道路声屏障插入损失预测计算及比较研究 傅杰斌 （环境科学2000级） 摘要：随着交通事业的迅速发展，交通噪声给交通路线附近的居民带来了一定的干扰。而设立道路声屏障是一种十分有效的降低交通噪声的措施，目前，国内外有越来越多的人投入到声屏障的研究工作当中。本文将运用德国Cadna/A环境噪声模拟软件系统和《道路声屏障声学设计规范》（报批稿）中的数学模型来预测计算高速公路声屏障的插入损失，并与实际监测值进行比较分析，揭示预测计算值相对实际测量值误差的原因，并指出在大车流、低本底的道路时，实测插入损失更接近预测计算值，软件和模型适用于实际工程中。 关键词：噪声 声屏障 插入损失 预测计算   Research on the Forecast Calculation and Comparison of Insertion Loss of Freeway Noise Barriers     Abstract: As the fast development of our country’s transportation, the traffic noise has brought some problems to the residents along the roads. The noise barrier is an effective mean of decreasing the noise. Currently, there are many people around the world researching on the noise barrier. This paper predicts the insertion loss of the freeway noise barriers by using German Cadna/A environmental noise simulating system and the mathematic model of the  《criterion for the vocal design of the road noise barrier》,and compare it with the actually measuring volume. By analyzing the differences, this paper explains why the errors exist. This paper also illustrates that in the condition of high traffic, low background noise, the actually measuring insertion loss is more near to the forecast calculation .The software and model is suitable for the practice.   Keyword: noise, noise barriers, insertion loss, forecast calculation      

1 前言

随着城市化进展，城市与城市之间、城市内部建起了快捷的交通路线网，如高速公路、高架道路、轨道交通等。高速公路和城市高架道路在建造时难免要穿过人口集中的居住区，交通噪声给交通路线附近居民的工作、生活、学习带来了一定的干扰，而设立道路声屏障是一种十分有效的降低交通噪声的措施，目前，国内外有越来越多的人投入到声屏障的研究工作当中。 声屏障是位于声源与受声点之间的具有足够面密度的声遮挡结构^[1]。设置声屏障是噪声控制工程中的重要措施之一，在降低交通干线噪声、工业生产噪声和社会环境噪声中发挥着独特的作用。道路声屏障是控制声源特别是交通噪声的重要措施，尤其是随着近年来城市轨道交通和高等级公路的加速建设，各类道路声屏障也得到广泛普及，实现了其它降噪手段所不能代替的效果。 本文运用Cadna/A环境噪声预测软件对进行预测，并根据《道路声屏障声学设计规范》(报批稿)中的线声源模型对道路声屏障插入损失进行计算，通过对上三高速公路嵊州段何家村（K53+328～K53+512）和黄泥桥（K63+072～K63+538）两个居民点设立的分别长184米和466米的声屏障进行实地测量，分析了软件和模型的误差和在实际工程中的可操作性。

2 声屏障插入损失

2.1 插入损失定义

插入损失（IL）是评价声屏障降噪效果最常用的物理量，其定义为声场中某固定点在设置声屏障前后的声级之差。降噪效果一般采用63～4000Hz的倍频程或50～5000Hz的1/3倍频程的插入损失来评价，单一评价量则采用实际声源状况下的最大A声级插入损失或等效连续A声级^[2]。

2.2 插入损失的计算方法

式中 分别表示绕射声衰减，透射声衰减和反射声衰减， 分别表示其它障碍物和地面声吸收，max表示取其两者中最大者，是因为一般两者不会同时存在。如果有其它屏障或障碍物存在，地面效应 会被破坏掉，因为只有贴近地面，地面声吸收的衰减才会明显。式中减去 是因为一旦设计的声屏障建成，原有的屏障或障碍物或地面声吸收效应都会失去作用。

3.声屏障插入损失的软件预测

3.1 预测软件介绍

Cadna/A系统是一套基于ISO9613标准方法、利用WINDOWS作为操作平台的噪声模拟和控制软件。该系统适用于工业设施、公路、铁路和区域等多种噪声源的影响预测、评价、工程设计与控制对策研究。 Cadna/A具有较强的计算模拟功能：可以同时预测各类噪声源（点声源、线声源、任意形状的面声源）的符合影响，对声源和预测点的数量没有限制，噪声源的辐射声压级和计算结果既可以用A计权值表示，也可以不同频段的声压级表示，任意形状的建筑物群、绿化林带和地形均可作为声屏障予以考虑。

