李金鳳 ，何兆益 ，孔 林

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074）

現(xiàn)代工業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使汽車保有量與日俱增，帶來的交通噪聲污染問題日益嚴(yán)重.交通噪聲作為噪聲污染的主要來源，長期暴露在噪聲污染環(huán)境中容易使人出現(xiàn)生理和心理疾病[1-3].交通噪聲的產(chǎn)生與交通量、交通流、行車速度以及路面狀況相關(guān)[4].交通噪聲的來源主要包括：車輛的動力系統(tǒng)、輪胎/路面的接觸、車身與空氣的摩擦[5].當(dāng)車速度介于40～100 km/h時，輪胎/路面作用產(chǎn)生的噪聲對交通噪聲的貢獻(xiàn)值最大，占比約90%[5-6].隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，動力系統(tǒng)減振降噪和輪胎制造技術(shù)日趨成熟，路面結(jié)構(gòu)對降低輪胎/路面噪聲將起著重要作用[7].

針對輪胎/路面噪聲，歐洲、日本和美國在20世紀(jì)70年代后相繼開展了低噪聲路面的研究，發(fā)現(xiàn)多孔瀝青路面是一種有效降低輪胎/路面噪聲的結(jié)構(gòu)形式，得到了廣泛應(yīng)用[8-9].多孔瀝青路面由于多孔結(jié)構(gòu)，尤其是較多的連通空隙為噪聲在路面內(nèi)部的傳播提供了有效耗散的通道，表面紋理構(gòu)造充當(dāng)空氣流通通道降低氣壓減弱了噪聲的產(chǎn)生機(jī)制（如泵吸、空氣共振和喇叭效應(yīng)）[5].目前，公路瀝青路面采用的熱拌瀝青混合料主要有：密級配瀝青混合料（AC）、瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）和開級配多孔瀝青混合料（PAC）[10].相比SMA和AC瀝青路面，多孔瀝青路面可有效降低交通噪聲3～6 dB[11-12].聲波吸收是指聲波在材料內(nèi)部傳播過程中會發(fā)生不規(guī)則的反射、折射和衍射等現(xiàn)象引起能量損耗[13].路面材料吸收聲波能力的大小通常用“吸聲系數(shù)”表征，即吸收聲能與入射聲能之間的比值，是反映路面材料吸聲性能的重要指標(biāo)[14].管測法和混響室法是測試材料吸聲性能最常用的方法：前者包括駐波比法和傳遞函數(shù)法，是國家標(biāo)準(zhǔn)《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗測量》（GB/T 18696.2—2002）[15]規(guī)定的測試方法；后者常用于建筑物室內(nèi)裝修材料對無規(guī)則入射聲波吸收性能的測試，對于路面材料并不方便使用.目前，也有些學(xué)者[9,16-17]采用了駐波比法對不同級配瀝青混合料的吸聲系數(shù)進(jìn)行測試，主要是分析了空隙率對混合料吸聲性能的影響，但并沒有系統(tǒng)闡明級配類型、集料粒徑、連通空隙率以及表面紋理等因素的影響；Gardziejczyk[18]采用現(xiàn)場近距離測試法對波蘭境內(nèi)兩條多孔瀝青路面的吸聲性能進(jìn)行了評價，并與鉆取芯樣的室內(nèi)駐波比法測得的結(jié)果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，兩者具有良好的一致性.因此，采用駐波比法測試瀝青混合料的吸聲系數(shù)，并對其吸聲性能進(jìn)行評價是可行的.本文將采用駐波比法對多孔瀝青混合料的吸聲性能進(jìn)行測試分析.

本文將著重研究分析級配類型、空隙率、連通空隙率、試件厚度以及表面紋理等因素對多孔瀝青混合料吸聲性能的影響，揭示各種因素影響下多孔瀝青混合料的吸聲規(guī)律.

