交通防電磁聲屏障設(shè)計(jì)與施工方法初探
摘 要：本文首先引入了“交通防電磁聲屏障”這個(gè)全新概念，然后從“交通防電磁聲屏障”的工作原理和建造材料介紹入手，以已完成的“北京門頭溝區(qū)新南城西北環(huán)線道路工程防電磁聲屏障工程”為實(shí)際工程案例，對(duì)該類屏障體的設(shè)計(jì)和施工安裝方法進(jìn)行初步的探討。
關(guān)鍵字：交通、 防電磁聲屏障 、 設(shè)計(jì)方法 、施工方法
1、引言
隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，交通電磁污染防治現(xiàn)在已逐漸成為繼交通噪聲污染防治后又一個(gè)新的社會(huì)熱點(diǎn)。“交通防電磁聲屏障”本質(zhì)上就是交通電磁治理和交通噪聲治理的綜合屏障防護(hù)措施，并以交通電磁污染屏蔽為技術(shù)核心。
“交通防電磁聲屏障”的工作原理就是在傳播路徑上切斷由于交通產(chǎn)生的干擾電磁波和交通噪聲，從而消除對(duì)敏感目標(biāo)的干擾。在解決交通電磁干擾和噪聲問題的諸多手段中，交通防電磁聲屏障是最基本和有效的技術(shù)手段，用防電磁聲屏障進(jìn)行屏蔽的方法解決電磁和噪聲干擾問題最大好處是在不影響保護(hù)目標(biāo)正常工作的情況下消除干擾，因此不需要對(duì)敏感目標(biāo)做任何修改。對(duì)于交通噪聲屏障防治技術(shù)我們已經(jīng)研究多年，相對(duì)來說技術(shù)已相當(dāng)成熟，在本文中便不再進(jìn)行累述；下面，我們重點(diǎn)就交通電磁屏障防治技術(shù)進(jìn)行一下說明。
交通防電磁屏障技術(shù)，或稱為交通電磁屏蔽技術(shù),實(shí)際上就是在電磁波的傳播途徑上人為地設(shè)置一個(gè)屏障體，限制從屏蔽材料的一側(cè)空間向另一側(cè)空間傳遞電磁能量。電磁波傳播到達(dá)屏蔽材料表面時(shí)，通常有3種不同機(jī)理進(jìn)行衰減：一是在入射表面的反射衰減；二是未被反射而進(jìn)入屏蔽體的電磁波被材料吸收的衰減；三是在屏蔽體內(nèi)部的多次反射衰減。電磁波通過屏蔽材料的總屏蔽效果可按下式計(jì)算：
SE = R+ A+B ——（1）
式中：SE為電磁屏蔽體的綜合屏蔽效果，單位為dB；R為表面單次反射衰減；A為吸收衰減；B為內(nèi)部多次反射衰減 (只在A<15dB情況下才有意義)。
根據(jù)應(yīng)用需要及相關(guān)法規(guī)的要求,當(dāng)材料的屏蔽綜合屏蔽效果SE達(dá)到30~60dB的中等屏蔽數(shù)值時(shí),認(rèn)為屏蔽有效。
屏蔽體屏蔽效果的好壞最關(guān)鍵的因素是屏蔽材料的選擇。性能良好的電磁屏蔽材料應(yīng)具有較高的電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率。某些金屬或合金是電的良導(dǎo)體，如銅、鋁等，對(duì)高阻抗電場(chǎng)有很好的屏蔽作用,但對(duì)低阻抗磁場(chǎng)的屏蔽卻不夠理想；而有些金屬或合金，如鐵、坡莫合金等卻對(duì)低阻抗磁場(chǎng)有很好的屏蔽作用。為在較寬廣的頻率范圍內(nèi)都有好的屏蔽作用，屏蔽材料應(yīng)是高電導(dǎo)率及高磁導(dǎo)率材料的組合。
電磁屏蔽材料在電子工業(yè)高速發(fā)展的時(shí)代是一種防止電子污染所必需的防護(hù)性功能材料，是目前新技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域中的新型化工材料。電磁金屬屏蔽體通常是利用金屬板(網(wǎng))、金屬盒(箱)、金屬罩等材料形式阻止或減小電磁能量傳播、是實(shí)現(xiàn)電磁兼容的有效方法之一；金屬纖維系填充復(fù)合型屏蔽體同樣具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)磁性能，屏蔽效果高，綜合性能好，安裝形式靈活，是另一類很有發(fā)展前途的電磁屏蔽體形式。
