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交通防电磁声屏障设计与施工方法初探

1、引言
        随着我国交通事业的迅猛发展,交通电磁污染防治现在已逐渐成为继交通噪声污染防治后又一个新的社会热点。“交通防电磁声屏障”本质上就是交通电磁治理和交通噪声治理的综合屏障防护措施,并以交通电磁污染屏蔽为技术核心。
        “交通防电磁声屏障”的工作原理就是在传播路径上切断由于交通产生的干扰电磁波和交通噪声,从而消除对敏感目标的干扰。在解决交通电磁干扰和噪声问题的诸多手段中,交通防电磁声屏障是最基本和有效的技术手段,用防电磁声屏障进行屏蔽的方法解决电磁和噪声干扰问题最大好处是在不影响保护目标正常工作的情况下消除干扰,因此不需要对敏感目标做任何修改。对于交通噪声屏障防治技术我们已经研究多年,相对来说技术已相当成熟,在本文中便不再进行累述;下面,我们重点就交通电磁屏障防治技术进行一下说明。
        交通防电磁屏障技术,或称为交通电磁屏蔽技术,实际上就是在电磁波的传播途径上人为地设置一个屏障体,限制从屏蔽材料的一侧空间向另一侧空间传递电磁能量。电磁波传播到达屏蔽材料表面时,通常有3种不同机理进行衰减:一是在入射表面的反射衰减;二是未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减;三是在屏蔽体内部的多次反射衰减。电磁波通过屏蔽材料的总屏蔽效果可按下式计算:
SE = R+ A+B               ——(1)
        式中:SE为电磁屏蔽体的综合屏蔽效果,单位为dB;R为表面单次反射衰减;A为吸收衰减;B为内部多次反射衰减 (只在A<15dB情况下才有意义)。
        根据应用需要及相关法规的要求,当材料的屏蔽综合屏蔽效果SE达到30~60dB的中等屏蔽数值时,认为屏蔽有效。
        屏蔽体屏蔽效果的好坏最关键的因素是屏蔽材料的选择。性能良好的电磁屏蔽材料应具有较高的电导率及磁导率。某些金属或合金是电的良导体,如铜、铝等,对高阻抗电场有很好的屏蔽作用,但对低阻抗磁场的屏蔽却不够理想;而有些金属或合金,如铁、坡莫合金等却对低阻抗磁场有很好的屏蔽作用。为在较宽广的频率范围内都有好的屏蔽作用,屏蔽材料应是高电导率及高磁导率材料的组合。
        电磁屏蔽材料在电子工业高速发展的时代是一种防止电子污染所必需的防护性功能材料,是目前新技术发展领域中的新型化工材料。电磁金属屏蔽体通常是利用金属板(网)、金属盒(箱)、金属罩等材料形式阻止或减小电磁能量传播、是实现电磁兼容的有效方法之一;金属纤维系填充复合型屏蔽体同样具有优良的导电导磁性能,屏蔽效果高,综合性能好,安装形式灵活,是另一类很有发展前途的电磁屏蔽体形式。
        我们必须知道,尽管交通防电磁屏蔽体对于交通干扰电磁波具有良好的屏蔽效果,但如果屏蔽体的设计和施工方法不当,就会大大降低电磁屏障体整体屏蔽的效果。因此,下面结合我单位完成的“北京门头沟区新南城西北环线道路工程防电磁声屏障工程”工程案例(图1),我们对该类屏障体的设计和施工方法进行初步的探讨。 
北京门头沟区新南城西北环线道路工程防电磁声屏障工程
2、交通防电磁声屏障体设计
2.1交通电磁的特点