3.2 道路声屏障插入损失预测

根据道路、声屏障、声源的实际参数，利用Cadna/A环境噪声预测软件进行声屏障插入损失的预测，不考虑周边建筑、地形的影响，预测界面如图1。

测点 参考点 声屏障 声源——高速公路

图1 Cadna/A环境噪声预测软件预测声屏障插入损失 其中道路为与实际相近的4车道中间有窄绿化隔离带的沥青道路，车流量约为13220辆/天，参考点位于屏障上方1.0m，三个测点分别离屏障水平距离为3m、6m、9m的高度可以调整的测点。声屏障长度为184m和466m时，分别进行预测。

4.数学模型计算声屏障插入损失

4.1 模型介绍

4.1.1 声波遇声屏障后的三种传播路径

当噪声源发出的声波遇到声屏障时，它将沿着三条路径传播（见图2）：一部分越过声屏障顶端绕射到达受声点；一部分穿透声屏障达到受声点；一部分在声屏障壁面上产生反射。   图2声波到达声屏障后的三条传播途径 越过声屏障顶端绕射到达受声点的声能级比没有声屏障时的直达声能小，直达声与绕射声的声级之差称为绕射声衰减。 透射声能量取决于声屏障的面密度、入射角及声波的频率。通常在声学设计时，要求屏障的传声损失大于10dB以上的透射引起的插入损失降低量，此时透射的声能可以忽略不计。 当道路两侧均建有声屏障，且声屏障平行时，声波将在声屏障间多次反射，并越过声屏障顶端绕射到受声点，它将降低声屏障的插入损失，由声波反射引起的插入损失降低量称之为反射降低量。 本次实测的声屏障，传声损失大于透射声引起的插入损失降低量10dB以上，并且屏障只有单侧，因此透射降低量和反射降低量都可以忽略。由2.2节可知，在无其它障碍物和刚性地面情况下，实际计算的插入损失可以近似为绕射声衰减量。

4.1.2 绕射声衰减的计算

在一般情况下，高速公路的交通噪声源可以视为无限长线声源。 当为无限长线声源，无限长声屏障，其绕射声衰减为： 式中： 为声波频率，Hz          为程差，m       为声速，m/s。 在实际工程中，看成无限长声源，有限长声屏障，要对上式进行修正。修正后的 取决于遮蔽角β/θ。

  线声源 声屏障 β θ   

      具体修正值如图3。 图3 有限长声屏障的修正图

4.2 模型的Mathematic简单程序

实际测得声源离屏障约为5.5m，声源平均高度为0.5m，声屏障高度为3.5m。则根据规范中的无限长线声源无限长声屏障绕射声衰减计算公式，编写简单的Mathematic程序如下：               其中： —声屏障高度，m；          —分别为测点离屏障水平距离、高出高速公路路面高度，m；          —声波频率，Hz； —声波传播速度，m/s；   —声程差，m； —绕射声衰减量，dB。 由Mathematic程序计算求得的为无限长线声源无限长声屏障条件下声屏障绕射声衰减，对于实际有限长声屏障，要对求得的绕射声衰减进行一定的修正。具体修正依照图3。

5.实测声屏障插入损失

5.1 实测方法

测量声屏障的实际插入损失方法有直接法和间接法^[4]。直接测量法是直接在同一参考位置和接受位置声屏障安装前后的声压级。间接法是声屏障已安装在现场的情况下进行，声屏障安装前的测量选择和声屏障安装前相等效的场所进行测量。 本次测量运用了间接法，并运用VS302USB双信道声学分析仪对屏障上方及屏障后的噪声进行同步采样和分析。 每次测量时间为10min，每次采样时间为2min，在每测量一个数据和每采样一个信号时都同步记下车流量。

