噪声软件在多孔沥青混凝土路面降噪中的应用.pdf

3 1 2 成果应用 城 市道桥 与防洪 2 0 1 2 年 6 月第 6 期 噪声软件在多孔沥青混凝土路面降噪中的应用 蒋甫 ( 上海 浦东 工程建 设管 理有 限公司 ， 上海 市 2 0 1 2 1 0 ) ， 摘要： 现场或者室内试验的实测数据难以将多孔沥青混凝土路面的降噪性能进行理论化 ， 因此 ， 选择合适的吸声模型和计 算软件将直接影响降噪性能理论分析的准确性。通过比较 目前流行的几款噪声分析软件 ， 结合多孑 L 沥青混凝土路面的特性， 选 择全 球首款 全频 段振 动噪声 软件 P A M V A ON E， 建立 A a r d J o h n s o n吸声 模型 ， 计算 得到不 同空 隙率沥 青混凝 士试 件 的吸声 频谱和平均吸声系数。室内吸声系数试验表明， 采用 A l l a r d J o h n s o n 吸声模型在 P A M V A O N E软件中得到的计算值与试验实 测值之间的相似系数达 0 9 ， P A M V A O N E软件分析多孔沥青混凝土路面噪声的可靠性较高。 关键词 ： 多孔沥青混凝土路面； 噪声软件； 降噪性能； 吸声系数 中 图分 类号 ： U 4 1 6 2 文献标 识码 ： A 文 章编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 3 1 2 0 3 0 前言 多孔沥青混凝土路面由于具有约 2 0 的大空隙 率， 能够有效降低路面与轮胎之间的交通噪声 】 。 国内 大量有关多孔沥青混凝土路面 的降噪研究 主要侧 重于现场或者室内噪声测试 ，而对于沥青混凝土 路面的多孔性是如何降噪以及降噪效果的研究很 少 ，且并没有利用现有 的噪声软件分析多孔沥青 混凝土路面降噪性能。 本 文 以毕奥 吸 声理 论 为基 础 ，采用 A l l a r d J o h n s o n模型 ， 在噪声软件 P A M V A O N E中建立吸 声模型， 研究多孔沥青路面的降噪机理 ， 提出不同 空隙率沥青路面 的降噪性 能。最后通过室 内试验 测试 ，验证 了 P A M V A O N E软件分析多孔沥青路 面噪声的可靠性 。 1 噪声分析软件的选择 目 前市场上使用比较多的专业振动和噪声分 析软件主要有： ( 1 ) E S I 公司的 P A M V A O N E ( 全频 段 ) 和 A u t o S E A 2 ( 高频 ) ； ( 2 ) L MS公 司的 S y s n o i s e ， 采用有限元和积分方程方法 ，预测振动和声学的 中低频反应 ； ( 3 ) MS C公 司的 A C T R A N，与前后处 理 器 N A S T R A N、 P A T R A N相 结 合 进 行 求 解 ； ( 4 ) R A Y O N； ( 5 ) V N o i s e ； ( 6 ) C A A + +等 。该 几 种 软 件 中， 使用较普及的为前两种， 后几种软件针对性较 强 ， 不方便应用于多孔材料吸声分析。S y s n o i s e 软 件侧重于中低频噪声，高频噪声误差较大并且模 型庞大 ， 而且该软件本 身不能建模 ， 需要前处理 网 格划分软件辅助建模 ， 在计算过程中， 不同模型之 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 2 2 9 基金项目： 上海市科学技术委员会重点科技攻关项目资助 ( 0 5 2 1 1 2 0 4 8 1 ) 作者简介： 蒋甫( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 江苏宿迁人 ， 博士， 工程师， 从事 市 政 工程 建设管 理工 作 ， 研 究方 向为 路基路 面和工 程管理 。 间的耦合条件要求较高，不能够施加复杂条件下 的声源载荷状况 ， 因此在本文 中不采用 。A u t o s e a 2 采用统计能量分 析 ( S t a t i s t i c a l E n e r g y A n a l y s i s ) ， 以 梁 、 杆 、 板 、 壳 、 柱等子结构为建模 的基础。统计 能 量 法不 同于有 限元法能得 到某一点 的噪声值 ， 它 只能获得某个子系统的整体平均噪声水平。该软 件分析高频噪声精度较高，但是中低频计算能力 不足 。 P A M V A O N E是全球首款全 频段振动噪声设 计分析模拟软件 ，它不但可以创建概念设计阶段 的统计 能量分析模型 ，还可以用于创建详细设计 阶段的有限元 和边界元模型 。它是基于 中高频分 析的优 秀软件 A u t o S E A 2 ，通过嵌入低频有 限元分 析的 N a s t r a n求解器和低频边界元分析的 R a y o n求 解器 ， 再辅 助以杂交 的 F E M S E A和 F E M B E M S E A 混合求解方法的中频段求解器 ，使得它可以求解 全频域范 围内的振 动噪声 问题 ，也是 目前世界上 唯一一款在一个统一的环境下完成全频段振 动噪 声分析的软件 。 