基于图像处理技术的低噪声微表处纹理与噪声评价_郑木莲.pdf

第 卷第期 年月交 通 运 输 工 程 学 报 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（）；山东省交通科技项目（）；国家留学基金项目（）作者简介：郑木莲（），女，山东蒙阴人，长安大学教授，工学博士，从事道路工程研究。引用格式：郑木莲，陈旺，王海阳基于图像处理技术的低噪声微表处纹理与噪声评价交通运输工程学报，（）：，（）：文章编号：（）基于图像处理技术的低噪声微表处纹理与噪声评价郑木莲，陈旺，王海阳（长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 ；滑铁卢大学 路面与交通技术中心，安大略 滑铁卢 ；山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 ）摘要：分析了路面微表处噪声产生机理，设计了种低噪声微表处，并与普通微表处进行对比，测试了不同微表处的构造深度及其噪声值；基于数字图像处理技术构建微表处纹理三维模型，挖掘相关纹理参数以评价不同微表处的构造和噪声特性；提出凸峰分布概率、凸峰面积占比种路表纹理参数，并分析了该参数与室内噪声的相关性。分析结果表明：与普通中值级配微表处相比，低噪声级配微表处可降低噪声约 ；橡胶粉通过提高微表处的弹性和吸声特性降低表面构造和摆值，且掺入中值和低噪声级配微表处可分别降低噪声 与 ；水性环氧树脂通过改善微表处施工和易性，减少路面宏观纹理，且掺入中值级配的微表处能实现与低噪声级配微表处相似的降噪效果；基于表面纹理三维模型计算的像素差平均值与微表处的实际构造深度呈显著的线性关系，相关系数为 ；中值级配和低噪声微表处的凸峰高度分布分别表现为一次函数和正态函数，级配的调整可显著减小低高度凸峰的分布率，且低高度的凸峰数量增加可丰富细观纹理，进而得出凸峰分布概率能够量化微表处纹理的分布特性；凸峰高度 是各种微表处凸峰高度分布曲线的拐点，与所有凸峰高度的面积占比相比，凸峰高度大于 的面积占比与微表处的噪声具有显著的线性相关性，相关系数为 。关键词：路面工程；微表处；数字图像；表面纹理构造；噪声；凸峰分布概率；凸峰面积占比中图分类号：文献标志码：，（，；，；，）：，第期郑木莲，等：基于图像处理技术的低噪声微表处纹理与噪声评价 ，：；：（），：（）；（）；（）；（）引言微表处作为常用的预防性养护技术，具有防水、封闭裂缝、填充车辙等优点，在沥青路面中得到较为广泛的应用。与热拌沥青混合料路面相比，微表处由于具有丰富的表面纹理从而可有效提高抗滑性能，但也将行车噪声增加了（），这不仅影响行车舒适性，也会对周边环境造成噪声污染。当前，已有学者开展有关微表处降噪技术的研究，主要措施包括减小集料尺寸与掺加吸声材料。通常，路面表面纹理被定义为“路面与真实平面的偏差”，世界道路协会依据波长和振幅的不同将路面构造分为类，包括粗糙 不平整（波长不小于 ）、巨型纹理（波长不小于，小于 ）、宏观纹理（波长不小于 ，小于）和微观纹理（波长不小于 ，小于 ）。表面纹理构造与轮胎路面的噪声密切相关，通常认为纹理深度的增加会加大噪声值 ，而宏观纹理被认为是影响轮胎路面噪声的决定性因素。由于微表处是在乳化沥青尚未破乳的状态下施工，集料自然分布且层间的大量粗颗粒导致其表面呈现无规则的凹凸状态，从而产生更好的抗滑性能，但也造成更大的行车噪声 。美国沥青技术研究中心对多种路面噪声的测试结果表明：在同样使用年限为年的情况下，普通热拌沥青混合料的测试噪声值约为 ，路面约为 ，超薄磨耗层与微表处约为 。