏障的透射通路以及聲波遇到聲屏障后遠離受聲者的反射通路。下面就聲屏障的反射、透射和繞射加以闡述。 圖3.1 聲屏障引起聲傳播途徑的改變3.2 聲屏障的聲繞射（ld） 假定一無限長、有足夠面密度的聲屏障設(shè)置在聲源和受聲者之間。這種情況下，聲波只能通過聲歷障的頂部繞射到達受聲者，如圖3.2聲音到達受聲者存在一繞射角。發(fā)生繞肘彎曲的面積即為“聲影區(qū)”，它是聲源越過聲屏障頂部直經(jīng)路程下邊的區(qū)域范圍。這時位于聲影區(qū)的受聲者即可感到噪聲有了明顯的衰減。 圖3.2 聲屏障的聲繞射聲屏障的降噪效果取決于繞射角的大小。繞射角愈大，聲屏障的聲衰減愈大，效果愈好。顯然

8、，如若增加聲屏障的高度，或使聲源或受聲者緊靠聲屏障，那么即可使繞肘角增大。這說明聲屏障的聲衰減效果是聲源、受聲者及聲屏障之間幾何關(guān)系的函數(shù)。這里定義聲波的路程差為，如圖3.3。 圖3.3聲程差這個函數(shù)依距離而不同，它是繞射傳播路程與直線傳播路程之差。就是說由于聲屏障的設(shè)置，使聲波的傳播必須繞過聲屏障的頂部，而不能直接到達受聲者，即聲音的傳播路程變大了。因此聲程差愈大，減噪效果也就愈大。此外，聲屏障的聲衰減與噪聲的頻率成分有關(guān)，研究與實踐表明：對于大于2000hz的高頻聲比8001000h z的中頻聲減噪效果好；但對于250hz左右的低頻聲，效果就很差。這是聲波的繞射現(xiàn)象歷致，因為聲波波長較長的

9、低頻聲比波長較短的高頻產(chǎn)更容易繞射過去。亦即，波長越長，繞射聲的衰減越小。圖3.4聲屏障，在“聲影區(qū)”內(nèi)不同位置上，對不同頻率的聲音所獲得的噪聲衰減值均不相同。 圖3.4聲屏障對不同頻率聲波的衰減特性3.3聲屏障的聲透射（lt）聲音的傳播除繞過聲屏障繼續(xù)傳播外，尚可通過聲屏障到達受聲者，這就是聲波的透射。透過屏障的省能量與其所采用材料的重量和剛度等因素有關(guān)。材料透射噪聲的能力用透射損失tl表示，習慣上也稱隔聲量。tl與入射噪聲能量與透射噪聲能量之比有關(guān)。即： tl101g(iiit) (db)（a)式中 ii入射到隔聲構(gòu)件k的聲強， it透射過隔聲構(gòu)件的聲強。 tl值絕大表明此種材料的隔聲效果

10、越好。對于特殊材料的透射損失，可以通過實測得到。通常所使用的隔聲材料(如鋼、混凝土等)厚度范圍的tl值可在有關(guān)書籍中查到。當噪聲聲波入射至聲屏障表面，有部分聲波穿透聲屏障直接傳至受聲點，從而造成聲屏障降噪效果的下降，其下降量即稱之為透射聲減小量(lt)。 式中： tl聲屏障的傳聲損失，又稱隔聲量，可按公式 tl=201gf+201gm48進行估算，也可直接采用實驗室實測數(shù)據(jù)； m 材料的面密度(kgm )。 為提高聲屏障實際插入損失和簡化設(shè)計，在確定聲屏障的選材和結(jié)構(gòu)厚度時，應(yīng)充分注意選材的面密度和適當增加材料的厚度，使聲屏障具有良好的隔音性能。當 tl一ld 10 db（a)，在計算聲屏障實

