交通防電磁聲屏障設計與施工方法初探

1、引言
        隨著我國交通事業的迅猛發展,交通電磁污染防治現在已逐漸成為繼交通噪聲污染防治后又一個新的社會熱點。“交通防電磁聲屏障”本質上就是交通電磁治理和交通噪聲治理的綜合屏障防護措施,并以交通電磁污染屏蔽為技術核心。
        “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生的干擾電磁波和交通噪聲,從而消除對敏感目標的干擾。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手段,用防電磁聲屏障進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目標正常工作的情況下消除干擾,因此不需要對敏感目標做任何修改。對于交通噪聲屏障防治技術我們已經研究多年,相對來說技術已相當成熟,在本文中便不再進行累述;下面,我們重點就交通電磁屏障防治技術進行一下說明。
        交通防電磁屏障技術,或稱為交通電磁屏蔽技術,實際上就是在電磁波的傳播途徑上人為地設置一個屏障體,限制從屏蔽材料的一側空間向另一側空間傳遞電磁能量。電磁波傳播到達屏蔽材料表面時,通常有3種不同機理進行衰減:一是在入射表面的反射衰減;二是未被反射而進入屏蔽體的電磁波被材料吸收的衰減;三是在屏蔽體內部的多次反射衰減。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為內部多次反射衰減 (只在A<15dB情況下才有意義)。
        根據應用需要及相關法規的要求,當材料的屏蔽綜合屏蔽效果SE達到30~60dB的中等屏蔽數值時,認為屏蔽有效。
        屏蔽體屏蔽效果的好壞最關鍵的因素是屏蔽材料的選擇。性能良好的電磁屏蔽材料應具有較高的電導率及磁導率。某些金屬或合金是電的良導體,如銅、鋁等,對高阻抗電場有很好的屏蔽作用,但對低阻抗磁場的屏蔽卻不夠理想;而有些金屬或合金,如鐵、坡莫合金等卻對低阻抗磁場有很好的屏蔽作用。為在較寬廣的頻率范圍內都有好的屏蔽作用,屏蔽材料應是高電導率及高磁導率材料的組合。
        電磁屏蔽材料在電子工業高速發展的時代是一種防止電子污染所必需的防護性功能材料,是目前新技術發展領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)、金屬盒(箱)、金屬罩等材料形式阻止或減小電磁能量傳播、是實現電磁兼容的有效方法之一;金屬纖維系填充復合型屏蔽體同樣具有優良的導電導磁性能,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,但如果屏蔽體的設計和施工方法不當,就會大大降低電磁屏障體整體屏蔽的效果。因此,下面結合我單位完成的“北京門頭溝區新南城西北環線道路工程防電磁聲屏障工程”工程案例(圖1),我們對該類屏障體的設計和施工方法進行初步的探討。 
北京門頭溝區新南城西北環線道路工程防電磁聲屏障工程
2、交通防電磁聲屏障體設計
2.1交通電磁的特點
交通電磁干擾源主要包括交通車輛本身、車載無線通信設備以及交通相關的其它電磁源。據國內外統計數據表明,電磁波能量水平方向才有較高的傳播水平,電磁波會隨著距離增加而快速衰減。建筑物及樹木等對電磁波有一定的阻擋作用,電磁波的垂直方向傳播相對較窄,所以我們在進行交通電磁屏蔽體設計時也就與常規的聲屏障設計有了共同的防護思路——重點防護水平方向的電磁能量傳播。
2.2交通防電磁聲屏障的設計原則
一般情況下,大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在實際工程中,要達到80dB以上的屏蔽效能是十分困難的,一般都保持在30~60dB的中等屏蔽數值之間。這是因為,屏蔽體的屏蔽效能不僅取決于構成屏蔽體的材料,而且取決于屏蔽體的結構形式。通常防電磁聲屏障結構在電磁防護達到標準情況下,噪聲防治水平也能達到10-15dB之間,符合國家相關防護要求。所以,我們在進行電磁聲屏障屏蔽體設計時首先要考慮滿足電磁屏蔽的基本要求,基本的設計原則如下:
(1)屏蔽體的導電連續性
 整個屏蔽體必須是一個完整的、連續的導電體。這一點在實現起來十分困難。因為一個完全封閉的屏蔽體是沒有任何實用價值。一個實用的屏蔽體必然會有很多孔縫,如顯示口、安裝各種調節桿的開口、不同部分結合的縫隙等,由于這些導致導電不連續的因素存在,如果設計人員在設計時沒有考慮如何處理,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體
一個屏蔽效能再高的屏蔽體,一旦有導線直接穿過屏蔽體,其屏蔽效能就會損失99.9% (60dB)以上,但是,實際屏蔽體總是會有導線穿過,如果沒有對這些導線進行妥善的處理(屏蔽和濾波),這些導線會極大的降低屏蔽體屏蔽效能,妥善處理導線是屏蔽設計中的重要內容之一。
