道路交通噪声遇“克星”：控制技术研发进展与展望 | 科技导报

道路交通噪声具有影响范围广、持续时间长等特点，已成为道路交通面临的主要环境问题。本文根据中国道路交通噪声污染概况，介绍了声屏障、低噪声路面、通风隔声窗、降噪林带以及智能化管控等噪声控制措施的技术特点和适用范围，分析了这些技术措施存在的问题及研发方向。阐明了典型结构、材料的声屏障和低噪声路面的优缺点和降噪效果，提供了中国不同区域可以用作降噪林带的植被种类，并从低噪声路面声学设计、声频和信息化技术应用、绿色低碳材料循环利用、路域声景观营造、环境噪声与可持续发展等几个方面，提出了道路交通噪声控制技术的下一步发展方向。

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道路交通噪声污染防治概况

交通噪声是一种非稳态的噪声，随着城市化进程的推进和交通运输业的发展，道路交通噪声已经成为现代社会中主要的噪声源。噪声对人体健康和生活质量的不良影响正逐渐为人们所认知，公众对控制噪声的要求进一步提高，交通噪声污染已成为环境污染投诉最主要的问题之一。

综上，有效控制道路交通噪声势在必行。道路交通噪声的治理和控制是一个体系性的问题，涉及到城市土地利用、路网建设、交通需求控制、道路设计等多层次多方面。构建安全、便捷、绿色、高效、经济、包容、韧性的可持续交通，创建宁静舒适人居环境，推动交通与环境和谐发展，是新时代实现交通强国建设的重要任务之一。

关于道路交通环境保护的投诉中，85%以上是关于道路交通噪声的；在有关道路交通噪声投诉中，80%以上是道路运营期的交通噪声，只有不到20%是建设期的。从分布来看，交通噪声投诉量与中国各省份的国内生产总值（GDP）、路网密度直接相关，噪声投诉集中在中国“胡焕庸线”以东，尤其是沿海经济相对发达的地区。根据各地生态环境部门、市长热线，以及12369和生态环境部等方面的数据综合来看，投诉最多的为长三角、珠三角和京津冀区域。其中最高省份接近一半的公路路段均涉及到噪声方面的投诉，噪声投诉范围占路网比例达到40%以上。

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技术现状分析

2.1 声屏障

声屏障是目前应用最广泛的一种交通环境噪声控制措施。声屏障立于声源和声敏感区域之间，通过阻断直达声，达到减弱声敏感区内噪声影响的目的。声屏障按照材质分类可以分为金属声屏障、混凝土声屏障、有机合成透明材料、生态式声屏障等；按照结构形式可以分为单侧直立式声屏障、双侧直立式声屏障、半封闭声屏障和全封闭声屏障；按照降噪原理可以分为隔声屏障、吸、隔声屏障和有源声屏障；按照声屏障顶部结构形式可以分为直立型、折板型、特殊形状型等，其中特殊形状型一般指顶端结构，包括有“T”型、“Y”型、蘑菇型、管型和其他多重边缘型等结构；按照排列方式可以分为直线型、蜿蜒型和交错型。

声学超材料的研究给声屏障噪声控制问题提供了新的思路。例如，周期性结构，由于Bragg反射存在于弹性波传播的某些频域内，使得系统呈现出通带和禁带。利用这个特性，由周期结构构成的声子晶体应用于声波过滤器、声学隐形斗篷和声扩散器等。而在交通噪声控制领域，也让开发通风隔声屏障成为可能，从而减少设置声屏障导致的物理隔离和景观破碎现象。以上声屏障可有效降低中高频噪声，但低频降噪性能较差，而低频噪声恰恰更加接近人体一些器官的共振频率，对人体的危害更大。

有源降噪技术是基于声波叠加原理的一种电声控制技术，利用数字信号处理器生成与噪声源信号相位相反、幅值相同的声音信号，与噪声源反向抵消达到降噪目的，对低频噪声降噪效果明显。有源控制系统通过次级源产生与原始声波频率和振幅相同且相位相反的声波实现噪声控制，具有低频降噪性能好的优点，将传统屏障与有源控制系统结合形成有源声屏障，可以增大屏障的低频插入损失，从而拓宽声屏障的控制频率范围。典型声屏障降噪效果及优缺点分析结果如表1所示。声屏障常用材料的优缺点分析见表2。