11、際插入損失時就可不必再計算 lt值。工程設(shè)計中如聲屏障屏體材料采用 1.2mm的鋁板或1.0mm鋼板。則可不再計算 lt值。材抖的透射損失隨其面密度的增加而有所改善。面密度越大，則透射損失愈大，隔聲效果越好。如果材料的隔聲性能不好，就會使得較多的噪聲透過聲屏障，那么聲屏障的降嗓效果就會受到影響。因此聲屏障材料本身的隔聲性能應(yīng)該是良好的。3.4 聲屏障的聲反射（lr）如圖1所示，空氣中的聲波到達聲屏障時，由于兩種媒質(zhì)的特性阻抗不同，就會產(chǎn)生聲反射。聲波的反射與聲波的波長和聲屏障的尺寸有關(guān)。如果聲屏障的表面尺寸比聲波波長大得多時，聲波遇到聲屏障表面就會全部反射回去。由于高頻聲波短，所以比低頻聲容易

12、反射。對于圖1所示結(jié)構(gòu)，如果高頻聲反射回聲源，使得受聲者處的噪聲降低，但是對于聲源同側(cè)的受聲音，反射聲的影響就成了問題。尤其是反射聲波強的聲屏障，反射聲的影響是不容忽視的，它會使聲源同側(cè)的受聲者(例如列車中的旅客等)受噪聲干擾更大。另一方面，聲波遇到聲屏障后反射回來，再被車體反射后到達受聲者，就會使聲屏障的降噪效果下降。此時為了減少反射的影響，聲屏障必須要有一定的吸聲能力，即在屏障內(nèi)側(cè)安裝吸聲材料。這樣由車體再反射到受聲音的噪聲就能得到一定的衰減，同時也使聲源同側(cè)受聲者的噪聲有所衰減。3.5地面影響（ls +lg）當聲波從聲源到受聲者之間不存在任何屏障時，對于緊靠聲源和受聲者的位置，除直達通路

13、的聲能到達受聲者外，還有地面的反射聲。如果之間是寬闊平坦的硬地，那么從直達通路因地面反射所附加的噪聲就會使受聲者位置的噪聲級有所增加。地面反射的影響可以利用公式計算求出。而對于軟地面，向上的反射存在一個倒相，使地面反射通路的噪聲被破壞。也是就說對于軟地面，對聲波的傳播有附加衰減。因此設(shè)計聲屏障時應(yīng)考慮設(shè)計余量，以補償由于地面吸收所致的地面影響。3.6聲屏障的插入損失聲屏障建造以后在一特定位置的噪聲級與上述討論的所有因素有關(guān)。衡量聲屏障降噪效果的指標為插入損失。il = + + +聲屏障的插入損失( i l )是指設(shè)置聲屏障前后，對同一噪聲聲源在同一受聲位置上先后測定的聲壓級差。即： i llp

14、1一lp2 (db)（a) lp1未裝聲屏障前某測點的聲壓級， (db)（a) lp2裝聲屏障后同一測點的聲壓級， (db)（a)3.7 線聲源的幾何衰減 行駛中的汽車和列車噪聲是由許多聲源并列形成線狀時，?？烧J為是相當線聲源。實測出在距離d l點處的聲壓級l p l時，距離d 2點的聲壓級l p 2為： l p 2 = l p l 20 lg (d2 / d1)3.8 聲屏障的類型 聲屏障的種類有土堤、土塹、防聲墻和綠林帶四種類型。交通噪聲的聲屏障通常采用防聲墻。按其形狀可分為四大類： (1) 直立式：此種防聲墻最常見，各國鐵路沿線廣為采用 (2)寬頂式：如倒l型、t型、y型、箭頭型等； (