P A M V A O N E含有五大基本模块 ：统计 能量 分析模块 ( S E A) 、 结 构有限元模块 ( F E S t r u c t u r e ) 、 声学有限元模块 ( F E A c o u s t i c ) 、声学 边界元模块 ( B E M) 以及中频段的杂交分析模块( H y b r i d ) 。 另外 还有一系列扩展模块。 针对 多孔沥青 路面特 性 ， P A M V A O N E提供 专业多孔 材料模块 ( F o a m) 和吸声层 噪声处理程序 ( T r e a t m e n t L a y u p ) 分析多孑 L 路面 的吸声性 能 ( 如 图 1 ) ，并且其计算理论以 A l l a r d 专著( P r o p a g a t i o n o f S o u n d i n P o r o u s M e d i a ) 为基础， 其分析理论与多 孔沥青混凝土特性密切相关， 因此匹配性较高。 2 建模 P A M V A O N E软件对于多孔材料噪声的分析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 6 月第 6 期 城 市道桥 与 防洪 成果应用 3 1 3 蠢 叠M a t e r i a l s C p 流体定压 比热 ； F l u i d z l l 流体动力粘度系数； 望工 s o t r o p i c i ， A 流 体 热 传 导 系 数； ：!毫 O r th otr op i c7 i 5 1 as ti S ol i ds 二 不 ； sc o c 隙 率 ； 国 F o 锄s R 厂一 静态流阻系数 ； ( ) 材 料 模型 迂 曲度( 曲率 ) ； 礓 N o i C o n t r o 1 T r e a t m e z t s 热特征长度， 可以用吸收 0 ； s o u n d P a c k a g e s 八 t 度， 可以用昆 墁得到。 !T r ： ： n t L a y- u p 通 过 推 导 和 转 化 ， P A M V A O N E 软 件 中 计 算U i s e r D e f in e d T r e a t m e n t 。J 一 H 。 。 。 i _ M u l t i p 1 e N o i s e C o n t r o l T r e a t A ll a r d J o h n s o n 模型的 参数和 参数值如 表1 所 示。 噪 声 计 算 模 块 4 模型计算结果分析 以 A l l a r d专 著 P r o p a g a t i o n o fS o u n d i n P o r o u s Me d i a 为基 础 ，因此 ，基 于 比奥( B i o t )吸声 理 论 的 A l l a r d J 0 h n s o n 模型 ，按照沥青混合料试样规程4 1 T 0 7 0 2 2 0 0 0的击 实试 验 方 法 成 型 1 0 1 6 ram 6 3 5 ra m圆柱体试件， 根据 驻波管法吸声系数与 声阻抗率测量规范 同 的标准建立吸声系数模型 ， 如 图 2所 示 。 堇 墨 堇 墨 堇 蚤 试样 图 2 吸声试验模型 3 模型参数的确定 A l l a r d - J o h n s o n模 型 6 - 8 1 ， 其本构关 系如下 ： R = R 。 l f 一 _ j 一 伽 I ，+ + 蜘 16r I 【 尸 V J 式( 1 ) 、 ( 2 ) 中： 流阻系数 ； p 流体体积模量； 圆频率 ； p o =Q 广大气压 ， 1 0 1 3 2 5 P a ； p 广流体密度； 定压 比热与定容 比热 的比； 尸 =一v c J a普朗特数 ； 设 置不 同空隙率的计算参数后 即可得到沥青 混凝 土试件在噪声频率 1 68 0 0 0 H z 时对应 的吸 声系数。 为简化分析， 按照 1 3 倍程谱的频率分布， 分析不同空隙率沥青混凝土路面的吸声性能。 图3 为空隙率 2 3 和 6 的沥青混凝土路面的吸声系 数计算结果， 图中采用双对数坐标系， 横坐标为频 率( 1 3 倍程谱 ) ， 竖坐标为吸声系数 。 为 了便于 图中显示 ，根据室 内吸声 系数试验 的测试范 围、 交通 噪声频率分布 、 最大吸声频率范 围 ，选择 2 5 02 0 0 0 H z频率 内吸声 系数进行分 析， 空隙率 6 2 3 沥青路面的计算吸声系数值 如图 4所示 。 5 P AM V A ONE计算结果的可靠性验证 5 1 验证方法 距离分析是分析观测量和变量之间相似或不 相似程度的一种测度 ，是计算一对变量或一对观 测量之间的广义距 离 ，也可对变量 间进行距离相 关分析， 常用于考察预测值与实际值的拟合程度 ， 也可用于考察变量 的相似程度【9 l 。 