我們必須知道，盡管交通防電磁屏蔽體對(duì)于交通干擾電磁波具有良好的屏蔽效果，但如果屏蔽體的設(shè)計(jì)和施工方法不當(dāng)，就會(huì)大大降低電磁屏障體整體屏蔽的效果。因此，下面結(jié)合我單位完成的“北京門頭溝區(qū)新南城西北環(huán)線道路工程防電磁聲屏障工程”工程案例（圖1），我們對(duì)該類屏障體的設(shè)計(jì)和施工方法進(jìn)行初步的探討。
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| 圖1 北京門頭溝區(qū)新南城西北環(huán)線道路工程防電磁聲屏障工程 |
2、交通防電磁聲屏障體設(shè)計(jì)
2.1交通電磁的特點(diǎn)
交通電磁干擾源主要包括交通車輛本身、車載無線通信設(shè)備以及交通相關(guān)的其它電磁源。據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電磁波能量水平方向才有較高的傳播水平，電磁波會(huì)隨著距離增加而快速衰減。建筑物及樹木等對(duì)電磁波有一定的阻擋作用，電磁波的垂直方向傳播相對(duì)較窄，所以我們?cè)谶M(jìn)行交通電磁屏蔽體設(shè)計(jì)時(shí)也就與常規(guī)的聲屏障設(shè)計(jì)有了共同的防護(hù)思路——重點(diǎn)防護(hù)水平方向的電磁能量傳播。
2.2交通防電磁聲屏障的設(shè)計(jì)原則
一般情況下，大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在實(shí)際工程中，要達(dá)到80dB以上的屏蔽效能是十分困難的，一般都保持在30~60dB的中等屏蔽數(shù)值之間。這是因?yàn)椋帘误w的屏蔽效能不僅取決于構(gòu)成屏蔽體的材料，而且取決于屏蔽體的結(jié)構(gòu)形式。通常防電磁聲屏障結(jié)構(gòu)在電磁防護(hù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)情況下，噪聲防治水平也能達(dá)到10-15dB之間，符合國(guó)家相關(guān)防護(hù)要求。所以，我們?cè)谶M(jìn)行電磁聲屏障屏蔽體設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮滿足電磁屏蔽的基本要求，基本的設(shè)計(jì)原則如下：
（1）屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性
整個(gè)屏蔽體必須是一個(gè)完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體。這一點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)起來十分困難。因?yàn)橐粋(gè)完全封閉的屏蔽體是沒有任何實(shí)用價(jià)值。一個(gè)實(shí)用的屏蔽體必然會(huì)有很多孔縫，如顯示口、安裝各種調(diào)節(jié)桿的開口、不同部分結(jié)合的縫隙等，由于這些導(dǎo)致導(dǎo)電不連續(xù)的因素存在，如果設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮如何處理，屏蔽體的屏蔽效能往往很低，甚至沒有屏蔽效能。
（2）不能有直接穿過屏蔽體的導(dǎo)體
一個(gè)屏蔽效能再高的屏蔽體，一旦有導(dǎo)線直接穿過屏蔽體，其屏蔽效能就會(huì)損失99.9% (60dB)以上，但是，實(shí)際屏蔽體總是會(huì)有導(dǎo)線穿過，如果沒有對(duì)這些導(dǎo)線進(jìn)行妥善的處理(屏蔽和濾波)，這些導(dǎo)線會(huì)極大的降低屏蔽體屏蔽效能，妥善處理導(dǎo)線是屏蔽設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容之一。
