中鐵第四勘察設計院集團有限公司（王衛東）

香港新光國際有限公司  (梁志堅、闕秀明)

摘               要

隧道型公共設施的聲環(huán)境，可以使用大量具有高吸聲系數的吸聲構造，鋪設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，在鋪設吸聲構造后，其混響時(shí)間在裝吸聲構造后在各1/3倍頻帶約減少64% ~ 84%，預估降噪量則為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(zhù)。如以實(shí)際公路噪聲特性預估，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，吸聲構造，隧道降噪預估

1. 前言

能源危機、環(huán)境污染、自然資源耗竭狀況下提出來(lái)的可持續發(fā)展，現今已成為全球各國發(fā)展的指導思想和共同行動(dòng)綱領(lǐng)。21世紀社會(huì )經(jīng)濟的持續發(fā)展也迫切地要求對環(huán)境的保護及合理利用進(jìn)行研究，噪聲治理在其中就是一項重要的研究課題。無(wú)論是歐美發(fā)達國家還是港臺地區，都將噪聲治理作為市政建設的重點(diǎn)項目，為促進(jìn)社會(huì )文明進(jìn)步，作出符合公眾利益的長(cháng)遠規劃。目前，我國也越來(lái)越重視城市中的噪聲治理了。

2．噪聲的危害

現今的城市中，噪聲可謂是無(wú)孔不入.近年來(lái)城市機動(dòng)車(chē)輛的劇增，已成為城市的主要噪聲源。據統計，交通噪聲在上海的噪聲污染中占據很大比重，據市環(huán)保局的噪聲專(zhuān)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%；在廣州機動(dòng)車(chē)輛目前已達到130萬(wàn)輛，道路基礎設施相對滯后，近50萬(wàn)人生活在高噪聲（61—71分貝）環(huán) 境中。

有關(guān)專(zhuān)家指出，噪聲治理最終要依法解決。我國“十五”期間將加強環(huán)保建設，力爭使所有重點(diǎn)城市的噪聲質(zhì)量全部按功能區達標。此外，全國還將建成一批環(huán)境保護模范城市。對于交通干道可采用隔音屏障。我國目前多數采用金屬復合結構吸聲板，而目前國外常駐機構用公共設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(lèi)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(xiàn)公路成就了一道異常亮麗的風(fēng)景線(xiàn)，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，我國著(zhù)名聲學(xué)家馬大猷教授曾總結和研究了國內外現有各類(lèi)噪音的危害和標準，提出了三條建議：

① 為了保護人們的聽(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 對于睡眠時(shí)間建議在35~50分貝。

中國心理學(xué)界認為，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?？刂圃胍舻拇胧┛梢葬槍ι鲜鋈齻€(gè)部分或其中任何一個(gè)部分。噪音控制的內容包括：

① 控制噪聲源。降低聲源噪音，工業(yè)、交通運輸業(yè)可以選用低噪音的生產(chǎn)設備和改進(jìn)生產(chǎn)工藝，或者改變噪聲源的運動(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，在聲源和傳播途徑上無(wú)法采取措施，或采取的聲學(xué)措施仍不能達到預期效果時(shí)，就需要對受音者或受音器官采取防護措施，噪音控制在技術(shù)上雖然現在已經(jīng)成熟，但由于現代工業(yè)、交通運輸業(yè)規模很大，要采取噪音控制的企業(yè)和場(chǎng)所為數甚多，因此在防止噪音問(wèn)題上，必須從技術(shù)、經(jīng)濟和效果等方面進(jìn)行綜合權衡。

4．基建設施產(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)江隧道等隧道型設施﹐它們的共同特色之一是其周?chē)h(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，特別是對于低頻率聲音頻帶在隧道中容易形成極長(cháng)的混響時(shí)間?；祉憰r(shí)間增加，除了會(huì )導致隧道內噪聲增加，也容易對身體易產(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)生煩躁現象。此外，混響時(shí)間過(guò)長(cháng)對于人耳聽(tīng)覺(jué)也易產(chǎn)生遮蔽效應，干擾聽(tīng)力導致誤判隧道內聲音信息。 交通噪聲:主要指的是機動(dòng)車(chē)輛、飛機、火車(chē)和輪船等交通工具在運行時(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。

