朱妍妍，徐民

（北京市科學技術研究院城市安全與環(huán)境科學研究所，北京 100052）

1 現(xiàn)代路面降噪技術及其分類

1870 年，比利時化學家Edmund J.DeSmed 在美國新澤西州鋪設了第一條瀝青路面；1911 年，Philip Strauss 發(fā)明了現(xiàn)代意義上的汽車輪胎。自此，基于充氣橡膠輪胎和瀝青路面間的各類現(xiàn)代路面降噪技術應運而生。

充氣橡膠輪胎/路面噪聲的來源有以下幾方面：

（1）輪胎/路面沖擊效應噪聲：輪胎在滾動過程中，輪胎表面的凸起花紋與路面凸起的石料顆粒產(chǎn)生碰撞和沖擊所形成的噪聲。

（2）輪胎/路面泵吸效應噪聲：具有黏彈特性的橡膠輪胎觸地時，輪胎花紋與路面所形成的溝槽腔內空氣急劇收縮、排出時產(chǎn)生的泵吸效應噪聲。

（3）氣柱共鳴噪聲：車輛行駛期間，車輛輪胎溝槽與路面間形成多個管道，各管道隨長度和端口開放情況的不同存在著不同的固有頻率，當部分管道的固有頻率一致時會形成諧振，導致輪胎/路面噪聲出現(xiàn)峰值，此類噪聲即為輪胎/路面氣柱的共鳴噪聲。

針對上述輪胎/路面噪聲產(chǎn)生機理，目前國內外已應用的路面降噪技術主要分為以下四大類：

（1）多孔吸聲降噪：多孔隙瀝青路面（OGFC）、雙層多孔隙瀝青路面（DPAC）。

（2）表面紋理降噪：小粒徑薄層路面、深度紋理型瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）路面。

（3）黏彈性原理降噪：橡膠瀝青路面、多孔彈性路面（PERS）。

（4）附加結構降噪：共振腔體、諧振器附加降噪結構；振動降低型整體降噪結構。

2 現(xiàn)代路面降噪技術

2.1 多孔隙路面降噪技術

2.1.1 多孔吸聲降噪技術原理

通過增加路面材料的空隙率，能夠使路面結構層內部形成連通的多孔結構，對氣體流動形成阻尼效應，并在其中消耗吸收噪聲能量，從而降低路面噪聲。多孔降噪結構技術原理見圖1。

圖1 多孔降噪結構技術原理圖

2.1.2 多孔隙路面降噪技術的發(fā)展

20 世紀50 年代，英國運輸研究實驗室開展了多孔隙路面技術研究，其最初的研究目的是減少大雨條件下車輛高速行駛時水霧噴濺現(xiàn)象，然而使用結果表明此類結構具有優(yōu)良的降噪性能，后來逐步演變?yōu)閷ｉT用于道路降噪的多孔隙路面結構。

荷蘭是應用多孔隙降噪路面最多的歐洲國家，有60%以上的公路網(wǎng)采用多孔隙路面。日本是應用多孔隙降噪路面最多的亞洲國家，多孔隙路面是其高速公路和城市主干道的標準路面結構。經(jīng)國內外測試表明，相比常規(guī)路面，當車速為50km/h 時噪聲降低1.5dB(A)、車速為60km/h 時噪聲降低3.5dB(A)、車速為80km/h 時噪聲降低6.0dB(A)[1]。

早期的多孔隙路面降噪技術的主要缺陷是隨著路面使用時間的延長，孔隙逐漸被塵土堵塞，其降噪特性會逐步降低直至消失，因此近年來基于多孔隙的降噪結構迭代發(fā)展為雙層多孔隙結構。