（3）屏蔽體材料選擇兼顧導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性
材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性越好，屏蔽效能越高。但實(shí)際的金屬材料不可能兼顧這兩方面。例如：銅的導(dǎo)電性很好，但是導(dǎo)磁性很差；鐵的導(dǎo)磁性很好，但導(dǎo)電性較差。應(yīng)該使用什么材料，根據(jù)具體屏蔽主要依賴反射損耗，還是吸收損耗來決定是側(cè)重導(dǎo)電性還是導(dǎo)磁性。頻率較低的時(shí)候，吸收損耗很小，反射損耗是屏蔽效能的主要機(jī)理，要盡量提高反射損耗。反射損耗與輻射源的特性有關(guān)，對(duì)于電場(chǎng)輻射源，反射損耗很大；對(duì)于磁場(chǎng)輻射源，反射損耗很小。因此，對(duì)于磁場(chǎng)輻射源的屏蔽主要依靠材料的吸收損耗，應(yīng)該選用導(dǎo)磁率較高的材料做屏蔽材料。反射損耗還與屏蔽體到輻射源的距離有關(guān)，對(duì)于電場(chǎng)輻射源，距離越近，則反射損耗越大，對(duì)于磁場(chǎng)輻射源，距離越近，則反射損耗越小。正確判斷輻射源的性質(zhì)，決定它應(yīng)該靠近屏蔽體還是遠(yuǎn)離屏蔽體是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的又一個(gè)重要內(nèi)容。但頻率較高時(shí)，吸收損耗是主要的屏蔽機(jī)理，這時(shí)與輻射源是電場(chǎng)輻射源還是磁場(chǎng)輻射源關(guān)系不大。電場(chǎng)波是最容易屏蔽的，平面波其次，磁場(chǎng)波是最難屏蔽的。尤其是低頻(1kHz以下)磁場(chǎng)，很難屏蔽。對(duì)于低頻磁場(chǎng)，要采用高導(dǎo)磁性材料，甚至采用高導(dǎo)電性材料和高導(dǎo)磁性材料復(fù)合起來的材料。
2.3交通防電磁聲屏障設(shè)計(jì)案例說明
結(jié)合以上交通電磁的特點(diǎn)和防電磁聲屏障設(shè)計(jì)原則的綜合分析，并結(jié)合防護(hù)所在地的交通環(huán)境和防護(hù)目標(biāo)的特殊性（軍隊(duì)衛(wèi)星地球接受站），根據(jù)GB 13615-92《地球站電磁環(huán)境保護(hù)要求》及GB3096-93《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》4類標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)限制要求，我們?cè)诒本╅T頭溝區(qū)新南城西北環(huán)線道路工程防電磁聲屏障工程中選用的屏蔽材料為具有較高導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性的金屬銅絲網(wǎng)附著在吸隔聲金屬板上制作而成。金屬銅絲網(wǎng)可以進(jìn)行粘接、縫制，易于制成不同的幾何形狀對(duì)輻射源進(jìn)行屏蔽，屏障整體采用上折角結(jié)構(gòu)形式，用于消除交通對(duì)保護(hù)目標(biāo)電磁和聲環(huán)境的不利影響。表1為單層銅絲網(wǎng)在不同頻率下的屏蔽效能，從表中可看出網(wǎng)孔越小、線徑越粗，電磁屏蔽越好。還可以看出，當(dāng)頻率高于100MHz時(shí)，屏蔽效能開始下降，這是因?yàn)殂~絲網(wǎng)反射信號(hào)的能力減弱。本次設(shè)計(jì)選用的是直徑為型號(hào)2的銅絲網(wǎng)，工程實(shí)踐表明，這類屏蔽材料組合基本合理、安裝結(jié)構(gòu)形式可操作性強(qiáng)、實(shí)用價(jià)值高，而且電磁和噪聲屏蔽效果比較明顯。其中交通干擾電磁綜合屏蔽效能在30dB以上，降噪效果10dB以上，能夠達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值要求。