15、3)傾斜式：分為內(nèi)傾(即防聲墻與地面所夾的銳角朗向聲源一側(cè))和外傾(墻與地面所夾的銳角背離聲源一側(cè))， (4)尖劈式：防聲墻頂部有一系列v型槽。4.聲屏障的設(shè)計計算4.1 設(shè)計參數(shù) 外環(huán)線路面寬d =27m噪聲源位于路中央，聲源高0.5m聲屏障位于路邊0.5m； 噪聲聲頻率 f = 1002000hz； 噪聲a計權(quán)聲級 8085 db（a)； 路邊與敏感點居民住宅小區(qū)距離 d=48 m； 測聲點與聲源距離d1=14m； 北二環(huán)道路比較平直，我們在道路邊緣設(shè)置與道路平行的等高聲屏障； 聲屏障的厚度與接受點和噪聲源到聲屏障的距離來比非常小，可以忽略不計，為薄壁聲屏障； 假定聲屏障為無限長，聲屏障兩

16、段端部的繞射、折射以及直達聲將不影響受聲點處聲壓級， 同時忽略聲屏障透射和反射聲的影響； 認為道路交通噪聲為半自由空間聲場。住宅樓高6層，測聲點設(shè)置在2、4、6樓（高度分別為4.5m、10.5m、16.5m。聲源點與住宅樓6樓測點的距離 d2=64.03m；聲源點與住宅樓4樓測點的距離 d2=62.80m；聲源點與住宅樓2樓測點的距離 d2=62.13m；居民樓住宅處允許噪聲級夜間為55 db（a)。圖4.1 聲屏障示意圖4.2幾何衰減 6樓受聲點 l p 2 = l p l -20 lg (d2 / d1)； 距離d1=14m處聲壓級為l p l=85 db（a)，則算得 l p 2 =85

17、-20lg（64.03/14)=71.79db（a)。 4樓受聲點 l p 2 = l p l -20 lg (d2 / d1)； 距離d1=14m處聲壓級為l p l=85 db（a)，則算得 l p 2 =85-20lg（62.80/14)=71.96db（a)。 2樓受聲點 l p 2 = l p l -20 lg (d2 / d1)； 距離d1=14m處聲壓級為l p l=85 db（a)，則算得 l p 2 =85-20lg（62.13/14)=72.05db（a)。4.3聲程差的計算聲屏障的位置設(shè)在距聲源14m處，求不同高度的聲屏障下聲源點到6樓測點所對應(yīng)的聲路程差根據(jù)圖4.1，由

18、相似三角形知聲屏障高度（或等效高度）h4m，若低于這個高度，聲屏障對居民區(qū)6樓降噪量為0db（a)。 h=4m時，4=14.4308+49.6001-64.0312=0.0003m h=4.5m時，4.5=14.5602+49.477-64.0312=0.006m h=5m時，5=14.7054+49.354-64.0312=0.02824m不同高度的聲屏障下聲源點到4樓測點所對應(yīng)的聲路程差h=4m時，4=14.4308+48.4381-62.8012=0.0667mh=4.5m時，4.5=14.5602+48.3735-62.8012=0.1325mh=5m時，5=14.7054+48.31

19、41-62.8012=0.2183m不同高度的聲屏障下聲源點到2樓測點所對應(yīng)的聲路程差h=4m時，4=14.4308+48.4381-62.1288=0.7401mh=4.5m時，4.5=14.5062+48.3735-62.1288=0.7509mh=5m時，5=14.7054+48.3141-62.1288=0.8970m4.4聲屏障的繞射衰減量的計算（ld）交通噪聲為非穩(wěn)態(tài)不連續(xù)噪聲源，呼和浩特市北二環(huán)交通噪聲的1/3倍頻程測量值如表4.1所示，車輛的在噪聲頻譜在1002000hz之間最為顯著，且分布在500hz附近，因此可以認為聲屏障對交通噪聲a聲級的衰減等效于500hz聲波的衰減。據(jù)

20、此將道路交通噪聲源的聲波頻率等效為500hz。表4.1 呼和浩特市交通噪聲a計權(quán)倍頻率帶譜值中心頻率(hz)1252505001000200040008000聲壓級db （a）53.060.071.063.561.057.053.5 式中：t = 40f/3c； f 頻率； 聲程差； c 聲速。對于6樓測點，聲屏障高不同時代入數(shù)據(jù)求得t4= 40f4 /3c=19.60784=19.6078*0.0003=0.00588 t4.5 = 40f2 /3c=19.60784.5=19.6078*0.006=0.1176 t5 = 40f3 /3c=19.60785=19.6078*0.02824=