(3)屏蔽體材料選擇兼顧導電性和導磁性
材料的導電性和導磁性越好,屏蔽效能越高。但實際的金屬材料不可能兼顧這兩方面。例如:銅的導電性很好,但是導磁性很差;鐵的導磁性很好,但導電性較差。應該使用什么材料,根據具體屏蔽主要依賴反射損耗,還是吸收損耗來決定是側重導電性還是導磁性。頻率較低的時候,吸收損耗很小,反射損耗是屏蔽效能的主要機理,要盡量提高反射損耗。反射損耗與輻射源的特性有關,對于電場輻射源,反射損耗很大;對于磁場輻射源,反射損耗很小。因此,對于磁場輻射源的屏蔽主要依靠材料的吸收損耗,應該選用導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,對于電場輻射源,距離越近,則反射損耗越大,對于磁場輻射源,距離越近,則反射損耗越小。正確判斷輻射源的性質,決定它應該靠近屏蔽體還是遠離屏蔽體是結構設計的又一個重要內容。但頻率較高時,吸收損耗是主要的屏蔽機理,這時與輻射源是電場輻射源還是磁場輻射源關系不大。電場波是最容易屏蔽的,平面波其次,磁場波是最難屏蔽的。尤其是低頻(1kHz以下)磁場,很難屏蔽。對于低頻磁場,要采用高導磁性材料,甚至采用高導電性材料和高導磁性材料復合起來的材料。
2.3交通防電磁聲屏障設計案例說明
結合以上交通電磁的特點和防電磁聲屏障設計原則的綜合分析,并結合防護所在地的交通環境和防護目標的特殊性(軍隊衛星地球接受站),根據GB 13615-92《地球站電磁環境保護要求》及GB3096-93《城市區域環境噪聲標準》4類標準相關限制要求,我們在北京門頭溝區新南城西北環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電性和導磁性的金屬銅絲網附著在吸隔聲金屬板上制作而成。金屬銅絲網可以進行粘接、縫制,易于制成不同的幾何形狀對輻射源進行屏蔽,屏障整體采用上折角結構形式,用于消除交通對保護目標電磁和聲環境的不利影響。表1為單層銅絲網在不同頻率下的屏蔽效能,從表中可看出網孔越小、線徑越粗,電磁屏蔽越好。還可以看出,當頻率高于100MHz時,屏蔽效能開始下降,這是因為銅絲網反射信號的能力減弱。本次設計選用的是直徑為型號2的銅絲網,工程實踐表明,這類屏蔽材料組合基本合理、安裝結構形式可操作性強、實用價值高,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,能夠達到國家相關標準規定的限值要求。
單層銅絲網不同頻率下的屏蔽效能
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,鋼立柱通過預埋件與基礎栓接相連,屏障上部采用屏蔽板材與鋼立柱組裝形成框架結構,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
對于帶導電背膠的金屬絲網、直接利用背膠粘在金屬表面即可,這類背膠都具有很強的粘接力,溫度適應范圍也較大。金屬絲網的固定可采用導電雙面膠帶或導電環氧膠和硅脂導電膠等專用粘合劑進行粘貼。
(2)卡釘
用塑料或金屬卡釘(如塑料漲釘、金屬鉚釘,螺釘等)將金屬網絲、指形簧片等條狀或片狀的導電襯墊固定在屏蔽體表面。
(3)焊接
用傳統熔焊或釬焊方式,將指形簧片等金屬導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
為了充分發揮屏蔽體的屏蔽效能,在安裝時要注意保證屏蔽體之間的導電性,為此需要做到以下兩點。
(1)要保證襯墊與屏蔽體的導電接觸。安裝襯墊時除了注意接觸面的清潔外,對特殊要求的接觸面要進行表面處理,對屏蔽體上不導電的漆或涂層要加以清除,對有防腐要求的金屬屏障體可在安裝襯墊前噴涂導電保護液或導電漆,避免金屬表面在使用環境中氧化。 
(2)要滿足導電襯墊對壓力的要求。金屬螺旋管、導電橡膠等襯墊的屏蔽效能與變形、壓力之間是有一定關系的,為保證襯墊與屏蔽體的良好接觸,需要施加一定的壓力。而當壓力過大又會破壞襯墊的內部結構,使其喪失恢復形變的能力,為此需要對襯墊的壓縮進行限位,使襯墊既產生足夠變形,又維持應有的彈性。理想的限位設計應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、結語
綜上所述,我們簡單分析了“交通防電磁聲屏障”設計和安裝施工中需重點考慮的影響整體屏蔽效果的一些關鍵因素及相應的解決方法,如果能在屏蔽體的設計、施工、維護中充分地應用這些方法,交通干擾電磁和噪聲的綜合屏蔽效能一定會有較大的改進。同時,我們也要充分認識到交通電磁和噪聲屏蔽技術是一項系統工程,應該在屏蔽系統設計、施工、使用與維護的各個階段充分地進行考慮和實施才可能有效起到更優越的屏蔽效能。隨著我國交通事業發展速度越來越高,交通電磁、噪聲干擾的判別及對其抑制的問題定將日益突出,這必將成為未來社會的又一大環境熱點問題。
 
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