翟云波，王志瑞，马迎春，叶 颖

（1.湖南大学 环境科学与工程学院，湖南 长沙 410082；2.湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015）

随着高速公路的快速发展，交通噪声影响了人们的生活质量，已经成为高速公路沿线居民关注的焦点[1].作为一种经济而有效的方法，声屏障成为控制高速公路交通噪声的主要措施.长度、高度和位置是声屏障重要的设置参数，决定了声屏障的降噪效果和建造成本，然而，当前的声屏障设置参数并不合理，造成了声屏障工程在中国难以广泛使用.目前国内对声屏障的研究主要集中在吸声材料和声屏障顶端结构[2]，对声屏障设置参数和工程经济性考虑较少[3].利用噪声模拟软件Cadna／A可以对声屏障的设置参数进行优化设计，该软件预测精度可靠，已经得到了专家学者的认可，徐志胜[4]研究了Cadna／A软件在高速铁路声环境影响评价中的应用，夏平[5]等研究了用Cadna／A软件预测桥梁交通噪声及应用分析，李晓东[6]等研究了Cadna／A软件应用于声屏障插入损失的计算.利用模型对声屏障的优化设计研究多集中在声屏障的结构，例如Min－Chie Chiu[7]利用退火法模型对声屏障的结构进行了优化研究，然而鲜有噪声模拟软件Cadna／A在拟建高速公路声屏障设置参数的优化设计研究.

本研究以某拟建高速公路为例，建立交通噪声预测模型，提出了一种优化设计方法，对声屏障的设置参数进行了优化设计研究，该方法实现了降噪效果和经济性能的双重目的.

1 软件计算模式

公路交通平均噪声级Lm，E按（1）计算：

式中L（25）m为根据车流量、车型比例求出的单车道水平距离25m处的平均噪声级，可由公式（2）求出；Dv为对不同最高限速的修正；Dstro为对不同道路表面的修正；Dstg为对道路坡度的修正.

平均声级（Mean Level）L（25）m的条件为：水平距离25m，光滑沥清道路表面限速100km／h，坡度＜5%，距道路表面平均2.25m的高度声波自由传播：

式中M为单车道每小时平均车流量.当进行多车道公路计算时最外部两条车道的车流量为1／2M；P为卡车所占百分率（载重量＞2.8吨）.

2 模拟场景构建及模型优化设计

2.1 模拟场景构建

模拟场景为某高速公路，该高速公路为双向六车道，路面宽度为36m，采用沥青混凝土路面，车流量为25 000辆／d，其中小型车40%，中型车29%，大型车31%，设计时速为100km／h.噪声敏感区为高速公路沿线居民区，环境背景噪声低，周围没有大的声源，因此交通噪声是主要的噪声源.敏感区位于高速公路两侧，道路右侧敏感区长370m，左侧长330m，因此设置的声屏障必须考虑其吸声系数.经过试验研究，该声屏障吸声性能良好，吸声系数为0.82.敏感区所在城镇位于4a类区，要求昼间LAeq≤70dB（A），夜间LAeq≤55dB（A）[8]，建筑物周围声场分布如图1所示.在该图中，不同颜色所代表的噪声值不同（下同），交通噪声昼夜间水平和垂直声场分别如图2和3所示.选取靠近高速公路的第一排建筑物进行声屏障的优化设计研究，其中道路距第一排建筑物P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9，P10，P11的距离依次为27.0m，35.0m，50.5m，25.0m，26.0m，29.0m，25.0m，16.0m，17.5m，15.3m，20.0m，第一排建筑物高度依次为5.0m，6.0m，4.0m，7.0m，3.0m，3.5m，6.0m，5.0m，5.0m，4.0m，6.0m，第一排建筑物所设敏感点的高度依次为3.5m，4.0m，3.0m，4.0m，2.0m，2.5m，4.0m，3.5m，3.5m，3.0m，4.0m，所选敏感点都是在窗户前0.5m处.

图1 建筑物周围声场分布图Fig.1 Sound field distribution of buildings

图2 水平声场分布图Fig.2 Sound field distribution of ground surface

从图2和3中可以看出，不同颜色代表的噪声值的大小不同，交通噪声对周边居民产生了巨大的影响.在水平方向上，随着距离的增加，噪声值随之减小，位于建筑物后面的噪声值小于位于其他地方的噪声值；在垂直方向上，噪声值随着高度的增加而减少.