本文中采用大型统计分析软件 S P S S 对吸声 系数计算值和室内试验声学所实测值进行距离分 ( 1 ) 析，采用皮尔逊相关方法对计算值和实测值这两 个变量进行距离求解 ，得到计算值和实测值之间 ， 、 的相似矩阵和相似系数， 确定计算值的可靠性。 一 5 2 室内试验及 实测数据 试验按照国标 驻波管法吸声系数与声阻抗 测量规范 ( G B J 8 8 8 5 ) 中的有关规定 ， 采用驻波 管 +频率分析仪 +音频信号发生器进行测试。按 照 驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范 中式 4 2 1 计算吸声系数的频率范围为 1 0 0 2 0 0 0 H z 。 试验中，根据现场道路多孔沥青混凝土路面的配 合 比进行级 配 、矿粉 和用油量调 整 ，击实 6 2 3 不同空隙率的马歇尔试件( 直径 1 0 1 6 I n i n ) ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 1 4 成果应用 城 市道桥 与防洪 2 0 1 2 年 6 月第 6 期 注： 表 中的 L A Y E R 2 3 L A YE R 6为对应空隙率 2 3 - 6 沥青路 面。 坂0 0 1 0 0 1 忸 D 0 0 1 0咖1 囊 至i 辟 马 l I1士 l j i 二： 刊 I l l= 蒋 1一 f 一 i 十 一一 蒋 一 L 鞯 j 稀 j = =：= 匿 圈 l E 甘 j l 【 蝴 一 士 一 鐾 F辩 I I 莲 I一 _ _ I j I 1 0 1 哪 频率 H z ( a )2 3 空隙率 ( 双对数坐标) 1 0 1 D 口 1 0 0 0 1 硼 频率 H z ( b )6 空隙率 ( 双对 数坐标 ) 图 3 空隙率为 2 3和 6的沥青路面频谱 特性 曲线 于同济大学声学所进行驻波管吸声系数试验 ， 试 验中采用 B r n e l & K j r 公司 4 2 0 6 型双传声器阻抗 测量管 ， 实际测试频率范围为 1 0 0 2 5 0 0 H z 。试 验结果表 明：频率为 1 0 02 5 0 H z 和 2 0 0 0 2 5 0 0 H z 范围内不同空隙率的沥青混合料吸声系 频率 H z 圈 4 不 同空隙率试 样的吸声 系数 图 数差异不大，同时为了在图表中更好显示测试结 果 ，本文只绘制 2 5 02 0 0 0 H z 范 围内吸声系数 ， 试验结果如图 5所示 。 0 8 0 6 O 2 0 一 2 3 一 2 0 - 1 - 一1 8 一 一1 5 一 1 3 一 1 O 6 2 5 0 3l 5 4 0 0 5 0 0 6 3 0 8 0 0 1 0 0 0 1 25 0 l 6 0 0 2 0 0 0 频率 H z 图 5 实测 不同空隙率 下吸声 系数 5 3 可靠度分析 在统计软件 S P S S中， 可直接得到表征计算值与实 测值两者之间相似程度的相似系数如表 2所示。 表 2 不同空隙率沥青路面吸声系数的计算值和实测值相似系数 ( 下转第 3 2 2页) 8 6 4 2 0 籁 虹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 2 成果应用 城 市道桥与防洪 2 0 1 2 年 6 月第 6 期 力可达到 1 6 0 k N以上 ， 随着时间推移 ， 桩周土体 回 挤还可使其承载力提高。 ( 3 ) T C桩没有打穿软土层条件下 ，设计 中桩 长、 桩间距等参数选择建议按照控制工后沉降为主， 计算中将桩端刺入量、 软弱下卧层沉降适 当增加 ， 其 计算方法有待进一步研究。 ( 4 )一般路段典型断面沉降监测数据表明 ， T C 桩处理后的路堤沉降量得到明显控制 ， 沉降收敛快 ， 且各断面总沉降差异小 ， 加固效果明显 。低填路堤 条件下 ， 交通荷载对路堤沉降影响很大， 沉降计算 中 必须予以考虑。 ( 5 ) T C桩 由于是小直径刚性桩 ，布桩方式为 “ 细而密” ， 与其他大直径刚性桩 ( 如 P T C管桩 、 旋挖 桩) “ 粗而疏” 的布桩方式相比， 表面沉 降更加均匀 ， 对垫层加筋材料强度要求 、盖板 的强度与尺寸要求 更低 ， 在低填方路堤中优越性更为明显 。 ( 6 ) T C桩与 P T C管桩 、 水泥土搅拌桩进行经济 比较 ， 工程费用减少 1 0 以上 ， 具有 一定 的经济优 势 。 