交通电磁干扰源主要包括交通车辆本身、车载无线通信设备以及交通相关的其它电磁源。据国内外统计数据表明,电磁波能量水平方向才有较高的传播水平,电磁波会随着距离增加而快速衰减。建筑物及树木等对电磁波有一定的阻挡作用,电磁波的垂直方向传播相对较窄,所以我们在进行交通电磁屏蔽体设计时也就与常规的声屏障设计有了共同的防护思路——重点防护水平方向的电磁能量传播。
2.2交通防电磁声屏障的设计原则
一般情况下,大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在实际工程中,要达到80dB以上的屏蔽效能是十分困难的,一般都保持在30~60dB的中等屏蔽数值之间。这是因为,屏蔽体的屏蔽效能不仅取决于构成屏蔽体的材料,而且取决于屏蔽体的结构形式。通常防电磁声屏障结构在电磁防护达到标准情况下,噪声防治水平也能达到10-15dB之间,符合国家相关防护要求。所以,我们在进行电磁声屏障屏蔽体设计时首先要考虑满足电磁屏蔽的基本要求,基本的设计原则如下:
(1)屏蔽体的导电连续性
 整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。这一点在实现起来十分困难。因为一个完全封闭的屏蔽体是没有任何实用价值。一个实用的屏蔽体必然会有很多孔缝,如显示口、安装各种调节杆的开口、不同部分结合的缝隙等,由于这些导致导电不连续的因素存在,如果设计人员在设计时没有考虑如何处理,屏蔽体的屏蔽效能往往很低,甚至没有屏蔽效能。
(2)不能有直接穿过屏蔽体的导体
一个屏蔽效能再高的屏蔽体,一旦有导线直接穿过屏蔽体,其屏蔽效能就会损失99.9% (60dB)以上,但是,实际屏蔽体总是会有导线穿过,如果没有对这些导线进行妥善的处理(屏蔽和滤波),这些导线会极大的降低屏蔽体屏蔽效能,妥善处理导线是屏蔽设计中的重要内容之一。
(3)屏蔽体材料选择兼顾导电性和导磁性
材料的导电性和导磁性越好,屏蔽效能越高。但实际的金属材料不可能兼顾这两方面。例如:铜的导电性很好,但是导磁性很差;铁的导磁性很好,但导电性较差。应该使用什么材料,根据具体屏蔽主要依赖反射损耗,还是吸收损耗来决定是侧重导电性还是导磁性。频率较低的时候,吸收损耗很小,反射损耗是屏蔽效能的主要机理,要尽量提高反射损耗。反射损耗与辐射源的特性有关,对于电场辐射源,反射损耗很大;对于磁场辐射源,反射损耗很小。因此,对于磁场辐射源的屏蔽主要依靠材料的吸收损耗,应该选用导磁率较高的材料做屏蔽材料。反射损耗还与屏蔽体到辐射源的距离有关,对于电场辐射源,距离越近,则反射损耗越大,对于磁场辐射源,距离越近,则反射损耗越小。正确判断辐射源的性质,决定它应该靠近屏蔽体还是远离屏蔽体是结构设计的又一个重要内容。但频率较高时,吸收损耗是主要的屏蔽机理,这时与辐射源是电场辐射源还是磁场辐射源关系不大。电场波是最容易屏蔽的,平面波其次,磁场波是最难屏蔽的。尤其是低频(1kHz以下)磁场,很难屏蔽。对于低频磁场,要采用高导磁性材料,甚至采用高导电性材料和高导磁性材料复合起来的材料。
2.3交通防电磁声屏障设计案例说明
结合以上交通电磁的特点和防电磁声屏障设计原则的综合分析,并结合防护所在地的交通环境和防护目标的特殊性(军队卫星地球接受站),根据GB 13615-92《地球站电磁环境保护要求》及GB3096-93《城市区域环境噪声标准》4类标准相关限制要求,我们在北京门头沟区新南城西北环线道路工程防电磁声屏障工程中选用的屏蔽材料为具有较高导电性和导磁性的金属铜丝网附着在吸隔声金属板上制作而成。金属铜丝网可以进行粘接、缝制,易于制成不同的几何形状对辐射源进行屏蔽,屏障整体采用上折角结构形式,用于消除交通对保护目标电磁和声环境的不利影响。