表1 声屏障结构优缺点分析

表2 声屏障材料优缺点分析

2.2 低噪声路面

低噪声路面作为一种降低轮胎/路面噪声源强，减轻交通噪声影响的措施，随着道路沿线现代城镇立体空间化发展和高层建筑的建设，相比阻隔噪声传递路径的声屏障，更具有普适作用。轮胎/路面噪声产生的机理主要有轮胎振动、气泵噪声、轮胎与路面间黏滑及黏扣作用，此外，轮胎与路面接触的楔形空间也易形成扩音喇叭和共振，形成噪声的放大。与轮胎/路面噪声产生最为相关的路面参数主要有：路表纹理构造深度、吸声系数、劲度模量（或力学阻抗）。而这些路面性能又取决于沥青混合料本身的材料和结构参数，如空隙率、级配、沥青含量、路面厚度等。

通常来说，对于小型燃油车辆，当行驶速度为40~50km/h时，轮胎/路面噪声成为主要噪声源，对于大型燃油车辆来说，当行驶速度为80~90km/h时，轮胎/路面噪声成为主要噪声源。随着以电动汽车为代表的新能源车辆渗透率不断提高，道路交通噪声特点发生了变化，主要噪声频段提高，发动机产生的电磁噪声下降，轮胎/路面噪声成为主要噪声源的过渡速度进一步降低。

在国内外路面结构设计中，均采用力学经验法，通过试验观测，建立路面结构力学响应和路面使用性能关系的是以疲劳性、变形、抗裂等使用性能为控制目标，确定原材料、混合料配合比、结构组合设计和结构层设计等路面结构参数的要求，降噪作为一种“附属”功能出现。随着环保要求的不断提高，许多国家开始深入低噪声路面声学设计研究。

为了对低噪声路面更好地描述，可以按空隙率进行分类。（1）大空隙低噪声路面（空隙率≥14%）。进一步划分为：单层大空隙路面（厚度为30~60mm）；薄层大空隙路面（厚度为10~30mm）；双层大空隙路面及大厚度大空隙路面（总厚度>60mm）。（2）半开级配路面（空隙率为5%~14%）。（3）密级配低噪声路面（空隙率<5%）。其中，大空隙路面主要基于表面气动噪声消散和噪声传播途径吸声降低噪声，同时可以进一步通过降低模量、降低表面构造等方式形成降噪功能的协同优化；密级配路面主要通过降低路面力学阻抗提升降噪效果，如橡胶沥青路面等，但缺少吸声功能。欧美、日本以及中国的城市道路及高速公路上广泛采用的降噪路面多为空隙率20%以上的多孔型路面。

2.3 通风隔声窗

传统的通风隔声窗是一种能够实现通风且隔声的声学结构，在屏障体的周边或内部设置铺设有声衬、（微）穿孔板等结构的曲折气流通道。在实际应用中，为实现较好的声学效果，此类气流通道通常设有曲折蜿蜒的路径或大比重的声衬结构，会带来明显的压力损失，难以保证自然通风的效果。因此，追求更好的通风意味着更短的气流通路或更小比重的声衬，导致其隔声性能大大降低。因此，传统通风隔声窗设计的思路面临着通风效果和降噪量相互制约的问题。

声学超材料同样为通风隔声窗设计带来了新的思路。基于声学超材料的通风隔声窗设计与传统策略不同，整个屏障体由多个单元周期排列构成，其中每一个单元都为开孔结构。这样一种设计大大提高了隔声屏障的通风效果。其中，基于局域共振单元（如Helmholtz共鸣器、薄膜以及1/4波长管）设计的超构隔声屏障实现了在亚波长尺度的低频噪声控制。除此之外，基于类法诺干涉的二元结构单元设计，在进一步改善其空气流通效果的同时保证了有效的低频隔声性能。基于这些超构材料设计的通风隔声窗虽然大大改善了空气流通的效果，但受制于其声学原理，工作频带往往较窄。对于局域共振型通风隔声结构来说，只有在共振频率附近才能获得理想隔声效果。

2.4 降噪林带

在道路两侧红线范围内设置降噪林带，通过植物的遮挡和吸收，可降低车辆行驶产生的噪声。声音在林带中传播时，由于植被的枝丫、叶片对声波的吸收、扩散、折射、散射等作用，会降低交通噪声的影响。影响植被降噪效果的主要植物要素可分为：植物种类、物理特性、植物绿量。具体表现为：叶片密度、叶片大小、枝干粗细、树干弹性模量等。考虑到地区气候适应性，中国不同地区典型降噪植被见表3。

