CN102967655B - 基于空隙形态参数测试的沥青路面吸声系数预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空隙形态参数测试的沥青路面吸声系数预估方法，可获得全频率范围内多空隙沥青路面的吸声系数，克服了现有吸声系数测试方法的不足，在无吸声系数测试设备时使用，可用于多空隙沥青路面空隙结构降噪优化设计，该方法为：第一步：旋转成型沥青混合料试件，测试试件的空隙率□；第二步：将沥青混合料试件切割成多个圆柱体；拍照获取每个圆柱体一个横截面图，确定空隙长度d；用图像处理方法，获得试件中空隙平均等效半径R；第三步：将上述测得的三个空隙形态参数代入公式，可获得全频率范围内的沥青混合料试件吸声系数α。

Description

基于空隙形态参数测试的沥青路面吸声系数预估方法

技术领域

本发明是一种基于沥青路面空隙形态参数测试的沥青路面吸声系数预估方法，属于公路沥青路面的技术领域。

背景技术

随着人们生活水平的逐步提升和对环境问题的日益关注，交通噪声问题愈加突显。交通噪声污染成为继水污染、空气污染之后的重要污染源，不仅影响道路沿线居民的生产和生活，更重要的是它将逐步侵害沿线居民的身体健康，轻者听觉受损、重者导致听觉失聪或诱发严重的心血管疾病。

为了提升道路沿线居民的环境品质，降低交通噪声带来的危害，目前主要采取了三种技术措施：（1）阻隔噪声传播途径：如常见的道路两侧声屏障等，这种措施降噪效果显著，但造价较高；（2）接受者防护：如防噪声耳机等，这种措施也有较好的降噪效果，但使用不便；（3）抑制噪声源：常采用低噪声沥青路面（如多空隙沥青路面）来实现，这种措施从噪声源上抑制了噪声的辐射声强，被认为是一种最有效、最有发展潜力的技术措施。

对于多空隙沥青路面，其降噪能力常用吸声系数来衡量。吸声系数越大，降噪效果越好。吸声系数（α）是指：对于入射的声波，在单位厚度或质量上被吸收声能与入射总声能的比值，即α=E_α/E_i=(E_i-E_r)/E_i=1-r，式中E_i为入射总声能，E_α为被材料或结构吸收的声能，E_r为被材料或结构反射的声能，r为反射系数。显然，如果单位厚度或质量上吸收声能越大（即被反射的声能越小），这种介质的吸声能力也越强。通常认为，一种介质所以能吸声，主要是由于介质的粘滞效应和热传导效应。对于多空隙沥青路面而言，其吸声作用主要依靠较多的空隙来实现。但目前对于多空隙沥青路面吸声的认识多停留在总的空隙率上，而对于空隙形貌（空隙形状参数、空隙分布等）的影响考虑不足，这也是当前多空隙降噪沥青路面发展缓慢的原因之一。

目前，常采用驻波管来测定多空隙沥青路面的垂直入射吸声系数，这种测试方法可以测定一定频率范围内（一般在1600Hz以下）的吸声系数，但由于驻波管直径和沥青混合料中集料粒径的限制（要测试高频率范围内的吸声系数，则要求驻波管管径小，与沥青混合料集料粒径较大、宜采用大直径试件的要求相矛盾），不能测定高频范围内（1600Hz以上）的吸声系数，而这些频率范围内的吸声系数往往是我们所关心的（人的听觉对1000Hz－6000Hz范围内的声音比较敏感，也是A计权采用比较多的原因）。同时，采用驻波管法测定多孔沥青混合料试件的吸声系数比较繁琐，且不便测定现场沥青路面的吸声系数。虽然目前依据驻波管测试噪声系数的原理，开发了便携式的吸声系数测试设备（如美国NCAT开发的设备），可以测定现场沥青路面的吸声系数，但同样只能测定一定频率范围内（1600Hz以下）的吸声系数。

因此，基于空隙形态参数测试的沥青路面吸声系数预估方法显得十分必要，以期预估全频率范围内的吸声系数，为多空隙沥青路面降噪优化设计服务。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合理论推导、基于空隙形态参数测试的沥青路面吸声系数预估方法，以期预估全频率范围内的多空隙沥青路面吸声系数。解决了以下问题：现有多空隙沥青路面吸声系数测试方法多采用驻波管，由于驻波管直径和沥青混合料集料粒径的限制，无法测得全频率范围内的吸声系数；移动式吸声系数测试设备虽然可测试现场沥青路面的吸声系数，但也只能测得一定频率范围内（1600Hz以下）的吸声系数。