参考文献 f 1 1 浙江省交通规划设计研究院主编 浙江省公路软土地基路堤设计 要点【 M 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 9 【 2 陈永辉 ， 王新泉 塑料套管混凝 土桩 技术及应用【 M】 北京 ： 中国建 筑工业 出版社 2 0 1 1 【 3 】 钱 国超 ， 陈加富 ， 等 高速公路海相 软土地基水泥土搅拌桩加固技 术 M 2 1 t 京 ： 人民交通 出版社 2 0 0 8 ( 上接 第 3 1 4页) 从表2中可以看出，计算值和实测值的平均相似 系数近 0 9 ， 表明计算值和实测值之间的拟合程度很好。 因此 ，采用 A l l a r d J o h n s o n吸声模型的 P AM V A O N E 软件可以分析计算多孔沥青混凝土路面的降噪陛 能。 6 结语 本 文首 次提 出采用 P A M V A O N E噪声分 析 软件计 算 多孔 沥青混 凝 土路 面的 降噪性 能 。在 软件 中建立 了 A l l a r d J o h n s o n吸声模 型 ，输入 不 同空隙率沥青混凝土试件 的参数后 ，即可计算 得到不 同空隙率沥青混凝土试件的吸声频谱和 平均吸声 系数 。通过采用统计软件 S P S S分析 P A M V A O N E噪声软件计算值与室内试验实测 值之 间的相似性 ，表明 P A M V A O N E噪声软件可 用于计算分析多孔沥青混凝土路面的降噪性能。 参考 文献 【 1 H a n s B e n d t s e n ，B e n t A n d e r s e n N o i s e R e d u c i n g P a v e m e n ts - S t a t e o f t h e a r t i n D e n m a r k 【 R H e d e h u s e n e ：Dani s h R o a d I n s t i t u t e ， Re po r t 1 41 2 00 5 ：1 2 1 4 【 2 P h i l Mo r g an G u i d a n c e Ma n u a l f o r t h e I mp l e me n t a t i o n o f L o w - N o i s e R o a d S u r f a c e s R I B r u s s e l s ：T h e F o rum of E u r o p e an N a t i o n al H i g h w a y R e s e arc h L a b o r a t o r i e s ( F E H R L ) ， R e p o r t ， 2 0 0 6 【 3 邱垂德， 张连鸿( 台湾) 公路局快速公路采用开放级配橡胶沥 青铺面之探讨【 J 1 _ 台湾公路工程 ， 2 002 ， 2 8 ( 1 0 ) ： 1 O 4 】 J T J 0 5 9 9 5 ， 公路路 基路面现场测 试规程 s 5 】 G B J 8 8 1 9 8 5 ， 驻 波管法 吸声系数与声 阻抗率测量 规范 【 s1 6 】A l l ard ，J - F ；D al g l e ，G i l l e s P rop a g a t i o n of S o u n d i n P o r o u s Me d i a ：Mo d e l i n g S o u n d A b s o r b i n g Ma t e ri a l s 【 J J Me l v i l l e ：T h e J o u rna l o f t h e A c o u s t i c al S o c i e t y of A me ri c a ，1 9 9 4 ， 9 5 ( 5 ) ： 2 7 8 5 【 7 B rou a r d B ，L a f a r g e D ，A l l a r d J - F A G e n e r a l Me t h o d of Mo d e l in g S o u n d P r o p a g a t i o n i n L a y e r e d Me d i a J J o u rnal o f S o u n d and Vi b r a t i o n ， 1 9 9 5 ， ( 1 8 3 ) ： 1 2 9 1 4 2 【 8 】C h a m p o u x Y ， Al l a r d J - F D y n a mi c T o r t u o s i t y and B u l k Mo d u l u s in A i r S a t u r a t e d P o r o u s Me d ia J 】 J o u r n al o f A p p l i e d P h y s i c s ， 1 9 9 1 ， 7 O ( 4 ) ： 1 9 7 5 - 1 9 7 9 9 】 余建英， 何旭宏 数理统计分析与 S P S S 应用【 M 北京： 人民邮 电出版社 ， 2 00 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m