21、0.5537求得：ld4=4.78db（a) ld4.5=5.08db（a) ld5=6.01db（a) 對于4樓測點，聲屏障高不同時代入數(shù)據(jù)求得t4= 40f4 /3c=19.60784=19.6078*0.0667=1.3078 t4.5 = 40f2 /3c=19.60784.5=19.6078*0.1325=2.598 t5 = 40f3 /3c=19.60785=19.6078*0.2183=4.2803求得：ld4=5.64db（a) ld4.5=8.46db（a) ld5=9.63db（a) 對于2樓測點，聲屏障高不同時代入數(shù)據(jù)求得t4= 40f4 /3c=19.60784=19

22、.6078*0.7401=14.5117 t4.5 = 40f2 /3c=19.60784.5=19.6078*0.7509=14.7234 t5 = 40f3 /3c=19.60785=19.6078*0.8970=17.5882求得：ld4=13.06db（a) ld4.5=13.11db（a) ld5=13.66db（a) 可以得出居民樓6樓為最不利點，取聲屏障高度為 5m，到居民樓6樓衰減量ld=6.01 db。4.5隔聲屏的選擇隔聲屏外側(cè)貼一層由超細玻璃棉構(gòu)成的吸聲材料，材料吸聲系數(shù)由表4.2可以查到當聲波的頻率為500hz時，吸聲材料的吸聲系數(shù)為=0.72。表4.2 幾種材料的吸聲

23、系數(shù)表 材料頻率（hz）/吸聲系數(shù)125250500100020004000超細玻璃棉0.050.240.720.970.900.98雙層阻抗復(fù)合板0.540.800.940.800.840.76微穿孔板0.680.960.860.60.50.62 本設(shè)計選用超細玻璃棉作為吸聲材料，吸聲系數(shù)=0.72。則聲屏障吸聲降噪量：式中：吸聲系數(shù)；lt吸聲前的總聲壓；吸聲后的總聲壓級。則聲屏障吸聲降噪量=5.53db（a）采用直立型聲屏障，根據(jù)隔聲要求選用隔聲板的材料為雙層1.5mm厚鋼板填超細玻璃棉，其面密度為23.4kg/m2。4.6 透射聲修正量計算透射聲修正量lt： 由于聲屏障的材料是面密度非常

24、大的隔聲材料，所以入射聲幾乎完全發(fā)生了全反射，所以透射聲修正量lt0db（）。4.7 透射聲修正量計算 反射聲修正量取決于聲屏障、受聲點及聲源的高度，受聲點至聲屏障及道路距離以及靠道路內(nèi)側(cè)聲屏吸聲結(jié)構(gòu)的降噪系數(shù)nrc，因為反射聲修正量與隔聲屏計算關(guān)系不大，所以可以不予考慮。4.8障礙物聲衰減的確定如果在聲屏障修建前聲源和受聲點間存在其他屏障或障礙物，則可能產(chǎn)生一定的繞射聲衰減，由它們產(chǎn)生的聲衰減稱之為障礙物聲衰減，用符號ls表示。由于居民住宅樓與道路之間沒有什么建筑物和其它障礙物，所以障礙物聲衰減ls0db（）。4.9面吸收聲衰減的確定如果地面不是剛性的，則會對傳播過程中的聲波產(chǎn)生一定的吸收，從而會使聲波產(chǎn)生一定的衰減。由地面吸收產(chǎn)生的聲衰減稱之為地面吸收聲衰減，用符號l表示。因為住宅與道路之間的距離為48，路面為硬化路面，且聲速為340m/s。所以地面吸收聲衰減l0db（）。4.10傳聲量 tl = 20lgf +20lg