王 輝， 董欣雨， 鄧 喬， 石 磊

(長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展使汽車數(shù)量與日俱增，噪聲污染日益突出.鋪筑低噪聲路面是降低道路交通噪聲的一種經(jīng)濟有效的工程措施.國內(nèi)外研究和應用的低噪聲路面形式多種多樣，如多孔瀝青路面、骨架密實型低噪聲瀝青路面等，它們均有優(yōu)缺點和適應條件[1-4].汽車噪聲主要來源于動力系統(tǒng)的噪聲、輪胎與地面摩擦產(chǎn)生的噪聲以及車身與風摩擦產(chǎn)生的噪聲[5-7]，其聲波在傳播過程中遇到障礙物時發(fā)生不規(guī)則反射、折射和衍射等現(xiàn)象，會引起能量損耗[8]，這一損耗過程稱為聲波的吸收.材料吸收聲波能力的大小可用吸聲系數(shù)表示[9].吸聲系數(shù)即材料吸收聲能與入射聲能的比值，它是表征瀝青混合料吸聲性能的一個重要指標，目前可用管測法和混響室法測量[10-12].

本文采用雙傳聲器傳遞函數(shù)法測試瀝青混合料級配類型、空隙率、試件厚度和噪聲頻率對其吸聲系數(shù)的影響，比較各類瀝青混合料的吸聲性能，以探索其在各因素影響下的吸聲規(guī)律.

1 試驗

1.1 原材料

瀝青采用70#A級基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和橡膠瀝青.其中基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青檢驗合格；橡膠瀝青中的橡膠粉以內(nèi)摻形式摻入，粒徑選用250μm(60目)，摻量(以瀝青質(zhì)量百分比計)分別為15%，20%和25%，其主要技術指標見表1.設計了瀝青混凝土混合料(AC-13)，瑪蹄脂碎石瀝青混合料(SMA-13)，開級配抗滑磨耗層瀝青混合料(OGFC-13)和骨架密實型橡膠瀝青混合料(SDARC-13)4種瀝青混合料.各瀝青混合料級配設計結(jié)果見表2，馬歇爾試驗結(jié)果見表3.

表1 橡膠瀝青主要技術指標

表2 瀝青混合料級配設計結(jié)果

表3 瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

Note：VV—air void；VMA—void in mineral aggregate；VFA—void filled with asphalt.

為比較不同級配類型瀝青混合料吸聲系數(shù)的差異，在進行吸聲系數(shù)測試之前，車轍板試件被切割成尺寸為80mm×80mm×20mm，80mm×80mm×40mm，80mm×80mm×60mm的棱柱體.

1.2 試驗方法

圖1 雙傳聲器測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual microphone measurement

汽車行駛產(chǎn)生的路面噪聲聲波入射到路面時，部分被路面反射，部分會入射到材料內(nèi)部.依靠路面材料空隙內(nèi)氣體分子間的黏滯阻力，聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮鼙缓纳?目前混響室法用于測量無規(guī)則入射聲波，理論上更接近于路面吸聲的實際情況，但它要求的試件面積較大；管測法分為駐波管法和傳遞函數(shù)法[13]，它要求的試件面積小，容易制作，也能夠準確測量聲波法向入射時的吸聲系數(shù)，另外其中的傳遞函數(shù)法能夠一次測量多個頻率的吸聲系數(shù)，在測試效率上優(yōu)于駐波管法[14].因此本文采用雙傳聲器傳遞函數(shù)法來測試各類瀝青混合料的吸聲系數(shù).雙傳聲器傳遞函數(shù)法主要通過測量固定在聲阻抗管中2個傳聲器處的聲壓值，計算2個傳聲器處的通道函數(shù)，得到聲波法向入射時的吸聲系數(shù)[15].雙傳聲器傳遞函數(shù)測量系統(tǒng)主要由聲阻抗管(聲阻抗管由聲源、聲源筒和試件筒組成)、測量傳聲器、功率放大器和分析儀等組成，其測試原理圖見圖1.試驗采用的聲阻抗管由湖南大學機械與運載學院自主開發(fā).聲阻抗管的驗證試驗如圖2所示.由圖2(a)可見，當阻抗管的一端放置吸音棉時，聲波基本被吸收，吸聲系數(shù)接近于1；由圖2(b)可見，當阻抗管的一端放置有機玻璃板時，大部分聲波被反射，吸聲系數(shù)接近于0.驗證試驗結(jié)果表明該儀器能滿足吸聲系數(shù)測試要求.

圖2 聲阻抗管驗證試驗Fig.2 Verification test of impedance tube

2 測試結(jié)果分析

因汽車行駛時噪聲峰值頻率一般在600～1200Hz，故將雙傳聲器傳遞函數(shù)法測試頻率控制在此范圍之內(nèi).瀝青混合料吸聲系數(shù)在不同噪聲頻率下的變化曲線見圖3.