在微表处降噪技术研究方面，李志栋等 在 与 筛孔间增加 筛孔，增加支撑矿料的同时建立了多支点降噪模型，并提出一种新型低噪声级交通运输工程学报 年配，与传统微表处相比，该低噪声微表处可将噪声降低；刘玉恒 基于 模型对传统微表处级配改进，制备出的新型低噪声级配微表处不仅具有良好的路用性能，且可将噪声值降低；魏伟 采用钢渣替换掉部分矿料并掺入一定量的橡胶粉，配制了低噪声微表处，发现其具有良好降噪效果；郭峰伟等 借鉴 的设计理念，发现纤维的掺入可达到降低行车噪声的效果，但 需 增 大 油 石 比 以 满 足 其 路 用 性 能；指出需对当前微表处混合料的设计方法进行优化，使得微表处在设计指标中能更好地反映路面材料性能与噪声的关系，同时将微表处室内噪声试验与现场实际噪声情况结合，更好地体现混合料设计方法的优化效果。路面表面纹理和噪声的表征至关重要，已有一些设备被开发用于表面纹理和噪声测试。通常采用铺砂法测试路面的平均纹理深度（，），或借助非接触式激光设备评估路面的平均轮廓深度（，），然而这些指标无法反映其表面的纹理大小及深度分布特征。尽管宏观纹理与噪声存在密切联系，但有研究指出表面纹理的二维评价指标不足以表征其与噪声的相关特性。此外，传统测试方法在实际应用中会耗费大量时间，测试结果也具有一定的主观性，因此，合理地评估微表处的表面纹理并建立与噪声的定量关系至关重要。关于路面表面纹理与噪声相关性的研究方面，等 研究了集料类型及空隙率对表面纹理和行车噪声的影响，发现较细的级配和多空隙结构可以在保证路用性能的基础上降低行车噪声；重构了表面纹理并建立道路噪声数值计算模型，分析了路表纹理变化对噪声的影响；彭彬等 对典型的微表处路面进行跟踪调查，发现车外行车噪声与微表处的构造深度存在一定的定性关系，但无显著定量关系；吕镇锋等 通过测试多条刻槽混凝土路面的构造深度并结合跟车法测试了相应路段的噪声，发现构造深度与噪声呈显著的非线性关系，并指出构造深度越大，快速滚动的车轮与混凝土路面刻槽部分会产生强大冲击力，轮胎的反复变形会加大振动噪声；等 使用光度立体设备对路面纹理建立了高精度的表征模型，从模型中提取出模拟纹理深度和偏斜度分别用于纹理表征和噪声评价；等 探究了汽车内外的噪声值与热拌沥青路面表面纹理构造的关系，结果表明车内噪声 与 平 整 度（，）呈线性关系，而内外噪声与 均无显著性关系；等 建立了噪声与路面吸声系数、车速及波长的关系；等 采用轮胎下落法测试露石混凝土的噪声特性，发现构造深度为 时，噪声与构造深度呈凹形二次函数关系；等 提出采用峰值数量（，）表征纹理波长作为纹理指标以表征沥青路面纹理与噪声的关系，并建立 与噪声的线性关系；等 采用近距离方法（，）分析了不同轮胎在不同路面、测试速度、磨损状态下的声学特性，并基于冬季路面特征分析了 多个测试的预测结果。简言之，现有表征表面纹理构造的指标主要为平均轮廓深度 和平均纹理深度 ，然而这些指标无法反映其表面的纹理大小及深度分布等特征。此外，关于表面纹理和噪声的相关性研究大多集中在热拌沥青混合料或水泥混凝土路面上，少有针对微表处路面展开研究。尽管行车噪声的确和纹理构造有关，但采用 或 难以量化纹理与噪声关系。鉴于此，本文在现有研究的基础上，设计出几种低噪声微表处，并在室内开展不同微表处的表面纹理和噪声测试，分析不同微表处降噪特性及机理；通过数字图像技术，构建三维表面纹理模型，提出微表处表面纹理及噪声评价指标，为低噪声微表处混合料优化设计提供高性能辅助工具。微表处噪声机理分析道路交通噪声来源主要分成大类：车辆本身在运行中因器械零件产生的噪声、车体与周围空气相互作用产生的空气动力噪声和轮胎与路面相互作用产生的轮胎路面噪声。对高速行驶的汽车而言，轮胎路面噪声已成为主要声源。轮胎路面噪声的产生机理轮胎路面噪声产生原因主要包括轮胎花纹突起冲击、空气泵吸作用和空气乱流振动，如图所示。在车辆行驶中，均匀分布的轮胎花纹突起随着车轮转动与路表面产生周期性撞击，轮胎花纹会产生强烈的压缩和回弹，进而导致轮胎自身剧烈振动而引发噪声（图（）。这种周期性的冲击与轮胎花 纹 分 布、行车 速 度 以及路面宏观构造有关。等 通过速度指数分析，将轮胎路面噪音中的不同噪声生成机制区分开，并指出空气泵送在真实轮胎道路相互作用情况中的重要性。由于轮第期郑木莲，等：基于图像处理技术的低噪声微表处纹理与噪声评价胎与路面接触将产生形变，空腔内气体受到压缩将瞬间向外排出；当轮胎驶离路面时，原来发生压缩变形的胎面花纹瞬间恢复，空腔体积变大形成一定的真空环境，外界空气被快速吸入（图（），这个过程在行车过程中重复出现引发泵吸作用，进而产生噪声。