本发明采用的技术方案为：一种基于空隙形态参数测试的沥青路面吸声系数预估方法，包括以下步骤：

（1）沥青混合料试件空隙率的测定

用旋转成型机，成型多空隙沥青混合料试件，测定试件的毛体积相对密度γ_f和计算理论最大相对密度γ_t；根据公式□=(1-γ_f/γ_t)*100计算沥青混合料试件的空隙率□；

（2）沥青混合料试件空隙长度和半径的测定

a、用砂纸打磨试件的一个端面，至集料与沥青胶浆的颜色具有较大的对比度止；

b、在试件高度方向上每隔一段距离切割试件，获得多个圆柱体；

c、用数码相机拍照，获得每个圆柱体的横截面的图；

d、根据相邻横截面图中空隙的空间特征，确定空隙长度d；

e、采用数字图像处理软件，获得空隙长度范围内每个横截面上空隙等效半径R'，

取平均获得空隙长度范围内空隙平均等效半径R；

（3）沥青混合料试件的吸声系数的预估

将测得的空隙形态参数：空隙率□、空隙半径R和空隙长度d代入下面公式（1），可预估全频率范围内（尤其是1000Hz～6000Hz范围内的）多空隙沥青混合料试件的吸声系数α。

本发明依据空隙中声传播粘滞效应和热传导效应，推导了多空隙沥青路面全频率范围内的吸声系数α：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=1-{\left|\frac{-j{Z}_c\cot \mathrm{kd}-\mathrm{\φ}{Z}_0}{-j{Z}_c\cot \mathrm{kd}+\mathrm{\φ}{Z}_0}\right|}^2\\ Z_c=\sqrt{K\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right)},k=\frac{\mathrm{\ω}\sqrt{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right)/K\left(\mathrm{\ω}\right)}}{\mathrm{\φ}},Z_0={\mathrm{\ρ}}_0{c}_0\\ \mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\ρ}}_0[1+\frac{1}{\sqrt{3^2+\frac{{\left(\mathrm{aR}\right)}^2}{2}}}-j\frac{8}{{\left(\mathrm{aR}\right)}^2}\sqrt{1+\frac{{\left(\mathrm{aR}\right)}^2}{32}}]\\ K\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{\γ}{P}_0}{\mathrm{\γ}-(\mathrm{\γ}-1)(1-\frac{N_u}{j{\left(\mathrm{Ra}\right)}^2{P}_r+N_u})}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：Z₀、Z_c分别为空气和材料的特性阻抗；k为材料内部中波数；d为材料厚度（空隙长度）；□为材料空隙率；K、ρ分别为复数有效体积模量和复数有效密度；ρ₀为空气密度（kg/m³）；ω=2πf，f为频率（1/s），η为空气粘滞系数（kg/ms）；R为空隙半径（mm）；γ为气体比热容比；P₀为空气静态压强（Pa）；N_u为努赛尔数；P_r为空气普朗特数。

从公式（1）可知，要获得多空隙沥青路面全频率范围内的吸声系数α，需要测定获取多个参数值，但这些参数中大多数为常数，仅有三个与空隙有关的参数（材料空隙率□、空隙半径R、材料厚度或空隙长度d）需要进行测试。即只要获得了这三个参数，就可方便地获得全频率范围内多空隙沥青路面的吸声系数，克服了现有吸声系数测试中存在的不足，为多空隙沥青路面的降噪优化设计提供了基础。

作为优选，所述步骤（1）中，用旋转成型机，成型直径150mm、高150mm的多空隙沥青混合料试件，所述步骤（2）的b步骤中在试件高度方向上每隔20mm切割试件，获得6个直径为150mm、高度为20mm的圆柱体。

有益效果：本发明基于空隙形态参数（空隙率、空隙半径和空隙长度）测试结果，依据声波在空隙中传播的粘滞效应和热传导效应（理论推导），预估多空隙沥青路面全频率范围内的吸声系数α，对于弄清空隙参数与吸声系数之间的关系、优化多空隙沥青路面空隙参数，具有非常重要的理论意义和实用价值。发明人已经通过室内试验证明，采用本发明预估方法得到的吸声系数（低频范围内）接近于采用驻波管法得到的垂直入射吸声系数，这表明本发明方法合理有效，可用于预估多空隙沥青路面的吸声系数。

附图说明

图1是本发明具体实施方法中多空隙沥青混合料试件切割示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于空隙形态参数测试的沥青路面吸声系数预估方法，包括以下步骤：

（1）沥青混合料试件空隙率的测定

用旋转成型机，成型直径150mm、高150mm的含多空隙1的沥青混合料试件2，测定试件2的毛体积相对密度γ_f和计算理论最大相对密度γ_t；根据公式□＝(1-γ_f/γ_t)*100计算沥青混合料试件2的空隙率□；