5.1.1常规的间接法测量

上三高速公路嵊州段声屏障已建成，对其进行间接法测量。测量时布置了四个点，分别为参考点（1#）、受声点（2#）、模拟声屏障安装前的参考点（3＃）、模拟声屏障安装前的受声点（4＃）^[4]，其具体布置如图4和图5。 图4 声屏障安装后测点示意图 图5 模拟声屏障安装前测点示意图        4个点各用一个声级计，在测量时尽量做到同步。 根据《道路声屏障声学设计规范》（报批稿），声屏障的插入损失由下式计算： (1) 式中： (2) (3) ——参考点和受声点的声压级之差，dB； ——模拟参考点和受声点的声压级之差，dB； ——参考点的声压级，dB； ——受声点的声压级，dB； ——模拟屏障安装前参考点的声压级，dB； ——模拟声屏障安装前受声点的声压级，dB； ——受声点和模拟受声点类型修正值，dB；对于半自由场取0dB，对于建筑物壁面取6dB。

5.1.2现场采样，实验室分析方法

现场采样位置分别为参考点（1#）和受声点（2#），与图4-1相似，声信号用*.wav文件保存于计算机中，再到实验室中进行回放、剪切、分析。按声屏障降噪效果评价方法的要求，对采得的声信号做1/3倍频程谱分析，和最大A声级分析。以对声屏障做1/3倍频程各中心频率上的插入损失和单一的A声级插入损失评价。

5.2 测量仪器

（1）环境噪声监测用仪器AWA6218B型声级计，测试前用DN9校准，测量时戴风罩。 （2）噪声现场采样用VS302USB双信道声学分析仪。

6 软件预测值与实测值的比较分析

利用Cadna/A环境噪声预测软件预测所得的数据与实际监测数据比较如下表1。 表1 不同测点插入损失的软件预测值与实际监测值的比较  
测点位置 屏障正上1.0m处预测A声级（dB） 屏障后测点预测A声级（dB） 预测插入损失 A计权（dB） 实测插入损失 A计权（dB） ΔL,预测－实测 (dB) 3－1.5m 6－1.5m 6－2.0m 9－(-2.3)m 9－2.0m 78.9(昼)/71.5(夜) 78.9(昼)/71.5(夜) 78.9(昼)/71.5(夜) 78.9(昼)/71.5(夜) 78.9(昼)/71.5(夜) 59.9(昼)/52.5(夜) 59.4(昼)/52.0(夜) 60.0(昼)/52.6(夜) 57.2(昼)/49.8(夜) 58.0(昼)/50.6(夜) 19.0(昼夜) 19.5(昼夜) 18.9(昼夜) 21.7(昼夜) 20.9(昼夜) 13.3(夜) 5.3 (昼)/14.0(夜) 14.0(昼)/16.9(夜) 16.3(昼)/16.8(夜) 11.5(昼) 5.7(夜) 14.2 (昼)/5.5(夜) 4.9(昼)/2.0(夜) 5.4(昼)/4.9(夜) 9.4(昼) 注：测点位置Ⅰ－Ⅱ，其中Ⅰ表示测点离屏障水平的距离，Ⅱ表示测点高出高速公路路面的高度。     预测结果与实测值比较有一定的误差，预测值比实测值大，且昼间差值大于夜间。 软件预测所用参数都依照实际公路参数设定，公路选择与实际基本相符，即路面总宽度约为16m，其中中间绿化隔离带为1m，四车道，两行车道为3m，两超车道为3.25m，路肩0.75m。见下图6。   图6 道路切面示意图

7 模型计算值与实测值的比较分析

7.1 模型计算值与测量值比较分析

根据道路交通噪声监测统计资料,等效声压级和频率与车速有关,车速越高,等效声压级越高,等效频率越低,这是因为车速高,轮胎与路面磨擦产生的低频噪声增大的缘故^[3]。用线源模型计算A声级插入损失就需要用等效频率法来求得。 表2 不同测点插入损失的模型计算值与实际监测值的比较  
测点位置 计算插入损失 A计权（dB） 实测插入损失 A计权（dB） ΔL,计算－实测 (dB) 3－1.5m 6－1.5m 6－2.0m 9－(-2.3)m 9－2.0m 14.88 14.15 13.50 16.60 13.35 13.3(夜) 5.30(昼)/14.0(夜) 14.0(昼)/16.9(夜) 16.3(昼)/16.8(夜) 11.5(昼) 1.58(夜) 8.85 (昼)/0.15(夜) -0.50(昼)/-3.40(夜) 0.30(昼)/-0.20(夜) 1.85(昼) 注：测点位置Ⅰ－Ⅱ，其中Ⅰ表示测点离屏障水平的距离，Ⅱ表示测点高出高速公路路面的高度。     表中模型计算A计权插入损失是用500Hz作为等效频率所得，计算结果与实测A计权插入损失有一定的误差，且误差有正有负，波动不大。

