鋪面噪音(TPIN)及量測方法

以往製胎業進行許多相關研究，受限於安全而需增加胎面與路面間的摩擦力，在輪胎的特性與胎面紋理變化上著手，只能有再降低鋪面噪音1至2dB的潛力，但若在鋪面的表面特性上做改進，則可以有6至8dB的TPIN降低潛力

本文簡要介紹量測鋪面噪音的方法及廢輪胎橡膠瀝青鋪面的降噪機理，至於國內橡膠瀝青鋪面降噪效果的量測結果及分析，請參本網誌另文「橡膠瀝青鋪面降噪效果不隨通車時間遞減--路側噪音檢測連續車流時間整合法的缺陷」，至於環保署的廢輪胎鋪路計畫，亦請參本網誌另文「廢輪胎鋪路台灣比美加州」及「續命輪胎守護鋪面What/Why/How  Asphalt Rubber 橡膠瀝青 ? 」。

鋪面噪音及量測方法

都會交通噪音是文明病徵之一，長期曝露在噪音下可能使聽力受損及引發其它身心疾病；根據研究，公路交通噪音源自車輛機械引擎、車輛行進風切、及輪胎與路面的交互作用，近代汽車工業在機械引擎低噪音設計和外型動態流線最佳化的進展，使得一般轎車車速超過40km/h，貨車車速超過70km/h，輪胎與路面交互作用產生的所謂「鋪面噪音(Tire Pavement Interaction Noise, TPIN)」，超過機械引擎聲和行進風切聲，成為主要的公路交通噪音源[1]。

車輛行進時輪胎胎面經由滾動與路面之間持續反覆衝撞，不同紋理的胎面迅速粘上路面再快速滑移開，每秒反覆「粘拔」上千次，輪胎產生高頻率的振動，而胎面與路面之間的空氣受反覆「粘時擠入、拔時吸出」作用發出聲響，稱為空氣幫浦效應(Air Pumping)[2]；胎面本身的振動加上空氣幫浦效應組成鋪面噪音的複雜機理，如圖1所示，以往製胎業進行許多相關研究，受限於安全而需增加胎面與路面間的摩擦力，在輪胎的特性與胎面紋理變化上著手，只能有再降低鋪面噪音1至2dB的潛力，但若在鋪面的表面特性上做改進，則可以有6至8dB的TPIN降低潛力[4]。

圖1、鋪面噪音(Tire Pavement Interaction Noise, TPIN)的形成機理

圖片來源：作者依文獻3譯製

一般認為以鋪面表面特徵來降低TPIN可以有三種方法，其一為鋪面表面以最大粒徑約10mm的小至中粒徑石子均勻排列組成，且有足夠深的巨觀紋理（深度至少0.5mm）以便能抑制空氣幫浦效應，其二則是用多孔隙粒料級配在鋪面表面形成連續空隙吸收空氣降低擠吸音壓，如圖2所示；最後就是降低鋪面的機械阻抗(Mechanical Impedance)，例如採用添加廢輪胎橡膠於鋪面材料中使鋪面的勁度降低，也就是機械阻抗變小而具吸收振動的效果[5]。石膠泥瀝青(Stone Matrix Asphalt, SMA)以石料主結構，在承載力及降噪效果都優於傳統密級配瀝青路面，文獻上指出將SMA的標稱最大粒徑從16mm降至9mm，在車速88km/h時測到有3dB的降噪效果[6]；多孔隙瀝青路面則比傳統密級配路面有3到5dB的降噪效果[7]；SMA的膠漿較多勁度較低，依據德國的相關研究，比傳統密級配路面有2至2.5dB的降噪效果[7]。

圖2、鋪面噪音(TPIN)的形成機制

圖片來源：作者譯自https://www.mlit.go.jp/road/road_e/q5_technology.html

依據文獻整理[1]，量測鋪面噪音的方法可分為路邊量測、車載量測、及實驗室(場)量測三大類，如表1所示，實驗室量測法快速精準，且可有效控制欲探究的變數，缺點是變數太多不易標準化；車載量測則是直接量測近場聲源，可以區分測得不同頻率的噪音，具有判斷聲源輔助調控的功能，針對不同鋪面進行量測，可以區分不同鋪面特徵對特定頻率噪音的具體影響，缺點是不易建立與遠場量測的關係；路邊量測為遠場量測，對聲源的控制性較低，聲感器(噪音計)接受許多混合雜訊，但最接近實際的狀況，更是一般噪音監測控管的標準方法。

表1、鋪面噪音測法匯整(本研究依文獻1整理)

歐盟傾向採用的路邊量測法是統計通過法(Statistical Pass-By, SPB)，如圖3所示；車載量測則採尾車近鄰法(Close Proximity, CPX)，如圖4所示，這兩種方法已經列入國際標準，編號為ISO11819[8]。