1 試驗方法

1.1 原材料及試樣制備

試驗中制備8種級配的瀝青混合料，包括6種多孔瀝青混合料（PAC-16、PAC-13a、PAC-13b、PAC-13c、PAC-10和 PAC-5）、瀝青瑪蹄脂碎石（SMA-13）和密級配瀝青混合料（AC-13）.集料級配組成見表1.試驗采用苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SBS）改性瀝青和高黏改性瀝青，后者是通過向前者中加入8.7%的高黏劑制備而成，兩者在60 ℃的動力黏度分別為 1 840 Pa·s 和 725 000 Pa·s；集料采用玄武巖，填料采用普通石灰?guī)r礦粉.制備多孔瀝青混合料時采用高黏改性瀝青，并加入混合料總質(zhì)量0.1%的聚酯纖維；制備SMA-13和AC-13時采用SBS改性瀝青，其中前者也加入混合料總質(zhì)量0.1%的聚酯纖維.根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）[19]和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）[20]確定瀝青混合料的最佳瀝青用量.

按照表1中的礦料級配和瀝青用量，采用輪碾法制備了不同級配類型的混合料車轍板試件，每個車轍板鉆取4個芯樣（如圖1），然后采用體積法測得不同芯樣試件的空隙率，見表1.將鉆取的芯樣試件放置在常溫且通風(fēng)良好的場所使之干燥，直至質(zhì)量不再發(fā)生變化后測定其干燥重量；然后將芯樣試件置于常溫水中約1 min后，用木槌輕輕敲打芯樣試件將空隙中殘存的空氣排出，測定其水中重量.試件連通空隙率為

圖1 不同瀝青混合料車轍板鉆心后的試件Fig.1 Core drilling specimens of different asphalt concrete

表1 不同瀝青混合料的級配組成Tab.1 Gradation composition of different asphalt concrete %

式中：V為試件的體積；m0和mw分別為試件干燥狀態(tài)和在水中的重量； ρw為常溫下水的密度.

1.2 吸聲系數(shù)測試

采用駐波比法[15]測定不同級配瀝青混合料的吸聲系數(shù)，該系統(tǒng)主要包括聲阻抗管、揚(yáng)聲器、聲頻控制器、數(shù)據(jù)分析儀和計算機(jī)等，如圖2所示.阻抗管為平直、剛性且氣密性良好的圓管，一端裝有試件，另一端為揚(yáng)聲器.揚(yáng)聲器產(chǎn)生的平面入射波pi與從試件反射回來的聲波pr相疊加，在阻抗管內(nèi)形成駐波p=pi+pr.駐波比為特定聲頻下聲壓極小值和極大值振幅 |pmax| 和 |pmin| 的比值.

由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的沿阻抗管傳播的pi（沿管軸負(fù)x方向傳播，即負(fù)x方向為入射方向，見圖2（a））為

圖2 吸聲系數(shù)測試裝置Fig.2 Test instrument for sound absorption coefficient

式中：p0為聲壓振幅；k0為波數(shù)，如式(3).

式中：ω為聲波角頻率；f為聲波頻率，Hz；c0為聲波在空氣中傳播的速度，m/s.從試件反射回來的聲波pr為

式中：r為復(fù)反射因數(shù)，如式 (5)，其中， φ 為相位角.

基準(zhǔn)面x=0處，駐波管中聲阻抗如式(6).

式中：Z0=ρ0c0， 為聲波的特征阻抗， ρ0為空氣密度，kg/m3.

當(dāng)入射波pi(x) 和反射波pr(x) 同相位時，聲壓達(dá)到極大值 |pmax| ；當(dāng)pi(x) 和pr(x) 反相位時，聲壓出現(xiàn)極小值 |pmin| ，則駐波比s為

則吸聲系數(shù)為

特定聲頻下，可測得聲波在阻抗管內(nèi)產(chǎn)生的|pmax|和 |pmin| ，并由式（6）和式（7）計算得到吸聲系數(shù).通常情況，阻抗管中的聲壓采用對數(shù)計量，由聲壓極大值和極小值之間的級差 ΔL（分貝dB）可得駐波比s=10ΔL/20，從而求得 α 為

阻抗管的工作頻率范圍（fl＜f＜fu，fl和fu分別為工作頻率的下限和上限）取決于長度l和橫截面直徑d，為避免揚(yáng)聲器在管中激發(fā)高次波，頻率需滿足[18]：