7.2 模型计算值与采样声信号1/3倍频程谱值比较分析

通过声屏障插入损失模型计算值和实测值的比较，可以分析模型在计算实际工程中声屏障插入损失的误差，和实际测量声屏障插入损失的误差。利用VS302USB双信道声学分析仪对四个不同测点上采样的声信号进行1/3倍频程分析，比较在1/3倍频程中心频率的插入损失声压级与实际《道路声屏障声学设计规范》（报批稿）中数学模型计算出来的插入损失，分析之间误差。（见表2~表5，图7~图10）   表2 离屏障水平距离6m，高出高速公路路面1.5m点实测屏障插入损失与模型预测值比较：（何家村）   表3 离屏障水平距离6m，高出高速公路路面1.0m点实测屏障插入损失与模型预测值比较：（何家村） 频率 (Hz) 模型计算值（dB） 实测值 (dB) ΔL,计算－实测(dB)   频率 (Hz) 模型计算值（dB） 实测值(dB) ΔL,计算－实测(dB) 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 8.99 9.53 10.10 10.76 11.38 12.02 12.71 13.45 14.15 14.89 15.68 16.42 17.18 18.02 18.80 19.58 20.40 21.25 22.06 1.80 3.13 4.42 6.88 6.85 5.46 4.73 8.52 8.65 8.24 8.44 6.59 8.43 10.12 10.26 8.81 10.07 8.54 5.93 7.19 6.40 5.68 3.88 4.53 6.56 7.98 4.93 5.50 6.65 7.24 9.83 8.75 7.90 8.54 10.77 10.33 12.71 16.13   80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 9.43 9.99 10.58 11.26 11.90 12.56 13.27 14.02 14.73 15.49 16.28 17.03 17.80 18.65 19.43 20.22 21.05 21.91 22.72 2.34 8.35 8.36 8.20 6.19 4.31 5.26 8.30 7.52 7.97 8.50 5.53 1.69 5.68 6.39 7.95 6.47 0.22 -4.10 7.09 1.64 2.22 3.06 5.71 8.25 8.01 5.72 7.21 7.52 7.78 11.50 16.11 12.97 13.04 12.27 14.58 21.69 26.82   图7 何家村离屏障水平距离6m，高出高速公路路面1.5m声信号1/3倍频程分析 (左声道为屏障上1米点，右声道为屏障后方点) 图8 何家村离屏障水平距离6m，高出高速公路路面1.5m声信号窄带谱（A计权）分析 (左声道为屏障上1米点，右声道为屏障后方点) 表4 离屏障水平距离9m，高出高速公路路面0.3m点实测屏障插入损失与模型预测值比较：（黄泥桥）   表5 离屏障水平距离3m，高出高速公路路面2m点实测屏障插入损失与模型预测值比较：（黄泥桥） 频率Hz 模型计算值（dB） 实测值(dB) ΔL,计算－实测 (dB)   频率Hz 模型计算值（dB） 实测值(dB) ΔL,计算－实测 (dB) 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 9.54 10.11 10.71 11.40 12.04 12.71 13.42 14.17 14.89 15.64 16.44 17.20 17.96 18.82 19.60 20.39 21.22 22.08 22.89 1.05 -0.01 0.52 3.77 1.95 2.80 4.65 3.42 2.81 4.62 8.02 9.17 7.33 9.11 8.94 7.45 7.95 8.68 9.33 8.49 10.12 10.19 7.63 10.09 9.91 8.87 10.75 12.08 11.02 8.42 8.03 10.63 9.71 10.66 12.94 13.27 13.40 13.56   80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 8.86 9.39 9.95 10.60 11.22 11.86 12.54 13.27 13.97 14.71 15.49 16.23 16.98 17.82 18.60 19.38 20.19 21.05 21.85 -1.41 -2.13 1.36 4.35 3.54 4.36 3.90 4.56 3.96 3.82 7.03 7.62 8.05 11.12 11.12 8.50 8.48 9.36 11.64 10.27 11.52 8.59 6.25 7.68 7.50 8.64 8.71 10.01 10.89 8.46 8.61 8.93 6.70 7.48 10.88 11.71 11.69 10.21   图9 黄泥桥离屏障水平距离9m，高出高速公路路面0.3m声信号1/3倍频程分析 (左声道为为屏障后方点，右声道屏障上1米点) 图10 黄泥桥离屏障水平距离9m，高出高速公路路面0.3m声信号窄带谱（A计权）分析 (左声道为屏障后方点，右声道为屏障上1米点) 在1/3倍频程每个中心频率上，由模型计算所得的插入损失都比实际测量的值大。   表11 车流量统计表 位置 时段 大卡车/大客车 中巴车/面包车 小轿车 合计（辆/小时） 何家村 昼间 120～153 35～45 89～153 488～702 夜间 122 10 27 332 黄泥桥 昼间 175～177 34～49 109～172 640～792 夜间 155 6 27 376