表3 不同区域植被类型示例

2.5 智能化管控

噪声智能化管控一般是以噪声地图为基础实现的。噪声地图以数据系统为基础，系统在查询、分析和模拟的过程中都必须从数据库中获取相关的数据信息。数据系统核心作用是根据噪声的时间、空间分布，摸清不同噪声影响下的人口情况，并且在现有交通规划、噪声监管政策前提下，预测未来一段时间的噪声状况及变化趋势。

噪声地图智能化管控将结合噪声模型计算和实测的优势，系统通过接入实时交通流量信息，可以做到噪声分布数据每小时更新，并可查询任意点声级，直观地反映道路两侧高层建筑立面声级分布，结合噪声监测仪可用于噪声监控，具有广泛的应用价值。

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发展趋势

3.1 低噪声路面正向声学设计

现阶段国内外低噪声路面设计普遍使用力学经验法，没有以路面降噪量为目标建立降噪理论模型和优化设计方法。因此，尚未能根据环境因素和交通流特性，对影响声学性能的多孔路面结构参数进行设计优化。以路面吸声为路面设计指标，利用孔隙率、平均孔径、构造深度等参数，构建低噪声路面的声学设计理论和方法。

3.2 声频技术与靶向控制

随着人工智能和机器学习技术的发展，以有源控制技术和声阵列技术为代表的声频技术在道路交通噪声控制中，利用数字化、智能化手段，更准确地识别和预测交通噪声的来源和传播路径，从而有效地进行靶向控制。随着传感器技术和信号处理技术的发展，可以实现更精准的噪声源定位和特征识别。随着声阵列等技术的发展，可以更精细地感知和测量交通噪声频率、强度、来源等各项参数，与声学超材料等技术相结合，从而能够更精确地控制噪声，形成更为综合、有效的噪声控制方案。

3.3 绿色低碳材料循环利用

随着环保意识的增强和绿色技术的不断发展，发展绿色低碳材料，可减少对环境的污染，实现资源集约循环利用。声屏障和低噪声路面将更多地采用可再生、可循环利用的环保材料，如钢渣、煤矸石、磷石膏、废旧轮胎橡胶等工业固体废弃物再利用，以减少对自然资源的消耗和环境污染。

3.4 路域声景观营造

对于人来说，声环境的感觉与噪声的种类、特征等密切相关。路面、树木、水体、天空等不同的景观元素可以改变人们对噪声的感知，提高声舒适度，缓解噪声对道路沿线居民的声主观感受负面影响。路网的密度也会对提高区域声环境水平有较为明显的作用。

3.5 环境噪声与可持续发展

交通噪声的污染需要多种措施综合治理，也需要结合可持续发展目标系统性地进行考虑。噪声污染防治需要与国土空间规划和城市建设过程相协调，与社会经济发展相协同，提高公众的环保意识和噪声污染防治意识，引导企业采取更加宁静的生产方式，加强科技创新，鼓励公众参与噪声污染防治工作，形成政府、企业和社会共同参与的局面。

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结论

1）现有的道路交通噪声控制技术，面对综合立体交通的建设与发展，声屏障、低噪声路面等单一措施往往难以满足道路交通噪声治理的要求，需要通过多种控制措施协同设计进行治理。

2）目前道路交通噪声以无源控制为主，声学超材料的发展为道路交通噪声的精确治理提供了新的思路；有源噪声控制在应用于道路交通噪声控制过程中，仍面临着干扰因素多、控制区域远、误差传感器难以设置、传递函数难以计算等问题，需要发展和解决。

3）利用人工智能等先进技术实现道路交通噪声的智能识别、监测和控制系统，通过先进的传感器技术和信号处理技术，实现道路交通噪声源的精准定位和特征识别，可以为有针对性地控制噪声提供依据。

4）随着科学技术的不断发展和人们环保意识的不断提高，道路交通噪声控制技术将会越来越智能化、精准化、绿色化和可持续。

本文作者：袁旻忞、王彦琴、邵社刚、李明亮

作者简介：袁旻忞，交通运输部公路科学研究院，国家环境保护道路交通噪声控制工程技术中心，研究员，研究方向为噪声振动控制和声学信号处理。

论文全文发表于《科技导报》2024年第20期，原标题为《道路交通噪声控制技术研发进展》，本文有删减，欢迎订阅查看。

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