（2）沥青混合料试件空隙长度和半径的测定

a、用砂纸打磨试件2的一个端面，至集料与沥青胶浆的颜色具有较大的对比度止；

b、在试件2高度方向上每隔20mm按照切割线3切割试件2，获得6个直径为150mm、

高度为20mm的圆柱体；

c、用数码相机拍照，获得每个圆柱体的横截面4的图；

d、根据相邻横截面图中空隙的空间特征，确定空隙长度d；

e、采用数字图像处理软件，获得空隙长度范围内每个横截面上空隙等效半径R'，

取平均获得空隙长度范围内空隙平均等效半径R；

（3）沥青混合料试件的吸声系数的预估

将测得的空隙形态参数：空隙率□、空隙半径R和空隙长度d代入以下公式(1)，可预估全频率范围内（尤其是1000Hz～6000Hz范围内的）多空隙沥青混合料试件的吸声系数α；

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=1-{\left|\frac{-j{Z}_c\cot \mathrm{kd}-\mathrm{\φ}{Z}_0}{-j{Z}_c\cot \mathrm{kd}+\mathrm{\φ}{Z}_0}\right|}^2\\ Z_c=\sqrt{K\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right)},k=\frac{\mathrm{\ω}\sqrt{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right)/K\left(\mathrm{\ω}\right)}}{\mathrm{\φ}},Z_0={\mathrm{\ρ}}_0{c}_0\\ \mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\ρ}}_0[1+\frac{1}{\sqrt{3^2+\frac{{\left(\mathrm{aR}\right)}^2}{2}}}-j\frac{8}{{\left(\mathrm{aR}\right)}^2}\sqrt{1+\frac{{\left(\mathrm{aR}\right)}^2}{32}}]\\ K\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{\γ}{P}_0}{\mathrm{\γ}-(\mathrm{\γ}-1)(1-\frac{N_u}{j{\left(\mathrm{Ra}\right)}^2{P}_r+N_u})}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：Z₀、Z_c分别为空气和材料的特性阻抗；k为材料内部中波数；d为材料厚度（空隙长度）；□为材料空隙率；K、ρ分别为复数有效体积模量和复数有效密度；ρ₀为空气密度（kg/m³）；ω=2πf，f为频率（1/s），η为空气粘滞系数（kg/ms）；R为空隙半径（mm）；γ为气体比热容比；P₀为空气静态压强（Pa）；N_u为努赛尔数；P_r为空气普朗特数。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种基于空隙形态参数测试的沥青路面吸声系数预估方法，其特征在于：包括以下步骤： 

(1)沥青混合料试件空隙率的测定 

用旋转成型机，成型多空隙沥青混合料试件，测定试件的毛体积相对密度γ_f和计算理论最大相对密度γ_t；根据公式φ＝(1-γ_f/γ_t)*100计算沥青混合料试件的空隙率φ； 

(2)沥青混合料试件空隙长度和半径的测定 

a、用砂纸打磨试件的一个端面，至集料与沥青胶浆的颜色具有明显的对比度止； 

b、在试件高度方向上每隔一段距离切割试件，获得多个圆柱体； 

c、用数码相机拍照，获得每个圆柱体的横截面的图； 

d、根据相邻横截面图中空隙的空间特征，确定空隙长度d； 

e、采用数字图像处理软件，获得空隙长度范围内每个横截面上空隙等效半径R′， 

取平均获得空隙长度范围内空隙平均等效半径R； 

(3)沥青混合料试件的吸声系数的预估 

将测得的空隙形态参数：空隙率φ、空隙半径R和空隙长度d代入下面公式(1)，可预估全频率范围内多空隙沥青混合料试件的吸声系数σ； 

式中：Z₀、Z_c分别为空气和材料的特性阻抗；k为材料内部中波数；d为空隙长度；φ为材料空隙率；K、ρ分别为复数有效体积模量和复数有效密度；ρ₀为空气密度， 单位为kg/m³；ω＝2πf，为频率，单位为1/s，η为空气粘滞系数，单位为kg/ms；R为空隙半径单位为mm；γ为气体比热容比；P₀为空气静态压强，单位为Pa；N_n为努赛尔数；P_r为空气普朗特数。 

2.根据权利要求1所述的基于空隙形态参数测试的沥青路面吸声系数预估方法，其特征在于：所述步骤(1)中，用旋转成型机，成型直径150mm、高150mm的多空隙沥青混合料试件，所述步骤(2)的b步骤中在试件高度方向上每隔20mm切割试件，获得6个直径为150mm、高度为20mm的圆柱体。