8 结论

（1）在用Cadna/A环境噪声预测软件预测高速公路声屏障插入损失时，由于没有实测地段的准确的地形地势图，我们只考虑了道路参数和屏障参数，没有考虑周围建筑、山体、植被对插入损失的影响，因此预测结果与实际测量有一定的误差，昼间差4.9～14.2dB,夜间差2.0～5.7dB，预测所得的插入损失数据比实际监测的数据大，而这个差距在夜间相对昼间要小。主要原因在于夜间的本底噪声比起昼间要小的多。如果考虑周围的环境因素，则预测得到的插入损失与实际监测的值更接近，误差更小。而Cadna/A环境噪声预测软件能够考虑周围建筑、山体、植被对插入损失的影响，这样在预测能够模拟实际情况，大大减小误差，所以认为，Cadna/A环境噪声预测软件能够在实际工程预测中采用。 （2）用Cadna/A环境噪声预测软件预测高速公路声屏障插入损失时，昼间误差比夜间大的主要原因是车流量和本底值，实际测量中，上三高速公路车流量不大，平均为13320辆/天，车速>80km/h，所以车矩较大，且不稳定，在测量时间内经常出现车辆断流现象，在白天本底噪声较高的情况下，测量所得的声屏障插入损失要比夜间小，相对于预测值误差大。 （3）用《道路声屏障声学设计规范》（报批稿）中数学模型计算所得的声屏障插入损失在1/3倍频程中心频率上具有很好的频率相关性，完全符合声学特性,即低频声绕射比高频声强。 （4）用等效频率方法计算声屏障A声级插入损失与实际测量所得的插入损失值较为接近，尤其是在夜间本底噪声值低的情况下，计算值比实测值大-3.4～1.58dB，所以认为《道路声屏障声学设计规范》（报批稿）中数学模型在实际工程计算中误差下，可操作。 （5）现场采样的声信号1/3倍频程分析所得各中心频率的插入损失都比《道路声屏障声学设计规范》（报批稿）中数学模型计算所得值小，其原因主要也为车流量不够大、本底影响和监测本身的误差。因为实际测量时测点为农居，车辆通过时，道路侧噪声较大，屏障后的受声点声级值比屏障上方的参考点声级值小，插入损失为正；而当车辆断流时，农居的生活噪声比道路侧高，这样形成“倒屏障”，屏障上方参考点一次受声，而屏障后的受声点会受到屏障反射声影响，使之声级变大，甚至高出屏障上方参考点的声级，出现声屏障插入损失为负值。 （6）用Cadna/A环境噪声预测软件预测高速公路声屏障插入损失和用《道路声屏障声学设计规范》（报批稿）中数学模型计算声屏障插入损失，都对声源有一定的要求，主要有足够大的车流量，使车与车之间基本连续，更加符合线声源。其预测和计算所得的值与实际有一定的误差，在测量时，如果测量有车通过时的声级而避开车辆断流，误差将大大缩小。

 

参考文献

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