材料對不同噪聲頻率的吸聲性能存有差異，車輛行駛產(chǎn)生的胎/路面噪聲頻率范圍主要介于400～1 600 Hz[21-22].為此，本文選擇在 11 個 1/3 倍頻程頻率下對瀝青混合料試件的吸聲系數(shù)進(jìn)行測試，包括 200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600、2 000 Hz，進(jìn)而綜合評估不同級配瀝青混合料的吸聲性能.為了保證揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波以平面波的形態(tài)沿阻抗管傳播，選擇阻抗管的直徑為100 mm；對于更高的頻率，需要采用較小直徑的阻抗管（如 60 mm 和 30 mm）.瀝青混合料試件在 1/3 倍頻程下 200～2 000 Hz 范圍內(nèi)平均吸聲系數(shù)為

式中： α200、 α250、 α315、···、 α2000分別為頻率為 200、250、315、···、2 000 Hz下的吸聲系數(shù).

2 測試結(jié)果分析與討論

同一種級配組成的瀝青混合料包括4個平行試件，每個試件均采用駐波比法測得1/3倍頻程頻率下的吸聲系數(shù).以PAC-16和PAC-13b為對象，分別給出了4個平行試件的吸聲頻譜，如圖3所示.由圖3可以看出：每一種級配瀝青混合料中4個平行試件的吸聲頻譜非常接近，說明測試結(jié)果具有較好的可重復(fù)性，統(tǒng)計意義顯著.因此，每個頻率下的吸聲系數(shù)可取4個平行試件對應(yīng)頻率測試結(jié)果的平均值，從而得到不同級配瀝青混合料的吸聲頻譜，然后分析級配類型、空隙率、連通空隙率、試件厚度以及表面紋理構(gòu)造等因素對瀝青混合料吸聲性能的影響.

圖3 同一級配瀝青混合料不同試件的吸聲系數(shù)Fig.3 Sound absorption coefficient of different specimens of the same gradation asphalt concrete

2.1 級配類型與空隙率的影響

公稱最大粒徑相同的情況下，圖4給出了5種級配瀝青混合料（PAC-13a、PAC-13b、PAC-13c、SMA-13和 AC-13）的吸聲頻譜曲線.SMA-13和AC-13分別屬于間斷級配和密級配瀝青混合料，空隙率分別為 3.9%和 4.2%；PAC-13a、PAC-13b、PAC-13c屬于開級配多孔瀝青混合料，空隙率分別為16.7%、20.0%、23.1%.

由圖4可以看出：

圖4 級配類型和空隙率對吸聲系數(shù)的影響Fig.4 Effect of gradation type and porosity on sound absorption coefficient spectra

1）不同頻率下AC-13的吸聲系數(shù)基本位于0.1以下，沒有明顯的起伏變化，其平均吸聲系數(shù)=0.082 9；SMA-13的吸聲系數(shù)隨著頻率變化略有起伏，并在 800 Hz時出現(xiàn)了微小峰值，=0.108 2，略高于 AC-13；雖然 SMA-13和 AC-13兩者的空隙率和連通空隙率非常接近，但前者的平均吸聲系數(shù)反而略大，主要原因在于SMA-13的表面紋理粗糙程度要好于AC-13，增加了聲波在混合料試件表面耗散的通道以及折、反射的頻次，更有利于聲能的消耗.

2）PAC-13a、PAC-13b、PAC-13c 3 種混合料的吸聲系數(shù)隨著頻率的增加先增加后減??；PAC-13a和PAC-13b吸聲系數(shù)峰值對應(yīng)的頻率均為500 Hz，而空隙率最大的PAC-13c吸聲系數(shù)峰值對應(yīng)的頻率為630 Hz，說明混合料的吸聲頻譜峰值隨著空隙率的增加有向高頻方向移動的跡象；上述3種混合料的峰值吸聲系數(shù)分別為0.40、0.52和0.73；平均吸聲系數(shù)分別為 0.201 2、0.230 9 和 0.265 9，空隙率每增加1%，平均吸聲系數(shù)增加4.8%，說明混合料的吸聲性能隨著空隙率的增加而增強(qiáng).由上述分析可知，多孔瀝青混合料的吸聲性能遠(yuǎn)優(yōu)于瀝青瑪蹄脂碎石和密級配瀝青混合料.