2.1.3 雙層多孔隙路面

目前最新的多孔隙降噪技術是雙層多孔結構，即鋪筑兩層多孔路面形成降噪路面結構層（見圖2）。其中上層結構通過采用小粒徑集料，在保持高孔隙率的基礎上使孔隙更為微小，形成“篩子效應”，降低塵土對孔隙的堵塞，同時雙層多孔結構的厚度增加也有助于提高降噪效果。20 世紀90 年代，荷蘭、日本、法國等國家先后鋪設了雙層多空隙降噪路面，測試表明此類降噪路面的降噪效果可達8—9dB(A)。

圖2 雙層多孔隙降噪結構圖

2.2 表面紋理降噪

2.2.1 表面紋理降噪技術原理

表面紋理降噪技術可以細分為兩類。第一類是通過調整路面集料粒徑大小、分布比例，使輪胎觸地面積內的表面紋理密度增大，使輪胎/路面噪聲聲波形成漫反射及相互干涉，進而降低噪聲；第二類是增加路面的深度紋理，為輪胎路面間接觸區(qū)的空氣運動提供自由通道，有效降低由泵吸效應產(chǎn)生的路面噪聲。兩類細分技術的代表分別為小粒徑薄層技術及深度紋理型路面技術。表面紋理降噪技術原理見圖3。

圖3 表面紋理降噪技術原理圖

2.2.2 小粒徑薄層路面

薄層鋪裝路面的設計初衷是通過降低路面結構厚度來提高工程經(jīng)濟效益，此類技術最初產(chǎn)生于20 世紀60 年代的德國。到20 世紀80 年代，法國發(fā)展了小粒徑的非常薄瀝青混凝土（BBTM）和超薄瀝青混凝土（BBUM），在使用中發(fā)現(xiàn)此類路面具有表觀均勻、致密的紋理特征，可以有效降低輪胎路面間的高頻噪聲，因此在歐洲各國得到了推廣應用，逐步成為目前主流的降噪路面結構形式之一。此類技術在2000 年進入我國，近年來在廣州、上海、北京等地的城市高架路、高速公路城市段均有應用。測試結果表明相比于常規(guī)路面，在此類降噪路面上行駛的機動車車內噪聲可降低3—4dB、車外噪聲可降低5—6dB，而且此類降噪技術不受塵土堵塞影響，具有可持續(xù)的降噪效果。

2.2.3 深度紋理型降噪路面

深度紋理型降噪路面（見圖4）是采用特殊施工機械攤鋪成型的新型降噪路面結構，通過特殊機械在路面表層形成1—1.5cm 深、4cm 間距的溝槽，溝槽呈縱向與車輛行駛方向一致，在輪胎與路面間形成了良好的空氣流通通道，能夠減弱輪胎與路面間的泵吸效應，從而降低路面噪聲。此類路面結構由日本某公司于2011 年開發(fā)，近年來在日本得到了大量應用。實測結果表明，相比于常規(guī)密實性路面，此類路面的降噪效果可達4dB[2]。

圖4 深度紋理型降噪路面

2.3 黏彈性降噪

2.3.1 黏彈性降噪原理

黏彈性降噪是指通過化學手段改變路面膠結材料的黏彈特性，從而使路面材料具備適宜的阻尼特性來降低輪胎與路面間的沖擊振動，并將沖擊振動能轉變?yōu)闊崮芎纳ⅲ瑥亩档驮肼?。此類技術的代表是橡膠瀝青路面和多孔彈性路面。

2.3.2 橡膠瀝青路面

早期的橡膠瀝青是為了滿足橡膠輪胎的廢舊再利用需求而出現(xiàn)的。1981 年，比利時布魯塞爾首次鋪筑了橡膠瀝青路面并證明了此類路面結構的降噪效果。橡膠瀝青路面生產(chǎn)技術難度低，因此得到了較多的應用，早期使用最多的國家是美國。我國于20 世紀90 年代引進橡膠瀝青技術并開展了專題研究。多條試驗路的實測結果表明，橡膠瀝青路面可使道路行駛噪聲降低2—5dB。該技術的缺陷是施工期間會排放出大量的難聞氣味，因此隨著人們環(huán)保意識的增強，此類技術的使用逐漸受到限制。