改善隧道型公共設施的聲環(huán)境，最適當的降噪方法之一就是鋪設大量且具有高吸聲系數的吸聲構造于隧道拱壁或是軌道鋪面以降低隧道內的混響時(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。在選用隧道內的吸聲構造，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造須具有高度的防火特性及對周遭環(huán)境的友善功能。

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

5. 專(zhuān)業(yè)軌道隧道降噪理論預估

如前所述，隧道型公共設施內部表面多為剛性表面，隧道內的混響時(shí)間極長(cháng)，形成一混響聲場(chǎng)。對一隧道混響聲場(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，可以由現場(chǎng)量測的混響時(shí)間，以下式計算得到

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

此處

T:混響時(shí)間

V:室內體積

c:聲音速度

6.案例：高速公路隧道混響時(shí)間量測及降噪量預估

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(cháng)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顆粒性吸聲構造，吸聲構造的厚度為8 cm，鋪設在拱壁的高度為350 cm，其鋪設位置示意圖，如圖1所示。厚度8 cm的CEMCOM吸聲構造在混響室的吸聲系數請參考表1，在頻率400 Hz以上，混響吸聲系數皆大于0.80，在頻率1250 Hz以上，混響吸聲系數皆大于0.90。

隧道混響時(shí)間現場(chǎng)檢測位置分布，如圖2所示，總計有5個(gè)測點(diǎn)位置，成一直線(xiàn)，每個(gè)測點(diǎn)相距約8 m。此5個(gè)測點(diǎn)位置在裝吸聲構造前后的混響時(shí)間檢測結果分別如表1及圖3所示?；旧?，在裝吸聲構造后的混響時(shí)間皆有明顯的降低，混響時(shí)間減少約64%~84%之間。裝吸聲構造后的預估降噪量在每一個(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(zhù)。

為了預估可能的公路噪聲在隧道內的降噪量，使用了平均車(chē)速在60 km/hr的公路噪聲頻譜來(lái)預估，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(chē)為主的噪聲。經(jīng)計算后，此一隧道內在全頻域(20Hz~20kHz)的降噪量預估值為 6.3 dB(A)，如圖4。另外為了評估在裝吸聲構造后對言語(yǔ)交談?dòng)绊懙母纳瞥尚?，使用了SIL ( speech interference level )評估指標[2]。SIL指標是使用在500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz 及 4000 Hz的平均聲壓級，

SIL＝(L500＋L1000＋L2000＋L4000)/4  dB

在使用圖4的公路噪聲頻譜為計算基礎，SIL的改善成效為6.6 dB。

結論

城市軌道交通車(chē)輛在運營(yíng)中不可避免地會(huì )產(chǎn)生噪聲，車(chē)輛內部的噪聲會(huì )直接影響著(zhù)乘客乘坐的舒適性，噪聲達到一定的強度會(huì )對工作人員、乘客等造成損害。持續不間斷的高噪聲會(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（結構）的吸聲機理主要是：首先是粘滯性和內摩擦的作用，由于聲波傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度各處不同，存在著(zhù)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摩擦力。其次是熱傳導效應，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(zhù)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)，也即只有當聲音通過(guò)微孔傳到吸聲材料內部時(shí)，才能起吸收作用。

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

參考數據︰

[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)間檢測結果及降噪量預估

圖1 湖南省常張高速公路關(guān)口隧道斷面圖及吸聲構造安裝位置

圖2 混響時(shí)間檢測位置示意圖

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(xiàn)

圖4 實(shí)際公路噪聲預估降噪量

吸聲材料（結構）的吸聲機理主要是：首先是粘滯性和內摩擦的作用，由于聲波傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度各處不同，存在著(zhù)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摩擦力。對質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)起阻礙作用，從而使聲能不斷轉化為熱能。其次是熱傳導效應，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(zhù)溫度梯度，從而相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生了熱量傳遞，使聲能不斷轉化為熱能。以上表面，吸聲與大多數其他“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)，也即只有當聲音通過(guò)微孔傳到吸聲材料內部時(shí)，才能起吸收作用。