| 表1 單層銅絲網(wǎng)不同頻率下的屏蔽效能 |
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3、交通防電磁聲屏障體的安裝
交通防電磁聲屏蔽體的類型和使用場(chǎng)合不同，選用的安裝方法也不盡相同。防電磁聲屏蔽體整體安裝與通常的聲屏障安裝施工程序大致相同，鋼立柱通過預(yù)埋件與基礎(chǔ)栓接相連，屏障上部采用屏蔽板材與鋼立柱組裝形成框架結(jié)構(gòu)，值得注意的是電磁屏蔽材料的固定方式和屏障體的整體接地是與通常聲屏障施工方法不同的。此次電磁屏蔽材料的固定方式采用的是吸隔聲金屬板表面附著安裝形式。
3.1表面附著安裝的流程
（1）粘貼
對(duì)于帶導(dǎo)電背膠的金屬絲網(wǎng)、直接利用背膠粘在金屬表面即可，這類背膠都具有很強(qiáng)的粘接力，溫度適應(yīng)范圍也較大。金屬絲網(wǎng)的固定可采用導(dǎo)電雙面膠帶或?qū)щ姯h(huán)氧膠和硅脂導(dǎo)電膠等專用粘合劑進(jìn)行粘貼。
（2）卡釘
用塑料或金屬卡釘(如塑料漲釘、金屬鉚釘，螺釘?shù)?將金屬網(wǎng)絲、指形簧片等條狀或片狀的導(dǎo)電襯墊固定在屏蔽體表面。
（3）焊接
用傳統(tǒng)熔焊或釬焊方式，將指形簧片等金屬導(dǎo)電襯墊固定在金屬屏蔽體表面，便于留出整體屏障接地引線口。
3.2安裝的注意事項(xiàng)
為了充分發(fā)揮屏蔽體的屏蔽效能，在安裝時(shí)要注意保證屏蔽體之間的導(dǎo)電性，為此需要做到以下兩點(diǎn)。
（1）要保證襯墊與屏蔽體的導(dǎo)電接觸。安裝襯墊時(shí)除了注意接觸面的清潔外，對(duì)特殊要求的接觸面要進(jìn)行表面處理，對(duì)屏蔽體上不導(dǎo)電的漆或涂層要加以清除，對(duì)有防腐要求的金屬屏障體可在安裝襯墊前噴涂導(dǎo)電保護(hù)液或?qū)щ娖，避免金屬表面在使用環(huán)境中氧化。
（2）要滿足導(dǎo)電襯墊對(duì)壓力的要求。金屬螺旋管、導(dǎo)電橡膠等襯墊的屏蔽效能與變形、壓力之間是有一定關(guān)系的，為保證襯墊與屏蔽體的良好接觸，需要施加一定的壓力。而當(dāng)壓力過大又會(huì)破壞襯墊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其喪失恢復(fù)形變的能力，為此需要對(duì)襯墊的壓縮進(jìn)行限位，使襯墊既產(chǎn)生足夠變形，又維持應(yīng)有的彈性。理想的限位設(shè)計(jì)應(yīng)將襯墊的變形控制在屏蔽效能的最小變形和保持彈性的最大變形之間。
4、結(jié)語
綜上所述，我們簡(jiǎn)單分析了“交通防電磁聲屏障”設(shè)計(jì)和安裝施工中需重點(diǎn)考慮的影響整體屏蔽效果的一些關(guān)鍵因素及相應(yīng)的解決方法，如果能在屏蔽體的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)中充分地應(yīng)用這些方法，交通干擾電磁和噪聲的綜合屏蔽效能一定會(huì)有較大的改進(jìn)。同時(shí)，我們也要充分認(rèn)識(shí)到交通電磁和噪聲屏蔽技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)該在屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、使用與維護(hù)的各個(gè)階段充分地進(jìn)行考慮和實(shí)施才可能有效起到更優(yōu)越的屏蔽效能。隨著我國(guó)交通事業(yè)發(fā)展速度越來越高，交通電磁、噪聲干擾的判別及對(duì)其抑制的問題定將日益突出，這必將成為未來社會(huì)的又一大環(huán)境熱點(diǎn)問題。
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