2.2 公稱最大粒徑與連通空隙率的影響

PAC-5、PAC-10、PAC-13b 和 PAC-16 4 種多孔瀝青混合料的平均空隙率分別為19.4%、19.8%、20.0%、19.5%，所得吸聲頻譜曲線如圖5所示.由圖5可以看出：上述4種混合料的吸聲頻譜隨頻率均先升后降，峰值吸聲系數(shù)分別為0.39、0.43、0.52和0.58，對應(yīng)的峰值頻率分別為 400、500、500、630 Hz，平均吸聲系數(shù)分別為 0.197 3、0.200 4、0.230 9、0.244 5.由此可知，空隙率相接近的多孔瀝青混合料，隨著公稱最大粒徑的增加吸聲頻譜峰值向高頻方向移動，吸聲性能也會逐漸減弱.主要是因為上述4種混合料的連通空隙率依次增大（分別為8.2%、10.1%、12.6%、13.2%），隨公稱最大粒徑的增加而增大，較大的連通空隙率為聲波在混合料中的傳播提供了較多的通道，更有利于聲能的吸收，相應(yīng)的吸聲性能也就越好.

圖5 最大公稱粒徑對吸聲系數(shù)的影響Fig.5 Effect of maximum nominal particle size on sound absorption coefficient spectra

由上述分析可知，連通空隙率是影響多孔瀝青混合料吸聲性能的主要因素，混合料吸聲系數(shù)的平均值和峰值分別隨連通空隙率的變化規(guī)律，如圖6所示，并得到了吸聲系數(shù)隨連通空隙率近似線性增加的表達(dá)式，其中： αP為吸聲系數(shù)峰值.

圖6 瀝青混合料吸聲系數(shù)隨連通空隙率的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between sound absorption coefficient of asphalt concrete and connected porosity

2.3 試件厚度的影響

考慮到實際瀝青路面厚度的差異性，圖7給出了 PAC-13b、PAC-10和 PAC-5 3種瀝青混合料分別在3種不同厚度下的吸聲頻譜曲線.由圖7可以看出：3種級配混合料試件在不同厚度下的吸聲頻譜隨頻率同樣表現(xiàn)為先升后降的趨勢；隨著試件厚度的減小，同一種級配混合料的吸聲頻譜峰值逐漸向高頻方向移動，有利于對高頻噪聲的吸收，對應(yīng)的峰值吸聲系數(shù)會略有增大，但平均吸聲系數(shù)（表2）在逐漸減小，說明混合料的整體吸聲性能在逐漸減弱.這是因為試件厚度的減小會導(dǎo)致聲波在混合料空隙通道中傳播的路徑縮減，受曲折空隙的阻擋次數(shù)減少，聲波在空隙間發(fā)生反射和折射的次數(shù)也在減少，因而聲波損失的能量也就越少，故試件越薄整體吸聲性能越差.

表2 不同厚度下瀝青混合料試樣的平均吸聲系數(shù)Tab.2 Average sound absorption coefficient of asphalt concrete samples with different thicknesses

圖7 試件厚度對吸聲系數(shù)的影響Fig.7 Effect of specimen thickness on sound absorption coefficient spectra

2.4 試件表面紋理形態(tài)的影響

為了比較表面紋理構(gòu)造對多孔瀝青混合料吸聲性能的影響，選擇PAC-13b和PAC-10兩種混合料為研究對象，試件厚度同為4.0 cm左右，測試試件糙面（圖8(a)）和光面（圖8(b)）分別接收入射聲波時的吸聲性能，測得吸聲頻譜見圖9.