圖3、歐盟採用的路邊鋪面噪音量測法(統計通過法Statistical Pass-By, SPB, ISO 11819-1)

圖片來源：https://www.akustikforschung.de/wp-content/uploads/2012/07/messung_spb_15_ed_ws-640x424.jpg

圖4、歐盟採用的車載鋪面噪音量測法(尾車近鄰法Close Proximity, CPX, ISO 11819-2)

圖片來源：[9]

美國在交通噪音監控法規上傾向採用路邊量測之統計嚴選通過法(Statistical Isolated Pass-by, SIP)及連續車流時間整合法(Continuous-Flow Traffic Time-Integrated Method, CTIM)，前者用在交通量小或是特定聲源的量測上，後者則用在交通流量大時，這兩種試驗法都已提出AASHTO標準；在車載量測方面，美國發展的車載聲強法(On-Board Sound Intensity, OBSI)已逐漸標準化，用兩支聲強探測器擺放輪胎邊前後處，如圖5所示，也已列入AASHTO標準(AASHTO TP-98)，也與路邊量測的數據建立很好的相關性，是探討鋪面類型對鋪面噪音影響較好的方法[1]。

圖5、美國採用的車載鋪面噪音量測法(On-Board Sound Intensity, OBSI, AASHTO TP76-08)

美國瀝青科技中心(National Center for Asphalt Technology, NCAT)的研究人員在2009至2011年間在其鋪面測試場上量測不同鋪面表面特徵與鋪面噪音之間的關係[10]，涵蓋的鋪面類型有粗的密級配、細的密級配、越級配、及開放級配，噪音量測方法則採用圖5所示的車載聲強法(OBSI)，該團隊依照AASHTO TP 76-08標準，使用固定車輛及輪胎，以每小時72公里行駛，以裝設在輪胎側面前後兩支聲強探測器測得聲強級別(Sound Intensity Level, SIL)，再經計算輸出屬於1/3倍頻程譜(one-third octave band)的六個頻率(315, 500, 1000, 1600, 2000, 2500Hz)的聲強，來探討不同鋪面表徵的影響；結果顯示開放級配鋪面的孔隙率有效降低5個頻率的噪音(除2500Hz以外)，密級配鋪面的平均輪廓深度(Mean Profile Depth, MPD)會增加頻率1600Hz以下的噪音，至於表面勁度、平坦度、及最大標稱粒徑的降噪效果則尚未有足夠的數據驗證。

中國大陸東南大學的團隊針對單層多孔隙瀝青路面、雙層多孔隙瀝青路面、SMA路面、及廢輪胎橡膠瀝青路面的降噪性能做深入的探討[11]，除了做理論模擬分析外，也包括在實驗室量測材料本身的吸音特性、及室外試驗場的降噪音情況，其中室外試驗場的噪音量測法採用「機動車輛噪音測量方法(GB1496-79)」，該法區分為車外量測及車內量測兩種，車外量測法類似表1路邊量測的控制通過法(Controlled Pass-By, CPB)，車內量測法則類似表1車載量測之車內法(In-Vehicle, IV)。該研究以室外試驗場的噪音檢測成果，判定單層多孔隙瀝青鋪面具有最好的降噪效果，比一般瀝青路面低約3.3至3.6dB，而廢輪胎橡膠瀝青鋪面及細石瀝青鋪面也分別有2.2至3.2dB及1至4dB的降噪效果。

波蘭的團隊在多年的鋪面噪音量測經驗中，發現低噪音鋪面(與一般鋪面相比降噪達3dB以上的鋪面)測得數據的變異較大，並以圖3所示車載量測的尾車近鄰法(CPX)測得聲壓的標準差，代表鋪面的變異情況，發現一般路面測得的CPX聲壓標準差約為0.5dB，而相對照的多孔隙鋪面的CPX聲壓標準差則高達1.69dB，該團隊推論歸因於多孔隙鋪面本身的生產鋪築變異較大、通車後部份孔隙受塵土污染阻塞、及較易產生局部磨蝕剝脫，進而建議可以用CPX聲壓標準差來管控多孔隙鋪面的施工品質[12]，則可以說是「意外的收穫」。

香港理工的團隊依ISO 11819-2製做如圖4所示的近鄰聲強法(CPX)尾車，用標準的雙聲感器配置在標準輪胎側邊，以50km/h檢測改質瀝青摩擦層路面(PMFC10)、改質瀝青標稱最大粒10mmSMA路面(PMSMA10)、改質標稱最大粒6mmSMA路面(PMSMA6)、及對照的一般摩耗層路面(WC10)，檢測結果顯示有不小的變異，以鋪面噪音平均值來看從低至高依序為PMSMA6、PMFC10、WC10、PMSMA10，但差異都在2dB以內[13]。