2.3.3 PERS

PERS 是最新的降噪研究方向（見圖5）。此類路面采用具有高黏彈性的聚氨酯類聚合物作為膠黏劑，并添加20%以上的軟質橡膠顆粒，使路面結構整體具有更好的阻尼效應。此類路面結構的設計空隙率大于20%，因此兼具多孔吸聲及黏彈性降噪特性。各類測試結果表明，這種新型的路面降噪技術可以使輪胎／路面噪聲降低10—15dB(A)，是目前效果最好的路面降噪技術。

圖5 多孔彈性路面結構圖

多孔彈性路面技術在20 世紀70 年代由瑞典某公司提出并進行了小規(guī)模室外試驗路測試。該技術雖然具備優(yōu)異的降噪性能，但由于采用了新型高黏彈性聚合物替代了傳統(tǒng)的瀝青膠結料，因此其實際使用中的耐候性、耐久性、力學性能及施工工藝均需開展專題研究。

2.4 附加結構降噪

2.4.1 附加結構降噪技術原理

附加結構降噪是通過在常規(guī)路面結構層內增設具有降噪或減振效果的附加結構層，從而達到降低輪胎/路面噪聲的目的。按照附加結構的降噪原理不同，可分為基于共振器的附加降噪結構及基于降低振動的整體降噪結構兩種。

2.4.2 基于共振器的附加降噪結構

該技術由意大利某道路技術公司開發(fā)，主要完成了兩種附加降噪結構層的試驗路測試。第一種類型的附加結構層通過在水泥混凝土內放置特制模具，澆筑成型為類似亥姆霍茲共振器的空腔結構，使其均勻分布于水泥混凝土板體內，并將此類結構鋪設于路面層底部，隨后在其上鋪設多孔路面材料，以使輪胎/路面噪聲能夠透過鋪裝層進入降噪功能層。第二種類型為采用鋼制模板形成寬度、高度按一定規(guī)律變化的空腔結構，將其鋪設于路面底層，形成槽型消聲器結構，隨后在其上鋪筑多孔路面材料。測試結果表明此類技術對于低速行駛的車輛噪聲有較好的降噪效果，輕型車輛在路上的行駛噪聲可降低6—7dB。亥姆霍茲共振器、槽型消聲附加路面結構見圖6。

圖6 亥姆霍茲共振器、槽型消聲附加路面結構圖

2.4.3 基于降低振動的整體降噪結構

為了降低特殊路段的輪胎/路面噪聲，日本開發(fā)了降低振動的整體式路面結構（見圖7）。此類路面結構是先在路基上鋪設水泥混凝土整體板，并在路基和水泥混凝土整體板之間放置隔振橡膠墊，隨后將常規(guī)瀝青路面結構層鋪設于整體水泥板上。該技術的降噪原理為：用阻尼橡膠墊降低因車輛荷載沖擊作用而產(chǎn)生的垂直振幅，減弱并抑制整體路面結構所產(chǎn)生的振動沖擊，從而降低路面結構的整體噪聲。日本道路研究所于2003 年鋪設了40m 的小型試驗路，并采用重載車輛進行了實際道路測試，測試結果表明此類整體式路面結構可使車輛行駛噪聲降低4.2—8.7dB[3]。

圖7 降低振動式降噪路面圖

3 結語

目前國內外在路面降噪技術領域已經(jīng)開展了長期、廣泛的研究，其中部分研究已經(jīng)進入實際應用階段，并取得了較好的降噪效果。但由于目前路面降噪技術普遍存在造價昂貴，路面結構的降噪性能與力學性能、耐久性能存在沖突等缺點，從而限制了路面降噪技術的應用。因此，在今后的研究中還應探索造價更經(jīng)濟、結構更耐久、降噪效果更好的路面降噪技術。