图3 垂直声场分布图Fig.3 Sound field distribution of height

2.2 模型优化设计与计算

2.2.1 模型设计

声屏障的设计参数包括声屏障到路基的距离、声屏障的长度和高度.作为一种常用的设计原则，声屏障应该最大程度接近噪声源，越近其降噪效果越好，但是为了保障行车安全，声屏障到路基的距离在1.5～2.0m之间，所以在本研究中取1.5m.长度在声屏障降噪效果和造价上起了重要作用，如果声屏障长度过短，则由于声波的直射和衍射作用导致声屏障的实际降噪效果会比理论降噪效果差.为了降低交通噪声的影响，声屏障的建造长度应大于敏感区的长度.声屏障高度对降噪效果有重要影响，是声屏障设计的主要参数，决定了降噪效果.因此在本研究中选取声屏障的长度和高度作为优化设计对象，在声屏障厚度一定的条件下以间接反应成本的建造面积为目标函数按（3）计算，声屏障的降噪效果为主要的限制条件.

式中L右为道路右侧声屏障的长度，H右为右侧声屏障高度；L左为道路左侧声屏障长度，H左为左侧声屏障高度.目标函数F为相同声屏障厚度下面向高速公路一侧的建造面积.

2.2.2 优化设计与计算

噪声模拟软件Cadna／A具有较强的计算模拟功能，可以同时模拟各类声源的复合影响，通过输入高速公路和声屏障参数，可利用噪声模拟软件Cadna／A对声屏障不同长度和高度的组合进行优化设计研究.在图2中可以看出，昼夜间只有第一排某些敏感点噪声值超标，并且由于建筑物的遮蔽作用和距离的衰减会使得位于第一排建筑物之后的敏感点噪声值达标，因此选取高速公路第一排建筑物为优化设计对象.为了得到未设置声屏障时的噪声污染状况，经模拟，第一排建筑物的A计权声压级如表1所示.

表1 敏感点A计权声压级Tab.1 A－weighted sound pressure level of noise－sensitive points

从表1可以看出，昼间和夜间某些敏感点A计权声压级超过了标准值，在这些点中，昼间最大A计权声压级是72.3dB（A），超出标准值2.3dB（A），夜间最大A计权声压级是64.9dB（A），超出标准值9.9dB（A），该值即为声屏障降噪的最小值.为了保证居民免受噪声的污染，必须设置声屏障，且该声屏障的最小降噪量为9.9dB（A）.为得到最佳长度和高速组合，本研究对6组不同长度和高度的组合进行了优化设计研究.

组合1，声屏障刚好覆盖敏感区，因此道路右侧声屏障长为370m，左侧声屏障长为330m.由于未设置声屏障的路段直射及声屏障两端衍射作用，不管设置多高的声屏障均不能使位于敏感区最外两端的敏感点达标.

组合2，为减弱声屏障两端的衍射和未设置声屏障路段的直射作用，因此需要在声屏障两端各增加10m，此时道路右侧声屏障长为390m，左侧声屏障长为350m.经模拟，当道路右侧声屏障设置高度为6.5m，道路左侧型声屏障设置高度为9.0m时，敏感区所有敏感点均达标，夜间最高噪声值为55dB（A），面向公路一侧的声屏障面积F＝390m×6.5m＋350m×9m＝5 685m2.

尽管组合2可以使敏感区所有敏感点达标，但是声屏障的高度设置过高，对驾驶者、周围居民产生视觉和心理压抑，并且居民采光比较困难.为此，本课题对组合3进行模拟研究.当声屏障两端再增加10m时，此时道路右侧声屏障长为410m，左侧声屏障长为370m.经模拟，当道路右侧声屏障设置高度为4.2m，道路左侧声屏障设置高度为5.1m时，敏感区所有敏感点达标，夜间最大噪声值为55dB（A），面向公路一侧的声屏障面积F＝410m×4.2m＋370m×5.1m＝3 609m2.较组合2，组合3的声屏障高度有了较大的降低，一定程度上缓解了周围居民产生视觉和心理压抑，而且降低了建造成本.