環保署目前在快速道路及高速公路上推動採行的廢輪胎橡膠瀝青路面，具有紋理較深、勁度較低、及富含連續孔隙等降噪特徵，有降低鋪面噪音的潛力。該團隊早在2000年試鋪的廢輪胎橡膠瀝青路面，就用類似表1路邊量測的SIP法，在廢輪胎橡膠瀝青路面與一般密級配路面相交接的同一直線車道上，用兩部聲感器測得選定的同一部車通過鋪面測點產生的最大聲壓級(Sound Pressure Level, SBL)，每次檢測時嚴選100部均速通過的車輛，計算在兩不同鋪面路邊檢測點SBL的差值，當時發現橡膠瀝青有約2至3dB的降噪效果，但效果隨時間遞減。

環保署團隊近幾年在高速公路及快速道路鋪設的廢輪胎橡膠瀝青鋪面，並以噪音管制導向的路邊連續噪音量測法(Continuous-Flow Traffic Time-Integrated Method, CTIM)，蒐集四年多次24小時量測的數據進行分析，結果顯示廢輪胎橡膠瀝青鋪面有顯著的降噪音效果，且通車四年後仍有約3dB的降噪音量[14]，如圖6及圖7所示，對照鋪面巨觀紋理深度及透水性皆隨時間遞減，推測降噪音機理也可能來自廢輪胎橡膠鋪面層的勁度較低，附和國外廢輪胎橡膠瀝青鋪面降噪能力優於傳統瀝青鋪面的實務觀察。

圖6、台61線四年共7個齡期的鋪面噪音檢測成果圖[14]

圖7、國道1號試驗路段共6個齡期鋪面噪音檢測成果圖[14]

參考文獻

1. Tan Li, “A state-of-the-art review of measurement techniques on tire-pavement interaction noise,” Measurement 128 (2018) 325-351.
2. Tan Li, Richardo Burdisso, Corina Sandu, “Literature review of models on tire-pavement interaction noise,” Journal of Sound and Vibration 420 (2018) 357-445.
3. University of Twente, Development of a Quantitative Numerical Model to Predict Tire Road Noise, ET Faculty, Tire-Road Consortum, https://www.utwente.nl/en/et/trc/projects/ccar/
4. Filippo G. Pratico, Fabienne Anfosso-Ledee, “Trends and Issues in Mitigating Traffic Noise through Quiet Pavements,” Procedia – Social and Behavioral Sciences 53 (2012) 203-212.
5. Audrius Vaitkus, Donatas Cygas, Viktoras Vorobjovas, Tadas Andriejauskas, “Traffic/road noise mitigation under modified asphalt pavements,” Transportation Research Procedia 14 (2016) 2698 -2703.
6. R. Bernhard, R. L. Wayson, J. Haddock, N. Neithalath, A. El-Aassar, J. Olek, et. al., An Introduction to Tire/Pavement Noise of Asphalt Pavement, Institute of Safe, Quiet and Durable Highways, Purdue University, 2005.
7. P. Kandhal, “Asphalt pavements mitigate tire/pavement noise,” Hot Mix Asphalt Tecnhology 9 (2004) 22-31.
8. Oliwia Merska, Pawel Mieczkowski, Dawid Zymelka, “Low-noise thin surface course – evaluation of the effectiveness of noise reduction,” Transportation Research Procedia 14 (2016) 2688 -2697.
9. Selection of Quiet Pavement Technology for Polish Climate Conditions on the Examples of CiDRO Project, Article in Transportation Research Procedia · December 2016
10. Gongyun Liao, Maryam S. Sakhaeifar, Michael Heitzman, Randy West, Brian Waller, Shengyue Wang, Yangmin Ding, “The effects of pavement surface characteristics on tire/pavement noise,” Applied Acoustics 76 (2014) 14-23.
11. Mei Liu, Xiaoming Huang, Guoqiang Xue, “Effects of double layer porous asphalt pavement of urban streets on noise reduction,” International Journal of Sustainable Built Environment (2016) 5, 183-196.
12. Piotr Mioduszewski, Wladyslaw Gardziejczyk, “Inhomogeneity of low-noise wearing courses evaluated by tire/road noise measurements using the close-proximity method,” Applied Acoustics111(2016) 58-66.
13. Lin Shiying, Hung Wingtat, Leng Zhen, “Air pollutant emissions and acoustic performance of hot mix asphalts,” Construction and Building Materials 129 (2016) 1-10.
14. 環保署委託計畫期末報告(EPA-107-HA14-03-A204)，廢輪胎橡膠瀝青鋪面推廣應用暨使用成效驗證專案工作計畫，受託單位: 財團法人臺灣營建研究院，計畫執行期間: 107年6月29日-109年3月28日。