表1为单层铜丝网在不同频率下的屏蔽效能,从表中可看出网孔越小、线径越粗,电磁屏蔽越好。还可以看出,当频率高于100MHz时,屏蔽效能开始下降,这是因为铜丝网反射信号的能力减弱。本次设计选用的是直径为型号2的铜丝网,工程实践表明,这类屏蔽材料组合基本合理、安装结构形式可操作性强、实用价值高,而且电磁和噪声屏蔽效果比较明显。其中交通干扰电磁综合屏蔽效能在30dB以上,降噪效果10dB以上,能够达到国家相关标准规定的限值要求。
单层铜丝网不同频率下的屏蔽效能
3、交通防电磁声屏障体的安装
交通防电磁声屏蔽体的类型和使用场合不同,选用的安装方法也不尽相同。防电磁声屏蔽体整体安装与通常的声屏障安装施工程序大致相同,钢立柱通过预埋件与基础栓接相连,屏障上部采用屏蔽板材与钢立柱组装形成框架结构,值得注意的是电磁屏蔽材料的固定方式和屏障体的整体接地是与通常声屏障施工方法不同的。此次电磁屏蔽材料的固定方式采用的是吸隔声金属板表面附着安装形式。
3.1表面附着安装的流程
(1)粘贴
对于带导电背胶的金属丝网、直接利用背胶粘在金属表面即可,这类背胶都具有很强的粘接力,温度适应范围也较大。金属丝网的固定可采用导电双面胶带或导电环氧胶和硅脂导电胶等专用粘合剂进行粘贴。
(2)卡钉
用塑料或金属卡钉(如塑料涨钉、金属铆钉,螺钉等)将金属网丝、指形簧片等条状或片状的导电衬垫固定在屏蔽体表面。
(3)焊接
用传统熔焊或钎焊方式,将指形簧片等金属导电衬垫固定在金属屏蔽体表面,便于留出整体屏障接地引线口。
3.2安装的注意事项
为了充分发挥屏蔽体的屏蔽效能,在安装时要注意保证屏蔽体之间的导电性,为此需要做到以下两点。
(1)要保证衬垫与屏蔽体的导电接触。安装衬垫时除了注意接触面的清洁外,对特殊要求的接触面要进行表面处理,对屏蔽体上不导电的漆或涂层要加以清除,对有防腐要求的金属屏障体可在安装衬垫前喷涂导电保护液或导电漆,避免金属表面在使用环境中氧化。 
(2)要满足导电衬垫对压力的要求。金属螺旋管、导电橡胶等衬垫的屏蔽效能与变形、压力之间是有一定关系的,为保证衬垫与屏蔽体的良好接触,需要施加一定的压力。而当压力过大又会破坏衬垫的内部结构,使其丧失恢复形变的能力,为此需要对衬垫的压缩进行限位,使衬垫既产生足够变形,又维持应有的弹性。理想的限位设计应将衬垫的变形控制在屏蔽效能的最小变形和保持弹性的最大变形之间。
 
4、结语
综上所述,我们简单分析了“交通防电磁声屏障”设计和安装施工中需重点考虑的影响整体屏蔽效果的一些关键因素及相应的解决方法,如果能在屏蔽体的设计、施工、维护中充分地应用这些方法,交通干扰电磁和噪声的综合屏蔽效能一定会有较大的改进。同时,我们也要充分认识到交通电磁和噪声屏蔽技术是一项系统工程,应该在屏蔽系统设计、施工、使用与维护的各个阶段充分地进行考虑和实施才可能有效起到更优越的屏蔽效能。随着我国交通事业发展速度越来越高,交通电磁、噪声干扰的判别及对其抑制的问题定将日益突出,这必将成为未来社会的又一大环境热点问题。
 
参考文献:
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[4] 刘文珊.注重电磁辐射对居住环境的污染[J].武汉建设,2005.
[5] 冯恩信.电磁场与电磁波[M].西安:西安交通大学出版社.


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