采用同样的方法，对组合4进行模拟研究，右侧声屏障长430m，左侧声屏障390m时，发现当右侧声屏障高3.7m，左侧声屏障高为4.5m时，敏感区所有敏感点达标，夜间最大噪声值为55dB（A），面向公路一侧的声屏障面积F＝430m×3.7m＋390 m×4.5m＝3 346m2.较组合3，虽然组合4声屏障两端的长度各增加10m，但声屏障的高度降低了0.5m，说明随着声屏障长度的增加，声波的直射作用在减弱.因此在组合5中声屏障两端各增加5m，即右侧声屏障长440m，左侧声屏障长400m，当右侧声屏障高3.6m，左侧声屏障高4.4m时，敏感区所有敏感点达标，夜间最大噪声值为55dB（A），面向公路一侧的声屏障面积F＝440m×3.6m＋400 m×4.4m＝3 344m2，发现组合5的建造面积仅比组合4少了2m2.在组合6中，在声屏障两端继续增加5m，即右侧声屏障长450m，左侧声屏障长410m，经模拟，右侧仍需要设置高为3.6m的声屏障，左侧声屏障高度为4.4m，这说明声屏障两端的直射作用可以忽略不计，此时已经增加了10m的建造成本，如果继续增加声屏障长度，声屏障的高度仍不会改变.不同组合建造面积的比较如表2所示，不同组合时的建造面积折线图如图4所示（由于组合1建造面积无穷大，因此折线图从组合2开始画起）.

表2 不同组合的比较Tab.2 Comparison of different groups

图4 不同组合时的建造面积比较Fig.4 Comparison of different groups

从图4中可以看出组合2到组合3时，建造面积有了较大的减少，随着组合的增加，建造面积在缓慢减少，组合5时建造面积最小，随着组合的增加建造面积增加，因此可以认为组合5的建造面积最小，即建造成本最小.

3 结果分析

声屏障的降噪效果主要取决于声源发出的声波沿反射、透射、衍射三条路径声能分配，声源辐射的声波在声屏障后形成“声影区”.“声影区”的大小和声屏障的有效高度及长度有关，位于“声影区”内的噪声级低于未设置声屏障时的噪声级.一般声屏障“声影区”内降噪效果在5～12dB（A）之间，噪声有了明显衰减.通过以上昼夜间声场分布图，可以得知不同颜色代表的噪声级不同，颜色越深噪声级越大，随着距道路距离的增大，噪声级减小，位于建筑物后面的噪声值小于位于其他地方的噪声值.组合1，由于声屏障设置长度和敏感区的长度相等，未设置声屏障的路段距最外的4个敏感点的距离较近，此时声波的直射作用大于衍射及透射作用之和，直射作用起主导作用，使得某些敏感点位于“声影区”之外，因此无论声屏障设置多高，最外两个敏感点均不能达标.为了减弱声波的直射作用，使最外两个敏感点位于“声影区”之内，需要增加声屏障的长度.通过比较组合2和3的目标函数，发现随着声屏障两端各增加10m，右侧声屏障高度降低了2.3m，左侧声屏障降低了3.9m，建造面积降低了2 076m2.这说明声屏障两端各增加10m的长度，声波的直射作用有了较大的削减，逐渐会被声波的衍射及透射作用所取代.比较组合3和4，随着声屏障的长度的增加，建造面积降低了263m2.比较组合4和5，发现建造面积降低了2m2，这两组数值相差很小.比较组合5和6的目标函数，发现随着声屏障长度的增加，声屏障的设置高度将不变化.这说明在组合5中声波对敏感点的直射作用忽略不计，全部敏感点均处在“声影区”，只考虑声波的衍射及透射作用，此时得到的声屏障建造面积最小.所以声屏障不同长度和高度的组合会对降噪效果和经济的最优化产生较大影响.

4 结 论

1）本课题选取一种声屏障作为优化研究对象，经噪声模拟软件Cadna／A模拟实际的场景，该型声屏障取右侧声屏障长440m高3.6m，左侧声屏障长400m高4.4m组合时，可以有效降低高速公路交通噪声对其沿线区域的声环境质量的影响，且可实现工程造价最小化.

2）在需要设置声屏障的路段，声屏障的设置长度必须大于敏感区的长度，否则未设置声屏障路段噪声直射和衍射作用会使声屏障的实际降噪效果比理论降噪效果低，因此在需要设置声屏障的路段应因地制宜，综合利用地形优势.

3）通过以上分析得知，噪声模拟软件Cadna／A在拟建高速公路降噪措施中具有很好的应用价值，通过对声屏障进行优化设计，可以为我国高速公路声屏障实现最优化提供理论指导.

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