在车轮转动过程中，轮胎周围空气压强差异性显著，压强大的区域会向薄弱区域流动，在局部形成一个混乱的空气场。空气乱流与外部车体碰撞形成空气漩涡引发噪声（图（），这种噪声与行车速度具有良好的相关性。图轮胎路面噪声产生机理 根据对路面噪声产生机理的分析，结合微表处的特点，可知微表处路面较普通沥青路面噪声较大的主要原因总结如下：（）单层微表处厚度约，最大粒径为，集料中针片状颗粒以及矿料的重叠极易影响微表处的表面纹理，且微表处施工一般无碾压工序，其矿料突起难以整平，因此，其表面虽平整，但宏观纹理粗糙；（）热拌沥青混合料路面厚度一般大于其矿料最大公称粒径的倍，碾压成型的路表面大部分矿料的顶端将位于同一水平面上，因此，传统沥青路面的轮胎花纹与矿料撞击产生的振动噪声情况较少。微表处的部分粗集料顶端并没有在其水平面上而是突起，所以轮胎在路面上滚动时导致车辆轮胎及车体本身的振动，产生高频低幅振动噪声。低噪声微表处设计原则通过分析微表处路面的噪声形成机理，提出如下低噪声微表处设计原则：（）基于微表处存在大粒径矿料分布不均匀和突起等现象，对微表处混合料级配优化，减少突出的大粒径颗粒，从而改善路面表面纹理构造以降低噪声；（）在混合料中掺入具有吸声作用的添加剂，如橡胶粉等，可显著提高 的 中 频 声 范 围 内 的 吸 声 系数，亦能提高微表处路面的阻尼减振性能，达到降低轮胎、车辆自身振动噪声的效果；（）针对微表处不易压缩变形、施工不碾压的情况，通过改善施工和易性，进而增加细观纹理以减少联通空隙，降低高频噪声。原材料与测试方法根据上述低噪声微表处设计原则，已通过优化微表处级配设计，设计出低噪声级配微表处；以橡胶粉作为吸声材料并辅以纤维掺入微表处混合料，设计出橡胶粉纤维微表处；利用水性环氧树脂对乳化沥青改性，设计出水性环氧树脂改性乳化沥青微表处，提高微表处的施工和易性。本文共提出了种低噪声微表处技术，包括：低噪声级配微表处（，）、橡胶粉纤维低噪声级配微表处（，）、橡胶粉纤维 中值级配微表处（，）、水性环氧树脂改性乳化沥青低噪声级配微表处（，）与水性环氧树脂改性乳化沥青中值级配微表处（，）。此外，还采用了普通中值级配微表处（，）作为对照。原材料 改性乳化沥青根据 微表处和稀浆封层技术指南（）中相关规定，采用 改性乳化沥青（胶乳）配制微表处，基本技术指标见表。此外，还采用了自主研发的水性环氧树脂 复合改性乳化沥青，以提高微表处的抗滑耐磨及水稳定性，其中水性环氧树脂体系掺量为。集料选用的集料为石灰岩，各项指标均满足 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）要求。通过分析国内外微表处级配，提出在 与交通运输工程学报 年表改性乳化沥青技术指标 筛余量恩格拉黏度蒸发残留物含量蒸发残留物贮存稳定性 针入度 软化点延度 筛孔之间增加 筛孔以细化控制混合料中的大粒径矿料。采用分形理论对 型微表处级配上下限分析，选择合适的维数值优化级配上下限中除 筛孔以外的通过率。在分析 与 矿料的比例对微表处表面构造的 影 响 后，发 现 矿 料 在 矿料中的占比为 时微表处具有较为合适的构造深度，因此，需优化级配上限的筛孔通过率，保证其上限级配中 矿料在 矿料中的占比约为，并优化下限中 的筛孔通过率，保证其下限级配中 矿料在 总矿料中的占比约为，最终得出一种低噪声级配，如图所示。图中值与低噪声微表处的级配曲线 添加剂为实现降噪目的，还掺入橡胶粉作为吸声材料，根据已有成果，通过分析不同用水量、不同油石比、不同橡胶粉目数、不同橡胶粉掺量对微表处可拌和时间、黏聚力、耐磨耗性能、抗车辙性能与抗裂性能的分析，最终得出最佳的橡胶粉类型和掺量，即 目橡胶粉，掺量为。为提升微表处耐磨性，还掺入用量为 的聚丙烯单丝纤维，其长度为。微表处配合比针对自主研发的种低噪声微表处技术，并与传统中值级配微表处进行对比，开展其表面纹理及噪声评价，各类微表处原材料用量见表。表不同微表处的原材料组