圖8 表面紋理接收入射聲波的情況Fig.8 Condition of specimen surface texture receiving incident sound wave

由圖9可以看出：相比光面，同一多孔瀝青混合料試件糙面接收入射聲波時的峰值吸聲系數(shù)較大，相應(yīng)的峰值頻率也較高；PAC-13b光面和糙面接收入射聲波時的平均吸聲系數(shù)分別為0.210 1和0.188 2；PAC-10光面和糙面接收入射聲波時的平均吸聲系數(shù)分別為0.190 9和0.1583.主要原因是入射聲波傳至混合料試件糙面時，聲波會發(fā)生較多的折、反射次數(shù)，從試件表面反射回來色聲波相互疊加后聲能消耗較大，相應(yīng)的吸聲效果較好；光面接收入射聲波時，情況恰好相反.以上分析說明，混合料表面紋理構(gòu)造對混合料吸聲性能有顯著影響，如何量化表面紋理的影響還有待深入研究.

圖9 表面紋理對吸聲系數(shù)的影響Fig.9 Effect of specimen surface texture on sound absorption coefficient spectra

3 降噪水平分析

噪聲水平在聲學(xué)中通常是指聲壓和聲強(qiáng)（dB），交通噪聲的入射波撞擊路面時部分進(jìn)入內(nèi)部空隙被吸收或損失掉，反射回來的聲波能量必定小于入射聲波能量，入射和反射聲強(qiáng)普遍使用對數(shù)來度量[14]，如式（12）、（13）.

式 中：LI和LR分 別 為 入 射 聲 強(qiáng) 和 反射 聲 強(qiáng) ，dB；pe為待測聲壓，Pa；pref為參考聲壓，取值為正常人耳對1 kHz聲音所能覺察到的最低聲壓值，2.0 ×10-5Pa； α =1.0 表示材料完全吸收聲波， α =0 表示材料完全不吸聲.

利用式（12）減去式（13），便可得到材料在給定聲源下的降噪水平值（降噪值），可表示為

由圖10可以看出：PAC混合料的降噪水平遠(yuǎn)好于瀝青瑪蹄脂碎石（SMA-13）和密級配瀝青混合料（AC-13）；隨著公稱最大粒徑增加，空隙率接近的 PAC-16、PAC-13b、PAC-10、PAC-5等 4種多孔瀝青混合料（空隙率分別為19.5%、20.0%、19.8%和19.4%）的降噪水平依次降低；空隙率分別為16.7%、20.0%和 23.1%的 PAC-13a、PAC-13b和 PAC-13c 3種多孔瀝青混合料的降噪水平依次增大.

圖10 不同級配瀝青混合料的降噪水平Fig.10 Noise reduction level of asphalt concrete with different gradations

4 結(jié) 論

針對輪碾法成型的不同級配瀝青混合料車轍板鉆心取樣，并采用駐波比法對鉆取的芯樣試件進(jìn)行吸聲性能測試，得到如下結(jié)論：

1）相比瀝青瑪蹄脂碎石SMA和密級配瀝青混凝土AC，多孔瀝青混合料PAC的吸聲性能要好得多，PAC的吸聲頻譜隨頻率先增加后減小.

2）隨著空隙率的增加，瀝青混合料的吸聲系數(shù)逐漸增大，相應(yīng)的吸聲頻譜峰值有向高頻移動，空隙率每增加1%，平均吸聲系數(shù)增加約4.8%.

3）空隙率相近的PAC混合料，公稱最大粒徑越大，連通空隙率越高，吸聲系數(shù)越大，吸聲性能越好，并給出了吸聲系數(shù)隨連通空隙率的線性關(guān)系式；隨著公稱最大粒徑的增加，PAC混合料的吸聲頻譜峰值逐漸向高頻方向移動.

4）隨著試件厚度的變小，PAC混合料的吸聲頻譜峰值逐漸向高頻方向移動，也就更有利于對高頻噪聲的吸收，平均吸聲系數(shù)逐漸減小，整體吸聲性能也就越差.

5）相比密級配瀝青混合料AC-13，瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13的平均吸聲系數(shù)較大；相比光面，同一個PAC混合料試件糙面接受入射聲波時的平均吸聲系數(shù)大約13.9%，說明混合料的表面紋理構(gòu)造會顯著影響其吸聲性能.