圖3 瀝青混合料吸聲系數(shù)在不同噪聲頻率下的變化曲線Fig.3 Variation curves of sound absorption coefficient with frequency of asphalt mixtures

2.1 瀝青混合料類型的影響

由圖3可見：OGFC-13瀝青混合料吸聲系數(shù)的峰值最大，6cm厚的OGFC-13瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值高達0.83，是同厚度AC-13，SMA-13和SDARC-13(橡膠粉摻量25%)瀝青混合料的2.0，1.8和1.3倍；隨著試件厚度的減小，OGFC-13瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值高出倍數(shù)相應增大，2cm厚的OGFC-13瀝青混合料試件吸聲系數(shù)峰值為0.74，是同厚度AC-13，SMA-13和SDARC-13(橡膠粉摻量25%)瀝青混合料的3.5，3.1和1.9倍；相比密級配瀝青混合料(AC-13，SMA-13和SDARC-13)，開級配瀝青混合料(OGFC-13)表現(xiàn)出更優(yōu)秀的吸聲性能.主要因為后者內(nèi)部分布著相互貫通的空隙，當聲波入射到該材料表面時，會沿著貫通的空隙發(fā)生折射和衍射，對聲波的能量有相當程度的損耗；而前3類均為密實型瀝青混合料，連通的空隙率較小，聲波的能量損耗較小.

2.2 瀝青混合料厚度的影響

由圖3還可見：當瀝青混合料厚度由2cm增至4cm時，瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值對應的頻率向低頻方向移動；當瀝青混合料厚度由4cm增至6cm時，其吸聲系數(shù)峰值對應的頻率稍向高頻方向移動，但仍小于厚度為2cm的瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值所對應的頻率，說明在一定范圍內(nèi)增加瀝青混合料厚度有利于低頻噪聲的吸收；瀝青混合料厚度為 2～6cm時，厚度越大，其吸聲系數(shù)越大，這是由于瀝青混合料厚度增加使得聲波入射后經(jīng)過的空隙通道長度隨之增加，在空隙內(nèi)發(fā)生折射和衍射次數(shù)增多，損耗了更多的能量，對聲波的吸收能力增大；當瀝青混合料厚度從4cm 增至6cm時，其吸聲系數(shù)增大幅度明顯減小，說明瀝青混合料的吸聲性能可能受到空氣流阻的影響，并不會無限地隨著瀝青混合料厚度的增加而增強.

2.3 頻率的影響

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：當瀝青混合料厚度為2，4cm時，各類瀝青混合料吸聲系數(shù)出現(xiàn)了多個峰值，規(guī)律性較差，但總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；當試件厚度為6cm時，各類瀝青混合料隨頻率呈現(xiàn)出較好的規(guī)律性，其吸聲系數(shù)均先隨著頻率的增大而增大至峰值(均集中在800Hz附近)，然后隨著頻率的進一步增大而逐漸減小.

2.4 瀝青混合料空隙率的影響

不同空隙率瀝青混合料的吸聲系數(shù)峰值變化如圖4所示.

圖4 不同空隙率瀝青混合料的吸聲系數(shù)峰值變化Fig.4 Peak value of sound absorption coefficient of asphalt mixtures with different air voids

由圖4可見：OGFC-13瀝青混合料的空隙率為20.60%，高出其他瀝青混合料4.2～5.3倍，表現(xiàn)出最優(yōu)的吸聲性能；SDARC-13瀝青混合料空隙率為4.50%～4.90%，雖遠小于OGFC-13瀝青混合料，但比AC-13和SMA-13瀝青混合料空隙率稍大，其吸聲系數(shù)峰值也相對較高，且隨著橡膠粉摻量的增加而增大，這主要是由于橡膠粉在瀝青混合料中能形成絮狀的多空隙結(jié)構，并改善了瀝青混合料的柔性性能，從而提高了其吸聲性能；AC-13和SMA-13瀝青混合料試件空隙率較小，其中后者吸聲系數(shù)峰值比前者略高出0.03～0.05，兩者平均吸聲系數(shù)基本持平.

3 結(jié)論

(1)OGFC-13瀝青混合料的吸聲性能優(yōu)于AC-13，SMA-13和SDARC-13橡膠瀝青混合料，且厚度為2cm的OGFC-13瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值高出其他3類瀝青混合料1.9～3.5倍，說明開級配瀝青混合料吸聲性能優(yōu)于密級配瀝青混合料.

(2)空隙率是影響瀝青混合料吸聲性能的重要因素.隨著空隙率的增大，瀝青混合料的吸聲性能也出現(xiàn)大幅度提升.

(3)橡膠粉的摻入對瀝青混合料的吸聲性能有一定的改善作用.隨著橡膠粉摻量的增加，SDARC-13瀝青混合料的吸聲系數(shù)呈小幅升高，吸聲性能有所提高.

(4)瀝青混合料吸聲性能的優(yōu)劣與試件厚度有關，在一定厚度范圍內(nèi)，厚度越大，吸聲性能越好，尤其是對低頻噪聲的吸收.超過某一厚度范圍時再增加厚度對瀝青混合料吸聲性能的提高效果不再明顯.瀝青混合料吸聲性能的優(yōu)劣還與聲波頻率有關，只有在一定的頻率范圍內(nèi)才會表現(xiàn)出較好的吸聲性能.

致謝：感謝湖南大學機械與運載學院王剛教授及其科研團隊為本文提供的相關試驗設備和幫助.